Wirtschaftliches Bearbeiten mit Robotern

Die Unternehmensgeschichte der KADIA Produktion GmbH + Co in Nürtingen begann 1959 mit der Herstellung von Honwerkzeugen. Zehn Jahre später wurden die ersten Honmaschinen entwickelt. Einen weiteren Geschäftszweig erschloss sich das Unternehmen seit 1981 mit der Herstellung von Entgratmaschinen. Heute gehört KADIA zu den führenden Spezialisten für Hon- und Entgrattechnologie und beschäftigt aktuell 200 Mitarbeiter. 

Kunden sind vor allem Automobilhersteller und Zulieferer, Hersteller von Bau- und Agrarmaschinen oder Windkraftanlagen sowie der Flugzeugbau. Während der Hersteller für das Honen Standardmaschinen in verschiedenen Größen anbietet, werden für das Entgraten grundsätzlich Sondermaschinen gebaut. Zum Kundenkreis gehören auch große Maschinenhersteller, die KADIA als Entgratexperte mit an Bord holen.

Bei der mechanischen Bearbeitung unterscheidet man zwischen losen und festen Graten. Nach dem Entgraten soll das Bauteil je nach Anforderung scharfkantig, mit Kantenverrundung oder mit einer Fase ausgestattet sein, weshalb hier auch von Kantendesign gesprochen wird. Zur Beurteilung eines losen Grats setzt KADIA einen ebenso simplen wie aussagkräftigen Test ein, für den die um fünf Millimeter ausgefahrene Mine eines Druckbleistifts dient. Kann der Grat damit entfernt werden, ist er lose. Bricht die Mine ab, hat man es mit einem festen Grat zu tun, der je nach Anforderung weggefräst werden muss oder stehen bleiben darf, da er sich später nicht löst.

Für die Bearbeitung mit einem Roboter ist auch die Größe des Werkstücks entscheidend. Bei kleineren Bauteilen wird die Führung des Werkstücks favorisiert. Der Roboter fährt dabei das Werkstück an fest montierten Bearbeitungseinheiten entlang. Bei einer Werkzeug-geführten Strategie bearbeitet der Roboterarm ein fest eingespanntes Werkstück. „Bei großen Werkstücken bin ich mit dem Fräser in der Hand wesentlich geschickter, als wenn ich das sperrige Teil bewegen muss“, erläutert Jannik Weiss, Vertrieb Entgratmaschinen bei KADIA.

Kernstück der Entwicklung bei KADIA ist eine fünf mal sechs Meter große Versuchszelle mit einem Sechs-Achs-Industrieroboter und einer Schnellwechseleinheit. Hier kann der Prozess der späteren Anlage bereits getestet werden. Vorversuche ermitteln die optimalen Schnittdaten und prüfen die Stabilität. In der Zelle befinden sich 15 einwechselbare Einheiten, auf neun davon hat der Roboter einen automatisierten Zugriff mit einem Aktionsradius von 2,70 m. Eine Einheit stellt eine bestimmte Funktion dar, die für die Bearbeitung eines Bauteils gebraucht wird. Typischerweise besteht sie aus einer Motorspindel mit Schnittstelle und einem Zerspanungswerkzeug.

Ein Rundtisch als siebte Achse gehört ebenfalls zur Ausstattung der Versuchszelle, die zudem über genügend Freiraum verfügt, um weitere Anlagen, wie etwa eine Kühlmittelversorgung oder zusätzliche Prozesseinheiten unterbringen zu können. Oft sind bei KADIA gleich mehrere Teile für verschiedene Versuche in der Zelle gerüstet.

For initial preliminary tests on a dummy part for the battery tray, KADIA used a round-insert milling cutter already in stock in. The tool proved wholly unsuitable for the task. The vibrations that occurred were so severe that even the processing spindle was damaged. Even with low cutting values, the background noise during milling was still noticeable in the adjacent building.

With the task to deliver a suitable milling cutter for the aluminium housing, MAPAL was chosen as the partner of choice. “We evaluate in advance in which tool manufacturer we see the potential for cooperation,” says Jannik Weiss. Although KADIA initially focuses on standard tools, it was a major plus for MAPAL that the tool manufacturer produces custom tools where necessary.

But Norbert Meier, who wanted to show the customer an alternative with the second milling cutter, had reckoned with this outcome. “We specially developed our FlyCutter for requirements like these,” he explains. MAPAL developed the lightweight tool specifically for unstable machining requirements that occur in robot applications. It is optimised for small connections such as BT30. The innovative design and use of aluminium ensure the milling head is particularly lightweight. With the diameter of 63 millimetres used at KADIA, the PCD milling head, including milling inserts, weighs just 220 grams.

The sensitive wedge adjustment make µ-precise adjustment of the milling inserts possible. The dovetail guide and an additional worm screw ensure perfect seating and high accuracy of repetition for the assembly of the milling inserts. The special, ultra-positive cutting edge geometry means only weak forces are applied to the part and the tool spindle guided by the robot.

When machining the battery tray, accuracy down to the µm is not required. In fact, to ensure the sealant applied by the automotive manufacturer holds better, a certain rawness of the surface is needed. Only the waviness must not be too high. In the tests, the milling cutter was moved beyond the limit to determine up to which point chatter marks on the relatively thin part still lay within the required tolerance.

“The crux of robot processing is the interplay between tool, fixture and robot,” explains Norbert Meier. Rigidity is a fundamental issue in machining. The further the robot arm extends, the more unstable the machining. That’s why KADIA doesn’t just test various cutting data, but also various positions for the robot, in front of or beside the workpiece.

In this case, the partners determined that the optimum cutting data for a spindle speed of 11,000 rpm was a feed of 0.16 m/s and material removal rate of 0.5 mm. The FlyCutter reliably delivered very good surface quality. KADIA incorporated this test data into the concept for the custom machine. The manufacturer therefore determined that the use of three robots in one cell would be the most cost-efficient solution for series production. While two share machining on the front side, the third works on the rear. In addition to the cutting data, KADIA delivers the customer with the duration of the machining steps and the cycle time that can be achieved. Accordingly, deburring a large battery tray will take around 80 seconds. “In a robot process, such process information on cutting data is not as standard as for a CNC machine. Depending on the robot’s positioning, the same data generates different results,” says Jannik Weiss.

Due to the thoroughly positive results, KADIA and MAPAL wish to deepen their cooperation. Further testing for various machining processes is already planned.