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.

Für erste Vorversuche an einem Dummy-Bauteil der Batteriewanne verwendete KADIA einen bereits in der Fertigung vorhandenen Rundplattenfräser. Das Werkzeug erwies sich als völlig ungeeignet für die Aufgabe. Die auftretenden Schwingungen waren so stark, dass sogar die Bearbeitungsspindel Schaden nahm. Selbst bei niedrigen Schnittwerten machte sich die Geräuschkulisse beim Fräsen noch im Nebengebäude störend bemerkbar. 

Wegen eines geeigneten Fräsers für das Aluminiumgehäuse wurde MAPAL als Problemlöser gewählt. „Wir informieren uns im Vorfeld, bei welchem Werkzeughersteller wir das Potenzial für eine Zusammenarbeit sehen“, berichtet Jannik Weiss. Zwar fokussiert man sich bei KADIA zunächst auf Standardwerkzeuge, doch war es durchaus ein Pluspunkt für MAPAL, dass der Werkzeughersteller bei Bedarf Sonderwerkzeuge entwickelt. 

Norbert Meier wollte dem Kunden mit dem zweiten Fräser eine Alternative aufzeigen, hatte mit diesem Ergebnis aber gerechnet. „Unseren FlyCutter haben wir ganz speziell für derartige Anforderungen im Portfolio“, erläutert er. MAPAL hat das leichte Werkzeug gezielt für labile Voraussetzungen in der Bearbeitung entwickelt, wie sie bei Roboteranwendungen auftreten. Er ist optimiert für kleine Schnittstellen wie etwa BT30. Das innovative Design und der Einsatz von Aluminium sorgen für ein besonders geringes Gewicht des Fräskopfes. Mit dem bei KADIA verwendeten Durchmesser von 63 Millimetern wiegt der PKD-Fräskopf inklusive der Fräseinsätze gerade mal 220 Gramm.

Die feinfühlige Keiljustierung ermöglicht die μm-genaue Einstellung der Fräseinsätze. Die Schwalbenschwanzführung und eine zusätzliche Wurmschraube sorgen für einen perfekten Sitz und eine hohe Wiederholgenauigkeit bei der Montage der Fräseinsätze. Durch die spezielle, hochpositive Schneidengeometrie wirken nur geringe Kräfte auf das Bauteil und die vom Roboter geführte Werkzeugspindel. 

Bei der Bearbeitung der Batteriewanne kommt es auf Oberflächengenauigkeit im mµ-Bereich nicht an, im Gegenteil: Damit das vom Automobilhersteller aufzubringende Dichtmittel besser hält, war sogar eine gewisse Rauigkeit der Oberfläche gewünscht. Nur die Welligkeit durfte nicht zu groß werden. In den Versuchen wurde der Fräser über das Limit hinaus bewegt, um festzustellen, bis zu welchem Punkt entstehende Rattermarken an dem relativ dünnen Bauteil noch innerhalb der verlangten Toleranz liegen.

“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.