DE19623148C2

DE19623148C2 - Verfahren und Anlage zur Herstellung oder Aufarbeitung von dreidimensionalen, metallischen Hohlformen

Info

Publication number: DE19623148C2
Application number: DE1996123148
Authority: DE
Inventors: Egon Dr Ambaum; Bruno Weiler; Stefan Dr Jungfleisch; Dieter Dr Wuestenberg
Original assignee: Carl Dan Peddinghaus GmbH and Co KG
Current assignee: Carl Dan Peddinghaus GmbH and Co KG
Priority date: 1996-06-10
Filing date: 1996-06-10
Publication date: 1998-04-09
Anticipated expiration: 2016-06-11
Also published as: DE19623148A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung oder Aufarbeitung von dreidimensionalen, metallischen Hohlformen, insbesondere Gesenken, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens, gemäß den Merkmalen im Anspruch 14.

Die zur Herstellung von Gesenkschmiedeteilen eingesetzten Werkzeuge, die sogenannten Schmiedegesenke, unterliegen während ihres Einsatzes in der Schmiede großen Beanspruchungen. Grund dafür sind sowohl die auftretenden Umformtemperaturen, die bei dem verwendeten Werkstoff Stahl bei etwa 1250°C liegen, als auch Reibung und Verschleiß. Aufgrund der hohen Fertigungskosten für die Werkzeuge müssen die Gesenke deshalb mehrmals wiederaufgearbeitet, "regeneriert" werden.

Es ist aus dem Artikel "Schweißtechnische Möglichkeiten zur Instandsetzung und Standzeiterhöhung von Schmiedegesenken" von J. Ruge und M. Schulz (wt-Zeitschrift für industrielle Fertigung, 76 (1986), Seite 655 bis 658) bekannt, diese Bearbeitung durch manuelles Auftragschweißen durchzuführen. Die Gravur des Schmiedegesenkes wird hierzu zunächst - meist mit dem Verfahren des Lichtbogen-Fugenhobelns - manuell großvolumig ausgeräumt und danach, ebenfalls manuell, wieder mit meist artgleichem Schweißzusatzwerkstoff füllgeschweißt.

Bei der anschließend erforderlichen Fertigbearbeitung der Schmiedegesenke wird zumeist nach einem konventionellen Fräsvorgang das Verfahren des doppelkanaligen Planetär-Ero dierens eingesetzt. Der konventionelle Fräsvorgang dient der Verringerung der für die Endbearbeitung notwendigen Erodierzeiten.

Auch bei der Neuerstellung von Gesenken wird die beschriebene Vorgehensweise angewendet, wobei bei geeigneter Herstellung des Gesenkblocks das manuelle Ausräumen der Gravur entfällt.

Dieses bekannte Verfahren weist im wesentlichen die im folgenden beschriebenen Nachteile auf.

Das manuelle Auftragschweißen von Schmiedegesenken ist für den ausführenden Schweißer mit großen Belastungen verbunden. Z.B. tritt eine große Wärmebelastung auf, da die Gesenke aus metallurgischen Gründen auf 450°C vorgewärmt werden müssen. Darüber hinaus wird der Arbeiter aber auch durch Lärm, Schweißrauch und UV-Strahlung stark belastet. Diese Belastungen können einerseits sehr leicht zu Fehlern während des Schweißprozesses führen, die große Auswirkungen auf die Qualität der Gesenke und damit auch auf die Werkzeugkosten haben. Andererseits können gesundheitliche Beeinträchtigungen der ausführenden Schweißer verursacht werden. Darüber hinaus sind die erzielten Arbeitsergebnisse in großem Maße vom ausführenden Werker abhängig und nur in geringem Maße reproduzierbar.

Für die funkenerosive Endbearbeitung der Gesenke müssen zunächst in einer sehr zeit- und kostenintensiven Fertigungsfolge Erodierelektroden hergestellt werden, erst danach kann die eigentliche Bearbeitung des Werkstückes stattfinden. Aufgrund der großen Menge an Schweißzusatzwerkstoff, die während des manuellen Füllschweißens aufgrund des im vorhergehenden großvolumigen Ausräumens eingebracht wird, müssen die so bearbeiteten Gesenke frästechnisch vorbearbeitet werden, bevor sie einer funkenerosiven Bearbeitung unterzogen werden können.

Die funkenerosive Bearbeitung an sich ist wiederum sehr zeit- und kostenintensiv, wobei darüber hinaus durch den relativ großen Energiebedarf des Verfahrens, sowie die entstehenden Erodierschlämme, die als Sondermüll zu entsorgen sind, eine nicht unerhebliche Umweltbelastung verursacht wird.

Ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus dem Artikel "Werkzeuge für Gesenkschmieden" von Dr.-Ing. H. Meyer-Nolkemper (Industrie-Anzeiger 38/1987, Seite 33 bis 38) bekannt. Darin ist die Fertigung von Gesenken mittels Auftragschweißen, Fräsen und nachfolgender Randschichtbehandlung beschrieben.

Ein herkömmliches Verfahren zur Herstellung einer Werkstück-Aus sparung unter Verwendung einer elektroerosiven Bearbeitung mit den eingangs beschriebenen Nachteilen ist aus der DE 32 48 116 A1 bekannt. Das automatisierte Feinfräsen von Hohlformwerkzeugen ist ohne Kombination mit einem Auftragschweißen in dem Artikel "Automatisierte Feinbearbeitung von Hohlformwerkzeugen" von H. Weule und S. Timmermann (wt-Werkstattstechnik 80 (1990), Seite 549 bis 555) beschrieben.

Schließlich ist aus "Rechnerunterstützte Konstruktion und Fertigung im Werkzeugbau" von M. Stepper und P. Kühbauch (Werkstatt und Betrieb 120 (1987) 10, Seite CA 100 bis CA 105) die Verwendung von CAD-CAM-Daten für die Verfahrensabläufe von Stanz-Biegemaschinen bekannt. In "Ohne Holzmodell" in: Maschinenmarkt, Würzburg 99 (1993) 27, Seite 24 bis 27 und "Hochgeschwindigkeits-Fräsen im Werkzeug- und Formenbau" von Stefan Hock und Dirk Janovsky (Werkstatt und Betrieb 126 (1993) 7, Seite 371 bis 381) ist die Verwendung der CAD/CAM-Daten bei der frästechnischen Bearbeitung beschrieben. Für die Kombination mit einer Bearbeitung durch Auftragschweißen eignen sich die beschriebenen Verfahren jedoch nicht.

Aufgrund der Nachteile bekannter Verfahren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Verbesserung der Gesenkqualität sowie zur Verringerung der Belastung der ausführenden Arbeiter vorzusehen, sowie eine dafür entsprechende Anlage bereitzustellen.

Weitere Aufgaben der Erfindung liegen in der Erhöhung der Wirtschaftlichkeit der Gesenkfertigung, der Verringerung des Zeitaufwandes sowie in der Verringerung der auftretenden Umweltbelastung.

Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung mit einem Verfahren gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Demzufolge wird zunächst zur spanenden Bearbeitung der zu bearbeitenden Hohlform ein CNC-Programm erstellt. Nachfolgend wird mit Hilfe eines Zerspanungssimulationssystems anhand des CNC-Programmes aus dem Schritt (a) unter Verwendung von vergrößerten Werkzeugen eine schweißfreundliche Geometrie erstellt, die in dem Zerspanungssimulationssystem gespeichert wird. Dann wird ein CNC-Programm für die zerspanende Einbringung der schweißfreundlichen Geometrie in die zu bearbeitende Hohlform ausgearbeitet. Anschließend findet bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Vorbearbeitung der zu bearbeitenden Hohlform mit einem zerspanenden Verfahren mit definierter Schneide unter Verwendung einer CNC-Maschine statt.

Gegenüber dem bekannten Vorgehen zum Ausräumen der Hohlform mit Hilfe des Lichtbogen-Fugenhobelns ergibt sich der Vorteil, daß durch die Verwendung eines Spanverfahrens mit definierter Schneide eine präzisere Vorbearbeitung der Hohlform möglich ist. Insbesondere kann erreicht werden, daß das spanend abzunehmende Volumen geringgehalten und so bemessen werden kann, daß der Aufwand für das nachfolgende Auftragschweißen minimiert wird. Außerdem ist es möglich, daß die Fräsbearbeitung zur Vorbereitung der Hohlform eine Geometrie in der Hohlform erzeugt, die besonders gut für das nachfolgende Auftragschweißen geeignet ist.

Ferner kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens die Menge an eingebrachtem Schweißzusatzwerkstoff durch den Einsatz des konturnahen Schweißens deutlich verringert werden. Darüber hinaus wird die Wirtschaftlichkeit bei der Herstellung und Aufarbeitung von metallischen Hohlformen dadurch erhöht, daß die mechanische Endbearbeitung in einem Verfahrens schritt durch ein zerspanendes Verfahren mit definierter Schneide stattfindet. Dadurch entfällt zum einen die zur funkenerosiven Fertigbearbeitung bisher notwendige Vorbearbeitung der Hohlform durch Fräsen. Zum anderen kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die funkenerosive Bearbeitung vollständig ersetzt werden. Dies ist insofern vorteilhaft, als dadurch die Erodierelektroden eingespart werden können, und der Zeit- und Kostenaufwand sinkt, da dieser im Rahmen der Endbearbeitung durch Fräsen geringer ausfällt als bei dem bekannten Funkenerodieren. Auch die Entsorgungsprobleme, die bei der Bearbeitung durch Funkenerosion entstehen, werden durch das erfindungsgemäße Verfahren gelöst.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens finden sich in den Ansprüchen 2 bis 13.

Das in Anspruch 2 beschriebene Vorgehen im Rahmen der definierten Wärmebehandlung gemäß Verfahrensschritt (g) hat sich als besonders günstig für die Wärmebehandlung der mit der Auftragschweißung versehenen Hohlform erwiesen.

Im Rahmen des Verfahrensschritts (d) zur Vorbearbeitung des Werkstückrohlings bzw. der aufzuarbeitenden Hohlform wird eine CNC-Fräsmaschine eingesetzt. In vorteilhafter Weise wird vor der Durchführung der Vorbearbeitung mit Hilfe einer dreidimensionalen Frässoftware ein CNC-Programm zur frästechnischen Bearbeitung des Werkstückblocks auf Basis von aus der Konstruktion vorliegenden CAD-Daten der fertigen Hohlform erstellt. Auf diese Weise kann erreicht werden, daß die Geometriedaten der Hohlform für die Fräsbearbeitung nicht neu erstellt werden müssen, sondern anhand der vorhandenen CAD-Daten generiert werden. Die CAD-Daten werden im Rahmen der Konstruktion des Endprodukts und der für die Herstellung erforderlichen Hohlformen ohnehin generiert und können durch die beschriebene Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft für die Erstellung des CNC-Programms für die Vorbearbeitung durch Fräsen mit einer CNC-Fräsmaschine verwendet werden.

Erfindungsgemäß wird das CNC-Programm derart ausgeführt, daß in der zu bearbeitenden Hohlform eine sogenannte schweißfreundliche Geometrie entsteht. Dies wird dadurch erreicht, daß in einem Zerspanungssimulationssystem die Berechnung der Geometrie anhand von Werkzeugen erfolgt, die bezüglich der für die Erstellung der Endform erforderlichen Werkzeuge vergrößert sind. Somit werden die gemäß dem CNC-Programm zur Endbearbeitung der Hohlform verwendeten Werkzeuge rechnerisch insbesondere bezüglich ihrer Durchmesser und Längen vergrößert, so daß das Zerspanungssimulationssystem eine Geometrie berechnet, die einer vergrößerten Hohlform in dem Werkstückblock entspricht. Die erzeugte schweißfreundliche Geometrie wird in geeigneter Form in dem Zerspanungssimulationssystem gespeichert. Nachfolgend wird ein neues CNC-Programm für die frästechnische Einbringung der schweißfreundlichen Geometrie in den Werkstückblock erstellt. Dies wird mit Hilfe der automatischen, dreidimensionalen Frässoftware durchgeführt. Nachfolgend wird im Rahmen der Vorbearbeitung der Hohlform eben diese, gegenüber der endgültigen Gestaltung der Hohlform vergrößerte Geometrie in den Werkstückblock eingebracht. Diese Bearbeitung erfolgt mit der CNC-Fräsmaschine anhand des CNC-Programms für die Einbringung der schweißfreundlichen Geometrie.

Es hat sich herausgestellt, daß mit der vergleichsweise einfachen Maßnahme der Vergrößerung der für die Berechnung verwendeten Werkzeuge eine Geometrie für die frästechnische Vorbearbeitung erzeugt werden kann, die für das nachfolgende Schweißen außerordentlich gut geeignet ist und eine gute Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse ermöglicht.

Für die Ausführung des Auftragschweißens wird die Verwendung zumindest eines Schweißroboters bevorzugt. Die Verwendung von Schweißrobotern ist insbesondere in Verbindung mit der schweißfreundlichen Geometrie vorteilhaft, weil dadurch eine gute Reproduzierbarkeit der Schweißergebnisse gewährleistet werden kann. Außerdem können durch die Verwendung von Schweißrobotern jegliche Fehler, die beim Schweißen von Hand aufgrund der hohen körperlichen Belastung des Schweißers während des Schweißprozesses entstehen, eliminiert werden. Ferner können die gesundheitlichen Belastungen, denen die Schweißer beim manuellen Auftragschweißen bislang unterlagen, deutlich vermindert werden.

Es wird außerdem bevorzugt, auch für das Auftragschweißen mit Hilfe von Schweißrobotern bereits vorhandene Geometriedaten zu nutzen. Insbesondere erfolgt vor dem Auftragschweißen mittels eines Schweißroboters die Erstellung eines Roboterprogramms zum konturnahen Auftragschweißen der Hohlform mit Hilfe eines Robotersimulationssystems. Im einzelnen wird das CAD-Modell der schweißfreundlichen Geometrie an das Robotersimulationssystem übergeben. Nachfolgend wird das CAD-Modell in Schnitte beliebiger, aber konstanter Ausrichtung anhand von Benutzervorgaben unterteilt. Schließlich ermittelt das Robotersimulationssystem den Benutzervorgaben korrespondierend die von dem Roboter zu schweißenden Bahnen und belegt diese Bahnen mit entsprechenden Bahnpunkten und der für den Schweißprozeß notwendigen Orientierung der Bahnpunkte.

Durch das beschriebene Vorgehen kann in vorteilhafter Weise ein Robotersimulationssystem zusammen mit dem Zerspanungssimulationssystem automatisch ein Roboterprogramm erstellen, dessen Abarbeitung mit einer hohen Reproduzierbarkeit die Durchführung des Auftragschweißens im Rahmen des Verfahrensschritts (f) des erfindungsgemäßen Verfahrens gewährleistet. Auch bei dieser bevorzugten Ausführungsform zeigt sich deutlich die Minimierung der erzeugenden Datensätze, da wiederum vorhandene Daten des CAD-Modells für die Erstellung des Roboterprogramms verwendet werden.

Bevorzugt sind folglich die einzelnen zur Durchführung des Verfahrens verwendeten Komponenten, insbesondere das CAD-System, die automatische, dreidimensionale Frässoftware, das Zerspanungssimulationssystem, das Robotersimulationssystem, die CNC-Fräsmaschine und die Roboteranlage datentechnisch miteinander verbunden. Durch diese Verbindung erfolgt in vorteilhafter Weise eine Verknüpfung von teilweise bekannten Verfahren und Systemen zu einem hochautomatisierten und deshalb reproduzierbar und rationell arbeitenden Verfahren zur Herstellung und Aufbereitung von metallischen Hohlformen. Somit entfaltet die Kombination der einzelnen Verfahrensschritte und die datentechnische Verknüpfung der einzelnen Komponenten, die insbesondere durch einen Zellrechner erfolgen kann, eine besonders vorteilhafte Wirkung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens. Für die Übergabe der Daten zwischen dem CAD-System, der Frässoftware und dem Zerspanungssimulationssystem werden bevorzugt das Datenformat IGES und das Datenformat VDA-FS verwendet.

Für die Anwendung des hochautomatisierten erfindungsgemäßen Verfahrens hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Werkstücke zum konturnahen Auftragschweißen auf Werkstückmanipulatoren, vorzugsweise Drehkippmodulen, zu fixieren. Insbesondere können derartige Werkstückmanipulatoren in vorteilhafter Weise mit einer Schweißroboteranlage kombiniert werden, die aus einem an einer Roboterdreheinrichtung mit integrierter Schweißrauchabsaugung hängend angeordneten sechsachsigen Vertikal-Knickarmroboter besteht. In diesem Fall ist es vorteilhaft, zwei Drehkippmodule unter einem Winkel von etwa 90° zueinander anzuordnen. Mit der beschriebenen Anlage wurde in Versuchen eine besonders günstige Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens festgestellt.

Für die Durchführung der konturnahen Auftragschweißung hat sich ferner die Verwendung eines Metall-Aktiv gas-Schweißverfahrens erwiesen. In Anspruch 10 sind darüber hinaus vorteilhafte Fülldrähte beschrieben, mit denen bei Versuchen besonders gute Ergebnisse erzielt wurden.

Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es vorteilhaft sein, einen programmgesteuerten Wechsel des zu verschweißenden Zusatzwerkstoffes durchzuführen. Dieser kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens mit Hilfe eines Brennerwechselsystems mit vorzugsweise drei Wechselstationen erfolgen.

Es kann ferner vorteilhaft sein, die Abarbeitung des Schweißprogramms während der Durchführung des Verfahrens laufend an vorliegende Werkstücktemperaturen anzupassen. Für diesen Zweck ist es vorteilhaft, wenn während des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Widerstandserwärmungsanlage eine Rückmeldung der vorliegenden Werkstücktemperaturen an die Robotersteuerung durchführt.

Für die mechanische Endbearbeitung der Hohlform mit einem zerspanenden Verfahren mit definierter Schneide hat sich ein Hochgeschwindigkeitsfräsverfahren (sogenanntes HSC-Verfahren) als vorteilhaft erwiesen. Für die Durchführung dieses Verfahrensschrittes wird vorzugsweise das CNC-Programm verwendet, das die Frässoftware auf Basis vorliegender CAD-Daten erstellt hat. Der Fertigbearbeitung des Werkstücks kann ein konventioneller Schruppvorgang vorgeschaltet sein.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Anlage vorgestellt, die insbesondere für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist.

Eine derartige Anlage weist die Merkmale des Anspruchs 14 auf. Demzufolge sind die Komponenten der erfindungsgemäßen Anlage ein CAD-System, ein Zerspanungssimulationssystem, ein Robotersimulationssystem, eine CNC-Fräsmaschine und eine Schweißroboteranlage. Mit Hilfe dieser Kombination und Vernetzung von zum Teil bekannten Komponenten kann erfindungsgemäß eine Anlage geschaffen werden, mit deren Hilfe eine hochautomatisierte, rationelle, umwelt- und gesundheitsfreundliche Herstellung und Aufarbeitung von metallischen Hohlformen möglich ist. Wie erwähnt, kann durch die Verwendung der CNC-Fräsmaschine die aufwendige und umweltbelastende funkenerosive Bearbeitung entfallen. Die Schweißroboteranlage führt in vorteilhafter Weise zu exakten und reproduzierbaren Schweißergebnissen und verbessert dadurch deutlich das üblicherweise fehlerbehaftete Ergebnis einer manuellen Schweißung. Darüber hinaus können gesundheitliche und körperliche Belastungen der Schweißer vermieden werden. Darüber hinaus kann durch die erfindungsgemäße Anlage eine vorteilhafte Verknüpfung mehrerer Simulationssysteme erreicht werden, die auf gemeinsame Daten zugreifen können und somit eine wirtschaftliche Produktion und Aufbereitung von metallischen Hohlformen ermöglichen.

Vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anlage finden sich in den weiteren Ansprüchen.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, eine Einheit, vorzugsweise einen Zellrechner, vorzusehen, durch welchen die Komponenten der Anlage datentechnisch miteinander verbunden sind. Durch diese Maßnahme entsteht eine Fertigungszelle, mit deren Hilfe bei einem hohen Automatisierungsgrad und einer stark reduzierten Zahl von Fehlerquellen infolge der durchgängigen Nutzung der CAD-Daten eine Bearbeitung von metallischen Hohlformen erfolgen kann.

Für die Ausführung der Schweißroboteranlage wird die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschriebene Ausbildung mit einem sechsachsigen Vertikal-Knickarmroboter und zwei Drehkippmodulen bevorzugt.

Ferner hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Drehkippmodule mit einer Mediendurchführung auszustatten, welche die für eine zweckmäßige Wärmeführung notwendigen Versorgungs- und Meßleitungen aufnimmt. Durch die Aufnahme dieser Einrichtungen in den Drehkippmodulen ergibt sich eine kompakte Bauweise. Ferner kann mit dieser Ausführungsform eine gute Wärmeerfassung erfolgen.

Bevorzugt wird die Wärmeführung während des Schweißvorgangs durch Widerstands-Heizelemente bewerkstelligt, die in Aufnahmevorrichtungen für die Werkstücke ausgebildet sind. Die Aufnahmevorrichtungen sind mit einer Wärmedämmung gegen die Drehkippmodule versehen. Durch diese Anordnung kann eine vorteilhafte Wärmeführung von den zu bearbeitenden Werkstücken bei einem gleichzeitigen Schutz der Drehkippmodule erfolgen.

Für die Positionierung der Werkstücke auf den Aufnahmevorrichtungen haben sich zwei Bolzen als geeignet herausgestellt. Dadurch kann eine in vorteilhafter Weise reproduzierbare Anordnung der Werkstücke erreicht werden.

In verschiedenen Anwendungsfällen kann es vorteilhaft sein, gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Werkstücke zur Vermeidung von Wärmeverlusten mit einer Wärmedämmung auf die Aufnahmevorrichtungen aufzuspannen.

Es wird ferner bevorzugt, ein Brennerwechselsystem mit vorzugsweise drei Wechselstationen vorzusehen, das einen programmgesteuerten Wechsel des zu verschweißenden Schweißzusatzwerkstoffes ermöglicht. Durch diese bevorzugte Ausführungsform wird eine besonders gute Anpassung des verwendeten Stoffes an die jeweiligen Bedingungen erreicht.

Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, in der erfindungsgemäßen Anlage eine Widerstandserwärmungsanlage vorzusehen, die über eine Rückmeldung der vorliegenden Werkstücktemperaturen an die Robotersteuerung die Abarbeitung des Schweißprogramms beeinflussen kann. Durch die Erfassung und Übermittlung der an dem Werkstück herrschenden Bedingungen wird durch diese bevorzugte Ausführungsform ein besonders gutes Ergebnis bei der Herstellung und Aufarbeitung von metallischen Hohlformen im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens erreicht.

Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren rein beispielhaft anhand der Herstellung eines Schmiedegesenks für einen Achsschenkel beschrieben.

Um die schweißfreundliche Geometrie erzeugen zu können, wird für die Soll-Geometrie anhand der CAD-Daten für das Gesenk ein Fräsprogramm mit Hilfe der automatischen dreidimensionalen Frässoftware für ein Werkzeug mit einem Schneidendurchmesser von 32 mm und einem Eckenradius von 8 mm ein Fräsprogramm erstellt. Dieses Fräsprogramm wird in das graphische Zerspanungssimulationssystem geladen. Innerhalb dieses Systems wird dann die Geometrie berechnet werden, die bei der Ausführung des Fräsprogramms mit dem angegebenen Werkzeug entsteht.

Nun setzt man anstatt des Fräsers mit einem Durchmesser von 32 mm und einem Eckenradius von 8 mm, mit dem die Erstellung des Fräsprogrammes durchgeführt wurde, ein Werkzeug mit einem Durchmesser von 52 mm und einem Eckenradius von 8 mm ein, das gleichzeitig um 5 mm länger ist; so erhält man als Ergebnis der Simulationsrechnung eine Geometrie, die in x- und y-Richtung um 10 mm und in z-Richtung um 5 mm größer ausgeräumt wurde. Diese Geometrie ist die gewünschte "schweißfreundliche Geometrie", die in das graphische Robotersimulationssystem geladen werden kann. Auf der Basis dieser Geometrie erfolgt dann die Generierung des Roboterprogrammes.

Die schweißfreundliche Geometrie wird nun der automatischen, dreidimensionalen Software zur Verfügung gestellt. Anschließend wird ein Fräsprogramm für die frästechnische Fertigung dieser Geometrie berechnet.

Eine abgeschmiedete Gesenkhälfte wird nun auf die Fräsmaschine aufgespannt und mit Hilfe des zweiten Fräsprogrammes bearbeitet, d. h. es wird die schweißfreundliche Geometrie in den Block eingebracht.

Anschließend erfolgt die kontrollierte Vorwärmung des Gesenkblocks im Ofen. Hat das Gesenk die vorgesehene Vorwärmtemperatur erreicht, so wird es auf die Aufspannvorrichtung auf einem der beiden Drehkippmodule aufgespannt. Zwei Positionierbolzen gewährleisten hierbei jeweils die positionsgenaue, reproduzierbare Fixierung der Werkstücke in den beiden Aufnahmevorrichtungen.

Das Schweißprogramm wird nun vom Zellrechner über das Datennetzwerk in die Robotersteuerung geladen und automatisch abgearbeitet. Die Bearbeitung von 2 Gesenkblöcken kann alternierend auf den beiden Stationen der Roboteranlage durchgeführt werden. Dabei können sowohl zwei gleiche Gesenke, als auch zwei unterschiedliche Gesenke gleichzeitig bearbeitet werden. Während der Schweißung auf der einen Station kann der Bediener hierbei auf der zweiten Station rüsten oder die Schweißschlacke entfernen.

Nach dem Schweißvorgang erfolgt eine definierte Wärmebehandlung, nach dieser Wärmebehandlung der Kugelstrahlvorgang.

Mit dem zu Beginn des Herstellungs- bzw. Aufarbeitungszyklus erstellten Fräsprogramms wird nun mit Hilfe des HSC-Verfahrens die Gravur fertig gefräst. Nachfolgend erfolgt eine Randschichthärtung des fertiggefrästen Gesenkblocks mittels eines Carbonitrier-, vorzugsweise des sogenannten Tenifer-Ver fahrens. Eine Reinigung mit Hilfe eines Hochdruckreinigers schließt den Zyklus ab.

Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt die folgenden Vorteile gegenüber den bekannten Verfahren. Durch die Anwendung des Verfahrens sind sehr gut reproduzierbare Schweißungen möglich, was sich positiv auf die Qualität und die Standmengen der so hergestellten Schmiedegesenke auswirkt. Die Menge des in ein Schmiedegesenk eingebrachten Schweißzusatzwerkstoffs kann aufgrund des konturnahen Auftragschweißens mit dem Schweißroboter deutlich im Vergleich zu den manuell geschweißten Werkstücken reduziert werden. Hierdurch lassen sich nachfolgend die für die Weiterbearbeitung notwendigen Zeiten reduzieren, was sich positiv auf die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens auswirkt. Darüber hinaus wird mit der Anwendung des Verfahrens ein wesentlicher Beitrag zur Humanisierung des Arbeitsplatzes "Schweißer in der Gesenkfertigung" geleistet.

Durch den Einsatz der neuen Technologie ist eine durchgängige Nutzung der CAD-Basisdaten bei der automatisierten Herstellung von Schmiedegesenken möglich. Dadurch wird die Effizienz der Datennutzung stark erhöht, was außerdem zu einer Verringerung der möglichen Fehlerquellen bei der Roboterprogrammierung führt.

Mit Hilfe der eingesetzten HSC-Technologie können ganze Fertigungsschritte bei der Gesenkfertigung entfallen, die sehr kostenintensiv sind. Dies ist hauptsächlich die funkenerosive Bearbeitung, womit dann natürlich auch die Modellherstellung und die Schleifformenerstellung entfallen können, wodurch eine spürbare Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Gesenkfertigung realisiert werden kann.

Aufgrund der Substitution des doppelkanaligen Planetärerodierens durch die HSC-Zerspanung mit definierter Schneide kann eine entscheidende Reduzierung sowohl der entstehenden Erodierschlämme, als auch des bei der Elektrodenherstellung entstehenden Graphitstaubs verwirklicht werden. Als Fernziel kann sogar die komplette Vermeidung realisiert werden. In Verbindung mit dem geringeren Energiebedarf dieser Verfahren ist somit eine spürbare direkte und indirekte Entlastung der Umwelt möglich.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung oder Aufarbeitung von dreidimensionalen metallischen Hohlformen, insbesondere Gesenken, durch Auftragschweißen und nachfolgendem Zerspanen mit definierter Schneide, insbesondere Fräsen, gekennzeichnet durch folgende nacheinander auszuführende Schritte:

(a) Erstellung eines CNC-Programms zur spanenden Bearbeitung der zu bearbeitenden Hohlform;
(b) Erstellung einer schweißfreundlichen Geometrie mit Hilfe eines Zerspanungssimulationssystems anhand des CNC-Programms aus Schritt (a) unter Verwendung von vergrößerten Werkzeugen und Speicherung der schweißfreundlichen Geometrie in dem Zerspanungssimulationssystem;
(c) Erstellung eines CNC-Programms für die zerspanende Einbringung der schweißfreundlichen Geometrie in die zu bearbeitende Hohlform;
(d) Bearbeitung der zu bearbeitenden Hohlform mit einem zerspanenden Verfahren mit definierter Schneide unter Verwendung des im Schritt (c) erstellten CNC-Programmes mit einer CNC-Maschine;
(e) definierte Vorwärmung der Hohlform auf vorzugsweise 450°C;
(f) konturnahe Auftragschweißung der Hohlform;
(g) definierte Wärmebehandlung der Hohlform, mit Durchführen eines Temperaturausgleichs, Abkühlen, Anlassen, Halten auf Anlaßtemperatur und Abkühlen auf Raumtemperatur;
(h) Reinigung der Hohlform, vorzugsweise durch Strahlen mit Stahlkugeln;
(i) mechanische Endbearbeitung der Hohlform mit einem zerspanenden Verfahren mit definierter Schneide;
(j) Randschichthärtung der Hohlform, vorzugsweise durch ein Carbonitrierverfahren;
(k) Reinigung der Hohlform, vorzugsweise mit einem Hochdruckreiniger.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Rahmen des Verfahrensschritts (g) in einem Ofen ein Temperaturausgleich des Werkstücks von mindestens etwa sechs Stunden Dauer bei einer Temperatur von etwa 450°C durchgeführt wird, das Werkstück anschließend definiert mit einer maximalen Abkühlgeschwindigkeit von etwa 50°C pro Stunde auf etwa 100°C abgekühlt wird, das Werkstück dann in etwa 12 Stunden auf eine Temperatur von maximal 585°C angelassen und etwa 12 Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird, und daß die anschließende Abkühlung auf Raumtemperatur innerhalb von etwa 20 Stunden erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das CNC-Programm zur frästechnischen Bearbeitung der zu bearbeitenden Hohlform auf Basis von aus der Konstruktion vorliegenden CAD-Daten der fertigen Hohlform mit Hilfe einer dreidimensionalen Frässoftware erstellt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (b) folgendermaßen durchgeführt wird:

Erstellung einer schweißfreundlichen Geometrie mit Hilfe eines Zerspanungssimulationssystems anhand des CNC-Programmes aus Schritt (a), indem die Berechnung der Geometrie im Zerspanungssimulationssystem mit Werkzeugen erfolgt, die bezüglich der gemäß dem CNC-Programm real verwendeten Werkzeuge bezüglich der Durchmesser und Längen vergrößert sind, wobei die sich ergebende vergrößerte und damit schweißfreundliche Geometrie in geeigneter Form in dem Zerspanungssimulationssystem gespeichert wird;
und daß das CNC-Programm für die frästechnische Einbringung der schweißfreundlichen Geometrie mit Hilfe der dreidimensionalen Frässoftware erstellt wird.

5. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (f) durch zumindest einen Schweißroboter ausgeführt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Verfahrensschritt (f) in einem Verfahrensschritt (γ) ein Roboterprogramm zum konturnahen Auftragschweißen der Hohlform mit Hilfe eines Robotersimulationssystems auf der Basis der Geometriedaten der schweißfreundlichen Geometrie generiert wird, wobei im einzelnen die folgenden Schritte durchgeführt werden:

(γ1) Übergabe des CAD-Modells von dem Zerspanungssimulationssystem an das Robotersimulationssystem;
(γ2) Unterteilung des CAD-Modells in Schnitte beliebiger, konstanter Ausrichtung durch das Robotersimulationssystem anhand von Benutzervorgaben;
(γ3) automatische, zu den Benutzervorgaben korrespondierende Ermittlung der von dem Roboter zu schweißenden Bahnen durch das Robotersimulationssystem und Belegung der Bahnen mit entsprechenden Bahnpunkten und der für den Schweißprozeß notwendigen Orientierung der Bahnpunkte.

7. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein CAD-System, die dreidimensionale Frässoftware, das Zerspanungssimulationssystem, das Robotersimulationssystem, die CNC-Fräsmaschine und die Roboteranlage datentechnisch miteinander verbunden sind.

8. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke vor dem Verfahrensschritt (f) auf Werkstückmanipulatoren, vorzugsweise Drehkippmodulen, fixiert werden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (f) mit einer Schweißroboteranlage durchgeführt wird, die aus einem an einer Roboterdreheinrichtung mit integrierter Schweißrauchabsaugung hängend angeordneten sechsachsigen Vertikal-Knickarmroboter und zwei Drehkippmodulen besteht, die unter einem Winkel von etwa 90° zueinander angeordnet sind.

10. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitsschritt (f) mit Hilfe eines Metall-Aktiv gas-Schweißverfahrens (MAG-Verfahren) unter Verwendung von schlackebildenden oder schlackereduzierten Fülldrähten mit einem Drahtdurchmesser von 1,2 mm oder 1,6 mm, oder unter Verwendung von Massivdrähten mit einem Drahtdurchmesser von 0,8 mm, 1,0 mm, 1,2 mm oder 1,6 mm durchgeführt wird.

11. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines Brennerwechselsystems mit vorzugsweise drei Wechselstationen ein programmgesteuerter Wechsel des zu verschweißenden Schweißzusatzwerkstoffs durchgeführt werden kann.

12. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe einer Widerstandserwärmungsanlage sowohl eine definierte Wärmeführung während des Schweißprozesses, als auch eine Rückmeldung der vorliegenden Werkstücktemperaturen an die Robotersteuerung erfolgt, an welche die Abarbeitung des Schweißprogrammes geeignet angepaßt wird.

13. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt (i) mit Hilfe eines Hochgeschwindigkeitsfräsverfahrens (HSC-Verfahren) durchgeführt wird, wobei zur HSC-Fertigbearbeitung des Werkstücks vorzugsweise das CNC-Programm auf der Basis vorliegender CAD-Daten verwendet wird.

14. Anlage zur automatischen Herstellung oder Aufarbeitung von metallischen Hohlformen, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 mit:

- einem CAD-System,
- einem Zerspanungssimulationssystem,
- einem Robotersimulationssystem,
- einer CNC-Fräsmaschine, und
- einer Schweißroboteranlage.

15. Anlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einheit, vorzugsweise ein Zellrechner, vorgesehen ist, welche die Roboteranlage datentechnisch mit dem Netzwerk verknüpft, über das die restlichen Komponenten datentechnisch miteinander verbunden sind.

16. Anlage nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißroboteranlage aus einem an einer Roboterdreheinrichtung mit integrierter Schweißrauchabsaugung hängend angeordneten sechsachsigen Vertikal-Knickarmroboter und zwei Werkstückmanipulatoren, vorzugsweise Drehkippmodulen, besteht, die unter einem Winkel von 90° zueinander angeordnet sind.

17. Anlage nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehkippmodule mit einer Mediendurchführung ausgestattet sind, welche die für eine zweckmäßige Wärmeführung notwendigen Versorgungs- und Meßleitungen aufnimmt.

18. Anlage nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Aufnahmevorrichtungen für die Werkstücke vorgesehen sind, die Widerstands-Heizelemente zur Realisierung einer Wärmeführung während des Schweißvorgangs aufweisen, wobei die Aufnahmevorrichtungen mit einer Wärmedämmung gegen die Drehkippmodule versehen sind.

19. Anlage nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke über zwei Bolzen auf den Aufnahmevorrichtungen reproduzierbar positioniert werden.

20. Anlage nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke zur Vermeidung von Wärmeverlusten mit einer Wärmedämmung auf die Aufnahmevorrichtungen aufgespannt werden.

21. Anlage nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennerwechselsystem mit vorzugsweise drei Wechselstationen vorgesehen ist, das einen programmgesteuerten Wechsel des zu verschweißenden Schweißzusatzwerkstoffes ermöglicht.

22. Anlage nach zumindest einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß zur Gewährleistung einer geeigneten Wärmeführung eine Widerstandserwärmungsanlage vorgesehen ist, die über die Rückmeldung der vorliegenden Werkstücktemperaturen an die Robotersteuerung auf die Abarbeitung des Schweißprogrammes Einfluß nehmen kann.