Near-Net-Shape Turning leidt de weg naar eenvoudigere automatisering

Near-net-shape (NNS) draaien is een trend die zich in de loop van twee decennia een weg heeft gebaand naar de mainstream van de productie. Het idee wordt nu door bijna iedereen in de productie begrepen. In de basis betekent NNS draaien eenvoudig het draaien van onderdelen die zijn gevormd of gegoten in de buurt van de uiteindelijke afmetingen. De implicaties van deze methode blijven zich ontvouwen naarmate machines, gereedschappen en processen nieuwe ontwikkelingen en ideeën bevatten.

Het meeste NNS-draaien omvat de bewerking van zeer weinig functies op een onderdeel; vaak één of twee, zelden meer dan drie. NNS-draaien levert vaak opspanproblemen op omdat typische onderdelen vaak dun gesneden zijn, of gegoten of gevormd zijn zonder opspan- of meetgegevens. Omdat de typische NNS-draaibewerking de laatste nabewerkingsbewerking is, kunnen we hieraan toevoegen dat deze gewoonlijk in de categorie van zeer nauwkeurig draaien, kotteren of vlakken valt.

De belangrijkste implicatie van NNS-draaien is echter de manier waarop het trends in automatisering heeft beïnvloed. Wanneer de tijd voor het maken van spanen een kleiner deel wordt van de totale cyclustijden, komen werkhandling en gereedschapswisseling naar voren als de belangrijkste obstakels voor een betere efficiëntie. NNS-draaien is geëvolueerd om zeer goed overweg te kunnen met de eenvoudigste werkhandling en gereedschapswisseling, een trend die iets verder reikt dan NNS-draaien zelf, en stelt de conventionele wijsheid ter discussie over hoeveel complexiteit goed is voor productie-efficiëntie en algehele kosteneffectiviteit.

Snel onderdelen erin en eruit halen

"Het is onze taak om onderdelen zo snel mogelijk en zo consistent mogelijk in en uit de machine te krijgen", zegt Dan Kruse, operations manager van Bearing Technologies, Inc., Div. van MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Hij verwijst naar de rassen voor de lagers die zijn bedrijf maakt, gefreesd uit op maat gesneden delen van 4118 stalen buizen. Hoewel het werk slechts marginaal een bijna netvormige bewerking is (omdat tot 0,080 inch materiaal wordt verwijderd in maximaal drie passages van het snijgereedschap), maakt het gebruik van de automatiseringstechnologie en de algehele procesbenadering die NNS-draaien heeft bevorderd.

Bearing Technologies maakt gebruik van twee vierassige machines met bendegereedschappen, die aan elkaar zijn gekoppeld tot een cel door middel van een lineair overdrachtsysteem van het portaaltype. De machines in deze cel weerspiegelen de invloed die NNS draaien heeft gehad op het ontwerp van productiedraaimachines. Deze Wasino SS-8-machines zijn klein, nauw aan elkaar gekoppeld en hebben een capaciteit voor slechts één of twee gereedschappen op elk van de twee kruislings gemonteerde gereedschapsblokken ("gang"). Ze zijn gericht op het draaien van kleinere onderdelen waarvoor slechts enkele bewerkingen nodig zijn. functies.

Omdat er geen revolvers hoeven te worden geïndexeerd, gaat het wisselen van gereedschap snel. De snijtijd wordt eveneens geminimaliseerd door gelijktijdig snijden met vier assen en twee gereedschappen. Maar slechts 15 procent van de korte cyclustijden van 30 tot 40 seconden van de onderdelen betreft werkhandling. De laad- en lostijden zijn beperkt tot de stand van de techniek.

Bearing Technologies gebruikt het extreme voorbeeld van snel en eenvoudig laden en lossen:een door zwaartekracht gevoed stortkokersysteem voert onderdelen in één rechte lijn en met één handelingsbeweging aan. Het is alleen geschikt voor ring- of schijfvormige onderdelen, maar het raakt het doel dat wordt gepresenteerd in NNS-werkafhandeling. Het stortkokersysteem gebruikt zo min mogelijk mechanische beweging en laadt op de kortste praktische weg.

Het bedrijf deed het werk eerder met tweeassige draaimachines die waren uitgerust met meer conventionele laders. Hun snijtijd was 25 procent langer dan die van de nieuwe vierassige machines. Maar het grootste verschil zit in de werkafhandeling. De totale cyclustijd was ongeveer drie keer langer voordat ze overschakelden naar de zwaartekrachtgevoede laders.

Grinderachtige toleranties

Veel NNS-toepassingen drijven de nauwkeurigheid van de machine tot het uiterste, waarbij vaak slijpbewerkingen worden vervangen en al het draaien in een enkele stap wordt uitgevoerd, of in een enkele doorgang door een cel die beide uiteinden van een onderdeel draait. Harddraaiende toepassingen vallen vaak in deze categorie. Voor poedermetalen (PM) tandwielen, bussen en andere kleine onderdelen is harddraaien een serieuze concurrent geworden voor slijpen. Deze werkklasse kan worden gezien als een subcategorie van NNS-draaien en stelt dezelfde eisen aan de efficiëntie en nauwkeurigheid van het werk.

Het legt ook een premie op de stijfheid van de machine en op de gereedschapstechniek. Hoewel keramiek wordt gebruikt in licht belaste, harddraaiende toepassingen, was het de introductie van polykristallijne kubische boornitride (PCBN) gereedschappen die harddraaien in de hoofdstroom van de productie bracht. Deze gereedschappen gaan lange runs mee en produceren een uitstekende slijtage-consistentie, zolang er maar zorgvuldige aandacht wordt besteed aan de voorbereiding van de randen.

Precisie NNS draaien, hard of zacht, vereist meestal extra applicatie-ontwikkeling. Gereedschapsopstellingen en gereedschapsmaterialen zijn van cruciaal belang voor zowel de zachtere als de harde onderdelen, waar lange runs worden gecombineerd met hoge nauwkeurigheid en vereisten voor fijne oppervlakteafwerking. En veel van dergelijke onderdelen stellen speciale eisen aan opspanning of opspannen.

Het bewerken van kleine zuigers voor gazonuitrusting is een goede illustratie van de bijzondere eigenschappen van NNS draaien. Precisie gegoten tot dunne secties, zonder gemakkelijk toegankelijke referenties, deze onderdelen zijn moeilijk nauwkeurig te klemmen en hebben de neiging gemakkelijk te vervormen. Toch kunnen we de pistonrokken vaak tot ± 50 miljoenste (0,00050) inch draaien.

Een laag gewicht is een belangrijk doel voor kleine zuigers, en ze zijn een natuurlijke toepassing geweest voor precisie-spuitgieten. Maar het gietproces levert geen functies op voor het opspannen aan de binnenkant van de onderdelen. Ze moeten langs hun volledige buitendiameter worden bewerkt en het enige gegeven voor de oriëntatie van de spilas is de binnenkant van de zuigerkoepel of kroon.

Draaien is daarom een ​​dubbele bewerkingstaak, waarbij een nabewerkte buitendiameter aan het kroonuiteinde moet worden voortgezet aan de rand, zonder de concentriciteit te verliezen. De dunne, gemakkelijk vervormde rokwanden maken deze taak moeilijker.

Het antwoord is een combinatie van delicaat, nauwkeurig perslucht opspannen en op zijn plaats gedraaide kaken - harde, voor productie van grote volumes. Het gebruik van luchtspanplaten met een maximale lijndruk van 60 tot 70 psi lost veel van dergelijke NNS-spanproblemen met dunne secties op. Ze hebben de neiging om nauwkeurig te spannen over een breed bereik van luchtdrukken, variërend van misschien 30 psi tot het maximum van 70. Zelfs met gladde kaken krijgen ze voldoende grip op het onderdeel als de draaikrachten laag zijn, zoals bij aluminium zuigers.

Toch is er meer nodig om de nauwkeurigheid van onderdelen met een dunne doorsnede te behouden dan ze alleen nauwkeurig op te spannen. De zuigers vormen een ander potentieel probleem vanwege hun dunne secties:de pols-pin-boringen, die we op een gecoördineerd bewerkingscentrum in dezelfde machinecel ruimen, bevinden zich in dunwandige nokken. Deze warmen snel op in de eerste draaistap en sluiten zich vervolgens wanneer ze afkoelen, waardoor de buitendiameter van de zuiger uitzet en samentrekt met 0,00015 tot 0,00020 inch. In sommige NNS-toepassingen is het buitengewoon moeilijk om met dergelijke thermische vervormingen om te gaan.

Flexibiliteit en thermische gevoeligheid van NNS-onderdelen blijven de ontwikkeling van betere opspanoplossingen stimuleren. Het afwerken van spanklauwen op hun plaats op de machine is een standaardpraktijk geworden. Het is ook gebruikelijk om deze kaken taps te maken om eventuele buiging tijdens gebruik te compenseren. Het wordt aanbevolen om de wortels van geharde kaken te bewerken tot een grotere diameter dan hun uiteinden, met 0,0005 inch tot 0,001 inch.

Het is noodzakelijk om kaken te ontwerpen voor een maximaal contactoppervlak wanneer lichte druk wordt gebruikt. Zelfs dan kunnen de snijkrachten de grijpkracht van de kaken overtreffen en onderdelen laten wegglijden. Gewone vierkantpuntige vertandingen helpen in dit opzicht niet veel, maar goede resultaten worden gemeld met scherp getande kaken, op maat gemaakt voor elke toepassing. De meest praktische manier om deze te maken is als inzetstukken met bouten, gedraaid en gekarteld langs de spilas, als een enkel, cilindrisch stuk en vervolgens gezaagd om de inzetstukken voor elke afzonderlijke kaak te scheiden.

De kartels maken eigenlijk fijne markeringen op het onderdeel, dus ze lossen niet elk opspanprobleem op. Maar ze hebben een aantal zeer moeilijke opgelost. In één toepassing, het draaien van een gegoten aluminium bus van 390-kwaliteit, het opspannen met gladde kaken, kregen we variaties van 0,0001 tot 0,0003 inch in rondheid, grotendeels als gevolg van de kaakdruk die nodig is om wegglijden te voorkomen en door een inconsistente scheidingslijn aan de buitenkant diameter van de spuitgietstukken. Met gekartelde kaken kon de druk worden verhoogd en toch de onrondheid verbeteren, tot binnen 30 tot 50 miljoenste (0,00030 tot 0,000050) van een inch.

Geharde onderdelen geven nog grotere spanproblemen. Uitglijden is een probleem omdat de snijkrachten wat hoger zijn. En veel van deze onderdelen, vooral tandwielen, kunnen niet op een eenvoudig geometrisch oppervlak worden gegooid.

Op de tandlijn van de tandwielen spannen is het theoretische ideaal, want als het een locatieboring of -bus is die wordt bewerkt (en dat is meestal zo), wil je dat de voltooide versnelling op de tandlijn loopt voor een stille, soepele werking. Op een conische tandwieloverbrenging, of zelfs op een platte tandwieloverbrenging, is de steeklijn nauwelijks een duidelijk opspanoppervlak. Sterker nog, je kunt het niet eens zien. Het is een theoretische cirkel die zich ergens op de tanden van het tandwiel bevindt.

We hebben dit hoofdbrekende probleem opgelost door opspaninrichtingen met pitch-line te gebruiken. Dit zijn geharde, EDMed "tandwiel"-vlakken die op de boorkop worden gemonteerd en in het werkstuk passen, die ervoor zorgen dat het onderdeel concentrisch loopt met zijn steeklijn. Wanneer het werk in contact wordt gebracht met de armatuur, passen de twee tandwielvormen natuurlijk op een cirkel met de minste interferentie, wat gelukkig de pitchlijn zelf is.

Een toepassing met conische tandwielen met een hoog volume in de fabriek van Black &Decker in Easton, Maryland, voert deze opstelling al enkele jaren in hoogvolumeproductie uit. De geharde en met koper geïnfiltreerde PM-onderdelen worden gezaagd en geboord op een draaimachine met gereedschapsgereedschap, met behulp van PCBN-gereedschappen. De pitch-line-opspanning vereist indexering van het onderdeel, terwijl het is geladen, om te voorkomen dat het onderdeel en de opspanning vast komen te zitten, tand tip-to-tooth tip die het volgende grote probleem met geautomatiseerde NNS-draaien oproept:werkhandlingsystemen.

Werkhandelingen voor NNS-draaien

De werkafhandeling voor NNS-draaien moet snel zijn, omdat de cyclustijden ervan afhangen. De toepassing voor het laden van tandwielen suggereert dat het ook veelzijdig moet zijn om plaats te bieden aan zoiets lastigs als het oriënteren van tandwieltanden om te passen met een armatuur. Een van de meer opmerkelijke ontwikkelingen van NNS-draaien zijn deze snelle en veelzijdige laad- en lossystemen, die ook de voordelen hebben dat ze eenvoudig zijn, in de bewerkingsmachine zitten en gemakkelijk te besturen met standaard CNC - idealiter dezelfde CNC die draait de draaimachine.

Dit is 'op zichzelf staande automatisering' en er is een definitie voor nodig. Dit is de configuratie van een typische hedendaagse NNS-draaimachine:hij is met een groep bewerkt, omdat er maar een paar functies worden bewerkt. Het bendegereedschap resulteert in een strakke mechanische koppeling tussen het snijgereedschap en het machinebed. Dit maakt het stijf en inherent gemakkelijker om nauwkeurig te bouwen, zonder revolverbussen of indexerende tandwielen.

De portaallader is bovenop de machine gebouwd en direct aan het bed van de machine bevestigd. Het pad van de werkgrijpers is strikt langs rechte lijnen, van een werk-staging-carrousel die is geïntegreerd met de bewerkingsmachine zelf. De grijperkop beweegt langs de lengte van het machinebed en recht op en neer aan de uiteinden, waarbij onderdelen worden opgepakt en geplaatst bij de carrousel en op de boorkop.

De huidige portaalladers gebruiken programmeerbare aandrijvingen en spanklauwachtige grijpers, met zachte kaken. Het wisselen van onderdelen gaat daarom snel. Omdat er maar weinig laad- en losbewegingen zijn en de verplaatsingen slechts één as per keer omvatten, zijn hun programma's kort. Ze kunnen worden opgeslagen in en bestuurd vanaf de CNC van de bewerkingsmachine.

Dit is een inherent nauwkeurig, zeer compact pakket, en het is een modulair pakket dat zich leent voor eenvoudige montage van cellen met meerdere machines. De portaalladers kunnen een intermediair transfersysteem voeden, gebouwd langs dezelfde eenvoudige, lineaire padlijnen, om onderdelen tussen machines te wisselen.

Terug naar die tandwieltoepassing:het vereist het oriënteren van het onderdeel, maar de grijpers zijn klauwachtig en willekeurig over hoe ze onderdelen van de carrousel oppakken. Hoe oriënteert het hen? Door te pauzeren bij een tussenstation, waar het het onderdeel op een draaiend armatuur laat vallen dat een lichtstraal gebruikt om te vertellen waar de tanden zijn, en vervolgens het tandwiel draait als dat nodig is om een ​​crash te voorkomen. De grijper pakt het onderdeel dan weer op en vervolgt zijn weg naar de boorkop.

Het door ons beschreven portaalsysteem is dus eenvoudig maar niet simplistisch; het kan dankzij de programmeerbaarheid worden uitgewerkt om iets extra's met het onderdeel te doen. Oriënteren is zo'n taak. Gaging het is een ander voor online SPC-applicaties.

Draaien in de vorm van een bijna netvorm stelt nauwkeurigheid en snelheid hoog in het vaandel, en het maakt eenvoudige gereedschapshandling en werkhandling mogelijk, vanwege de aard van typische NNS-onderdelen. De geautomatiseerde draaicentra die zijn ontwikkeld om aan deze vraag van de markt te voldoen, zijn eenvoudig zonder dom te zijn:ze zijn programmeerbaar voor speciale taken, waaronder ijken en onderdelenoriëntatie.

In feite zijn deze geautomatiseerde draaicentra voorverpakte automatisering. Ze zijn snel te installeren, in staat om extreme nauwkeurigheid te produceren en zijn veelzijdig. Ze wijzen de weg naar betere automatisering voor veel andere bewerkingstoepassingen, naast het draaien van bijna netvormen.