Near-Net-Shape Draaien: Automatisering Vereenvoudigen voor Moderne Productie

Near-net-shape (NNS) draaien is een trend die zich de afgelopen twee decennia in de productiemainstream heeft geboogd. Het idee wordt door bijna iedereen in de productie begrepen. In de kern betekent NNS draaien simpelweg het draaien van delen die gevormd of gegoten zijn dicht bij de eindafmetingen. De implicaties van deze methode ontvouwen zich voortdurend naarmate machines, gereedschappen en processen nieuwe ontwikkelingen en ideeën incorporeren.

De meeste NNS draaiing betreft de bewerking van zeer weinig kenmerken op een deel; vaak één of twee, zelden meer dan drie. NNS draaien produceert vaak spankmoeilijkheden omdat typische delen vaak dunwandig zijn, of gegoten of gevormd zonder spannings- of meetdatums. Omdat de typische NNS draaibewerking de eindafwerkingsoperatie is, kunnen we toevoegen dat het meestal in de categorie hoog-nauwkeurig draaien, uitboren of afvlaan valt.

De belangrijkste implicatie van NNS draaien is de manier waarop het trend in automatisering heeft beïnvloed. Als spantijd een kleiner deel wordt van de totale cyclus tijden, duiken werkhanteing en gereedschapswisseling op als de primaire obstakels voor betere efficiëntie. NNS draaien heeft zich ontwikkeld om heel goed samen te gaan met de eenvoudigste werkhanteing en gereedschapswisseling — een trend die zich enigszins heeft uitgebreid buiten NNS draaien zelf, wat de conventionele wijsheid uitdaagt over hoeveel complexiteit goed is voor productie-efficiëntie en algehele kosteneffectiviteit.

Delen Snel In En Uit Krijgen

"Onze taak is om delen zo snel en consistent mogelijk in en uit de machine te krijgen," zegt Dan Kruse, operatiemanager van Bearing Technologies, Inc., Div. van MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Hij verwijst naar de banen voor de lagers die zijn bedrijf maakt, bewerkt uit op lengte gesneden secties van 4118 staalbuis. Hoewel de taak maar marginaal een near-net-shape operatie is (omdat tot 0,080 inch voorraad in tot drie passen van het snijgereedschap wordt verwijderd), gebruikt het de automatiseringstechnologie en het algehele procesbenadering die NNS draaien heeft bevorderd.

Bearing Technologies gebruikt twee vier-as gang-gegereedschapte machines, gekoppeld in een cel door middel van een lineair portaal-type overdrachtssysteem. De machines in deze cel weerspiegelen de invloed die NNS draaien heeft gehad op productiedraaimachine-ontwerp. Klein, strak gekoppeld, en met capaciteit voor slechts één of twee gereedschappen op elk van twee kruisschuif-gemonteerde ("gang") gereedschapsblokken, zijn deze Wasino SS-8 machines gericht op het draaien van kleinere delen die bewerking van slechts een paar kenmerken vereisen.

Zonder torens te indexeren, is het gereedschapswisselen snel. Snijtijd is ook geminimaliseerd met vier-as, twee-gereedschap gelijktijdige snijden. Maar slechts 15 procent van de korte 30 tot 40 seconden cyclus tijden van de onderdelen betreft werkhanteing. Laad- en lossertijden zijn zo ver ingedrukt als de stand van de techniek toelaat.

Bearing Technologies gebruikt het extreme voorbeeld van snelle en eenvoudige laden en lossen: een zwaartekracht-gevoede goot systeem voedt delen in één rechte lijn en met één hanteerbeweging in. Het is alleen geschikt voor ring- of schijfvormige delen, maar het treft het doel gepresenteerd in NNS werkhanteing. Het goot systeem gebruikt zo weinig mechanische beweging als mogelijk, en laadt in de kortste praktische route.

Het bedrijf deed de taak eerder met twee-as draaimachines uitgerust met meer conventionele laders. Hun snijtijd was 25 procent langer dan die van de nieuwe vier-as machines. Maar het grootste verschil zit in werkhanteing. Totale cyclus tijd was ongeveer drie keer langer voordat ze overschakelden naar de zwaartekracht-gevoede laders.

Slijpmachine-achtige Toleranties

Veel NNS toepassingen duwen machinenauwkeurigheid tot extremen, vaak slijpoperaties vervangend en alle draaiing in één stap uitvoerend, of in één doorloop door een cel die beide uiteinden van een deel draait. Harde draai toepassingen vallen vaak in deze categorie. Voor poedermetallurgische (PM) tandwielen, busjes en andere kleine delen, is harde draai een serieuze concurrent voor slijpen. Deze klasse werk kan worden gezien als een subcatogorie van NNS draaien en maakt dezelfde eisen aan werkhanteing efficiëntie en nauwkeurigheid.

Het legt ook een premie op machinerigiditeit en gereedschapsengineering. Hoewel keramieken gebruikt worden in licht belaste, harde draaitoepassingen, was het de introductie van polycristallijn kubisch-boor-nitride (PCBN) gereedschappen die harde-draai in de productiemainstream bracht. Deze gereedschappen duren door lange runs en produceren grote slijtconsistentie — zolang zorgvuldige aandacht wordt besteed aan randvoorbereiding.

Precisie NNS draaien, hard of zacht, vereist meestal extra toepassingsontwikkeling. Gereedschapsopstellingen en gereedschapsmaterialen zijn cruciaal voor de zachtere delen alsook voor harde, waar lange runs combineren met hoge nauwkeurigheid en fijn afwerkingsvereisten. En veel dergelijke delen presenteren speciale spannings- of klemvereisten.

Kleine zuigers voor grasmaaien bewerken is een goede illustratie van NNS draaiens speciale kenmerken. Precieze dijfgieten tot dunne secties, zonder gemakkelijk toegankelijke datums, zijn deze delen moeilijk nauwkeurig te spannen en neigen gemakkelijk tot vervorming. Toch kunnen we de zuigerrokken vaak tot ±50 miljoensten (0,000050) van een inch draaien.

Licht gewicht is een kernobjectief voor kleine zuigers, en ze zijn een natuurlijke toepassing voor precisie dijfgieten. Maar het gietproces produceert geen kenmerken voor spannen aan de binnenkant van de delen. Ze moeten langs hun volledige buitendiameter gemachineerd worden, en het enige datum voor spinasorientatie is de binnenkant van de zuigerkoepel, of kroon.

Draaien is dus een dubbel-eind bewerkingsjob, waarin een afgemaakte buitendiameter aan de kroonkant moet worden voortgezet aan de rok, zonder concentriciteit te verliezen. De dunne, gemakkelijk vervormde rok muren maken deze taak moeilijker.

Het antwoord is een combinatie van delicatie, precisie luchtklemmen en op-plek gedraaide klembacken — harde, voor hoge volume productie. Met luchtklemmen, draaiend op 60 tot 70 psi maximale lijndruk, lossen veel dergelijke dunwandige NNS klemproblemen op. Ze neigen ertoe nauwkeurig te klemmen over een breed bereik aan luchtdrukken, variërend van misschien 30 psi tot de maximum van 70. Zelfs met gladde klembacken, krijgen ze een adequate greep op het deel als de draaikrachten laag zijn, zoals op aluminium zuigers.

Toch is er meer om nauwkeurigheid op dunwandige delen te behouden dan ze alleen nauwkeurig te klemmen. De zuigers presenteren een ander potentieel probleem vanwege hun dunne secties: de polspennaadgaten, die we uithamen op een gecoördineerde bewerkingscentrum in dezelfde machinecel, bevinden zich in dunwandige bossen. Deze hitten snel op in de eerste draaistap en sluiten toen ze afkoelen, wat de buitendiameter van de zuiger doet uitzetten en inkrimpen met 0,00015 tot 0,00020 inch. In sommige NNS toepassingen zijn dergelijke thermische vervormingen extreem moeilijk aan te pakken.

Flexibiliteit en thermische gevoeligheid van NNS delen duwen de ontwikkeling van betere klemoplossingen voort. Het afwerken van klembacken op de machine is standaardpraktijk geworden. Het is ook gebruikelijk om deze klembacken conisch te boren om eventuele buiging die ze in gebruik kunnen ondergaan, te compenseren. Het machine van de wortels van geharde klembacken tot een grotere diameter dan hun uiteinden, met 0,0005 inch tot 0,001 inch, wordt aanbevolen.

Het is noodzakelijk om klembacken te ontwerpen voor maximaal contactoppervlak wanneer lichte druk gebruikt wordt.zelfs dan kunnen snijkrachten de greepkracht van de klembacken overschrijden en delen laten glijden. Gewone vierkante getande riffels helpen hier niet veel, maar goed succes wordt gerapporteerd met scherpe getande klembacken, op maat gemaakt voor elke toepassing. De meest praktische manier om deze te maken is als bout-bijlage inserten, gedraaid en getand langs de spinas, als een enkel, cilindrisch stuk en dan gezaagd om de inserten voor elke individuele klembak te scheiden.

De riffels maken eigenlijk fijn merkjes op het deel, dus ze lossen niet elk klemprobleem op. Maar ze hebben een paar heel moeilijke opgelost. In één toepassing, een dijfgegoten, 390-kwaliteit aluminium busje draaien, klemmen met gladde klembacken, kregen we variaties van 0,0001 tot 0,0003 inch in rondheid, grotendeels door de klemdrukken vereist om glijden te voorkomen en een inconsistent scheidingslijn op de buitendiameter van de dijfgietingen. Met getande klembacken kon de druk verhoogd worden en de out-of-roundness verbeteren, tot binnen 30 tot 50 miljoensten (0,000030 tot 0,000050) van een inch.

Geharde delen presenteren nog grotere klemmoeilijkheden. Glijden is een probleem omdat snijkrachten iets hoger zijn. En veel van deze delen, vooral tandwielen, kunnen niet op een eenvoudig geometrisch oppervlak geklemd worden.

Klemmen op de tandwieldeeltijn is het theoretische ideaal, omdat, als het een locatieboor of bus is dat gemachineerd wordt (en dat is meestal het geval), u wilt dat het afgeronde tandwiel op zijn deeltijn draait voor stil, soepel functioneren. Op een kegeltandwiel, of zelfs op een vlak tandwiel, is de deeltijn nauwelijks een voor de hand liggend klemoppervlak. In feite kunt u het niet eens zien. Het is een theoretische cirkel ergens op de tanden van het tandwiel.

We hebben dit hoofdkrakerprobleem opgelost door deeltijn klemfixturen te gebruiken. Dit zijn geharde, EDM-geproduceerde "tandwiel" gezichten die op de klemmontage en die met het werkstuk maten, wat garandeert dat het deel concentrisch met zijn deeltijn draait. Wanneer het werk in contact gebracht wordt met de fixture, maten de twee tandwielvormen natuurlijk op een cirkel van minste interferentie, wat, gelukkig, de deeltijn zelf is.

Een hoog-volume, kegeltandwiel toepassing bij Black & Decker's Easton, Maryland, fabriek heeft deze opstelling al jaren in hoge-volume productie draaiende. De geharde en koper-geïnfiltreerde PM delen worden afgevlaaid en uitgeboord op een gang-gegereedschapte draaimachine, met PCBN gereedschappen. De deeltijn fixture vereist indexering van het deel, zoals het geladen wordt, om botsing van deel en fixture, tandpunt-tot-tandpunt te voorkomen — wat het volgende grote issue met geautomatiseerde NNS draaien opwerpt: werkhanteing systemen.

Werkhanteing Voor NNS Draaien

Werkhanteing voor NNS draaien moet snel zijn, omdat cyclus tijden ervan afhangen. De tandwiel-laadtoepassing suggereert dat het ook veelzijdig moet zijn, om iets zo lastigs als het orienteren van tandwieltanden om te maten met een fixture te accommoderen. Een van de meer opmerkelijke ontwikkelingen van NNS draaien is deze snelle en veelzijdige laad/los systemen, die ook de deugden hebben van eenvoudig, binnenin de machine tool bevat, en makkelijk te controleren met standaard CNC — ideaal dezelfde CNC die de draaimachine runt.

Dit is "zelf-bevatte automatisering," en het vereist een definitie. Hier is de configuratie van een typische hedendaagse NNS draaimachine: Het is gang-gegereedschapt, omdat slechts een paar kenmerken gemachineerd worden. De gang-gereedschapping resulteert in strakke mechanische koppeling tussen het snijgereedschap en het machinebed. Dit maakt het rigide en inherent makkelijker nauwkeurig te bouwen, zonder torenbussen of indexerings tandwielen.

De portaal-type lader is op de machine gebouwd, direct aan het machinebed bevestigd. Het pad van de werkgreppers is strikt langs rechte lijnen, van een werkstaging carrousel die geïntegreerd is met de machine tool zelf. De greperkop beweegt langs de lengte van het machinebed en recht omhoog en omlaag aan de uiteinden, delen oppikken en plaatsen bij het carrousel en bij de klem.