Productie Optimaleren: Kostenefficiëntie Bereiken met Eén-Opspanningsbewerking

Hoe minimaliseer je de stukprijs voor complexe onderdelen die draaien, frezen en boren vereisen? Voor Steve Hattori is het antwoord simpel: bewerk ze met slechts één opspanning – en maak die opspanning zo simpel mogelijk.

De president van het contractbedrijf Salinas Valley Precision (Salinas, Californië), mnr. Hattori, had vroeger minimaal drie machines nodig om elk complex rond onderdeel uit vol materiaal te produceren: een bandsaag om het staafmateriaal op lengte te zagen, een draaibank en een bewerkingscentrum om vlakken en gaten aan te brengen. Nu laat de winkel één enkele machine al dit werk doen – het converteren van onbewerkte staafjes in afgeronde onderdelen volledig automatisch, waarbij tal van opspanningen effectief worden vervangen door één.

"Wie voor de oude manier zou argumenteren, heeft nooit geprobeerd een visrol te bewerken," zegt mnr. Hattori. Feitelijk weigerde hij de eerste keer dat een lokale fabrikant van sportartikelen hem het visrol-onderdeel aanbood. Damals was het onderdeel te complex om winstgevend te zijn. Uit massief aluminium gefreesd met 90 procent van het materiaal verwijderd, bestaat de rol met een diameter van 3,25 inch uit twee gemakkelijk vervormende flenzen van minder dan 0,1 inch dik, verbonden door een uitgehold kern met wanden die nauwelijks dikker zijn.

Het onderdeel moet van alle kanten worden aangevallen. Elke flens wordt doorboord door 12 gaten van 0,45 inch diameter, die dienen om gewicht te reduceren. De omtrek van de kern bevat ook 12 ovaalvormige gewichtsreducerende sleuven. Tenslotte bevat een inkeping op één gezicht 36 kerbtanden voor het krikmechanisme van de visstok, plus een perspaslagerboorgat met een totaaltolerantie van 0,0002 inch op diameter.

"En al die geometrie was maar de helft van het probleem," zegt mnr. Hattori. "De rest was de seriegrootte. We hadden het onderdeel kunnen bewerken met complexe spanoffers op het bewerkingscentrum, samen met de CNC-draaibank die we toen gebruikten. Maar dat zou grote opspanningskosten met zich meebrengen, die onmogelijk te amortiseren waren over de kleine serie van het onderdeel, vaak maar 100 stukken."

Mnr. Hattori bewerkte wel het visrol-prototype, maar bood niet op de productie. Tenminste, niet eerst. Sindsdien is het onderdeel echter een belangrijke inkomstenbron geworden voor het 10-mansbedrijf. Dat kwam doordat mnr. Hattori zijn proces heruitvond.

Alles-in-één Bewerking

Het sleutelresultaat van de uitvinding van mnr. Hattori is een proces waarbij alle draai-, frees- en booroperaties gecombineerd zijn op één machine, een Mazak "Super Quick Turn" (SQT) 15MS-Y CNC-draaicentrum. Naast een uitrusting van gedreven gereedschappen voor freesoperaties en een tegenovergestelde tweede spindel voor tweezijdig draaien, is de machine uitgerust met een programmeerbare Y-as met een hub van vier inch. Deze Y-asmogelijkheid stelt excentrische freesoperaties toe terwijl het werkstuk nog steeds in de primaire of secundaire spindel wordt gespannen.

Door gecoördineerde, automatische overdracht tussen de twee spindels kan elk oppervlak van het onderdeel worden bereikt zonder enige menselijke tussenkomst. Elke draai-, frees- en booroperatie wordt uitgevoerd zonder het werkstuk "los te laten", waardoor kritieke positie-referenties van het werkstuk tijdens het hele bewerkingsproces behouden blijven.

Werkstukblanks worden aan de machine gevoed met een Mazak Cut-Feeder. Net als de frees-boormogelijkheid het draaicentrum in staat stelt de plaats van een bewerkingscentrum in te nemen, elimineert de Cut-Feeder de bandsaag uit het proces, en verkort ook de vertraging tussen opeenvolgende onderdeelcycli tot slechts enkele seconden. De Cut-Feeder voedt niet alleen staafmateriaal aan, het zaagt het ook op lengte, van 0,60 tot 5,11 inch. Het voert deze afsnijbewerking uit terwijl de SQT het huidige onderdeel bewerkt, en laadt het nieuwe werkstuk door de spanklem zodra de draaibank klaar is voor de volgende cyclus.

De automatische voeder helpt de opspanningstijd te minimaliseren. Het toestel bewaart maximaal vijf van de 3,25-inch-diameter staafjes die gebruikt worden voor visrollen en voedt en zaagt elk van hen zonder rotatie. In plaats van een conventionele staafvoedmethodologie, houdt de Cut-Feeder de staaf stationair terwijl de afsnijgereedschappen om het materiaal heen draaien, langzaam in voeden tot de afsnijbewerking compleet is. Omdat de staafjes niet draaien, is geen voorbewerking nodig om ze rond te maken (zelfs vierkante of zeshoekige profielen werken). Als resultaat kan mnr. Hattori simpelweg een of meer staafjes in de voeder leggen en het draaicentrum ze in afgeronde onderdelen laten converteren. Alleen de finale ontgrating wordt nog van de machine uitgevoerd.

Het bewerkingsproces omvat 20 gereedschapswissels maar vereist geen operator, zodat mnr. Hattori het vaak onbezocht laat draaien – met 90 rollen als resultaat voor elke 12-voet staaf die hij laadt.

Render op Verbeelding

De rollen komen met een snelheid van één per acht minuten uit het draaicentrum. Hoewel de cyclus profiteert van de hoge spindelsnelheden van de machine – 5.000 toer/min voor hoofden tweede spindel, 3.000 voor gedreven gereedschappen – schrijft mnr. Hattori de lage cyclusvoornamelijk toe aan creatieve programmering. Een voormalig bewerkingsspecialist voor een luchtvaart R&D-bedrijf, opende Hattori 10 jaar geleden zijn winkel zodat hij complexe CNC-bewerkingsstrategieën kon blijven bedenken nadat zijn werkgever sluit en dichtdeed.

"De multitasking-draaibank levert een grotere teruggave voor de verbeelding van een programmeur dan elke andere die ik heb gebruikt," zegt hij. "Met zoveel opties in één machine, is er altijd nog een manier – en vaak een betere manier – om elk kenmerk te produceren."

Bijvoorbeeld, mnr. Hattori vond een ongewone methode om de dunne flenzen van de aluminium rol op hoge snelheid te draaien zonder doorbuiging. Nadat alle kenmerken in één gezicht bewerkt zijn terwijl het onderdeel in de hoofdklem zit, laat mnr. Hattori's programma de tweede klem grijpen terwijl de primaire klem nog steeds vastzit. Door het onderdeel aan beide kanten te spannen op deze manier, wordt het doorbuigingsprobleem geëlimineerd. Terwijl de twee spindels in unisoon draaien, wordt het metaal tussen de twee flenzen uitgehold alsof het een enkele gleuf van 0,75-inch diep was.

De Y-asmogelijkheid wordt gebruikt om de krikkerbtanden te produceren. In plaats van het onderdeel met de spindel te indexeren om elke inkeping te snijden – de manier waarop de klus op een traditionele live-tool draaibank zou worden gedaan – laat mnr. Hattori de hoofddspindel het onderdeel stilhouden terwijl de gereedschapsdraaier van de ene kerbtand naar de volgende beweegt, met X-Y-interpolatie. Hoewel de gereedschapsdraaier de beweging slechts iets sneller maakt dan de indexerende spindel, is de productiviteitswinst uitgesproken wanneer dat verschil vermenigvuldigd wordt met 36 kerbtanden.

In andere gevallen produceert de Y-as kenmerken die op een conventionele drie-as (X, Y en C) draai/freesmachine bewerkt zouden kunnen worden. Een voorbeeld is een 4340 staal krikrat voor het timingsmechanisme van een robotassemblagesysteem. Het onderdeel heeft een diameter van 3,25 inch met een 3/16-inch dikke schijf en een bredere integraal naaf, en ziet eruit als een zaagblad met 12 tanden rond de omtrek. De Y-as maakt het mogelijk om 12 vlakken rond de omtrek van het blad te frezen. "Elk vlak is een eenvoudige snede," zegt mnr. Hattori. "We hadden vroeger een bewerkingscentrum nodig voor dit onderdeel, maar nu ik het compleet kan snijden [in één opspanning], duurt een serie van 100 ratten drie uur minder om te bewerken."

Drie-as Interpolatie

Dit onderdeel is een ander geval van de duivel in de kerbtanden. Voor een lokale fabrikant van medische apparatuur produceert mnr. Hattori een 2-inch diameter steun voor de besturingseenheid van een cardiale elektronische mappingkatheter. Een helft van een scharniergewricht dat de besturing in talloze oriëntaties stabiel houdt, heeft het onderdeel een lang vlak langs de middenlijn waar de helft van het bovenste deel van het onderdeel weggefreesd is. Dit vlak vormt het oppervlak waar de twee helften van het gewricht samenkomen, en bevat een gat voor de draaipen die ze verbindt. Rondom deze draaipen zitten 30 zaagtand-kerbtanden. Waardoor het gewricht in meerdere posities kan grijpen en vergrendelen, vormen de kerbtanden een symmetrisch zonstraalpatroon met de draaipen in het centrum, en passen ze bij een vergelijkbaar patroon op de andere helft van het scharnier.

"Twee lineaire assen zijn niet genoeg om dit kenmerk te bewerken; je moet er drie hebben," zegt mnr. Hattori. "Hoewel de kerbtandtoppen allemaal in hetzelfde vlak liggen, liggen de gereedschapspaden er niet. We gebruiken een op maat geslepen frees die de hoek van de trog tussen twee kerbtanden matcht, maar zelfs met dit gereedschap kan een twee-as gereedschapspad de juiste vorm niet snijden. In plaats van de benodigde scherpe top tot aan de omtrek van het patroon, zou een twee-as gereedschapspad een waaiervormige top produceren, omdat de ruimte tussen de twee sneden dikker zou worden naarmate het gereedschap verder van de naaf af beweegt."

Om dit probleem op te lossen, interpoleert mnr. Hattori in drie assen om elke snede te maken. De diameter van het op maat geslepen gereedschap is ongeveer de grootte van de top-tot-top afstand aan de omtrek. Daarom begint mnr. Hattori bij de naaf – waar het gereedschap alleen op zijn punt snijdt – en voedt het gereedschap naar beneden in Y terwijl het naar buiten beweegt langs de straal van het patroon in X en Z. Op deze manier hebben de bewerkte kerbtanden dezelfde topdikte aan de omtrek als bij de naaf, en worden ze in één passagemachined. Het steunscharnieronderdeel wordt ook uit vol materiaal gefreesd – beginnend met een aluminium staaf. Totale cyclusduur is ongeveer 12 minuten per onderdeel.

In tegenstelling tot de visrol, was het steunscharnier al onderdeel van mnr. Hattori's werkpakket nog voordat hij het multi-processing draaicentrum kocht. De onderdelen werden oorspronkelijk gesneden op een CNC-draaibank en een verticaal bewerkingscentrum. Om de ronde afvlakking van het onderdeel te produceren, kwam het draaien eerst. "Het gladde profiel maakte de opspanningstijdrovend op het verticale bewerkingscentrum," zegt mnr. Hattori. "We konden geen spanklem gebruiken, dus moesten we het in een op maat gemaakt spanoffer bouten."

Nu is dat probleem verdwenen – omdat de spanklemmen van het draaicentrum het onderdeel vasthouden voor zowel draaien als frezen. "De freestijd op de SQT is dezelfde als die op het bewerkingscentrum, maar nu hoeft niemand het onderdeel te bouten en ontbouten," zegt mnr. Hattori. "Het is een groot verschil. Met alleen die ene verbetering hebben we de cyclusduur voor het scharnieronderdeel met meer dan 30 procent ingekort."