CNC draaibanken verbeteren: Van draaien naar frezen & boren

Er was eens een tijd dat draaibanken ronde onderdelen bewerkten. Ze doen dit nog steeds.

Echter, machinefabrikanten realiseerden zich dat gedraaide onderdelen vaak ten minste enige frees- of boorwerk vereisen. Met het onderdeel al gespannen in de draaibank, en met een CNC-draaibank al in staat om de bewegingen uit te voeren die rotatieve gereedschappen effectief kunnen voeden, was het logisch om de capaciteiten van draaibanken te vergroten door extra spindels voor het rotatieve-gereedschapwerk toe te voegen. Wat eens gewijde draaimachines waren, werden ook frees- en boormachines.

In feite werden de machines die het effectiefst waren in het coördineren van draaien, frezen en boren allemaal in één opstelling, flexibele, één-stop, meervoudige-operatie, metaalbewerkingscentra. Met al de bewerking die ze konden doen, zou het logisch zijn geweest om ze "bewerkingscentra" te hernoemen, als die naam niet al in gebruik was. Een staafgevoede draaibank die zowel rotatieve-gereedschapcapaciteit als een subspindel heeft die de hoofspindel tegenoverstaat, kan grondstof aan één kant invoeren, en alle vlakken en kenmerken van een uitgebreid onderdeel bewerken zonder dat de operator hoeft in te grijpen. Wat meer is, het kan stuk na stuk produceren zolang de staaf duurt. Veel winkels bewerken nu op deze manier. Een fabrikant die met name ervaren is in het bewerken op deze manier is Jesel Valvetrain Innovation.

Jesel, gevestigd in Lakewood, New Jersey, maakt ventieldraaikomponenten afgestemd op veeleisende race-auto toepassingen. Componenten die voor een normale auto-motor gestempeld zouden worden, worden bij Jesel uit massief staal gefreesd. Veertien jaar geleden was het bedrijf een vroege gebruiker van Mori Seiki's model DL-15 CNC draaibank met live-gereedschapsmogelijkheden. Door de jaren heen zijn de machines geëvolueerd en de winkel heeft geleerd om ze effectiever toe te passen. Nu omvat het productiegebied op deze plant 11 CNC frees-draai machines, waarvan de meeste model DL-150 machines zijn – een geavanceerdere versie van de machine waarmee de plant begon.

Een onderdeel dat het bedrijf onlangs introduceerde, illustreert hoe ver de denkweg van deze plant gekomen is met betrekking tot deze machines. Het onderdeel is een overhead cam follower, heeft een doosvormige vorm die vage suggesties geeft van twee komma's of twee oren die samengebonden zijn. Oorspronkelijk nam de plant aan dat dit onderdeel in vijf opstellingen op bewerkingscentra zou worden bewerkt. Gegeven de waarde van het onderdeel en de volumes waarop het zou draaien, kon zo'n proces gemakkelijk gerechtvaardigd worden. Echter, Ray Frattone Sr., de directeur van productie van het bedrijf, stelde een andere benadering voor. Een deel van de heer Frattone's rol is om nieuwe manieren te vinden om de catalogusonderdelen van het bedrijf kosten-effectiever te produceren. In dit doen, heeft hij uitgebreid gewerkt met de frees-draai apparatuur. De cam follower is compact genoeg om uit massieve staaf te worden bewerkt, realiseerde hij zich. Specifiek, het kon worden bewerkt uit 1,125-inch diameter 4140 legering staal staafmateriaal. Het voeden van deze voorraad door de Mori Seiki machine's LNS staafvoeder zou niet alleen het onderdeel compleet laten bewerken, maar zou ook een reeks stukken toestaan om zonder aandacht te worden bewerkt.

Productietechnicus Mark Cubbedge werkte aan het proces voor dit onderdeel. Hij ontdekte dat er, inderdaad, voldoende capaciteit was op de DL-150's twee 12-positie tourelles om alle frees- en boorgereedschappen te accommoderen die nodig waren om het onderdeel op deze manier te bewerken. Kortom, er waren voldoende gereedschapsposities om het onderdeel compleet te bewerken. De opstelling voor dit onderdeel omvat een afsnijgereedschap voor het scheiden van het onderdeel van de staaf, maar behalve dat houdt elke enkele gereedschapspositie die gebruikt wordt om dit onderdeel te bewerken, een rotatieve-gereedschapsspindel.

Jesel's denkbeeld over live-gereedschap draaibanken heeft dus een complete reis gemaakt. Deze machines worden nu gebruikt en gewaardeerd in deze plant niet als draaibanken met enige extra capaciteit, maar in plaats daarvan als single-opstelling productiecentra. Zoals het cam follower onderdeel illustreert, brengt deze machine waarde aan het proces zelfs wanneer de geometrie van het onderdeel zo ver van rond is dat er wezenlijk geen traditioneel draaiwerk vereist is.

Afwegingen

Twee cam follower onderdeelnummers worden bewerkt op de DL-150. Het grotere van de twee onderdelen meet ongeveer 0,75 bij 0,8 bij 2,5 inch. Kort van warmtebehandeling en honen, wordt alle productie op deze machine uitgevoerd, binnen een cyclus die minder dan 10 minuten vereist.

Zowel de hoofspindel als de subspindel werken simultaan tijdens deze cyclus. De hoofspindel houdt het onderdeel voor ruwfrezen, fijnfrezen en boren. De subspindel neemt het onderdeel over om het frezen van de vorm te voltooien en voert ook enkele sleufoperaties uit, terwijl de hoofspindel begint met het bewerken van het volgende stuk. Het gebruik van de term "spindel" in deze contexten is enigszins onnauwkeurig, natuurlijk, omdat de spindels als rotatieassen in dit proces worden gebruikt in plaats van het onderdeel te draaien voor draaien. Gegeven de manier waarop de machine wordt gebruikt, is het verwijzen naar de "hoofdklem" en de "secundaire klem" meer toepasselijk.

CAM-software van Gibbs and Associates levert het gereedschapspad. De heer Cubbedge zegt dat een deburring plug-in van Gibbs zich bijzonder waardevol heeft bewezen. De software programmeert de precieze beweging van een kleine-diameter bolneus gereedschap langs de scherpe hoeken van het onderdeel. In de secundaire klem helpt deze deburring ook om het werk van de eerste en tweede spanningen te mengen in continue en naadloze bewerkte oppervlakken. De effectiviteit van deze on-machine deburring is vitaal geweest voor het genereren van een onderdeel dat klaar is voor gebruik met weinig additionele inspanning na bewerking.

Zowel de heer Frattone als de heer Cubbedge zijn het ermee eens dat live-gereedschap-draaibank bewerken niet perfect is. Het brengen van het onderdeel van grondstof dicht bij voltooiing in een enkele staafgevoede hantering kan enorm efficiënt lijken, maar eigenlijk presenteert dit machine-type afwegingen die gereconcilieerd moeten worden. Hoewel de machine veelzijdig genoeg is dat het niet eens beperkt hoeft te worden tot gedraaide onderdelen om waarde te leveren, is de machine niet noodzakelijk geschikt voor elk onderdeel dat binnen het envelop van de staafgevoede voorraad zou vallen. Vergeleken met de optie om het onderdeel in meerdere opstellingen op een bewerkingscentrum te bewerken, omvatten de uitdagingen die Jesel moest aanpakken bij het draaien van het onderdeel op een draaibank al het volgende:

• Opstellingstijd. De winkel's live-gereedschap draaibank heeft een totaal van 24 gereedschapsposities op zijn twee tourelles. Een kleine verticale bewerkingscentrum zou meestal meer gereedschapcapaciteit in zijn magazijn hebben dan dit, en een productie horizontale bewerkingscentrum zou aanzienlijk meer gereedschapcapaciteit hebben. Op bewerkingscentra kunnen gereedschappen dus in de machine blijven tot ze nodig zijn. In tegenstelling, op de live-gereedschap draaibank, moet de gereedschapping meestal volledig worden uitgewisseld voor elk nieuw onderdeelnummer dat de winkel draait. De grondige gereedschapswissel is voldoende tijdrovend dat onderdelen over het algemeen in hoeveelheden van honderden moeten worden gedraaid voordat de opstellingstijd geamortiseerd kan worden. Dit is geen probleem op de cam follower onderdelen, omdat Jesel deze tendens heeft om dit onderdeelnummer wekenlang te draaien om zijn voorraad aan te vullen. Echter, de gereedschapsopstellingstijd vereiste zou ditzelfde onderdeel verhinderen om op kleine-serie of just-in-time basis te draaien, tenzij de machine op een of andere manier ingesteld en volledig toegewijd kon worden aan onderdeelnummers in deze familie.
• Spanningszorgen. Een ander voordeel dat Jesel helpt om ongewone processen effectief te implementeren, is dat zijn ontwerp en productie plaatsvinden binnen dezelfde 110.000-vierkante-voet faciliteit. Coördinatie tussen productie en ontwerp was essentieel voor het efficiënt maken van dit onderdeel, omdat de klem in de subspindel een veilige vorm nodig had om op te spannen. Het onderdeel was hiervoor herontworpen.zelfs dan, is de spankracht beperkt. Het gedeeltelijk bewerkte onderdeel is flexibel genoeg dat hoge spankracht met een klem de nauwkeurigheid kan beïnvloeden. In de subspindel wordt het onderdeel daarom in een zacht-kaken klem bij matige spankracht gehouden, en de agressiviteit van de bewerkingsoperaties is dienovereenkomstig beperkt.
• Chatter risico. Naast de beperkte houdkracht, is een andere factor nog significanter in het beperken van hoe agressief het proces kan snijden. Rotatieve gereedschappen in dit proces hebben onvermijdelijk een lange uithang, omdat het gereedschap voldoende vrijruimte nodig heeft om de klemkaken te bereiken. Deze uitgebreide gereedschappen vormen een verhoogd risico op doorbuiging en chatter dat de snijdiepte beperkt, met name in een toepassing die staal bewerkt. Voordat dit proces in productie kon gaan, moesten Jesel-personeel het proces zorgvuldig testen en afstellen om te waarborgen dat kritieke bewerkingspasses niet chatterden op een manier die strakke toleranties compromiseerde.zelfs dan, slijten sommige gereedschappen sneller dan ze zouden in een meer rigider proces, zegt de heer Cubbedge. Een specifiek freesgereedschap moet na elke 10 stukken worden gewisseld.

Opbrengsten

Toch kunnen gereedschappen ook snel slijten in een bewerkingscentrumproces, zegt hij. Een proces met bewerkingscentra zou ook tot een bepaalde mate moeten worden afgesteld om te waarborgen dat kritieke nauwkeurigheden bereikt worden. Het feit dat Jesel zich heeft gecommitteerd aan het proces op de live-gereedschap draaibank is bewijs genoeg dat deze uitdagingen overwonnen kunnen worden. In feite zijn deze obstakels winzig vergeleken met de risico's die een reeks opstellingen op bewerkingscentra zou vormen bij het bewerken van hetzelfde onderdeel, zeggen de Jesel-personeelsleden.

Eén van die risico's is fout. Elke nieuwe hantering biedt het risico op opstellingsgerelateerde fout. In een proces met vijf opstellingen, kon de toegevoegde waarde door vier nauwkeurige bewerkingsoperaties allemaal verloren gaan als de vijfde lading van het onderdeel op een of andere manier foutief was waardoor het onderdeel geschroot werd. De frees-draai machine vermijdt dit gevaar door hantering te elimineren, met het één-stop proces dat alle kenmerk-tot-kenmerk relaties behoudt helemaal rond de geometrie van het onderdeel.

Met andere woorden, voor het cam follower onderdeel, zal Jesel leven met de opstellingstijd voor het wisselen van gereedschappen, omdat dit makkelijker te beheren is dan de laad/los-tijd van het nemen van onderdelen van operatie tot operatie op bewerkingscentra. De winkel zal ook de noodzaak accepteren om chatter te vermijden en te beheren, omdat dit veel beter is dan de potentieel voor onvoorspelbare fouten en schroot binnen een proces dat veel hanteringen omvat.

Ten slotte zullen de Jesel-personeelsleden ook leven met het feit dat hun draaimachine dagen en weken draait zonder veel in de zin van draaien te doen. De winkel blijft haar begrip groeien over hoe de veelzijdige machines effectief te gebruiken, en de ervaring van het efficiënt bewerken van dit bewerkingscentrum-onderdeel op een live-gereedschap draaibank heeft de winkel waardevolle inzichten gegeven. In de toekomst zullen veel onderdelen die vermeend "bewerkingscentrum werk" zijn, op een andere manier worden gezien.