Multi-spindels CNC bewerking verbeteren: Geavanceerde operaties & precisie

CNC technologie heeft de aard van bewerking op een multi-spindels machine radicaal veranderd. De beweging van de toolhouders en toolschuiven op elke indexeringsstation worden bestuurd door CNC servomotoren onder geprogrammeerd commando in plaats van door een systeem van mechanische kamen. Het is mogelijk om een reeks non-draai operaties uit te voeren zoals frezen, boren, tappen en wratten op elk station, naast alle draaioperaties waarvoor deze machines bekend zijn. Een grote verscheidenheid aan onderdelen kan in één doorloop op een CNC multi-spindels voltooid worden. Bovendien zijn opstellingen en change-over sterk vereenvoudigd omdat toolbewegingen herprogrammeerd kunnen worden in plaats van gewijzigd door het produceren en installeren van een nieuwe set kamen.

Innovatieve ontwikkelingen op de TMZ lijn van Mori-Say multi-spindels van ZPS America LLC (Indianapolis, Indiana) beloven CNC op een nieuw niveau te tillen op dit type werktuigmachine. Een van deze ontwikkelingen is een nieuw aandrijvingssysteem dat de C-as rotationele snelheid van elke spindel onafhankelijk programmeerbaar maakt. Deze capaciteit stelt gebruikers in staat om spindelsnelheden te optimaliseren voor specifieke bewerkingsoperaties. Het maakt CNC operaties flexibeler en efficiënter terwijl opstelling en change-over verder worden vereenvoudigd. Belangrijker nog, zeggen ontwikkelaars, kunnen nieuwe klassen onderdelen nu efficiënt en economisch op een multi-spindels geproduceerd worden. Het bereik omvat onderdelen die vaak geproduceerd worden op draai/frees machines of multi-machine productiecellen. Complexe onderdelen die een verscheidenheid aan hoge-precisie draai- en non-draai stappen vereisen, kunnen in één doorloop afgewerkt worden, en hoge-volume runs zijn niet nodig om deze economische operatie te bereiken.

Deze nieuwe generatie multi-spindels bestaat uit twee distincte modellen. De Mori-Say TMZ642, een zes-spindels versie, werd geïntroduceerd op de Noord-Amerikaanse markt op IMTS 2008 in Chicago vorige september. De Mori-Say TMZ867, een acht-spindels versie voor grotere onderdelen en zwaardere sneden, zal geïntroduceerd worden op de Precision Machining Technology Show (PMTS) in Columbus, Ohio in april 2009. (Zie het kader hieronder voor details van deze machine.)

Een Nieuw Aandrijfconcept

Het nieuwe aandrijvingssysteem dat in deze machines geïncorporeerd is, volgt een ongewone ontwerpconcept. Volgens Olaf Tessarzyk, managing partner en president van ZPS America, is het deze aandrijving die deze machines onderscheidt van andere multi-spindels ontwerpen. Het aandrijvingssysteem gebruikt één composiet aandrijfas om alle spindels in de draaiende trommel aan te drijven, maar elke spindel kan ingesteld worden om op een andere snelheid te draaien. Beschikbare snelheden variëren van 2.000 tot 6.000 toer/min. De gebruiker kan de snelheid kiezen die het beste past bij de operaties die op elk station uitgevoerd worden, waardoor compromissen in snijtoolprestaties, oppervlakteafwerking of algehele cyclus tijd die voortvloeien uit het toepassen van een enkele snelheid op elke spindel zoals gedicteerd door conventionele multi-spindels ontwerpen, vermeden worden.

Met slechts één aandrijfas gerangschikt van de achterkant van de machine naar de voorkant, hoe kunnen meerdere spindels op verschillende snelheden draaien, een prestatie die niet mogelijk is op andere vergelijkbare machines? De "as" die de spindels aandrijft is eigenlijk een samenstelling van uitschuifende buizen—één buis voor elke spindel, zoals getoond in de illustratie rechts.

De buizen zijn van ongelijke lengte—de binnenste is de langste en de buitenste de kortste. Aan de motorkant van de machine is het lengteverschil van buis tot buis voldoende voor de katrollen, riemen en tandwielen van elk set aandrijfmotoren te bevestigen zonder te interfereren met de volgende buis. Zo kan elke buis gekoppeld worden aan zijn eigen aandrijfsysteem. De aandrijfmotoren zijn servo-aangedreven zodat de overeenkomstige spindel zal draaien op de snelheid ingesteld in het CNC programma voor de uitgevoerde operaties. De buizen zijn eveneens "getrap" in lengte aan de snijkant van de machine, waar tandwielen aan het einde van elke buis rotatiemoment leveren aan zijn specifieke spindel. Lagers binnen de buisensemblage laten alle buizen met minimale wrijving draaien.

Van een technisch oogpunt, heeft dit aandrijvingssysteem naar zeggen diverse voordelen. Voorop staat het weghouden van de warmte die gegenereerd wordt door de bank aandrijfmotoren van de spindeltrommel. Dit biedt thermische stabiliteit zonder een uitgebreid koelsysteem. Daarnaast zorgt dit ontwerp ervoor dat de spindels altijd verbonden blijven met hun respectieve aandrijfmotoren zonder complexe stroomcontacten die aan het einde van elke indexeringscyclus ontkoppeld of herkoppeld moeten worden. Dit betekent dat de trommel niet hoeft "ontwinden" naar zijn thuispositie om te vermijden dat stroomkabels om de aandrijfas binnen de trommel gewikkeld raken. In feite kunnen de trommels op deze nieuwe modellen in beide richtingen draaien.

Niet Een Bekende Naam

De meeste werktuigmachinegebruikers in de Verenigde Staten zijn niet goed bekend met Mori-Say als een werktuigmachinemerk. ZPS-America en zijn moeder, TAJMAC Group, zijn ook waarschijnlijk onbekend. TAJMAC (uitgesproken TIE-mack) is een multinationale groep van werktuigmachinebouw, distributie en sourcing bedrijven gevestigd in de buurt van Milaan, Italië. TAJMAC werd na de Tweede Wereldoorlog opgericht door Amedeo Tajariol. Zijn zoon, Andrea, leidt nu het managementteam op het hoofdkantoor. Andrea Tajariol's zoon, Michele, runt de TAJMAC-ZPS fabriek in de Tsjechische Republiek.

ZPS (een Tsjechisch acroniem dat vertaalt naar "Precisie Ingenieursfabrieken") is de belangrijkste productiefabriek van de TAJMAC groep. Het ligt niet ver van Zlin, een kleine stad in het midden van de Tsjechische Republiek. Jahrelang heeft ZPS diverse typen werktuigmachines geproduceerd voor private labeling door een aantal bekende Amerikaanse en Japanse bedrijven. Dus, hoewel ZPS onbekend kan zijn, is het waarschijnlijk dat veel Amerikaanse klanten bekend zijn met deze machines onder een andere merknaam.

ZPS heeft een geschiedenis van werktuigmachinebouw die teruggaat tot de vroege 1900s. Productie van CNC apparatuur begon in de jaren 80. Na de val van het IJzeren Gordijn, onderging ZPS diverse eigendomsveranderingen. TAJMAC verwierf het bedrijf in 2000.

Deel van het ZPS complex omvat een van de modernste gieterijen van Europa. Deze gieterij produceert gietstukken voor de multi-spindels machines evenals voor veel andere ZPS modellen en talloze buitenlandse werktuigmachinebouwers. Een gieterij die bijzonder kundig is in het gieten van werktuigmachinegietstukken is een sleutelactivum voor de groep. De nieuwe multi-spindels zijn een prima voorbeeld.

Specifiek, het ontwerp van het centrumblok, dat significant bijdraagt aan de stevigheid en precisie van de hele machinestructuur, vereist een redelijk ingewikkelde gieting die weinig gieterijen betrouwbaar en economisch kunnen produceren, zegt Michele Tajariol. Deze gieting stelt de trommel, centrumblok en trommelkoppeling in staat om in een configuratie gemonteerd te worden die de trommel onder stroom laat draaien en de tandwielen en lagers inlaat. Deze componenten worden als integrale samenstelling pas na deze inloopperiode afgemaakt. Dit omvat de finale stappen op de spindelgaten, die afgemaakt worden in een grote, hoge-precisie jig boormachine terwijl de trommel met zijn Hirth-koppeling in positie in de gieting zit. Deze aanpak wordt gezegd bijna perfecte centrering van de spindels te bereiken. Het resultaat is zeer nauwkeurige positionering als de spindels indexeren, wat de machines in staat stelt hoge-precisie bewerking van complexe werkstukken uit te voeren.

ZPS produceert multi-spindels sinds de jaren 50. Het bedrijf had gepland om de Amerikaanse markt ongeveer 20 jaar geleden te betreden, maar deze pogingen zijn nooit van de grond gekomen. Echter, Tajmac-ZPS heeft recent plannen voor marketing in de Verenigde Staten herlevend. ZPS-America, initieel gevormd in midden-2000, bouwde een nieuw technisch centrum in Indianapoli om een showroom, trainingsfaciliteiten, een reserveonderdeelenvoorraad en een serviceorganisatie te huisvesten. Dit centrum opende vorig jaar.

Denkvervormende Machines

De heer Tessarzyk gelooft dat multi-spindels machines met uitgebreide CNC capaciteit een heroverweging zullen ontketenen van hoe deze klasse werktuigmachines toegepast kan worden, maar ze moeten kostenconcurrentieel en betrouwbaar zijn. In zijn inschatting zou dit een gezonde oefening zijn voor Amerikaanse bedrijven, die een sterke traditie hebben in aanpassen aan nieuwe ideeën. Winkels die snel processen en praktijken heroverwegen om voordeel te halen uit nieuwe ontwikkelingen hebben vaak een duidelijke voorsprong op hun langzamere concurrenten. Deze mentale behendigheid en vindingrijkheid houden de beste winkels en fabrieken in de lead. De nieuwe Mori-Say machines zullen winkels waarschijnlijk opnieuw uitdagen om hun geest om nieuwe mogelijkheden voor efficiënte onderdeelproductie te wikkelen.

De heer Tessarzyk zegt dat deze denkvervormende machines aantrekkelijk zullen zijn voor twee distincte klassen van potentiële gebruikers. Beiden zullen door deze machines uitgedaagd worden. Één klasse, duidelijk, is de gemeenschap van huidige multi-spindels gebruikers. De uitdaging voor hen zal zijn om te begrijpen hoe onderdelen die veel non-draai operaties vereisen in één opstelling op deze machines voltooid kunnen worden. De andere klasse potentiële gebruikers bestaat uit productiewinkels die nu dit type werkstuk produceren op multi-machine cellen, draai/frees machines of draaitafelmachines. De uitdaging voor deze winkels is om een multi-spindels machine in eerste instantie te overwegen. Dit type machine is grotendeels over het hoofd gezien omdat opstellingen verondersteld worden gecompliceerd en tijdrovend te zijn. Conventionele denkbeeld heeft multi-spindels vastgezet voor hoge volumes gedraaide onderdelen.

Nieuwe Strategieën zijn Mogelijk

Profielen van een paar vroege aanhangers van de Mori-Say TMZ642 CNC laten zien hoe deze machines productiestrategieën voor het betere kunnen veranderen. Een is een fabrikant van lasaccessoires die productie verplaatste van mechanische multi-spindels en high-end draai/frees machines. De andere is een traditionele schroefmachine winkel die uitgebreid is naar complexere werkstukken in moeilijk te machine materialen.

Trafimet is een Italiaans bedrijf dat flessen, stroomvoorziening connectors, verbruikbare tips en andere lasgerelateerde benodigdheden maakt die over de hele wereld verkocht worden. De hoofdfabriek is in Vincenza, ongeveer een uur rijden ten noorden van Milaan. Deze fabriek produceert miljoenen onderdelen per jaar, waarvan de meerderheid connectors, sockets, adapters en flessen tips zijn van koper of messing.

Jarenlang steunde het bedrijf op twee contrasterende typen werktuigmachines om zijn productiedoelen te halen. Aan de ene kant waren de multi-spindels machines—twee mechanische acht-spindels machines en vier mechanische zes-spindels machines, alle toegewijd aan de productie van complexe onderdelen in grote productieruns. Aan de andere kant waren diverse single-spindels, drie-tourelle draai/frees machines, die gebruikt werden voor minder complexe onderdelen gemaakt in kortere runs.

In 2006 steeg de vraag naar de stroomvoorziening sockets en stekkers van het bedrijf aanzienlijk. De ingenieurs overwoegen aanvankelijk een acht-spindels automatische draaibank voor socketproductie, maar ze waren bezorgd over de mogelijkheid om snel van onderdeel naar onderdeel te change-over en besloten een CNC multi-spindels machine te overwegen. Alle mechanische multi-spindels van het bedrijf waren geleverd door ZPS, dus het was natuurlijk om de TMZ642 van deze bouwer te overwegen, die net in Europa geïntroduceerd was. Het leek een geschikte machine om een gediversifieerd productmix in runs van 10.000 tot 50.000 stukken te hanteren.

"TAJMAC hielp ons om anders over onze processen na te denken, en dus, om betere resultaten te bereiken," zegt Ugo Simioni, industrieel ingenieur bij Trafimet. Bijvoorbeeld, de onafhankelijkheid van elke spindel maakt het mogelijk om veel typen bewerking uit te voeren, inclusief operaties die een spindelstop of een onafhankelijk georiënteerde C-as spindel vereisen. "Dit maakt de machine een echt en compleet draai- en freescentrum," zegt de heer Simioni.

"In moeilijke tijden vinden we dat we sommige producten naar de TMZ multi-spindels kunnen verplaatsen en lagere lotgroottes hanteren terwijl we cyclus tijden per onderdeel reduceren," zegt de heer Simioni. "Eén van onze onderdelen draaide op een single-spindels draai/frees met een cyclus tijd van ongeveer 1 minuut. Met een beetje planning vonden we dat we hetzelfde onderdeel economisch in batches van 5.000 konden doen—12-seconde cyclus tijden—met drie change-overs per week op de nieuwe machine." De Trafimet ingenieurs hadden al bepaald dat een 15-seconde cyclus tijd het zou toestaan om lots van 10.000 tot 20.000 stukken economisch te produceren. "De onafhankelijke spindelaandrijvingen en geavanceerde aandrijvingssysteem, het gebruik van extra assen en andere verbeteringen maken de machine extreem veelzijdig, en het heeft ons in staat gesteld om nieuwe manieren te vinden om productkosten te reduceren," wijst hij uit.

BRB, gevestigd in de buurt van Bergamo, Italië, is een goed voorbeeld van een traditionele schroefmachine winkel die overgaat naar complexe, hoge precisie onderdelen van moeilijk te machine materialen. Deze winkel verwierf zijn eerste Mori-Say TMZ642 in september 2008.

Het hebben van deze machine op zijn plaats heeft de winkel in staat gesteld orders te winnen voor een complexe hydraulische bus in roestvrij staal. Het onderdeel vereist het boren van diverse kleine-diameter dwarsgaten onder verschillende hoeken ten opzichte van de onderdeelcentrumlijn. Omdat de tolerantie op deze hoekige dwarsgaten strak is, is de stevigheid van de machine met name belangrijk.

Een ander kritisch kenmerk is de mogelijkheid van elke spindel om het werkstuk veilig te klemmen voor effectieve hoog-koppel bewerkingsoperaties op het roestvrij staal. Bijvoorbeeld, een drie-punt freestool wordt gebruikt om sleuven op één einde van het onderdeel te vormen. Doorgaans zouden dergelijke kenmerken geproduceerd worden met een cirkelzaagblad. Echter, geen zaagbladen konden het roestvrij staal aan de snijsnelheden aan die nodig waren om cyclus tijd vereisten te halen. In feite zijn cyclus tijden op deze onderdelen zo kort dat het bedrijf een speciaal meetstation ontwikkelde zodat operators adequate onderdeelstalenname konden uitvoeren en de hoge Cpk nummers die voor dit onderdeel gespecificeerd zijn, konden documenteren.

BRB ziet zijn toekomst gebonden aan het produceren van onderdelen als deze. Omdat deze onderdelen niet typisch geproduceerd worden op multi-spindels machines, gelooft de winkel dat het hoogst concurrentieel kan zijn met bedrijven die zoeken om dit soort onderdeel op CNC draaibanken te produceren.

Een Historische Kans

Job shops en productiehuizen kunnen voor een opmerkelijk scenario staan. Stijgende productiekosten en andere factoren maken het minder gunstig om veel componenten van offshore fabrieken te sourcen. Kopers zullen kijken naar bekwame producenten thuis die kunnen profiteren van nieuwe technologie, eenvoudigere logistiek, lagere transportkosten en betere communicatie om deze kloof te vullen. Echter, ze zullen nog steeds dicht bij de "China prijs" moeten komen om concurrerend te blijven in hun wereldwijde markten.

De heer Tessarzyk gelooft dat deze ontvouwende situatie een opmerkelijke kans biedt voor bedrijven die snel nieuwe bewerkingsontwikkelingen adopteren. Natuurlijk benutten de onderdeelverwerkingsstrategieën die hij in gedachten heeft de flexibiliteit en capaciteit van de multi-spindels van zijn bedrijf, maar dit is slechts één voorbeeld van een verschuiving in technologie die een verschuiving in outlook en denken vereist. Schroefmachine winkels zullen moeten worden aanbieders van CNC productie in korte runs met korte doorlooptijden. Evenzo zullen CNC winkels moeten overgaan van een betrouwbaarheid op eenvoudige machines die complexe snijmanoeuvres maken naar complexere machines die het meest uit eenvoudige bewegingen halen.

Een Acht-Spindels Model Voor Grote, Zware Onderdelen

Hoewel de Mori-Say TMZ867 zijn Noord-Amerikaanse debuut maakt op PMTS (28-30 april 2009, www.pmts.com), staat er al een model op tentoonstelling in de TAJMAC-ZPS showroom in de Milaan, Italië, regio. Deze machine wordt gebruikt voor demonstraties en om klantonderdelen te bewijzen. Een recent getest onderdeel verbeeldt de mogelijkheden van deze machine en versterkt het punt dat toepassingen voor multi-spindels verwerking in een nieuwe richting bewegen.

Het onderdeel is een roestvrij staal stuurkolom component. De hoge nikkel en chroom inhoud van het werkstukmateriaal vraagt om hoog koppel aan de spindel. Het onderdeel werd vroeger geproduceerd op een zware Swiss-type (glijdende hoofstock) draaibank. Op deze "single-point" machine was de cyclus tijd 60 seconden. Op de multi-spindels is het 16 seconden. Beide typen machines voltooien het onderdeel in één doorloop. Volgens de heer Tessarzyk is de multi-spindels net zo nauwkeurig als de Swiss-type draaibank.

Dit is een ongewoon groot onderdeel voor productie op een multi-spindels. De TMZ867 kan echter staafmateriaal tot 72 mm in diameter verwerken en functioneren als open-front chucker. Standaardkenmerken omvatten acht onafhankelijke, AC-aangedreven CNC horizontale spindels; acht onafhankelijke samengestelde schuiven (X en Z); acht onafhankelijke toolhouders met acht 12.000-toer/min aangedreven tools; vijf achterwerktools (drie aangedreven); en een reeks standaard, vooraf instelbare VDI tooling.

Het aandrijvingssysteem volgt dezelfde principes geïntroduceerd op zijn zes-spindels kleine broertje, de TMZ642. Elke van de acht spindels van de machine is gekoppeld via een composiet as aan zijn eigen motor in de spindeltrommel, die een precieze Hirth-koppeling gebruikt. Hierdoor is het onnodig om de trommel aan het einde van elke 360-graden cyclus terug te indexeren; de motoren bij elke indexering met de spindels te koppelen en ontkoppelen; of de trommel te koelen om de warmte die gegenereerd wordt door de spindelmotoren af te voeren.