Powill's Thunderdome: Efficiënte 5-As Spanning Voor 27 Gecontourneerde Onderdelen

Leer 'Thunderdome' kennen. De totale cyclusduur om de bewerking van de 27 gecontourneerde onderdelen, gespannen in deze maatwerkspanning op een vijf-as machine, te voltooien is zes uur. (Foto credits: Powill Manufacturing and Engineering)

Soms moet je even plezier hebben in onze soms te serieuze wereld van precisieonderdelen bewerken.

Een voorbeeld: 'Thunderdome'.

Thunderdome is de naam die gegeven is aan de maatwerk, koepelvormige spanning die is gemaakt door Powill Manufacturing and Engineering, een van de diverse spanningen die ze hebben gemaakt sinds de aankoop van hun eerste vijf-as machine in 2011 om optimaal gebruik te maken van de machine's integrale B- en C-as draaitafels.

Initiëel gebruikte de Phoenix, Arizona, werkplaats verhoogde blokken om onderdelen, gespannen in conventionele spanklemmen en drieklauwspanklemmen, op te tillen en weg van het oppervlak van de machine's bijna 20-inch diameter C-as tafel, om de spindel en het gereedschap betere toegang te geven tot die onderdelen wanneer ze onder onevenwichtige hoeken georiënteerd waren. Vervolgens begonnen ze commerciële spanningsmiddelen te gebruiken die specifiek ontworpen waren voor vijf-as machines, die klemmen op kleine dovetail-profielen die aan de bodems van werkstukblanks zijn gefreesd. Deze dovetail-spanningen bieden voldoende spankracht voor zware snijbewerkingen alsook ruimte rondom het onderdeel. De werkplaats gebruikt ze nog steeds vandaag de dag.

In sommige gevallen zijn zelfs die apparaten niet de meest effectieve spanning voor de vijf-as machine.

Powill ontdekte de waarde die maatwerkspanningen, ontworpen en geproduceerd in eigen huis, bieden voor bepaalde taken, voornamelijk die met strakke kenmerken, echte-positie-toleranties en/of grote seriegroottes. Voor de laatste probeert de werkplaats spanningen te maken die meerdere onderdelen kunnen vasthouden om de spindel-betijd en onbevoegde bewerkingstijd te maximaliseren. Andere maatwerkspanningen houden onderdelen die sterk gecontourneerd zijn of anders niet effectief kunnen worden vastgehouden met conventionele spanningsmiddelen. De leiding van de werkplaats vindt dat deze toepassingen de tijd en kosten rechtvaardigen die nodig zijn om dergelijke eenmalige spanningsmiddelen te ontwikkelen.

Powill heeft diverse maatwerkspanningen gemaakt voor hun vijf-as machine. Dit artikel belicht er twee. De eerste is Thunderdome, die 27 onderdelen vast houdt en gewijd was aan één complexe, hoge-volume taak. De tweede is een vier-paal spanning die vier onderdelen tegelijkertijd vasthoudt. Gemeenschappelijke dovetail-koppelinterfaces maximaliseerden de opbrengst op de investering in deze spanning door hem nuttig te maken voor verschillende taken of onderdeelfamilies.

De koepelvormige vorm van deze spanning maakte het mogelijk om alle 27 onderdelen erop te bevestigen, alsook ruimte te bieden voor snijgereedschappen en de machine's spindel.

Inval In Vijf As

Powill – die voornamelijk de commerciële en militaire luchtvaartindustrie bedient – heeft CNC-machines, waaronder verticale bewerkingscentra (VMCs), horizontale bewerkingscentra (HMCs), een 40-inch tafel verticale draaibank (VTL), multitasking draaibanken en slijp-, hon- en diepboormachines. Een hoog percentage van hun werk is jobshop-werk, hoewel ze herhalende contracten hebben.

Kevin Wolfe is de algemene manager van het bedrijf. Wolfe zegt dat de primaire reden waarom de werkplaats hun vijf-as NMV5000 van DMG MORI aanschaftte, was om opstellingen te reduceren door de spindel toegang te geven tot vijf zijden van een onderdeel in één spanning. Dit is bekend als 3+2 bewerking. De werkplaats werd ook aangetrokken door de volledige vijf-as contouring mogelijkheid, hoewel slechts een deel van de onderdelen die op die machine lopen die techniek vereist.

Hij zegt dat een andere kenmerk die de werkplaats aantrok, de rigiditeit was van de NMV5000's B- en C-as tafel-in-tafel ontwerp. De machine biedt B-as rotatie van +160 tot -180 graden en 360 graden C-as rotatie, en de maximale tafellastcapaciteit is 661 pond. Het heeft ook een meer open ontwerp dan trunnion tafels die de C-as tafel op twee locaties ondersteunen, en onderdelen kunnen omgekeerd worden geplaatst om kenmerken dicht bij hun basis te bereiken. In dit geval vallen spaan onschadelijk weg in plaats van opnieuw gesneden te worden, wat de levensduur van het gereedschap kan verminderen en de oppervlakte-afwerking kan beschadigen. De mogelijkheid om onderdelen op onevenwichtige hoeken te positioneren, stelt ook het gebruik van kortere, rigidere gereedschappen in staat die agressievere sneden kunnen maken.

De machine werd geleverd met een set Esprit CAM CAD/CAM-software. Hoewel het leren van deze nieuwe software tijd kostte, heeft de deelprogramma-simulatie zich als waardevol bewezen. De software was vooraf geladen met een CAD-model van de NMV5000-machine en al haar primaire bewegende componenten. Om bewerkingsoperaties voor een taak te simuleren, voegen CAD/CAM-programmeurs simpelweg CAD-modellen van de spanningsmiddelen en het werkstuk toe aan het machinemodel. Het simuleren van de operatie identificeert mogelijke interferentiepunten tussen spindel, snijgereedschappen, spanningen of onderdelen, zodat die problemen opgelost kunnen worden voordat de taak op de machine wordt uitgevoerd.

Een andere nuttige vijf-as programmeerfunctie is Composite Milling vijf-as, die meerdere bewerkingspatronen en gereedschapas-oriëntaties biedt om alle assen simultaan te controleren voor complexe onderdelen. ProfitMilling gereedschapspaden zijn met name nuttig voor Z-as ruwfrezen van cilindrische vloeren, voegt Wolfe toe. Deze strategie is ontworpen om de levensduur van het gereedschap en de cyclusduur te verbeteren door de gereedschapsinvalshoeken en spaanbelasting te optimaliseren.

De CAD/CAM-software die bij de vijf-as machine van de werkplaats werd geleverd, was geladen met een CAD-model van die specifieke machine. Programmeurs kunnen dan gemakkelijk CAD-modellen van spanningen en onderdelen toevoegen om deelprogramma-simulatie uit te voeren en te zorgen dat er geen botsingen of interferenties zullen zijn met onderdelen georiënteerd op onevenwichtige hoeken.

Op Naar Thunderdome

Een taak met een seriegrootte van 1.000 complexe, gecontourneerde onderdelen gemaakt van Inconel 625, leidde de werkplaats tot het creëren van een spanning die 27 werkstukken kon accommoderen. Feitelijk werd de spanning op de NMV5000 gefreesd.

De werkplaats probeerde initieel zoveel mogelijk onderdelen op een rechthoekige spanning te passen. De uitdaging met dit type prismatische spanningconcept was het bieden van voldoende ruimte rondom elk onderdeel voor alle vijf-as contouring operaties. (Zodra voltooid, zijn er geen rechte kanten meer op dit onderdeel.) Helaas kon dit voorlopige spanningontwerp maximaal 10 onderdelen vasthouden.

Wolfe dacht dat een koepelvormige spanning meer onderdelen kon accommoderen. Ze rond een sferisch profiel te rangschikken, zou voldoende toegang kunnen bieden, terwijl er meer tegelijkertijd geklemd konden worden. De resulterende spanning werd gemaakt van reserve staalmateriaal dat de werkplaats op voorraad had en werd gemonteerd op een rechthoekige verhoogde blok. Iemand zei in de grap dat het leek op de Thunderdome-arena uit de film 'Mad Max Beyond Thunderdome', en de bijnaam bleef hangen.

Een uitdaging was het bepalen van de beste manier om de blanks in deze spanning te houden. Het maakte zin om te beginnen met ronde staaf die dichter bij de nettovorm van het onderdeel lag. Om dat te doen, worden vlakken in elke blank gefreesd om came-geactiveerde klemmen van Mitee Bite te laten grijpen. Er werden twee zakken voor elk onderdeel gefreesd, een voor het klemapparaat en een voor de ronde staaf.

Er zijn andere uitdagingen bij het creëren van zo'n spanning om meerdere onderdelen te houden. Bijvoorbeeld, de onderdelen moeten ver genoeg uit elkaar staan en zo positioneerd zijn dat er voldoende ruimte rondom elk is. Daarnaast moet een balans worden gevonden tussen het aantal onderdelen dat een spanning kan houden en de algehele spanningrigiditeit. Het wegnemen van te veel materiaal om een groot aantal onderdelen te accommoderen kan zowel de rigiditeit als de agressiviteit (hoe snel) die onderdelen kunnen worden bewerkt, beperken.

Thunderdome werd ontworpen om onderdelen in twee rijen te houden. Het verspringen van deze rijen zakken maakte het mogelijk om een paar meer zakken op de onderste rij te passen (15 onderdelen, vergeleken met 12 op de bovenste rij). De totale cyclusduur om alle 27 geklemde onderdelen te bewerken is zes uur. Daarna worden de onderdelen gemonteerd in maatwerk spanklemmen op een VMC die de bodemvlakte en de aftrekking aan de achterkant van een doorgaande boor freest.

Deze spanning heeft vier palen met hun topen onder een hoek van 45 graden. Dit biedt voldoende afstand en ruimte rondom onderdelen wanneer ze in de dovetail-klemmen bovenop de palen worden geïnstalleerd.

Alternatief heeft een vier-paal spanning die de werkplaats creëerde, een aluminium basis met vier staal palen, elk met een dovetail-interface die de spanning nuttig maakt voor een verscheidenheid aan verschillende taken. Deze veelzijdigheid hielp de tijd en kosten van het maken van de spanning te rechtvaardigen.

Echter, het eerste doel van de spanning was om zo snel mogelijk aan een bepaalde taak te beginnen: een brandstofblok gefreesd uit een billet van 1215 staal met seriebestellingen van meer dan 300 onderdelen. Deze grote seriegrootte was de primaire reden waarom de werkplaats een maatwerkspanning overwog die meerdere onderdelen tegelijk kon monteren.

De spanning moest rigid genoeg zijn om ruwfreswerk aan te kunnen, maar nog steeds de ruimte bieden die nodig is voor graveeroperaties en het boren van samengestelde-hoek gaten naar de bodem van het onderdeel. De top van elke paal

Deze maatwerkspanning die de werkplaats creëerde voor hun vijf-as machine biedt ruimte voor het gereedschap en de spindel om de onderdelen te bereiken.

werd gefreesd onder een hoek van 45 graden om werkstukken uit te steken en van elkaar weg te duwen en de gereedschapsruimte te bieden die nodig is om alle vijf vlakken van elk onderdeel te bereiken. De simulatiemogelijkheid en botsingsvermijdingsfunctie in de CAD/CAM-software kwamen van pas om voldoende ruimte te waarborgen.

Werkstukblanks worden eerst voorbereid op een VMC, die dovetail-profielen freest op het vlak dat de minste hoeveelheid bewerkingswerk vereist (of helemaal geen). Zodra de blanks op de spanning zijn bevestigd, is de cyclusduur om de vier brandstofblokken te bewerken (zonder het verwijderen van het dovetail-profiel en het uitvoeren van aanvullende bewerking op dat zesde vlak) 2,5 uur. Voor bepaalde kenmerken wordt de B-as tafel van de machine 135 graden gekanteld om kenmerken dicht bij de bodem van de onderdelen te bereiken. De dovetail-profielen worden vervolgens weggefreesd op een HMC, die ook vier gaten freest die de poorten snijden die op de vijf-as machine zijn gemaakt. Het voltooien van dit onderdeel op een van de HMCs van de werkplaats zou drie afzonderlijke operaties en minstens één maatwerkspanning hebben vereist. Powill heeft deze spanning vervolgens gebruikt voor een verscheidenheid aan andere onderdelen.

Voordat deze brandstofblok-blank in de vier-paal spanning op de vijf-as machine wordt geïnstalleerd, worden het dovetail-kenmerk en de bijbehorende pensleuf gefreesd op een VMC. De werkplaats zegt dat deze configuratie deelverplaatsing elimineert, zelfs tijdens zware ruwfreesoperaties. De pensleuf positioneert de blank ook in de juiste positie in de dovetail-spanning voor herhaalbaarheid. Deze kenmerken worden na afloop van het werk op de vijf-as machine weggefreesd (hier halfweg weergegeven).

Terug In De Tijd

Naast het creëren van maatwerkspanningen voor nieuwe taken, heeft Powill hun spanningsdeskundigheid gebruikt om taken die eerder op drie-as apparaten werden bewerkt, over te zetten naar de vijf-as machine. De werkplaats heeft ook programma's geschreven om andere onderdelen op de flexibele vier-paal spanning te laten lopen. Het consolideren van meerdere opstellingen om onderdelen in één spanning op de vijf-as machine te produceren, vermindert niet alleen de productietijd, maar verbetert ook de onderdeelnauwkeurigheid. Feitelijk gebruikt Powill hun vijf-as machine ook om nauwkeurigere spanningen te maken voor hun drie-as apparatuur, omdat ze kritieke spanning-locatiekenmerken in een enkele opstelling nauwkeuriger kunnen frezen.