Geautomatiseerde vijf-as machining beheersen: Vereenvoudigde oplossingen

Afspeelsnelheid in deze video werd verhoogd terwijl de gripper een andere pallet uit de machine’s opslagrek benaderde.

Challenge Machine profiteert van een laser-tastkop geïnstalleerd aan de zijkant van zijn nieuwe vijf-as-machine’s zwaaiende B-as-gietwerk voor gereedschapsvoorafstelling en, tijdens een onbeheerde machiningcyclus, om gereedschapsbreuk te controleren en toolverslijting bij te houden (voor sommige toepassingen).

Challenge Machine uit Blaine, Minnesota, gespecialiseerd in het machineeren van kleine, complexe onderdelen — sommige uiterst klein. Het doet dit met een reeks apparatuur, waaronder B-as Swiss-type draaibanken, VMCs met trunnion-tabels die vierde- en in sommige gevallen vijfde-as rotatie bieden, en high-speed, echte vijf-as machining centra.

Hoewel de zaak in staat was om lange onbeheerde machining-strekken te realiseren met zijn staafgevoede Swiss-types, tot onlangs vereiste al zijn freesapparatuur handmatige onderdellading. Echter, de meest recente vijf-as-machine heeft een geïntegreerde spanklem-palletwisselaar en hoge-capaciteit automatische gereedschapswisselaar (ATC) om het in staat te stellen onbeheerd overdag en lights-out 's avonds te draaien. Daarnaast vereenvoudigt CNC-functionaliteit gecombineerd met tastroutines programmering omdat operaties gecreëerd worden op basis van één kinematisch punt dat één werkcoördinatensysteem creëert.

Monteur Brandon Gill is Micro Pro’s primaire programmeur, opsteller en operator. Hij waardeert functies zoals de capaciteit om operaties te programmeren op basis van één kinematisch punt/werkcoördinatensysteem met Micro Pro’s Heidenhain TNC 640 CNC en tastroutine, in plaats van programmeren met G54 of G55 G-code-offsets.

De geautomatiseerde vijf-as-machine is een Micro Pro van Duitsland’s Kern Microtechnik (bekend in de Verenigde Staten als Kern Precision, gevestigd in Addison, Illinois). Aaron Schreiber, Challenge Machine’s general manager, zegt dat de zaak dit gesofistikeerde machineplatform 15 jaar overwogen had, een die hij erkent geen kleine investering vertegenwoordigt. Echter, de zaak besloot in eind 2019 de knop in te drukken omdat het nauwkeurigheids-, herhaalbaarheids- en oppervlakteafwerkingsproblemen ervaarde voor een groeiend aantal medische onderdelen die de ISO 13485-gecertificeerde zaak op enkele van zijn vijf-as trunnion-machines draaide. Bovendien merkt hij op dat kenmerken zoals koelkanalen doorheen de nieuwe machine die thermische groei mitigeren, ook betrouwbare machining voor complexe onderdelen faciliteren die typisch lange cycluszeiten hebben. Dit, in combinatie met andere machinecapaciteiten, geeft de zaak het vertrouwen om het in te stellen om op zichzelf te draaien voor dagen of zelfs weken.

Laat het draaien

Jim Betland startte Challenge Machine in zijn kelder in 1999. Vroeg was een groot deel van het bedrijf toegewijd aan micromachining onderdelen voor de halfgeleiderindustrie. De zaak, recentelijk overgenomen door Assurance Manufacturing in Minneapolis, richt zich nog steeds op de kleine dingen. (Ik praat in termen van onderdeelgrootte en let op belangrijke micromachining-details.) Schreiber zegt dat de verkoop dit jaar 15% gestegen is naarmate de zaak zijn focus op de medische markt vergroot terwijl ook luchtvaartwerk wordt getarget.

De zaak heeft een reeks onderdelen van diverse materialen op de Micro Pro gemachineerd. In een typische maand draait het 10 tot 15 verschillende deelnummers over de machine, velen met cycluszeiten van 3 uur of meer.

Volgens Kern bereikt de Micro Pro — die hydrostatische geleiders, lineaire drijven en een eenstuk-gietbasis van ultra-hoog-prestatie-beton (UHPC) heeft — beter dan 2 micron positioneringsnauwkeurigheid en beter dan 1 micron herhaalbaarheid. Het was ontworpen met kleine-onderdelen-machining in gedachten, biedend XYZ-reizen van 350 bij 220 bij 250 mm, terwijl de zwaaiende B-as 220 graden roteert. Schreiber merkt op dat de kleine voetafdruk van 43 vierkante voet gewaardeerd wordt gegeven dat vloerruimte momenteel op een premium staat in de zaak’s 16.000-vk-voet, omgevingsgecontroleerde faciliteit. (Hij zegt dit is één reden waarom de zaak waarschijnlijk in de komende jaren naar een andere locatie zal verhuizen.)

Snijgereedschappen en spanklem-palletten worden aan de zijkant van de machine opgeslagen. Deze machine kan 30 spanklem-palletten en 109 gereedschappen accommoderen. De kleinste gereedschap die de zaak op de Micro Pro heeft gebruikt (die een 43.000-toer/min HSK 40 spindel heeft) is 0,003 inch in diameter.

Challenge Machine’s Micro Pro gebruikt een Erowa nul-punt spanklem-systeem met krachtklem die herhalende positioneringsnauwkeurigheid van minder dan 0,0001 inch biedt. De machine kan 30 palletten en 109 gereedschapshouders in zijn gesloten, meerniveaus rekken aan één van zijn zijden opslaan. De integraal werkstukwisselaar levert automatisch palletten met grondmateriaal (doorgaans ronde staaf in collets in Challenge Machine’s geval) aan de klem, en verwijdert en bewaart palletten zodra onderdelen voltooid zijn.

De werkstuk- en gereedschapsopslagcapaciteit biedt de zaak veelzijdigheid in de typen taken die het over de machine draait. Bijvoorbeeld, redundante tooling kan in de machine geladen worden wanneer batchgroottes van dezelfde of vergelijkbare onderdelen hoog zijn. (Schreiber zegt dat batchgroottes voor deze machine typisch oplopen tot 100 tot 300 stukken.) Integenstelling, diverse verschillende gereedschappen (en palletten met grondmateriaal) kunnen ook geladen worden zodat het gelijktijdig een mix van low-volume taken kan draaien.

De integraal werkstukwisselaar levert automatisch palletten met materiaal (doorgaans ronde staaf in collets) aan de werktafel en verwijdert palletten zodra onderdelen voltooid zijn. Een Erowa nul-punt spanklemsysteem heeft krachtklemmen die herhalende positioneringsnauwkeurigheid van minder dan 0,003 mm bieden.

Hoewel batchgroottes voor deze machine schijnbaar laag zijn (veel van de zaak’s werk zijn prototypes en lage productievolumes), zijn onderdeelcycluszeiten vaak hoog. Het draait soms onbeheerd voor 3 weken op een rij, en 3-uur cycluszeiten voor een onderdeel zijn niet ongebruikelijk. Bijvoorbeeld, de Micro Pro voltooit een titanium medisch onderdeel gebruikt voor aortaklep-reparatie met wanden van 0,014-inch breed vanaf 1,25-inch-diameter staafmateriaal waarin 97% van het materiaal verwijderd wordt.

Voor toepassingen zoals deze en waaierraders voor bloedpompen, is volledige vijf-as contouring vereist. Echter, de zaak profiteert ook door 3 + 2 positioneringsoperaties uit te voeren voor meer prismatische onderdelen, in plaats van ze over meerdere machines te laten lopen of meerdere opstellingen uit te voeren.

Om verder vertrouwen te bieden om de Micro Pro onbeheerd te laten draaien, profiteert Challenge Machine van de Blum-Novotest laser-tastkop die gemonteerd is aan de zijkant van de machine’s zwaaiende B-as-gietwerk voor gereedschapsvoorafstelling en, tijdens onbeheerde machining-cycli, om gereedschapsbreuk te controleren en toolverslijting bij te houden (voor sommige toepassingen).

Monteur Brandon Gill is de Micro Pro’s primaire programmeur, opsteller en operator. Hij zegt dat één kleine uitdaging met deze machine was vertrouwd raken met de Heidenhain TNC 640 CNC (de zaak’s eerste van dit merk), hoewel dit gewoon een kwestie was van vertrouwd raken met de CNC’s interface en waar specifieke functies te benaderen. Hij waardeert functies zoals de capaciteit om operaties te programmeren op basis van één kinematisch punt/werkcoördinatensysteem met de TNC 640 CNC, in plaats van programmeren met G54 of G55 G-code-offsets. De zaak gebruikt GibbsCAM om deelprogramma's voor deze machine te ontwikkelen alsook voor zijn andere freesmachines.

Feitelijk merkt Gill op dat capaciteiten zoals deze de Micro Pro zijn favoriete machine om te programmeren en te bedienen.

Een Swiss-type bekijken als een vijf-as machine

Dit complexe medische onderdeel leidde Challenge Machine tot het overwegen van zijn eerste Swiss-type draaibank, een met een programmeerbare, zwaaiende B-as met live-tooling stations. Het gekozen model was een Marubeni Citizen-Cincom L220 dat het in 2015 kocht. De zaak had het implanteerbare, medische-graads polyetheretherketon (PEEK) onderdeel gebruikt in knievervangingsprocedures over twee CNC-machines gedraaid. Een vijf-as-machine freeste een groot deel van het onderdeel (cyclus tijd was 45 minuten) en een drie-as-machine voltooide het (cyclus tijd was 15 minuten). De L220 was in staat het onderdeel in 15 minuten te voltooien.

De zaak ontdekte dat het ontwikkelen van tooling-strategieën voor dit type machine uitvinding vereist. In tegenstelling tot CNC-freesmachines met hoge-capaciteit gereedschapswisselaars, hebben Swiss-types een beperkt aantal gereedschapsstations. De L220 heeft vijf draaistations, drie kruiswerkende stations voor de hoofdas, zes tegenovergestelde stations (drie live, drie statisch), acht stations op de achterste post (vier live, vier statisch) en vier live stations op de B-as-toolpost. Er is simpelweg niet de capaciteit om specials zoals custom vormgereedschappen te gebruiken zoals de zaak op een freesmachine zou hebben gebruikt. Als resultaat moet Challenge Machine creatief zijn in hoe het balfrezen, boorbouten, sleufgereedschappen en dergelijke gebruikt om de complexe kenmerken te creëren die onderdelen nodig hebben, zoals de belvormige ID-geometrie op de PEEK knievervangingsonderdeel.