Efficiëntie Maximeren: Horizontale Werkzeugmachines voor Groot-Delbewerking

Veilig platforms hanteren verwerking met maximale efficiëntie

Horizontale bewerkingscentra (HMC's) zijn veelzijdige vier-as en, steeds vaker, vijf-as machineplatforms die de verwerking van meerzijdige grote delen maximaliseren door deelhandling te minimaliseren. Ze worden gebruikt in zo diverse branches als luchtvaart, automotive, energieopwekking en algemene techniek.

Met hun bijna universele productiecapaciteiten bieden HMC's veel keuzes aan fabrikanten, waardoor ze minder gevoelig zijn voor de cyclische piek- en dalbewegingen van één enkele industrie, zoals olie en gas. HMC's zijn gemakkelijk te automatiseren. Ze zijn meestal uitgerust met twee paletten voor tombstone-gemonteerde delen, een enkel werkstuk, of ze kunnen geautomatiseerd worden met palletpools van zes of meer paletten. Voor onbemande 'lights-out' productie zijn lineaire flexibele productiesystemen (gevoed door voorraden en bediend door rail-geguidde, overhead-portaalrobots, of op sokkel gemonteerde zes-as robots) beschikbaar. Enkele grote werkstukken variëren van motorblokken tot olieboorbitten, pomphuisjes en manifolds, en families van tombstone-gemonteerde componenten.

Machines en Grote Delen Afstemmen

Wanneer het gaat om het bewerken van grote delen, zijn de rigiditeit van de machine en zijn fundamentele constructie cruciaal voor proces-efficiëntie, nauwkeurigheid en consistentie, volgens Sal Swierczek, assistent verkoopmanager, Kitamura USA Inc., Wheeling, Illinois.

"Kitamura's HXiG-serie HMC's variëren van 250 tot 1250 mm tafelgrootte met 8.000 of 12.000 toer per minuut vier-trap, tandwiel-aangedreven spindels die 430 tot 900 ft-lb koppel leveren voor het snijden van exotische materialen," zei hij. "Deze HMC's hebben geoliëerde dubbele balspindels op boxways die in-house induktie-gehard en geschlopen zijn, volgens Kitamura's gepatenteerde proces tot sub 4 µm oppervlakteafwerking voor superieure mating, nauwkeurigheid en langetermijnbetrouwbaarheid. Vakmanschap in handschraptechnieken maakt consistente nauwkeurigheden van ±0,002 mm volle hub en ±0,001 mm herhaalbaarheid mogelijk."

De eerste overweging is natuurlijk dat het werkstuk past in de werkbereik van de machine, of nu één deel op de tafel laadt of meerdere delen om de doorvoer te verhogen, aldus Swierczek. "Belangrijke machineselectiecriteria omvatten machinecapaciteit (inclusief algehele machinegrootte), spindelvermogen, rigiditeit, aantal gereedschappen, magazijngrootte-selectie, en gereedschapstaper en -grootten," zei hij. "Kitamura horizontale machines hebben een standaard twee-station APC [automatische palletwisselaar] met de optie om het aantal paletten te verhogen met palletpools in het veld."

Swierczek voegde toe dat "de mogelijkheid tot automatisering één van de uitdagingen beantwoordt waarmee winkels vandaag de dag te maken hebben, en dat is de moeilijkheid om geschoolde operators en een arbeidskracht te vinden die 'lights-out' bewerking kan aan."

Horizontale bewerkingscentra bieden noodzakelijke flexibiliteit in deelverwerking. "In vergelijking met een drie-as bewerkingscentrum, minimaliseren volledige vier-as bewerkingscentra deelhandling, het aantal keren dat een deel omgedraaid hoeft te worden van zes naar twee," zei Swierczek. "Met de vierde as op het bewerkingscentrum kan de operator het deel van de voorkant en beide zijkanten benaderen en het vervolgens herpositioneren voor de finale verwerking."

Daarnaast kunnen Kitamura HMC's uitgebreid worden tot volledige vijf-as bewerking naarmate het bedrijf van de winkel groeit. Kitamura biedt zijn eigen Arumatik-Mi, icoon-gestuurd CNC-besturing, die compatibel is met FANUC-programmering. De Arumatik-Mi-besturing detecteert gereedschapslijt en regelt de snijsnelheid automatisch door live spindellast tijdens bewerking te monitoren. Gereedschapslevensduur wordt gemaximaliseerd en cyclusdrastisch verkort door aan te passen aan veranderende snijcondities. Additionele voordelen omvatten vermindering in niet-snijtijd en preventie van machinecrashes en/of menselijke fouten.

Machines voor Grote Delen

Voor groot-deelbewerking biedt Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., twee horizontale bewerkingscentrumlijnen aan: Niigata en KIWA Japan. "De KIWA Japan-lijn is bekend om hoge snelheid, hoge betrouwbaarheid bewerking typisch voor jobshops en Tier One en Tier Two automotive winkels," zei Dale Hedberg, vicepresident operaties. "De Niigata-productlijn is ontworpen voor zware snijapplicaties waar lage-frequentie bewerking en hoge metaalafvoersnelheden vereist zijn."

De Niigata-productlijn omvat de vijf-as HN50E-5X en HN63E-5X, de vier-as HN50 tot HN1600, de HN800 tot HN1600-BAR en de HN800 en HN1000-FC facing en contouring machines. Machineplatforms zijn 500 mm tot 1.600 mm in tafelgrootte. Spindeltaper-grootten zijn CAT-50 BIG Plus, HSK100A, met spindelopties van 6.000, 8.000, 12.000 en 15.000 toer per minuut.

"De industrie neigt nu naar vijf-as platforms in horizontale bewerkingscentra, wat Niigata aanbiedt in zowel 500 als 630 mm formaten," zei Hedberg. "In de luchtvaart- en energie-industrie richt Niigata zich op lage-frequentie bewerkingsapplicaties, die profiteren van de natuurlijke dempingseigenschappen van de machines. Lage-frequentie bewerking wordt een populair begrip bij hoge-koppel bewerking van titanium en Inconel voor betere gereedschapslevensduur en spindellevensduur," legde hij uit.

Het vermogen om trillingen van snijkrachten te dempen is van nature inherent in de machinegietingen en metaal-op-metaal contactoppervlakken die handgeschraapt zijn voor mating oppervlakteafwerking. Typische applicaties in de energie- en energieopwekkingvelden omvatten flessen, fracking heads en blisks, volgens Hedberg.

Bij groot-deelbewerking met HMC's is de diamétrische nauwkeurigheid van de verplaatsing in elke as en rigiditeit vooral belangrijk om precisie en herhaalbaarheid te bereiken. Zei Hedberg: "De schoonheid van vijf-as bewerking is dat je geen ingewikkelde bevestiging of custom werkvasthouding nodig hebt, tenzij je een uniek deel bewerkt dat een window-type bevestiging of een speciale spanningsmethode zou vereisen."

Applicatie-gefocuste HMC's

Mitsui Seiki USA Inc., Franklin Lakes, N.J., kijkt naar klantvraag voor de ontwikkeling van nieuwe horizontale bewerkingscentra - specifiek op huidige modellen die het meest gezocht zijn voor groot-deelbewerkingsapplicaties, volgens Robb Hudson, president. "Vandaag de dag komt de vraag naar grote delen zeker uit de luchtvaart, wat nu een grote drijfveer is, zowel in de straalmotor familie van onderdelen als structurele componenten. Andere doelmarkten omvatten vorm en stempel, ruimtevaart en defensie en industriële gasturbine sectoren," zei hij.

"Onze horizontale bewerkingscentra, met 1 m en grotere paletten en bijbehorende tafelconfiguraties die gewichten van 1.000 tot 10.000 lb [453-4.535 kg] kunnen accommoderen, worden als onze grote deel machines beschouwd. Het is belangrijk op te merken dat onze machines in deze grootteklasse allemaal voortkwamen uit klanten die de ontwikkeling dreven. We hebben de machines niet gemaakt en daarna markten gezocht. Ze zijn allemaal afgeleid van een klantvereiste voor een specifieke applicatie."

Om in aanmerking te komen voor groot-deelproductie, delen alle Mitsui Seiki machines dezelfde belangrijkste technische kenmerken. Zei Hudson: "Er zijn twee categorieën in mijn ogen - grote delen die ook grote hoeveelheden materiaalafname vereisen en delen die gewoon onhandig zijn en lichtere sneden vereisen. Mitsui Seiki opereert in de grote-deelsector die zware zware snijden van zware materialen vereist. Als zodanig hebben onze machines veel massa, stijfheid, grote box geleidbanen, grote diameter balspindels voor voldoende duwkracht, robuuste assiële koppel en speciale servomotoren om het deel in de werkbereik te bewegen en de benodigde snijkrachten te accommoderen."

Al deze kenmerken, plus besturings- en constructienauwkeurigheid zijn vereist om de juiste prestaties voor de applicatie te leveren, volgens Hudson. Hij voegde toe dat de bevestiging een belangrijk element is in groot-deelproductie, en vaak net zo substantieel en zwaar is als het werkstuk dat het vasthoudt.

Automatisering Gemakkelijker Gemaakt

Hoewel het instellen van automatisering met elk type machine gecompliceerd is, lijken HMC's makkelijker te automatiseren vanwege het volume van hun productie-uitvoer, volgens Mel Gay, regionaal verkoopmanager, YCM Technology (USA) Inc., Carson, Calif.

"De snelheid van het terugwinnen van de geïnvesteerde dollars is altijd de primaire zorg bij HMC-aankoop," zei hij. "Populaire formaten zijn 500/630 mm met een minimum 60-120 gereedschapscapaciteit voor kleine jobshops, en 240 gereedschappen en meer voor grote fabrieken. Grotere gereedschapscapaciteiten staan toe voor meer complexe taken met minimale insteltijd, vooral met de multi-pallet celconfiguratie."

Op IMTS toonde YCM de NH500A 6 APC, gericht op industrieën als automotive die hoge deelvolumes produceren. De NH500A heeft een 30 pk, 20.000 toer per minuut spindel en een 500 x 500 mm pallet.

"Productiviteit begint met de hoogst rigide T-basis fundering met ribconstructie," zei Gay. "YCM combineert deze fundering samen met een een-stuk gegoten spindelkop en een dubbele-wand kolomontwerp. De direct-aangedreven spindel heeft precisie keramische kogellagers, wat toelaat voor een hogere snijddynamiek en hogere spindelsnelheden."

Hoog-precisie rol-type geleidbanen op alle assen staan toe voor snelle snelheden van 2.362 ipm (60 m/min) en snijsnelheden tot 1.575 ipm (40 m/min), volgens Gay. Het precisie pallet indexeringssysteem accommodert een zes-pallet APC voor hoge doorvoer van een enkel component of families van delen.

"Al deze kenmerken staan toe om de nieuwste snijgereedschapstechnologie te benutten, deeldeverwerking te verbeteren en de totale eigendomskosten te verlagen," zei hij.

Groot Deel HMC's Gebouwd in Amerika

DMG Mori, Hoffman Estates, Illinois, produceert vier modellen horizontale bewerkingscentra in zijn Davis, Calif. fabriek. De NHX 4000 en NHX 5000 zijn derde-generatie, 40-taper machines met 400 en 500 mm paletten; de NHX 5500 en NHX 6300 zijn tweede-generatie, 50-taper machines met 500 en 630 mm paletten.

"Onze horizontale machines zijn ontworpen voor zowel de zware snij- als hoge nauwkeurigheidsvereisten van onze klanten in de energie, luchtvaart, industriële apparatuur, en contractproductie industrieën," zei John McDonald, executive vicepresident ontwikkeling en productmanagement.

Typische werkstukken omvatten grote kleppen en turbine-onderdelen voor de energie-industrie; motor, differentieel en transmissiebehuizingen in industriële apparatuur; en structurele componenten in de luchtvaart. Materialen variëren van titanium of roestvrij staal tot gietijzer of aluminium - allemaal afhankelijk van de applicatie.

"Onze klanten bereiken hoge productiviteit door automatisering door gebruik te maken van palletpoolsystemen voor high-mix productie of met toegewijde robot laden gebruikmakend van onze geïntegreerde, door-tabel bevestiging hydrauliek die standaard op onze horizontale bewerkingscentra zit," zei McDonald. "Groot-deelbewerking en zware snijden zijn afhankelijk van een geoptimaliseerde machinestructuur. Al onze horizontale machines hebben een volledig finite-elementen-geoptimaliseerde structuur, inclusief een zware drie-punt ondersteuning gietijzer bedstructuur, powerMASTER spindel (50-taper machines) en rol lineaire geleiders. Lineaire schalen zijn standaard op al onze machines, wat onze klanten in staat stelt de hoogste nauwkeurigheid over de lange levensduur van de machine te behouden."

De standaard 50-taper powerMASTER spindel is 12.000 toer per minuut met een optionele 16.000 toer per minuut hoge-snelheid versie. De NHX 6300 heeft ook een optionele 8.000 toer per minuut, hoge-koppel spindel beschikbaar voor zware snijden van moeilijk te bewerken metalen, zoals exotische materialen en zware gietijzer.

DMG Mori's CELOS-besturingsinterface biedt een selectie van applicaties voor procesoptimalisatie. In lijn met Industrie 4.0-initiatieven, vereenvoudigt en versnelt de CELOS-besturingsinterface alle fasen van deeldeverwerking, van het idee tot het eindproduct, voor zowel de productie van enkele delen tot seriemassaproductie.

CELOS-apps maken consistente beheer, documentatie en visualisatie van taak, proces en machinagegevens mogelijk, evenals het koppelen van werkplaats- en hogere bedrijfsstructuren, wat de basis vormt voor consistente gedigitaliseerde en papierloze productie, volgens DMG Mori. Deze functionaliteit kan zelfs bereikt worden vanaf een bureaubladcomputer met de CELOS PC-versie.

"We bieden ook technologiecycli die onze klanten in staat stellen om eenvoudig complexe bewerkingsprocessen te realiseren," zei McDonald. "Bijvoorbeeld, Machine Vibration Control (MVC) stelt de operator in staat om stabiele snijvoeding en snelheden tijdens zware bewerking te vinden. Machine Protection Control (MPC) daarentegen biedt spindeltrillingsmonitoring, gereedschapsbelastingmonitoring en botsingsdetectie om schade te voorkomen of te verminderen. Door deze gegevens te verzamelen en te analyseren, helpt de CELOS-besturingsinterface winkels om hun productiviteit te maximaliseren, nog hogere nauwkeurigheid te bereiken, en spindels meer uren per dag te laten draaien," zei McDonald.

Vermogen in Constructie

Okuma's horizontale bewerkingscentra, zoals de MA-600HII, zijn populaire keuzes voor automotive, stempel, energie en luchtvaartindustrieën, volgens Errol Burrell, bewerkingscentrum productspecialist, Okuma America Corp., Charlotte, N.C.

"Ze leveren nauwkeurigheid en stabiliteit bij het bewerken van grote delen vanwege hun consistente thermische stabiliteit," zei hij. "Machines worden getest voor hun thermische profiel en gegevens over mogelijke thermische deformatie worden in real-time teruggevoerd in de besturing voor eventuele compensatie via Okuma's TAS (thermal axis stabilizer) software."

De MA-600HII is een 50-taper machine met een 6.000 toer per minuut spindel en standaard 40-gereedschapsmagazijn dat geüpgraded kan worden naar 60-gereedschappen en zelfs tot 285- of 400-gereedschappen, ideaal voor jobshop of productieproductie. De MB-8000H is vrijwel hetzelfde platform met een 800 mm tafel, en de volgende grootte is de MB-10000H met een box-in-box ontwerp in plaats van een kolom.

Okuma machines worden op elk mating oppervlak handgeschraapt voor verhoogde nauwkeurigheid en productiviteit over een langere tijdsperiode voor verminderde kosten en maximale winstgevendheid, zei Burrell.

Typische olieveldcomponenten zoals pomphuisjes profiteren van Okuma's unieke Turn-Cut mogelijkheid. "Voor pomphuisjes stelt onze Turn-Cut mogelijkheid ons in staat een flens te draaien op Okuma horizontale bewerkingscentra," zei Burrell. Turn-Cut is een programmeeroptie beschikbaar op Okuma HMC's die de machine in staat stelt gaten en diameters te creëren die circulair en/of hoekige kenmerken omvatten. Dit stelt gebruikers in staat om kenmerken op grote, ongebalanceerde delen te draaien op hetzelfde platform waar standaard CNC-bewerkingsfuncties worden uitgevoerd. Turn-Cut elimineert de noodzaak om special-purpose machines, gereedschappen, bevestigingen of add-on componenten te kopen.

Turn-Cut beïnvloedt niet de prestaties of levensduur van de machines. Wanneer zware frezen vereist is, is de Okuma HMC uitgerust met Turn-Cut nog steeds net zo capabel als ooit, volgens Okuma. Meest belangrijk, Turn-Cut stelt verwerking van werk in zonder de noodzaak om een secundaire machine voor een draaiapplicatie te gebruiken. Delen zoals kleppen, buizen of manifold-type delen zijn ideale kandidaten voor Turn-Cut.

Op IMTS toonde Okuma zijn Tower Pallet geautomatiseerde verticale palletsysteem. Het voorziet twaalf 20 x 20" (500 x 500 mm) paletten, elk met een maximale belastingcapaciteit van 1.100 lb (500 kg) op twee niveaus. Het geïntegreerde APC-systeem levert snelle laad/los tijden met een servomotor-aangedreven zwenksysteem voor lights-out operatie, aldus het bedrijf.

Volledige Vierde As, Automatisering

Mazak Corp., Florence, Ky., biedt een volledige lijn HMC's naast zijn grote brug-stijl verticale bewerkingscentra, vijf-as verticalen met draaien (INTEGREX) en zijn VARIAXIS vijf-as trunnion-stijl machine, volgens productspecialist Jared Leick.

"Grote-deelbewerking met 50-taper spindels wordt gedaan op machines met 800 tot 1.600 mm tafels/palletten, inclusief onze Quill-serie HMC met 1.250 tot 1.600 mm tafels, evenals onze HCN-6800, met een 630 mm tafel voor grote motorblokken voor automotive en energiecomponenten."

De 50-taper lijn omvat drie additionele modellen in de serie (HCN-8800, HCN-10800, en HCN-12800), met 10.000 toer per minuut standaard en optionele 8.000 toer per minuut en 6.000 toer per minuut 50-pk spindels voor hogere koppel bewerking van titanium, roestvrij staal en andere exotische metalen. Voor bewerking van grote aluminium structurele delen voor de luchtvaart- en halfgeleiderindustrieën, is een 16.000 toer per minuut spindel beschikbaar, aldus Leick.

Mazak biedt volledige vier-as HMC's, die voor ongeveer 60% van alle HMC's verkocht door het bedrijf rekenen, zei hij. Vier-as HMC's met standaard 0,0001° positionering staan toe een twee- of vierzijdige bevestiging te draaien voor het boren van samengestelde hoeken, indexeren 90° en terug draaien. Volledige vier-as operatie maakt contouring mogelijk en kan gebruikt worden om cyceltijd te verminderen, wat verwerking vergemakkelijkt, vooral voor complexe delen.

Beschikbare automatisering omvat Mazak's PALLETECH-systeem, dat een groot aantal machines in een FMS-configuratie en een rail-geguidde robot kan accommoderen, samen met Mazak's nieuwe Multi-Pallet Pool (MPP) single-machine automatiseringssysteem voor 400 en 500 mm machines. "We hebben HMC's geautomatiseerd met zes-as FANUC robots op een rail die delen in verschillende stations positioneren voor laser markering, wassen en afgraten," zei Leick.

De Mazak HCN-5000 HMC is nu beschikbaar met het MPP-systeem van het bedrijf, een basis automatiseringsoplossing in een compacte voetafdruk. Winkels die de vloerruimte missen om een conventionele lineaire horizontale palletstocker te accommoderen, hebben nu de mogelijkheid om te automatiseren voor continue productie, volgens Leick.

MPP biedt het gemak van een groter Mazak PALLETECH-systeem terwijl het tot 30% minder ruimte inneemt. Servomotoren op elke as, evenals een twee-niveau palletarrangering die elke pallet op dezelfde afstand van het centrum van de stocker houdt, garanderen snelle en stabiele laden/lossen, zei hij.

Ontworpen om uit te breiden naarmate productiebehoeftes groeien, kunnen fabrikanten het systeem's standaard 10-pallet stocker herconfigureren om 16 paletten te huisvesten voor verhoogde uitvoer. Met de grote, zware deeloperaties van de HCN-5000 in gedachten, maakte Mazak deze nieuwste MPP de grootste versie in termen van deelgroottecapaciteit. Het systeem huisvest 500 vierkante mm paletten die werkstukken tot 800 mm in diameter en 1.000 mm hoog accommoderen.