Near-Net-Shape-Drehen weist den Weg zu einer einfacheren Automatisierung

Near-Net-Shape-Drehen (NNS) ist ein Trend, der sich im Laufe von zwei Jahrzehnten seinen Weg in den Fertigungs-Mainstream gebahnt hat. Die Idee wird heute von fast jedem in der Fertigung verstanden. Im Grunde bedeutet NNS-Drehen einfach das Drehen von Teilen, die geformt oder gegossen wurden, bis nahe an die endgültigen Abmessungen. Die Auswirkungen dieser Methode entfalten sich weiter, da Maschinen, Werkzeuge und Prozesse neue Entwicklungen und Ideen integrieren.

Das meiste NNS-Drehen beinhaltet die Bearbeitung von sehr wenigen Merkmalen an einem Teil; oft ein oder zwei, selten mehr als drei. Beim NNS-Drehen treten häufig Einspannschwierigkeiten auf, da typische Teile häufig einen dünnen Querschnitt haben oder ohne Befestigung oder Messbezug gegossen oder geformt werden. Da der typische NNS-Drehvorgang der abschließende Endbearbeitungsvorgang ist, können wir hinzufügen, dass er normalerweise in die Kategorie des hochgenauen Drehens, Bohrens oder Plandrehens fällt.

Die wichtigste Auswirkung des NNS-Drehens ist jedoch die Art und Weise, wie es Trends in der Automatisierung beeinflusst hat. Wenn die Zeit für die Spanherstellung zu einem kleineren Teil der Gesamtzykluszeit wird, werden Arbeitshandhabung und Werkzeugwechsel zu den wichtigsten Hindernissen für eine bessere Effizienz. Das NNS-Drehen hat sich so entwickelt, dass es sehr gut mit der einfachsten Arbeitshandhabung und dem Werkzeugwechsel zurechtkommt – ein Trend, der sich etwas über das NNS-Drehen selbst hinaus erstreckt und die herkömmliche Meinung in Frage stellt, wie viel Komplexität gut für die Fertigungseffizienz und die Gesamtkosteneffektivität ist.

Teile schnell ein- und ausliefern

„Unsere Aufgabe ist es, die Teile so schnell wie möglich und so konsistent wie möglich in und aus der Maschine zu befördern“, sagt Dan Kruse, Betriebsleiter von Bearing Technologies, Inc., Div. von MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Er bezieht sich auf die Laufringe für die Lager, die sein Unternehmen herstellt und die aus auf Länge geschnittenen Abschnitten von 4118-Stahlrohren gefertigt werden. Obwohl der Job nur geringfügig ein Near-Net-Shape-Vorgang ist (weil bis zu 0,080 Zoll Material in bis zu drei Durchgängen des Schneidwerkzeugs entfernt werden), verwendet er die Automatisierungstechnologie und den Gesamtprozessansatz, den das NNS-Drehen gefördert hat.

Bearing Technologies verwendet zwei vierachsige Mehrfachwerkzeugmaschinen, die über ein lineares Portal-Transfersystem zu einer Zelle verbunden sind. Die Maschinen in dieser Zelle spiegeln den Einfluss wider, den das NNS-Drehen auf die Konstruktion von Produktionsdrehmaschinen hatte. Diese Wasino SS-8-Maschinen sind klein, eng gekoppelt und mit einer Kapazität von nur einem oder zwei Werkzeugen auf jedem der zwei Kreuzschlitten-montierten ("Gang") Werkzeugblöcke ausgestattet und konzentrieren sich auf das Drehen kleinerer Teile, die die Bearbeitung von nur wenigen erfordern Funktionen.

Da keine Revolver indexiert werden müssen, ist der Werkzeugwechsel schnell. Die Schnittzeit wird ebenfalls durch simultanes Schneiden mit vier Achsen und zwei Werkzeugen minimiert. Aber nur 15 Prozent der kurzen 30- bis 40-Sekunden-Zykluszeiten der Teile sind mit Arbeitshandhabung verbunden. Be- und Entladezeiten wurden so weit wie es der Stand der Technik zulässt gequetscht.

Bearing Technologies verwendet das extreme Beispiel für schnelles und einfaches Be- und Entladen:Ein durch Schwerkraft beschicktes Rutschensystem führt Teile in einer geraden Linie und mit einer Handhabungsbewegung zu. Es ist nur für ring- oder scheibenförmige Teile geeignet, trifft aber das Ziel, das in der NNS-Arbeitshandhabung dargestellt wird. Das Rutschensystem verwendet so wenig mechanische Bewegung wie möglich und lädt auf dem kürzesten praktischen Weg.

Das Unternehmen erledigte die Arbeit zuvor mit zweiachsigen Drehmaschinen, die mit konventionelleren Ladern ausgestattet waren. Ihre Schnittzeit war um 25 Prozent länger als die der neuen Vier-Achs-Maschinen. Der größte Unterschied besteht jedoch in der Arbeitsabwicklung. Die Gesamtzykluszeit war ungefähr dreimal länger, bevor sie auf Schwerkraftlader umgestiegen sind.

Grinder-ähnliche Toleranzen

Viele NNS-Anwendungen treiben die Maschinengenauigkeit auf die Spitze, indem sie häufig Schleifoperationen ersetzen und alle Drehvorgänge in einem einzigen Schritt oder in einem einzigen Durchgang durch eine Zelle ausführen, die beide Enden eines Teils dreht. Hartdrehanwendungen fallen häufig in diese Kategorie. Bei Zahnrädern, Buchsen und anderen Kleinteilen aus Pulvermetall (PM) ist das Hartdrehen zu einem ernsthaften Konkurrenten für das Schleifen geworden. Diese Arbeitsklasse kann als Unterkategorie des NNS-Drehens betrachtet werden und stellt die gleichen Anforderungen an die Effizienz und Genauigkeit der Arbeitsabwicklung.

Es legt auch Wert auf Maschinensteifigkeit und Werkzeugtechnik. Obwohl Keramik in leicht belasteten Hartdrehanwendungen verwendet wird, war es die Einführung von Werkzeugen aus polykristallinem kubischem Bornitrid (PCBN), die das Hartdrehen in den Produktionsalltag brachte. Diese Werkzeuge überdauern lange Auflagen und erzeugen eine hervorragende Abnutzungskonsistenz – solange der Kantenvorbereitung sorgfältige Aufmerksamkeit geschenkt wird.

Präzisions-NNS-Drehen, hart oder weich, erfordert normalerweise eine zusätzliche Anwendungsentwicklung. Werkzeugeinstellungen und Werkzeugmaterialien sind sowohl für weichere Teile als auch für harte Teile von entscheidender Bedeutung, bei denen lange Auflagen mit hohen Anforderungen an Genauigkeit und feine Oberflächengüte kombiniert werden. Und viele dieser Teile stellen besondere Anforderungen an die Befestigung oder Einspannung.

Die Bearbeitung kleiner Kolben für Rasengeräte ist ein gutes Beispiel für die besonderen Eigenschaften des NNS-Drehens. Präzisionsdruckguss zu dünnen Abschnitten, ohne leicht zugängliche Bezugspunkte, diese Teile sind schwierig genau einzuspannen und neigen dazu, sich leicht zu verziehen. Trotzdem können wir die Kolbenhemden oft auf ±50 Millionstel (0,000050) Zoll drehen.

Geringes Gewicht ist ein Hauptziel für kleine Kolben, und sie sind eine natürliche Anwendung für Präzisionsdruckguss. Der Gießprozess erzeugt jedoch keine Merkmale zum Aufspannen auf der Innenseite der Teile. Sie müssen entlang ihres vollen Außendurchmessers bearbeitet werden, und der einzige Bezugspunkt für die Ausrichtung der Spindelachse ist die Innenseite des Kolbendoms oder -bodens.

Drehen ist also eine Doppelendbearbeitung, bei der ein fertigbearbeiteter Außendurchmesser am Kopfende am Schaft fortgeführt werden muss, ohne dass der Rundlauf verloren geht. Die dünnen, leicht verformbaren Schürzenwände erschweren diese Aufgabe.

Die Antwort ist eine Kombination aus filigraner Präzisions-Luftspannung und an Ort und Stelle gedrehten Backen – harte Backen für die Massenproduktion. Die Verwendung von Luftfuttern, die bei einem maximalen Leitungsdruck von 60 bis 70 psi laufen, löst viele solcher NNS-Spannprobleme mit dünnen Abschnitten. Sie neigen dazu, über einen weiten Luftdruckbereich von vielleicht 30 psi bis maximal 70 psi genau zu spannen. Selbst mit glatten Backen haben sie einen angemessenen Halt auf dem Teil, wenn die Drehkräfte gering sind, wie bei Aluminiumkolben.

Dennoch gehört mehr dazu, die Genauigkeit bei Teilen mit dünnem Querschnitt aufrechtzuerhalten, als sie nur genau einzuspannen. Ein weiteres potenzielles Problem stellen die Kolben aufgrund ihrer Dünnschliffe dar:Die Kolbenbolzenbohrungen, die wir auf einem abgestimmten Bearbeitungszentrum in derselben Maschinenzelle reiben, sitzen in dünnwandigen Naben. Diese erwärmen sich im ersten Drehschritt schnell und schließen sich dann beim Abkühlen, indem sie den äußeren Kolbendurchmesser um 0,00015 bis 0,00020 Zoll erweitern und zusammenziehen. Bei einigen NNS-Anwendungen ist es äußerst schwierig, mit solchen thermischen Verzerrungen umzugehen.

Flexibilität und thermische Empfindlichkeit von NNS-Teilen treiben die Entwicklung besserer Spannlösungen weiter voran. Das Fertigbearbeiten von Spannbacken auf der Maschine ist mittlerweile Standard. Es ist auch üblich, diese Backen konisch zu bohren, um jegliche Biegung zu kompensieren, die sie im Gebrauch erfahren können. Es wird empfohlen, die Wurzeln gehärteter Backen auf einen größeren Durchmesser als ihre Enden zu bearbeiten, um 0,0005 Zoll bis 0,001 Zoll.

Es ist notwendig, Backen für eine maximale Kontaktfläche zu konstruieren, wenn leichter Druck ausgeübt wird. Auch dann können die Schnittkräfte die Greifkraft der Backen übersteigen und Teile verrutschen lassen. Gewöhnliche Vierkantverzahnungen sind in dieser Hinsicht nicht viel hilfreich, aber es werden gute Erfolge mit scharf gezahnten Backen gemeldet, die für jede Anwendung maßgefertigt sind. Am praktischsten lassen sich diese als Schraubeinsätze herstellen, die entlang der Spindelachse gedreht und gezahnt werden, als einzelnes, zylindrisches Stück und dann gesägt werden, um die Einsätze für jede einzelne Backe zu trennen.

Die Verzahnungen machen tatsächlich feine Spuren auf dem Teil, so dass sie nicht jedes Spannproblem lösen. Aber sie haben einige sehr schwierige gelöst. In einer Anwendung, beim Drehen einer 390er-Aluminiumbuchse aus Druckguss und Spannen mit glatten Backen, erhielten wir Abweichungen von 0,0001 bis 0,0003 Zoll in der Rundheit, was hauptsächlich auf den Backendruck zurückzuführen ist, der erforderlich ist, um ein Verrutschen zu verhindern, und auf eine ungleichmäßige Trennlinie auf der Außenseite Durchmesser der Druckgussteile. Mit gezackten Backen könnte der Druck erhöht werden und die Unrundheit immer noch auf 30 bis 50 Millionstel (0,000030 bis 0,000050) Zoll verbessert werden.

Gehärtete Teile bereiten noch größere Einspannschwierigkeiten. Rutschen ist ein Problem, weil die Schnittkräfte etwas höher sind. Und viele dieser Teile, insbesondere Zahnräder, können nicht auf einfache geometrische Oberflächen gespannt werden.

Das Aufspannen auf der Teilungslinie der Zahnräder ist das theoretische Ideal, denn wenn es sich um eine Passbohrung oder Buchse handelt, die bearbeitet wird (und das ist normalerweise der Fall), möchten Sie, dass das fertige Zahnrad für einen ruhigen, reibungslosen Betrieb auf seiner Teilungslinie läuft. Bei einem Kegelrad oder sogar einem Zahnrad mit flacher Stirnfläche ist die Wälzlinie kaum eine offensichtliche Spannfläche. Tatsächlich kann man es nicht einmal sehen. Es ist ein theoretischer Kreis, der sich irgendwo auf den Zähnen des Zahnrads befindet.

Wir haben dieses Kopfkratzerproblem gelöst, indem wir Pitchline-Spannvorrichtungen verwendet haben. Dies sind gehärtete, erodierte "Zahnrad"-Flächen, die auf dem Spannfutter montiert werden und mit dem Werkstück zusammenpassen, wodurch sichergestellt wird, dass das Teil konzentrisch mit seiner Wälzlinie läuft. Wenn das Werkstück mit der Halterung in Kontakt gebracht wird, passen die beiden Zahnradformen auf natürliche Weise auf einem Kreis der geringsten Interferenz zusammen, der glücklicherweise die Teilungslinie selbst ist.

Eine hochvolumige Kegelradanwendung im Werk von Black &Decker in Easton, Maryland, betreibt diese Einrichtung seit mehreren Jahren in der Großserienproduktion. Die gehärteten und kupferinfiltrierten PM-Teile werden auf einer Mehrfachdrehmaschine mit PCBN-Werkzeugen plangedreht und gebohrt. Die Teilungslinien-Halterung erfordert eine Indexierung des Teils, während es geladen wird, um einen Zusammenstoß des Teils und der Halterung zu vermeiden, Zahnspitze an Zahnspitze, was das nächste große Problem beim automatisierten NNS-Drehen aufwirft:Werkstückhandhabungssysteme.

Arbeitsabwicklung beim NNS-Drehen

Die Arbeitsabwicklung beim NNS-Drehen muss schnell sein, denn davon hängen Taktzeiten ab. Die Anwendung zum Laden von Zahnrädern legt nahe, dass sie auch vielseitig sein muss, um etwas so Kniffliges wie das Ausrichten von Zahnradzähnen zum Zusammenpassen mit einer Vorrichtung zu bewältigen. Eine der bemerkenswertesten Entwicklungen beim NNS-Drehen waren diese schnellen und vielseitigen Lade-/Entladesysteme, die auch den Vorteil haben, einfach zu sein, in die Werkzeugmaschine integriert und mit Standard-CNC leicht zu steuern - idealerweise mit der gleichen CNC, die läuft die Drehmaschine.

Dies ist "in sich geschlossene Automatisierung" und erfordert eine Definition. Hier ist die Konfiguration einer typischen zeitgenössischen NNS-Drehmaschine:Sie ist mit Mehrfachwerkzeugen ausgestattet, da nur wenige Merkmale bearbeitet werden. Die Mehrfachwerkzeugbestückung führt zu einer engen mechanischen Kopplung zwischen dem Schneidwerkzeug und dem Maschinenbett. Dies macht es starr und von Natur aus einfacher, genau zu bauen, ohne Revolverbuchsen oder Indexzahnräder.

Der Portallader ist auf der Maschine aufgebaut und direkt am Maschinenbett befestigt. Der Weg der Werkstückgreifer verläuft streng geradlinig von einem Arbeitsbereitstellungskarussell, das in die Werkzeugmaschine selbst integriert ist. Der Greiferkopf bewegt sich entlang der Länge des Maschinenbetts und an den Enden gerade auf und ab, um Teile am Karussell und am Spannfutter aufzunehmen und zu platzieren.

Aktuelle Portallader verwenden programmierbare Antriebe und futterähnliche Greifer mit weichen Backen. Teilewechsel erfolgen daher schnell. Da die Lade- und Entladebewegungen gering sind und die Fahrten jeweils nur eine Achse betreffen, sind ihre Programme kurz. Sie können in der CNC der Werkzeugmaschine gespeichert und gesteuert werden.

Dies ist ein von Natur aus genaues, sehr kompaktes Paket, und es ist ein modulares Paket, das sich für eine einfache Montage von Zellen mit mehreren Maschinen eignet. Die Portallader können ein zwischengeschaltetes Transfersystem beschicken, das entlang derselben einfachen, linear verlaufenden Linien gebaut ist, um Teile zwischen Maschinen auszutauschen.

Zurück zu dieser Zahnradanwendung:Sie erfordert eine Ausrichtung des Teils, aber die Greifer sind futterartig und wahllos, wenn es darum geht, wie sie Teile vom Karussell aufnehmen. Wie orientiert es sie? Indem es an einer Zwischenstation anhält, wo es das Teil auf eine rotierende Vorrichtung fallen lässt, die mithilfe eines Lichtstrahls erkennt, wo sich die Zähne befinden, und dann das Zahnrad nach Bedarf dreht, um einen Zusammenstoß zu vermeiden. Anschließend nimmt der Greifer das Teil wieder auf und setzt seinen Weg zum Spannfutter fort.

Somit ist das von uns beschriebene Gantry-System einfach, aber nicht simpel; Dank seiner Programmierbarkeit kann es ausgearbeitet werden, um etwas Besonderes mit dem Teil zu machen. Ihn zu orientieren ist eine solche Aufgabe. Das Messen ist eine weitere Möglichkeit für Online-SPC-Anwendungen.

Near-Net-Shape-Drehen legt großen Wert auf Genauigkeit und Schnelligkeit und ermöglicht aufgrund der Beschaffenheit typischer NNS-Teile eine einfache Werkzeug- und Arbeitshandhabung. Die automatisierten Drehzentren, die entwickelt wurden, um diese Marktnachfrage zu erfüllen, sind einfach, ohne einfältig zu sein:Sie sind für spezielle Aufgaben programmierbar, einschließlich Vermessung und Teileorientierung.

Tatsächlich sind diese automatisierten Drehzentren vorgefertigte Automatisierung. Sie lassen sich schnell einrichten, sind in der Lage, extreme Genauigkeiten zu erzielen, und sind vielseitig einsetzbar. Sie weisen den Weg zu einer besseren Automatisierung für viele andere Bearbeitungsanwendungen neben dem Drehen von endkonturnahen Formen.