Ist diese neue CNC-Mehrspindeldrehmaschine die richtige Wahl für Ihren Betrieb?

Davenport Machine Company fand kurz nach Jahrtausendwende ein gutes Mehrspindeldesign. Gut genug, dass laut Don Firm, Firmenpräsident, viele Teile zwischen einem 1908er Modell DA (Ausstellung im Hauptsitz Rochester, NY) und dem 1996er Modell B (im Werkbau) austauschbar sind.

Doch die Welt der Davenports und Mehrspindel-Automaten dreht sich rasant. Zunehmender Marktdruck – kleinere Losgrößen, höhere Toleranzanforderungen, Mangel an qualifizierten Einrichtern – wirft Fragen zur Ergänzung der bewährten Mehrspindelautomaten auf.

Herr Firm leitet Davenports Bemühung um eine Mehrspindelmaschine für das nächste Jahrhundert. CNC-Servotechnologie hat praktischen Reifegrad für Mehrspindeln erreicht.

Er sieht diese neue Maschine, Bezeichnung LS 522, als Antwort auf Schraubenmaschinenprobleme und als Prozessalternative für Nicht-Schraubenmaschinenbetriebe. Bei einem Besuch erhielten wir Vorschau vor IMTS 96-Einführung.

Mehrspindel-Grundlagen

Mehrspindelmaschinen fertigen Teile schnell, da ihr Design mehr als einen Schneidvorgang gleichzeitig erlaubt. Allgemein (viele Variationen): Jede Spindel wird von zwei unabhängigen Werkzeugbewegungsachsen geschnitten.

Eine ist der Quer-Schlitten, der ein Schneidwerkzeug senkrecht zur Spindelachse bewegt. Der zweite Schlitten trägt Stirnseitenwerkzeuge und bewegt sich auf der Achse vom Reitstockende. Entsprechend entsprechen Werkzeuge auf diesen Schlitten OD- und ID-Werkzeugen auf Einkopf-Drehzentren. Aber: Mehrspindelmaschine kann OD- und ID-Werkzeug auf jeder Spindel gleichzeitig nutzen. Davenport-Maschinen haben fünf Spindeln → mindestens zehn Werkzeuge gleichzeitig im Schnitt.

Spindeln am Umfang eines indexierbaren Trommels montiert. Da alle Schneidvorgänge simultan ablaufen, produziert jeder Trommelindex ein Fertigteil. Fünf-Spindel-Davenport = fünf Teile pro Trommelumdrehung.

Quantität oder Qualität

Seit Langem hält Mehrspindelautomat Hochvolumentitel für kleine Drehteile. Aber: Dreht nicht schneller als andere Designs. Da viele Mehrspindeln Stangenmaschinen sind: Spindeldrehzahlen konservativ vs. Spannfuttermaschinen, langsam vs. Einkopf-CNC-Drehzentren.

Geheimnis: Kumulative vs. additive Zykluszeit. Aufteilung des Teilebearbeitungszyklus in viele kleine Operationen, dann simultane Ausführung auf mehreren Spindeln.

Maschinenzyluszeit = längste Schneidoperation an einer Station. Beispiel: Station 3 hat Stirnseitbohren 0,75 s (inkl. Index). Nächstlängste: Quer-Schlitten-Nut 0,65 s an Station 4. Da alle Stationen simultan genutzt werden, spiegelt Zykluszeit längste Operation wider = 0,75 s.

Allgemein: Mehrspindelautomaten bekannt für hohe Geschwindigkeit, weniger für hohe Genauigkeit. Mechanische Systeme mit Nocken, Wellen, Hebel stapeln zu viel Ungenauigkeit für konsequente enge Toleranzen.

Für engere Toleranzen: Einkopf-CNC-Drehzentren. „Ihre Programmierbarkeit und Servokontursteuerung erlauben um eine Dezimalstelle engere Toleranzen als die meisten Automaten“, sagt Herr Firm.

Da Einkopfdrehen sequenziell: Keine Mehrspindelvolumen. Schruppgang → Schlichtgang. Planen → Bohren/Ausbohren. Zykluszeit = Summe aller Operationen. Drehzahlen/Vorschübe reduzieren Gesamtzeit, aber Prozess bleibt sequenziell.

Automatischer Druck

Mehrspindelautomaten unter letzten Bereichen rein mechanischer Bewegungssteuerung. Meist in Betrieben spezialisiert auf „Schraubenmaschinenteile“. Viele bekannt für Schraubenmaschinenmarke mehr als für Produkte. Davenport-Betriebe, New Britain-Betriebe, Acme-Betriebe etc.

Grund für Spezialisierung: Sehr qualifizierter Techniker nötig für Einrichten. Jede Maschine hat spezifische Charakteristika.

Einrichten/Betreiben = Handarbeit. Viel Geschick/Erfahrung zum „Feintunen“ der Mechanik. Leider: Zunehmender Mangel an solchem Personal.

Mangel verschärft durch häufigeres Umrüsten. Langzeitaufträge (traditionelles Lebensblut der Schraubenmaschinenindustrie) werden kürzer.

Konkurrenz um traditionelle Aufträge heftig – weniger Aufträge vergeben. Kunden bestellen kleinere Lose, häufiger – Just-in-Time-Lagerbedarf, kürzere Produktlebenszyklen.

Manche Betriebe halten Maschine permanent für Wiederholaufträge eingerichtet. Nach Auftragsende: Maschine idle. Entscheidung: Einricht-/Abbau-Kosten vs. Nichtnutzung. Steigender Margendruck macht Nichtauslastung schwer rechtfertigbar.

Neues bei der LS 522

Von Basis an neu. Basis: Einzelstück aus Epoxid-Granit-Gemisch. Kompositmaterial: Exzellente Schwingungsdämpfung und thermische Stabilität.

Basisdesign lässt Reitstockende offen. Späneförderer mit Kühlmittelrückgewinnungstank fährt in Öffnung, positioniert direkt unter Schneidzone. Späne/Kühlmittel durch in Basis gegossene Rinnen zum Förderer geleitet.

Schlüsseltechnologie: Bewegungssteuerungssystem. „Servotechnologie jetzt an Punkt, wo Anwendung auf Mehrspindel praktikabel“, sagt Herr Firm. „Vor 5 Jahren kostete Elektronik der LS 522 mehr als projizierter Maschinenbasispreis.“

Ausgenommen Hauptspindenantriebsmotor: 10 programmierbare Linearschienen. Jeder Quer- und Stirnschlitten hat dedizierten Servomotor. Betrieb deutlich leiser als mechanische Betätigung.

Um Nockenhub zu emulieren: Kompakte Servos mit Integralgetriebe, das Drehbewegung in Linearbewegung für Hub auf Ausgangswelle umwandelt. Linearmotor koppelt direkt an jeweiligen Werkzeugschlitten – keine Kugelgewindetriebe nötig. Hub vollständig programmierbar.

Getriebe liefert mechanischen Vorteil: Ausgangswelle ausreichender Schub (3.500 N pro Schlitten) für Formwerkzeuge in den meisten Materialien.

Indexpositionierung Spindelträger kritisch für Werkstückmaßgenauigkeit. Hirth-Mehrzahnkupplung für Spindelträgersitz. Indexzeit 0,4 s. Stangenkapazitäten: 22,2 mm (0,875") Rund, 15,9 mm (0,625") Vierkant, 19,1 mm (0,75") Sechskant.

Hauptspindenantrieb: 14 PS (10,4 kW) AC-Motor treibt fünf Spindeln über Planetengetriebe. Drehzahlen programmierbar via CNC: 250-6.000 U/min. Einzelnspindeln programmierbar stoppbar für Straddle-Fräsen, Querbohren, Quergewindeschneiden.

Steuerung: 486 PC. Bewegungssteuerungskarte für Computer-Servo-Kommunikation. SERCOS-Ring-Rückführung (Glasfaser) verbindet Servos mit Bewegungskarte – Positionsdaten hin/zurück.

Genauigkeit?

"Dimensionsgenauigkeit Davenports mechanischer Mehrspindeln endet bei Toleranzen über 0,05 mm (0,002")", sagt Herr Firm. "Einfach nicht dafür ausgelegt, bessere Toleranzen zu liefern."

Motivation für LS 522. Servomotoren statt Nocken + Hirth-Kupplung am Spindeltrommel → Genauigkeit ±0,005 mm (±0,0002").

Einrichtbeschleunigung

"Traditionelle mechanische Mehrspindeln, Davenport inkl., brauchen 12-48 Stunden für Neueinrichtung", sagt Herr Firm. "Kompletter Wechsel bei neuer Mehrspindel ca. 2 Stunden, bei Teilefamilien deutlich weniger. Mit so kurzen Einrichtungen: Kein Grund, Ressourcen durch Dedizierung auf spezifische Jobs zu limitieren."

Schlüssel zur Rüstzeitreduzierung: Programmierbarkeit der Servoantriebe. Mechanisch: Nocke erzeugt Bewegung. Feinabstimmung Hub (Achskompensation) = zeitaufwendiger Trial-and-Error mit mechanischen Anpassungen an allen zehn beweglichen Schlitten.

Servotechnologie statt Nocken modifiziert Prozess dramatisch. Programmierbarer Hub: Schnellbewegungen/Vorschübe per Tastendruck. Werkzeugversatzkompensation an Steuerung.

Zwei Referenzpunkte pro Spindel. Längsnull = Quer-Schlitten-Startpunkt. Spindelmittellinie = Radialnull für Stirnseitenschlitten. Alle Achsenbewegungen = positive Zahlen von Startpunkten. Wie Nockenmaschinen: Jede Achsenbewegung = Eintauchen. Standardformwerkzeug auf neuem Davenport → kein Werkzeugbestand verwerfen.

Bediener/Programmierer gibt Start- und Endmaß ein. Residente Datenbank berechnet Vorschübe 0,005-1,27 mm/Umdrehung (0,0002-0,050"). Eingabe pro Schlitten wiederholen. Operationszuordnung/Sequenz via Prozessplanungsblatt.

Kräfte, die Produktionsdrehbearbeitung formen, verlangen neuen Blick auf Werkstückverarbeitung. Zykluszeit war fast ausschließlich Produktivitätsmaß und wichtiger Benchmark für erfolgreiches Bieten.

Kunden/Betriebe achten weiter auf Zykluszeit – Wichtigkeit nicht verringern. Aber Gesamtzykluszeit für Los nicht ignorieren. Mit verkürzten Produktionsläufen und Bedarf schneller JIT-Reaktion: Gesamtzykluszeit – was vor/nach Schnitt passiert – wird immer wichtigerer Effizienzindikator. Wie schnell Betrieb Jobs wechselt = Schlüssel für mehr Marge pro Los. Gesamt-Durchsatzfähigkeit oft entscheidend für Auftragsgewinn/Verlust.

Neue Welten erobern

Praktisch gegeben: Neue Davenport LS 522 findet willkommenen Markt in Schraubenmaschinenbetrieben. Servoaktuierung dupliziert Funktionalität/Geschwindigkeit mechanischer Maschinen treu.

Auftragsbearbeitungserfahrung auf mechanischen Mehrspindeln direkt auf CNC-Maschine übertragbar. Werkzeug ebenfalls ohne Änderung anwendbar.

"Effizienz simultaner Verarbeitung unbestritten", sagt Herr Firm. "Betriebe von Last langer Umrüstung befreien, engere Toleranzen ermöglichen, Betrieb vereinfachen – alles bei Erhalt mechanischer Verarbeitungsgeschwindigkeiten oder besser: Versprechen dieser neuen Maschine."

Im Nicht-Schraubenmaschinen-Produktionsdrehbereich: Davenport erwartet LS 522 als Verarbeitungsalternative zu Einkopf-Einzelpunkt-Drehzentren. Diese kennen Programmierung, aber weniger vertraut mit Formwerkzeugen/Prozessplanung für simultanen Betrieb.

Wenn diese Betriebe Übergang von Zwei-Achs-Einzelpunkt-Konturdrehen zu Ein-Achs-Formwerkzeug-Drehen machen, sieht Herr Firm mittel- bis hochvolumige Drehbetriebe, die diese neuen Mehrspindelmaschinen anwenden, um Durchsatz dramatisch zu steigern.

Ist sie für Sie?

Im Wesentlichen zwei Betriebstypen, die diese neue Mehrspindelmaschine in Betracht ziehen sollten: Schraubenmaschinenbetriebe und Betriebe mit mittel-/hochvolumigen, hochgemischten Drehbearbeitungen, aktuell auf Einkopf-Einzelpunkt-Drehzentren.

Schraubenmaschinenbetriebe sollten reduzierte Einrichtanforderungen ohne Verlust mechanischer Funktionalität als Produktionsvorteil erkennen. Erweiterung der Fähigkeit, wirtschaftlich kürzere Läufe und engere Toleranzen einzuschließen, sinnvoll in heutigem Fertigungsumfeld.

Für Betriebe mit Einkopf-Einzelpunkt-Drehen: Übergang zu Mehrspindeln und Formwerkzeugen = signifikanter Verarbeitungstechnikwechsel. „Verarbeitungsart ändern ist nie einfach“, sagt Herr Firm. „Kosten von Formwerkzeugen vs. Einzelpunktwerkzeuge bedenken. Andere Drehweise, die gelernt werden muss.“

Aber lohnenswert, wenn Qualitätsanforderungen bei signifikantem Produktionszuwachs haltbar. Mehr Durchsatz pro Maschine = mehr Aufträge pro Maschine.

Also: Wenn Drehen hochgemischter Präzisionsteile in mittel-/hoher Stückzahl Ihr Geschäft ist – Betriebe, die CNC-Mehrspindelmaschinen bisher nicht in Betracht zogen, finden diese neue Werkzeugmaschine vielleicht als Ergänzung zu Einzelpunkt-Drehzentren oder Alternative zu Automaten einen Blick wert.