Produktionsoptimierung: Kosteneinsparungen durch Einzelnuten-Bearbeitung

Wie minimiert man die Stückkosten für komplexe Teile, die Drehen, Fräsen und Bohren erfordern? Für Steve Hattori ist die Antwort simpel: Bearbeiten Sie sie mit nur einer Aufspannung – und machen Sie diese Aufspannung so einfach wie möglich.

Der Präsident des Lohnfertigers Salinas Valley Precision (Salinas, Kalifornien), Mr. Hattori, benötigte früher mindestens drei Maschinen, um ein komplexes Rundteil aus dem Vollen herzustellen: eine Bandsäge, um den Rohling auf Länge zu schneiden, eine Drehmaschine und ein Bearbeitungszentrum für Abflachungen und Bohrungen. Heute erledigt eine einzige Maschine all diese Arbeit – sie wandelt ungesägtes Stabmaterial automatisch in Fertigteile um und ersetzt effektiv zahlreiche Aufspannungen durch eine einzige.

"Wer für die alte Methode argumentiert, hat noch nie versucht, ein Angelrollen-Gehäuse zu zerspanen," sagt Mr. Hattori. Tatsächlich lehnte er beim ersten Angebot eines lokalen Sportartikelherstellers für das Angelrollen-Teil ab. Damals war das Teil zu komplex, um profitabel zu sein. Aus massivem Aluminium geschnitten, wobei 90 Prozent des Materials weggeschnitten werden, besteht der 3,25 Zoll (82,55 mm) große Rollenkörper aus zwei leicht verziehbaren Flanschen von weniger als 0,1 Zoll (2,54 mm) Dicke, verbunden durch einen ausgehöhlten Kern mit Wänden, die nicht viel dicker sind.

Das Teil muss von allen Seiten bearbeitet werden. Jeder Flansch wird von 12 Löchern mit 0,45 Zoll (11,43 mm) Durchmesser durchsetzt, die der Gewichtsreduzierung dienen. Der Kernumfang umfasst zudem 12 ovale Gewichtsreduktionsschlitze. Schließlich enthält eine Sackbohrung auf einer Seite 36 Verzahnungen für den Angelruten-Ratschenmechanismus sowie eine Presspassung für ein Lager mit einer Gesamttoleranz von 0,0002 Zoll (0,00508 mm) im Durchmesser.

"Und diese Geometrie war nur die halbe Problematik," sagt Mr. Hattori. "Der Rest war die Losgröße. Wir hätten das Teil mit komplexen Spannvorrichtungen auf dem Bearbeitungszentrum zusammen mit der damals genutzten CNC-Drehmaschine fertigen können. Das hätte jedoch hohe Rüstkosten verursacht, die sich bei der kleinen Losgröße des Teils – oft nur 100 Stück – nicht amortisieren ließen."

Mr. Hattori fertigte zwar den Prototyp der Angelrolle, bot aber zunächst nicht auf die Serie. Zumindest nicht sofort. Seither ist das Teil jedoch zu einer wichtigen Einnahmequelle für den 10-Mann-Betrieb geworden. Das kam, nachdem Mr. Hattori seinen Prozess neu erfand.

Komplettbearbeitung in einer Aufspannung

Das Schlüsselergebnis von Mr. Hattoris Einfallsreichtum ist ein Prozess, bei dem alle Dreh-, Fräs- und Bohroperationen auf einer einzigen Maschine kombiniert sind: einem Mazak "Super Quick Turn" (SQT) 15MS-Y CNC-Drehzentrum. Neben einem Satz angetriebener Werkzeuge für Fräsoperationen und einer gegenüberliegenden zweiten Spindel für die Rückseitenbearbeitung ist die Maschine mit einer programmierbaren Y-Achse mit 4 Zoll (101,6 mm) Hub ausgestattet. Diese Y-Achsen-Fähigkeit ermöglicht exzentrische Fräsoperationen, während das Werkstück noch in der Haupt- oder Gegenspindel eingespannt ist.

Durch koordinierte, automatische Werkstückübergabe zwischen den beiden Spindeln kann jede Fläche des Teils ohne menschliches Eingreifen erreicht werden. Jede Dreh-, Fräs- und Bohroperation wird durchgeführt, ohne das Werkstück "loszulassen", sodass kritische Werkstückpositionsreferenzen während des gesamten Bearbeitungsprozesses erhalten bleiben.

Werkstückrohlinge werden über einen Mazak Cut-Feeder zugeführt. Genau wie die Fräsbohrfähigkeit das Drehzentrum an die Stelle eines Bearbeitungszentrums rückt, eliminiert der Cut-Feeder die Bandsäge aus dem Prozess und verkürzt die Wartezeit zwischen aufeinanderfolgenden Teilzyklen auf nur wenige Sekunden. Der Cut-Feeder führt nicht nur das Stabmaterial zu, er schneidet es auch auf Länge, von 0,60 bis 5,11 Zoll (15,24 bis 129,79 mm). Er führt diesen Abtrennschnitt aus, während die SQT das aktuelle Teil bearbeitet, und lädt den neuen Rohling durch die Spannzange, sobald die Drehmaschine für den nächsten Zyklus bereit ist.

Der automatische Zuführer minimiert die Rüstzeit. Das Gerät speichert bis zu fünf der 3,25-Zoll-Stäben für Angelrollen und führt jeden davon ohne Rotation zu und schneidet ihn ab. Anstatt einer herkömmlichen Stangenvorschub-Methodik hält der Cut-Feeder den Stab stationär, während die Abtrennwerkzeuge um das Material rotieren und langsam einschneiden, bis der Abtrennvorgang abgeschlossen ist. Da sich die Stäbe nicht drehen, ist keine Vorbehandlung nötig, um sie rund zu machen (sogar quadratische oder sechseckige Profile funktionieren). Folglich kann Mr. Hattori einfach einen oder mehrere Stäbe in den Zuführer legen und das Drehzentrum sie in fertige Zerspanungsteile umwandeln lassen. Das endgültige Entgraten ist der einzige Arbeitsschritt, der außerhalb der Maschine erfolgt.

Der Bearbeitungsprozess umfasst 20 Werkzeugwechsel, erfordert aber keinen Bediener, sodass Mr. Hattori ihn oft unbeaufsichtigt laufen lässt – und pro 12-Fuß-Stab (3,66 m) 90 Rollen zurückbekommt.

Rendite der Vorstellungskraft

Die Rollen verlassen das Drehzentrum im Takt von einer alle acht Minuten. Zwar nutzt der Zyklus die hohen Spindeldrehzahlen der Maschine – 5.000 U/min für Haupt- und Gegenspindel, 3.000 für angetriebene Werkzeuge –, doch Mr. Hattori führt die niedrige Zykluszeit primär auf kreatives Programmieren zurück. Ein ehemaliger Zerspanungsspezialist für ein Luft- und Raumfahrt-F&E-Unternehmen, gründete Hattori vor 10 Jahren seinen Betrieb, um nach der Schließung seines Arbeitgebers weiterhin komplexe CNC-Zerspanungsstrategien entwickeln zu können.

"Das Mehrtasking-Drehzentrum bietet größere Rendite für die Vorstellungskraft eines Programmierers als jedes andere, das ich genutzt habe," sagt er. "Mit so vielen Optionen in einer Maschine gibt es immer einen anderen Weg – und oft einen besseren –, um jedes Merkmal herzustellen."

Beispielsweise fand Mr. Hattori eine ungewöhnliche Methode, die dünnen Flansche der Aluminiumrolle bei hoher Drehzahl ohne Durchbiegung zu drehen. Nachdem alle Merkmale einer Seite bearbeitet wurden, während das Teil im Hauptspannfutter sitzt, lässt sein Programm die Gegenspindel zugreifen, während das Hauptspannfutter weiterhin greift. Das Beidseitige Spannen des Teils eliminiert das Durchbiegungsproblem. Während sich die beiden Spindeln synchron drehen, wird das Metall zwischen den beiden Flanschen so ausgehöhlt, als wäre es eine einzelne Nut von 0,75 Zoll (19,05 mm) Tiefe.

Die Y-Achsen-Fähigkeit wird für die Ratschenverzahnungen genutzt. Anstatt das Teil mit der Spindel zu indexieren, um jede Kerbe zu schneiden – wie es auf einem herkömmlichen Drehmaschine mit angetriebenen Werkzeugen gemacht würde –, lässt Mr. Hattori die Hauptspindel das Teil stillhalten, während der Revolver von Verzahnung zu Verzahnung fährt, mittels X-Y-Interpolation. Zwar bewegt sich der Revolver nur wenig schneller als die indexierende Spindel, doch multipliziert man diesen Unterschied mit 36 Verzahnungen, ist der Produktivitätsgewinn deutlich.

In anderen Fällen erzeugt die Y-Achse Merkmale, die auf einer herkömmlichen 3-Achsen-Drehfräsmaschine (X, Y und C) bearbeitet werden könnten. Ein Beispiel ist ein 4340er Stahl-Ratschenrad für den Zeitmechanismus eines Roboter-Montagesystems. Das Teil hat 3,25 Zoll Durchmesser mit einer 3/16-Zoll-dicken Scheibe und einem breiteren integrierten Nabenbereich und sieht aus wie ein Sägeblatt mit 12 Zähnen am Umfang. Die Y-Achse ermöglicht das Fräsen von 12 Flächen am Blattumfang. "Jede Fläche ist ein simpler Schnitt," sagt Mr. Hattori. "Früher brauchten wir ein Bearbeitungszentrum für dieses Teil, aber jetzt, da ich es komplett [in einer Aufspannung] schneiden kann, dauert ein Los von 100 Rädern drei Stunden weniger."

Dreiachsige Interpolation

Dieses Teil ist ein weiterer Fall, wo der Teufel in den Verzahnungen steckt. Für einen lokalen Medizintechnikhersteller fertigt Mr. Hattori einen 2-Zoll-Durchmesser (50,8 mm) Träger für die Steuereinheit eines kardialen elektronischen Mapping-Katheters. Eine Hälfte eines Scharniers, das die Steuerung in zahlreichen Orientierungen stabil hält, weist das Teil eine lange Fläche entlang der Mittellinie auf, wo die obere Hälfte des Teils weggefräst wird. Diese Fläche bildet die Kontaktfläche, wo die beiden Scharniershälften aufeinandertreffen, und beinhaltet ein Loch für den Drehbolzen, der sie verbindet. Um diesen Drehbolzen herum befinden sich 30 sägezahnförmige Verzahnungen. Sie erlauben dem Scharnier, in mehreren Positionen zu rasten und zu verriegeln, bilden ein symmetrisches Sonnenstrahlmuster mit dem Drehbolzen im Zentrum und greifen in ein ähnliches Muster auf der anderen Scharniershälfte ein.

"Zwei Linearachsen reichen nicht aus, um dieses Merkmal zu bearbeiten; man braucht drei," sagt Mr. Hattori. "Zwar liegen die Verzahnungsspitzen alle in derselben Ebene, aber die Werkzeugwege nicht. Wir verwenden einen speziell geschliffenen Schaftfräser, der dem Winkel der Rinne zwischen zwei Verzahnungen entspricht, aber selbst mit diesem Werkzeug kann ein zweiachsiger Werkzeugweg nicht die richtige Form schneiden. Statt der notwendigen scharfen Spitze bis zum Umfang des Musters würde ein zweiachsiger Werkzeugweg einen fächerförmigen Grat erzeugen, weil der Raum zwischen den beiden Schnitten dicker wird, je weiter sich das Werkzeug vom Nabenbereich entfernt."

Um dieses Problem zu lösen, interpoliert Mr. Hattori in drei Achsen für jeden Schnitt. Der Durchmesser des speziell geschliffenen Werkzeugs entspricht etwa dem Spitzen-zu-Spitzen-Abstand am Umfang. Daher startet Mr. Hattori am Nabenbereich – wo das Werkzeug nur an der Spitze schneidet – und führt es in Y-Richtung ein, während es sich entlang des Radius des Musters in X und Z nach außen bewegt. So haben die bearbeiteten Verzahnungen dieselbe Spitzendicke am Umfang wie am Nabenbereich und werden in einem einzigen Schnitt gefertigt. Der Scharnierträger wird ebenfalls aus dem Vollen gefertigt – aus einem Aluminiumstab. Die Gesamtzykluszeit beträgt ca. 12 Minuten pro Teil.

Im Gegensatz zur Angelrolle war der Scharnierträger bereits vor dem Kauf des Mehrbearbeitungs-Drehzentrums Teil von Mr. Hattoris Auftragsportfolio. Die Teile wurden ursprünglich auf einer CNC-Drehmaschine und einem vertikalen Bearbeitungszentrum gefertigt. Für den runden Konus des Teils kam das Drehen zuerst. "Das glatte Profil machte die Aufspannung auf dem vertikalen Bearbeitungszentrum zeitaufwändig," sagt Mr. Hattori. "Wir konnten keinen Schraubstock verwenden, also mussten wir es in eine Sondervorrichtung spannen."

Heute ist dieses Problem gelöst – weil die Drehzentrumsspannfutter das Teil sowohl fürs Drehen als auch Fräsen halten. "Die Fräszeit auf der SQT ist dieselbe wie auf dem Bearbeitungszentrum, aber jetzt muss niemand das Teil mehr an- und abschrauben," sagt Mr. Hattori. "Das ist ein großer Unterschied. Allein durch diese eine Verbesserung haben wir die Zykluszeit für das Scharnierteil um weit über 30 Prozent reduziert."