Drehen ist optional

Einst bearbeiteten Drehbänke runde Teile. Sie tun dies immer noch.

Die Werkzeugmaschinenhersteller haben jedoch erkannt, dass Drehteile oft auch zumindest einige Fräs- oder Bohrarbeiten erfordern. Da sich das Teil bereits in der Drehmaschine befindet und eine CNC-Drehmaschine bereits Bewegungen ausführen kann, die rotierende Werkzeuge effektiv zuführen können, war es logisch, die Fähigkeiten der Drehmaschinen zu erhöhen, indem zusätzliche Spindeln für die Arbeit mit rotierenden Werkzeugen hinzugefügt wurden. Was einst reine Drehmaschinen waren, wurden auch zu Fräs- und Bohrmaschinen.

Tatsächlich wurden die Maschinen, die Drehen, Fräsen und Bohren in einer Einrichtung am effektivsten koordinieren konnten, zu flexiblen Metallbearbeitungszentren mit einer einzigen Anlaufstelle und mehreren Arbeitsgängen. Bei all der Bearbeitung, die sie machen konnten, wäre es logisch gewesen, sie in „Bearbeitungszentren“ umzubenennen, wenn dieser Name nur nicht schon vergeben wäre. Eine Stangendrehmaschine, die sowohl rotierende Werkzeuge als auch eine der Hauptspindel gegenüberliegende Gegenspindel hat, kann Rohmaterial an einem Ende zuführen und alle Flächen und Merkmale eines komplizierten Teils bearbeiten, ohne dass der Bediener eingreifen muss. Darüber hinaus kann Stück für Stück produziert werden, solange der Riegel reicht. Viele Betriebe bearbeiten jetzt auf diese Weise. Ein Hersteller, der mit dieser Bearbeitung besonders erfahren ist, ist Jesel Valvetrain Innovation.

Jesel mit Hauptsitz in Lakewood, New Jersey, stellt Ventiltriebkomponenten her, die auf anspruchsvolle Rennwagenanwendungen zugeschnitten sind. Bauteile, die für einen normalen Automotor gestanzt werden könnten, werden bei Jesel aus massivem Stahl gefräst. Vor vierzehn Jahren war das Unternehmen einer der ersten Anwender der CNC-Drehmaschine Modell DL-15 von Mori Seiki mit angetriebenen Werkzeugfunktionen. Im Laufe der Jahre haben sich die Maschinen weiterentwickelt und die Werkstatt hat weiter gelernt, wie man sie effektiver einsetzt. Jetzt umfasst der Fertigungsbereich in diesem Werk 11 CNC-Dreh-Fräsmaschinen, von denen die meisten Maschinen des Modells DL-150 sind – eine fortschrittlichere Version der Maschine, die das Werk zuerst zu verwenden begann.

Ein kürzlich vorgestelltes Teil des Unternehmens verdeutlicht, wie weit das Denken dieses Werks in Bezug auf diese Maschinen gediehen ist. Das Teil ist so etwas wie ein Meilenstein, nicht nur für das Werk selbst, sondern auch für die Entwicklung der Drehmaschine mit angetriebenen Werkzeugen im Allgemeinen. Das Teil, ein obenliegender Nockenfolger, hat eine kastenförmige Form, die vage an zwei Kommas oder zwei überbrückte Ohren erinnert. Ursprünglich ging das Werk davon aus, dass dieses Teil in fünf Aufspannungen auf Bearbeitungszentren bearbeitet werden würde. Angesichts des Wertes des Teils und der Mengen, mit denen es betrieben werden würde, wäre ein solches Verfahren leicht zu rechtfertigen. Ray Frattone Sr., der Produktionsleiter des Unternehmens, schlug jedoch einen anderen Ansatz vor. Ein Teil der Aufgabe von Herrn Frattone besteht darin, neue Wege zu finden, um die Katalogteile des Unternehmens kostengünstiger herzustellen. Dabei hat er intensiv mit der Dreh-Fräs-Anlage gearbeitet. Der Nockenstößel ist so kompakt, dass er aus einer Vollstange gefräst werden könnte, erkannte er. Insbesondere könnte es aus legiertem 4140-Stahlstahl mit einem Durchmesser von 1,125 Zoll bearbeitet werden. Das Zuführen dieses Materials durch den LNS-Stangenlader der Mori Seiki-Maschine würde es nicht nur ermöglichen, das Teil vollständig zu bearbeiten, sondern es würde auch ermöglichen, eine Reihe von Teilen ohne Aufmerksamkeit zu bearbeiten.

Fertigungsingenieur Mark Cubbedge arbeitete an dem Prozess für dieses Teil. Er stellte fest, dass die beiden 12-Positionen-Revolver des DL-150 tatsächlich über genügend Kapazität verfügten, um alle Fräs- und Bohrwerkzeuge aufzunehmen, die für die Bearbeitung des Teils auf diese Weise erforderlich sind. Kurz gesagt, es gab genügend Werkzeugpositionen, um das Teil vollständig zu bearbeiten. Die Einrichtung für dieses Teil umfasst ein Trennwerkzeug zum Trennen des Teils von der Stange, aber ansonsten enthält jede einzelne Werkzeugposition, die zum Bearbeiten dieses Teils verwendet wird, eine Rotationswerkzeugspindel.

Jesels Denken über Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen hat also eine ganze Reise hinter sich. Diese Maschinen werden jetzt in diesem Werk nicht als Drehmaschinen mit einigen zusätzlichen Fähigkeiten, sondern als Produktionszentren in einer Aufspannung eingesetzt und geschätzt. Wie das Nockenstößelteil zeigt, bringt diese Maschine einen Mehrwert für den Prozess, selbst wenn die Geometrie des Teils so weit von der Rundung entfernt ist, dass im Wesentlichen keine herkömmliche Dreharbeit erforderlich ist.

Kompromisse

Auf dem DL-150 sind zwei Nockenstößel-Teilenummern eingearbeitet. Der größere der beiden Teile misst ungefähr 0,75 x 0,8 x 2,5 Zoll. Abgesehen von der Wärmebehandlung und dem Honen wird die gesamte Fertigung auf dieser Maschine in einem Zyklus durchgeführt, der weniger als 10 Minuten dauert.

Während dieses Zyklus arbeiten sowohl die Hauptspindel als auch die Gegenspindel gleichzeitig. Die Hauptspindel hält das Teil zum Schruppen, Fertigfräsen und Bohren. Die Gegenspindel übernimmt dann das Teil, um das Fräsen der Form abzuschließen, und führt auch einige Schlitze aus, während die Hauptspindel mit der Bearbeitung des nächsten Teils beginnt. Die Verwendung des Begriffs „Spindel“ in diesem Zusammenhang ist natürlich etwas ungenau, da die Spindeln in diesem Prozess als Drehachsen verwendet werden, anstatt das Teil zum Drehen zu drehen. Angesichts der Art und Weise, wie die Maschine verwendet wird, ist die Bezeichnung „Hauptspannfutter“ und „Nebenspannfutter“ treffender.

CAM-Software von Gibbs and Associates liefert den Werkzeugweg. Laut Mr. Cubbedge hat sich ein Entgratungs-Plug-In von Gibbs als besonders wertvoll erwiesen. Die Software programmiert die präzise Bewegung eines Kugelkopfwerkzeugs mit kleinem Durchmesser entlang der scharfen Ecken des Teils. Im sekundären Spannfutter trägt dieses Entgraten auch dazu bei, die Arbeit der ersten und zweiten Aufspannung in durchgehende und nahtlos bearbeitete Oberflächen zu überführen. Die Effektivität dieses Entgratens auf der Maschine war entscheidend für die Herstellung eines Teils, das nach der Bearbeitung mit wenig zusätzlichem Aufwand einsatzbereit ist.

Sowohl Mr. Frattone als auch Mr. Cubbedge sind sich einig, dass die maschinelle Drehmaschinenbearbeitung mit angetriebenen Werkzeugen nicht perfekt ist. Es mag enorm effizient erscheinen, das Teil vom Rohmaterial in einer einzigen Handhabung mit Stangenvorschub fast fertig zu stellen, aber tatsächlich bringt dieser Maschinentyp Kompromisse mit sich, die in Einklang gebracht werden müssen. Obwohl die Maschine so vielseitig ist, dass sie nicht einmal auf Drehteile beschränkt sein muss, um Wert zu liefern, ist die Maschine nicht unbedingt für jedes Teil geeignet, das in den Bereich des Stangenmaterials fallen könnte. Verglichen mit der Möglichkeit, das Teil in mehreren Aufspannungen auf einem Bearbeitungszentrum zu bearbeiten, waren die Herausforderungen, denen sich Jesel beim Betrieb des Teils auf einer Drehmaschine stellen musste, alle folgenden:

• Einrichtungszeit. Die angetriebene Werkzeugdrehmaschine der Werkstatt verfügt über insgesamt 24 Werkzeugplätze auf ihren zwei Revolvern. Ein kleines vertikales Bearbeitungszentrum hätte typischerweise mehr Werkzeugkapazität in seinem Magazin als diese, und ein horizontales Produktions-Bearbeitungszentrum hätte beträchtlich mehr Werkzeugkapazität. Auf Bearbeitungszentren können Werkzeuge daher in der Maschine verbleiben, bis sie gebraucht werden. Im Gegensatz dazu muss bei Drehmaschinen mit angetriebenen Werkzeugen die Werkzeugbestückung normalerweise für jede neue Teilenummer, die in der Werkstatt läuft, komplett ausgetauscht werden. Der gründliche Werkzeugwechsel ist so zeitintensiv, dass in der Regel Hunderte von Teilen gefahren werden müssen, bevor sich die Rüstzeit amortisiert. Bei den Nockenstößelteilen ist dies kein Problem, da Jesel dazu neigt, diese Teilenummer wochenlang am Stück zu führen, um seinen Bestand aufzufüllen. Die erforderliche Werkzeugeinrichtungszeit würde jedoch verhindern, dass dasselbe Teil in kleinen Chargen oder auf Just-in-Time-Basis ausgeführt wird, es sei denn, die Maschine könnte irgendwie eingerichtet und vollständig den Teilenummern dieser Familie gewidmet bleiben.
• Klemmprobleme. Ein weiterer Vorteil, der Jesel hilft, ungewöhnliche Prozesse effektiv zu implementieren, besteht darin, dass Design und Herstellung in derselben 110.000 Quadratfuß großen Anlage erfolgen. Die Abstimmung zwischen Fertigung und Konstruktion war für die effiziente Herstellung dieses Teils unerlässlich, da das Spannfutter in der Gegenspindel eine sichere Form zum Aufspannen benötigte. Dafür wurde das Teil umgestaltet. Aber auch hier ist die Klemmkraft begrenzt. Das teilweise bearbeitete Teil ist flexibel genug, dass eine hohe Spannkraft mit einem Spannfutter die Genauigkeit beeinträchtigen könnte. In der Gegenspindel wird das Teil daher in einem Weichbackenfutter mit moderater Spannkraft gehalten und die Aggressivität der Bearbeitungen entsprechend begrenzt.
• Chatter-Risiko. Neben der begrenzten Haltekraft ist ein weiterer Faktor noch bedeutsamer für die Begrenzung, wie aggressiv der Prozess schneiden kann. Rotierende Werkzeuge in diesem Verfahren haben ausnahmslos einen großen Überhang, da das Werkzeug genügend Freiraum benötigt, um an den Spannbacken vorbeizugreifen. Diese verlängerten Werkzeuge stellen ein erhöhtes Risiko von Durchbiegung und Rattern dar, was die Schnittiefe begrenzt, insbesondere bei einer Anwendung wie dieser, bei der Stahl bearbeitet wird. Bevor dieser Prozess in die Produktion aufgenommen werden konnte, mussten die Mitarbeiter von Jesel den Prozess sorgfältig testen und feinabstimmen, um sicherzustellen, dass kritische Bearbeitungsdurchgänge nicht auf eine Weise ratterten, die enge Toleranzen beeinträchtigte. Selbst dann verschleißen einige Werkzeuge schneller als in einem strengeren Prozess, sagt Mr. Cubbedge. Alle 10 Stück muss ein bestimmter Fräser gewechselt werden.

Auszahlungen

Dennoch können sich Werkzeuge auch in einem Bearbeitungszentrum schnell abnutzen, sagt er. Ein Prozess mit Bearbeitungszentren müsste auch etwas feinjustiert werden, um sicherzustellen, dass kritische Genauigkeiten erreicht werden. Die Tatsache, dass Jesel sich dem Prozess auf der angetriebenen Drehmaschine verschrieben hat, ist Beweis genug dafür, dass diese Herausforderungen gemeistert werden können. Tatsächlich sind diese Hindernisse winzig im Vergleich zu den Risiken, die eine Reihe von Einstellungen auf Bearbeitungszentren bei der Bearbeitung desselben Teils darstellen würde, sagen die Mitarbeiter von Jesel.

Eines dieser Risiken sind Fehler. Jede neue Handhabung birgt das Risiko für einrichtungsbedingte Fehler. In einem Prozess mit fünf Aufspannungen könnte der Mehrwert von vier genauen Bearbeitungsvorgängen verloren gehen, wenn die fünfte Beladung des Teils in irgendeiner Weise fehlerhaft war, was dazu führte, dass das Teil verschrottet wurde. Die Dreh-Fräsmaschine vermeidet diese Gefahr, indem sie die Handhabung eliminiert, wobei der One-Stop-Prozess alle Merkmal-zu-Merkmal-Beziehungen rund um die Geometrie des Teils aufrechterhält.

Mit anderen Worten, für das Nockenfolgeteil wird Jesel mit der Rüstzeit für den Werkzeugwechsel leben, da diese einfacher zu bewältigen ist als die Be- und Entladezeit, um Teile von Betrieb zu Betrieb auf Bearbeitungszentren zu bringen. Die Werkstatt wird auch die Notwendigkeit akzeptieren, Geschwätz zu vermeiden und zu verwalten, da dies viel besser ist als das Potenzial für unvorhersehbare Fehler und Ausschuss innerhalb eines Prozesses, der viele Handhabungen umfasst.

Schließlich werden die Jesel-Mitarbeiter auch damit leben, dass ihre Drehmaschine tage- und wochenlang läuft, ohne dass sie sich wirklich um das Drehen kümmern. Die Werkstatt baut ihr Verständnis für den effektiven Einsatz der vielseitigen Maschinen weiter aus, und die Erfahrung, dieses Bearbeitungszentrumsteil effizient auf einer Drehmaschine mit angetriebenen Werkzeugen zu betreiben, hat der Werkstatt wertvolle Einblicke verschafft. Viele Teile, die vermeintlich „Bearbeitungszentrumsarbeit“ sind, werden in Zukunft anders gesehen.