CNC-Drehmaschinen erweitern: Vom Drehen zum Fräsen & Bohren

Einst drehten Drehmaschinen nur runde Teile. Das tun sie immer noch.

Doch Werkzeugmaschinenhersteller erkannten, dass gedrehte Teile oft zumindest etwas Fräs- oder Bohrarbeit erfordern. Da das Teil bereits in der Drehmaschine gespannt ist und eine CNC-Drehmaschine bereits die Bewegungen beherrscht, die rotierende Werkzeuge effektiv vorschieben können, war es logisch, die Fähigkeiten von Drehmaschinen durch zusätzliche Spindeln für Rotationswerkzeuge zu erweitern. Aus reinen Drehmaschinen wurden so auch Fräs- und Bohrmaschinen.

Tatsächlich wurden die Maschinen, die Drehen, Fräsen und Bohren in einer Aufspannung am effektivsten koordinierten, zu flexiblen, einstoppigen Mehrfachbearbeitungszentren. Mit all der Bearbeitung, die sie leisten können, wäre es logisch gewesen, sie "Bearbeitungszentren" zu nennen, wenn dieser Name nicht schon vergeben wäre. Ein stangengeführter Drehautomat mit Rotationswerkzeugfähigkeit und einer der Hauptspindel gegenüberliegenden Gegenspindel kann Rohmaterial an einem Ende zuführen und alle Flächen und Merkmale eines komplexen Teils ohne Bedienerintervention bearbeiten. Und er kann Stück für Stück produzieren, solange die Stange reicht. Viele Betriebe fertigen heute so. Ein besonders erfahrener Hersteller ist Jesel Valvetrain Innovation.

Jesel, ansässig in Lakewood, New Jersey, fertigt Ventiltriebkomponenten für anspruchsvolle Rennwagenanwendungen. Bauteile, die für normale Motoren gestanzt würden, werden bei Jesel aus massivem Stahl gefräst. Vor vierzehn Jahren war das Unternehmen früher Anwender von Mori Seikis DL-15 CNC-Drehmaschine mit Live-Tool-Fähigkeiten. Über die Jahre entwickelten sich die Maschinen weiter, und der Betrieb lernte, sie effektiver einzusetzen. Heute umfasst der Fertigungsbereich 11 CNC-Drehfräsmaschinen,mostly DL-150 – eine weiterentwickelte Version der Erstmaschine.

Ein kürzlich eingeführtes Teil illustriert, wie weit das Denken dieses Betriebs bezüglich dieser Maschinen gekommen ist. Das Teil, ein OHC-Schlepphebel, hat eine kastenförmige Gestalt, vage an zwei Kommas oder zwei Ohren erinnernd, die verbunden sind. Ursprünglich ging der Betrieb von fünf Aufspannungen auf Bearbeitungszentren aus. Angesichts des Teilewerts und der Losgrößen wäre ein solcher Prozess leicht zu rechtfertigen. Doch Ray Frattone Sr., Fertigungsleiter, schlug einen anderen Ansatz vor. Teil seiner Rolle ist es, neue Wege zu finden, Katalogteile kosteneffizienter zu fertigen. Dabei arbeitete er intensiv mit den Drehfräsmaschinen. Der Schlepphebel ist kompakt genug, um aus Vollmaterial gestochen zu werden, erkannte er. Speziell aus 1,125 Zoll 4140 Legierungsstahl-Stangenmaterial. Die Zuführung durch den LNS-Stangenzuführer der Mori Seiki Maschine ermöglicht nicht nur Komplettbearbeitung, sondern auch serienmäßige Fertigung ohne Aufmerksamkeit.

Fertigungsingenieur Mark Cubbedge arbeitete am Prozess. Er fand, dass die zwei 12-Positionen-Revolver des DL-150 tatsächlich alle notwendigen Fräs- und Bohwerkzeuge aufnehmen konnten, um das Teil so zu bearbeiten. Kurz: Es gab genug Werkzeugpositionen für Komplettbearbeitung. Das Setup umfasst ein Abstechwerkzeug zum Trennen vom Stangenmaterial, aber sonst hält jede einzelne Werkzeugposition einen Rotationswerkzeugspindel.

Jesels Denken über Live-Tool-Drehmaschinen hat somit eine vollständige Reise gemacht. Diese Maschinen werden nun nicht als Drehmaschinen mit Zusatzfunktion geschätzt, sondern als Ein-Aufspannungs-Produktionszentren. Wie der Schlepphebel zeigt, bringt diese Maschine Wert, selbst wenn die Teilegeometrie so weit von "rund" entfernt ist, dass kaum klassische Dreharbeit anfällt.

Kompromisse

Zwei Schlepphebel-Varianten werden auf dem DL-150 gefertigt. Das größere misst ca. 0,75 × 0,8 × 2,5 Zoll. Abgesehen von Härten und Honen wird die gesamte Fertigung auf dieser Maschine in einem Zyklus unter 10 Minuten durchgeführt.

Haupt- und Nebenspindel arbeiten simultan. Die Hauptspindel hält das Teil für Rohfräsen, Finishfräsen und Bohren. Die Nebenspindel übernimmt das Teil zur Formvollendung und führt auch Nutenfräsen durch, während die Hauptspindel das nächste Stück beginnt. Die Bezeichnung "Spindel" ist hier etwas ungenau, da die Spindeln als Drehachsen fungieren statt das Teil zum Drehen zu rotieren. "Hauptspannfutter" und "Sekundärspannfutter" ist treffender.

CAM-Software von Gibbs & Associates liefert den Werkzeugpfad. Cubbedge sagt, ein Entgratungs-Plug-in von Gibbs habe sich als besonders wertvoll erwiesen. Die Software programmiert die präzise Bewegung eines kleinen Kugelkopffräsers entlang der scharfen Kanten des Teils. Im Sekundärspannfutter hilft dieses Entgraten auch, die Arbeit der ersten und zweiten Spannung in kontinuierliche, nahtlose Oberflächen zu überführen. Die Effektivität dieses On-Machine-Entgratens war entscheidend für ein teilfertiges Bauteil mit minimalem Nachaufwand.

Sowohl Frattone als auch Cubbedge stimmen zu: Live-Tool-Drehmaschinen-Bearbeitung ist nicht perfekt. Die Annäherung vom Rohmaterial zur Fertigstellung in einer stangengeführten Handhabung mag extrem effizient scheinen, doch dieser Maschinentyp stellt Kompromisse dar, die ausgeglichen werden müssen. Auch wenn die Maschine vielseitig genug ist, nicht auf Drehteile beschränkt zu sein, um Wert zu liefern, ist sie nicht unbedingt für jedes Teil geeignet, das in den Stangenmaterial-Umschlag fällt. Im Vergleich zur Bearbeitung in mehreren Aufspannungen auf einem Bearbeitungszentrum umfassten die Herausforderungen, die Jesel auf der Drehmaschine meistern musste, all dies:

• Rüstzeit. Der Live-Tool-Drehautomat hat 24 Werkzeugpositionen auf zwei Revolvern. Ein kleines vertikales Bearbeitungszentrum hätte typischerweise mehr Werkzeugkapazität im Magazin, ein horizontales Produktions-Bearbeitungszentrum erheblich mehr. Auf Bearbeitungszentren können Werkzeuge im Magazin verbleiben, bis sie gebraucht werden. Auf dem Live-Tool-Drehautomat muss das Werkzeug für jede neue Teilenummer typischerweise komplett gewechselt werden. Der gründliche Werkzeugwechsel ist zeitaufwändig genug, dass Teile generell in Hunderten Stückzahlen laufen müssen, bevor sich die Rüstzeit amortisiert. Beim Schlepphebel kein Problem, da Jesel diese Teilenummer wochenlang läuft, um Lager aufzufüllen. Doch die Rüstzeitanforderung würde denselben Teil von Kleinserien- oder Just-in-Time-Fertigung ausschließen, es sei denn, die Maschine könnte der Teilefamilie dediziert bleiben.
• Spannprobleme. Ein weiterer Vorteil für Jesel: Design und Fertigung erfolgen im selben 110.000 sq ft Gebäude. Koordination zwischen Fertigung und Design war essenziell für effiziente Bearbeitung, da das Spannfutter in der Nebenspindel eine sichere Form zum Spannen brauchte. Das Teil wurde dafür neu gestaltet. Dennoch ist die Spannkraft begrenzt. Das teilbearbeitete Werkstück ist flexibel genug, dass hohe Spannkraft die Genauigkeit beeinträchtigen könnte. In der Nebenspindel wird das Teil daher in einem Weichbackenfutter mit moderater Kraft gehalten, und die Aggressivität der Bearbeitung wird entsprechend begrenzt.
• Chatter-Risiko. Zusätzlich zur begrenzten Haltekraft ist ein Faktor noch signifikanter für die Begrenzung der Schnittaggressivität. Rotationswerkzeuge in diesem Prozess weisen unweigerlich lange Überhänge auf, da das Werkzeug genug Freiraum braucht, um an den Spannbacken vorbeizureichen. Diese verlängerten Werkzeuge erhöhen Durchbiege- und Chatter-Risiko, was Schnitttiefe begrenzt, besonders bei Stahlbearbeitung. Bevor der Prozess in Produktion gehen konnte, musste Jesel-Personal ihn sorgfältig testen und abstimmen, um sicherzustellen, dass kritische Bearbeitungspässe nicht chatterten, was enge Toleranzen gefährden würde. Auch dann verschleißen einige Werkzeuge schneller als in steiferen Prozessen, sagt Cubbedge. Ein spezieller Fräser muss nach je 10 Stücken gewechselt werden.

Gewinne

Dennoch verschleißen Werkzeuge auch in Bearbeitungszentrum-Prozessen schnell, meint er. Ein Bearbeitungszentrum-Prozess müsste ebenfalls abgestimmt werden, um kritische Genauigkeiten zu gewährleisten. Dass Jesel den Prozess auf dem Live-Tool-Drehautomat beibehält, beweist, dass diese Herausforderungen überwindbar sind. Tatsächlich sind diese Hindernisse winzig im Vergleich zu den Risiken, die eine Reihe von Aufspannungen auf Bearbeitungszentren für dasselbe Teil bergen, sagen Jesel-Mitarbeiter.

Eines dieser Risiken ist Fehler. Jede neue Handhabung birgt Risiko für aufspannungsbedingte Fehler. In einem 5-Aufspannungs-Prozess könnte der Wert von vier präzisen Bearbeitungsoperationen verloren gehen, wenn die fünfte Beladung fehlerhaft war und das Teil Ausschuss produzierte. Die Drehfräsmaschine vermeidet diese Gefahr durch Eliminierung der Handhabung; der Ein-Stop-Prozess erhält alle Merkmals-zu-Merkmals-Beziehungen rund um die Teilegeometrie.

Mit anderen Worten: Für den Schlepphebel nimmt Jesel die Rüstzeit für Werkzeugwechsel in Kauf, weil sie leichter zu managen ist als Be-/Entladezeit beim Teiletransport zwischen Bearbeitungszentren. Der Betrieb akzeptiert auch die Notwendigkeit, Chatter zu vermeiden und zu managen, weil dies weit besser ist als das Potenzial für unvorhersehbare Fehler und Ausschuss in einem Prozess mit vielen Handhabungen.

Schließlich leben die Jesel-Mitarbeiter auch damit, dass ihre Drehmaschine tagelang läuft, ohne viel klassisches Drehen zu leisten. Der Betrieb erweitert sein Verständnis für den effektiven Einsatz vielseitiger Maschinen, und die Erfahrung, dieses Bearbeitungszentrum-Teil effizient auf einem Live-Tool-Drehautomat zu fertigen, gab wertvolle Einsicht. In Zukunft werden viele Teile, die vermeintlich "Bearbeitungszentrumsarbeit" sind, anders gesehen werden.