CNC mit einer Mehrspindel auf die nächste Stufe bringen

CNC-Technologie hat die Art der Bearbeitung auf einer Mehrspindelmaschine radikal verändert. Die Bewegung der Werkzeugträger und Werkzeugschlitten an jeder Indexierstation wird durch CNC-Servomotoren unter programmiertem Befehl statt durch ein System mechanischer Nocken gesteuert. Zusätzlich zu allen Drehoperationen, für die diese Maschinen bekannt sind, können an jeder Station eine Reihe von Nicht-Drehoperationen wie Fräsen, Bohren, Gewindebohren und Wälzfräsen durchgeführt werden. Auf einem CNC-Mehrspindler können unterschiedlichste Teile in einem Durchgang fertiggestellt werden. Darüber hinaus werden Rüsten und Umrüsten stark vereinfacht, da Werkzeugbewegungen umprogrammiert werden können, anstatt sie durch die Herstellung und Installation eines neuen Nockensatzes zu ändern.

Innovative Entwicklungen auf der TMZ-Reihe von Mori-Say-Mehrspindlern von ZPS America LLC (Indianapolis, Indiana) versprechen, CNC auf dieser Art von Werkzeugmaschinen auf ein neues Niveau zu heben. Eine dieser Entwicklungen ist ein neues Antriebssystem, mit dem die C-Achsen-Drehzahl jeder Spindel unabhängig programmiert werden kann. Diese Funktion ermöglicht es Benutzern, die Spindeldrehzahlen für bestimmte Bearbeitungsvorgänge zu optimieren. Es macht den CNC-Betrieb flexibler und effizienter und vereinfacht das Einrichten und Umrüsten weiter. Noch wichtiger ist, so die Entwickler, dass neue Teileklassen jetzt effizient und wirtschaftlich auf einem Mehrspindler produziert werden können. Das Angebot umfasst Teile, die häufig auf Dreh-Fräs-Maschinen oder Mehrmaschinen-Fertigungszellen gefertigt werden. Komplexe Teile, die eine Vielzahl von hochpräzisen Dreh- und Nicht-Drehschritten erfordern, können in einem Durchgang fertiggestellt werden, und es sind keine großen Durchläufe erforderlich, um diesen wirtschaftlichen Betrieb zu erreichen.

Diese neue Generation von Mehrspindlern besteht aus zwei unterschiedlichen Modellen. Die Mori-Say TMZ642, eine Version mit sechs Spindeln, wurde im vergangenen September auf der IMTS 2008 in Chicago auf dem nordamerikanischen Markt vorgestellt. Die Mori-Say TMZ867, eine Version mit acht Spindeln für größere Teile und schwerere Schnitte, wird im April 2009 auf der Precision Machining Technology Show (PMTS) in Columbus, Ohio, vorgestellt. (Details zu dieser Maschine finden Sie im nachstehenden Kasten .)

Ein neuartiges Antriebskonzept

Das neue Antriebssystem dieser Maschinen folgt einem ungewöhnlichen Designkonzept. Laut Olaf Tessarzyk, geschäftsführender Gesellschafter und Präsident von ZPS America, ist es dieses Antriebssystem, das diese Maschinen von anderen Mehrspindlern unterscheidet. Das Antriebssystem verwendet eine zusammengesetzte Antriebswelle, um alle Spindeln in der rotierenden Trommel anzutreiben, aber jede Spindel kann so eingestellt werden, dass sie mit einer anderen Geschwindigkeit läuft. Verfügbare Drehzahlen reichen von 2.000 bis 6.000 U/min. Der Benutzer kann die Geschwindigkeit wählen, die für die an jeder Station durchgeführten Operationen am besten geeignet ist, und so Kompromisse bei der Leistung des Schneidwerkzeugs, der Oberflächengüte oder der Gesamtzykluszeit vermeiden, die sich aus der Anwendung einer einzigen Geschwindigkeit auf jede Spindel ergeben, wie es bei herkömmlichen Mehrspindelkonstruktionen vorgeschrieben ist.

Wie können mehrere Spindeln mit nur einer Antriebswelle, die von der Rückseite der Maschine nach vorne angeordnet ist, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten laufen, was bei anderen vergleichbaren Maschinen nicht möglich ist? Die „Welle“, die die Spindeln antreibt, ist eigentlich eine Baugruppe aus Teleskoprohren – ein Rohr für jede Spindel, wie in der Abbildung rechts gezeigt.

Die Röhren sind ungleich lang – die innerste ist die längste und die äußerste die kürzeste. Auf der Motorseite der Maschine reicht der Längenunterschied von Rohr zu Rohr aus, um die Riemenscheiben, Riemen und Zahnräder jedes Satzes von Antriebsmotoren anzubringen, ohne das nächste Rohr zu stören. Somit kann jede Röhre mit einem eigenen Antriebssystem gekoppelt werden. Die Antriebsmotoren sind servoangetrieben, so dass sich die entsprechende Spindel mit der im CNC-Programm für die durchgeführten Operationen eingestellten Geschwindigkeit dreht. Die Rohre werden an der Schneidseite der Maschine ebenfalls in der Länge "abgestuft", wo ein Getriebe am Ende jedes Rohrs eine Drehbewegung zu seiner jeweiligen Spindel überträgt. Lager in der Röhrenbaugruppe ermöglichen es allen Röhren, sich mit minimaler Reibung zu drehen.

Aus technischer Sicht werden diesem Antriebssystem mehrere Vorteile nachgesagt. In erster Linie geht es darum, die von der Reihe der Antriebsmotoren erzeugte Wärme von der Spindeltrommel fernzuhalten. Dies sorgt für thermische Stabilität ohne aufwändiges Kühlsystem. Darüber hinaus stellt dieses Design sicher, dass die Spindeln immer mit ihren jeweiligen Antriebsmotoren verbunden bleiben, ohne dass komplexe Stromversorgungskontakte erforderlich sind, die am Ende jedes Indexierungszyklus getrennt oder wieder verbunden werden müssen. Dies bedeutet, dass sich die Trommel nicht in ihre Ausgangsposition "abwickeln" muss, um zu vermeiden, dass sich Stromkabel um die Antriebswelle in der Trommel wickeln. Tatsächlich können sich die Trommeln dieser neuen Modelle in beide Richtungen drehen.

Nicht Ein bekannter Name

Die meisten Benutzer von Werkzeugmaschinen in den Vereinigten Staaten sind mit Mori-Say als Werkzeugmaschinenmarke nicht gut vertraut. ZPS-America und seine Muttergesellschaft, die TAJMAC Group, dürften ebenfalls unbekannt sein. TAJMAC (ausgesprochen TIE-mack) ist eine multinationale Gruppe von Werkzeugmaschinenbau-, Vertriebs- und Beschaffungsunternehmen mit Hauptsitz in der Nähe von Mailand, Italien. TAJMAC wurde nach dem Zweiten Weltkrieg von Amedeo Tajariol gegründet. Sein Sohn Andrea leitet jetzt das Managementteam in der Unternehmenszentrale. Der Sohn von Andrea Tajariol, Michele, leitet das TAJMAC-ZPS-Werk in der Tschechischen Republik.

ZPS (ein tschechischsprachiges Akronym, das „Feinwerksanlagen“ bedeutet) ist die Hauptproduktionsstätte der TAJMAC-Gruppe. Es liegt unweit von Zlin, einer kleinen Stadt im Zentrum der Tschechischen Republik. ZPS produziert seit Jahren verschiedene Arten von Werkzeugmaschinen für die Eigenetikettierung durch eine Reihe bekannter US-amerikanischer und japanischer Unternehmen. Obwohl ZPS möglicherweise nicht vertraut ist, ist es wahrscheinlich, dass viele US-Kunden mit diesen Maschinen unter einem anderen Markennamen vertraut sind.

ZPS hat eine Geschichte im Werkzeugmaschinenbau, die bis in die frühen 1900er Jahre zurückreicht. Die Produktion von CNC-Geräten begann in den 1980er Jahren. Nach dem Fall des Eisernen Vorhangs kam es bei ZPS zu mehreren Eigentümerwechseln. TAJMAC erwarb das Unternehmen im Jahr 2000.

Teil des ZPS-Komplexes ist eine der modernsten Gießereien Europas. Diese Gießerei fertigt Gussteile für die Mehrspindler sowie für viele weitere ZPS-Modelle und zahlreiche externe Werkzeugmaschinenbauer. Eine Gießerei zu haben, die sich besonders gut mit dem Gießen von Gussteilen für Werkzeugmaschinen auskennt, ist ein wesentlicher Vorteil der Gruppe. Die neuen Mehrspindler sind ein Paradebeispiel.

Insbesondere das Design des Mittelblocks, der wesentlich zur Steifigkeit und Präzision der gesamten Maschinenstruktur beiträgt, erfordert ein ziemlich kompliziertes Gussteil, das nur wenige Gießereien zuverlässig und wirtschaftlich herstellen könnten, sagt Michele Tajariol. Dieses Gussteil ermöglicht es, die Trommel, den Mittelblock und die Trommelkupplung in einer Konfiguration zusammenzubauen, die es ermöglicht, die Trommel unter Kraft zu drehen und die Zahnräder und Lager einzubrechen. Erst nach dieser Einlaufphase werden diese Komponenten als integrale Baugruppe fertig bearbeitet. Dazu gehören letzte Schritte an den Spindelbohrungen, die in einem großen, hochpräzisen Lehrenbohrwerk fertiggestellt werden, während die Trommel mit ihrer Hirth-Kupplung im Gussteil positioniert ist. Dieser Ansatz soll eine nahezu perfekte Zentrierung der Spindeln erreichen. Das Ergebnis ist eine hochgenaue Positionierung als Spindelindex, wodurch die Maschinen eine hochpräzise Bearbeitung komplexer Werkstücke durchführen können.

ZPS produziert seit den 1950er Jahren Mehrspindler. Das Unternehmen hatte vor etwa 20 Jahren geplant, in den US-Markt einzutreten, aber diese Bemühungen kamen nie zustande. Tajmac-ZPS hat jedoch kürzlich Pläne für die Vermarktung in den Vereinigten Staaten wiederbelebt. ZPS-America, ursprünglich Mitte 2000 gegründet, baute ein neues technisches Zentrum in Indianapolis, um einen Ausstellungsraum, Schulungseinrichtungen, ein Ersatzteillager und eine Serviceorganisation zu beherbergen. Dieses Zentrum wurde letztes Jahr eröffnet.

Gehirnbeugende Maschinen

Herr Tessarzyk glaubt, dass Mehrspindelmaschinen mit erweiterter CNC-Fähigkeit ein Umdenken darüber auslösen werden, wie diese Klasse von Werkzeugmaschinen eingesetzt werden kann, aber sie müssen kostengünstig und zuverlässig sein. Seiner Einschätzung nach wäre dies eine gesunde Übung für US-Unternehmen, die eine starke Tradition darin haben, sich auf neue Ideen einzustellen. Shops, die Prozesse und Praktiken schnell überdenken, um von neuen Entwicklungen zu profitieren, haben oft einen klaren Vorteil gegenüber ihren langsameren Köpfen Konkurrenten. Diese geistige Agilität und Einfallsreichtum halten die besten Geschäfte und Werke an der Spitze. Die neuen Mori-Say-Maschinen werden die Werkstätten wahrscheinlich erneut herausfordern, sich mit neuen Möglichkeiten für eine effiziente Teileproduktion auseinanderzusetzen.

Herr Tessarzyk sagt, dass diese umwerfenden Maschinen zwei unterschiedliche Klassen potenzieller Benutzer ansprechen werden. Beide werden von diesen Maschinen herausgefordert. Eine Klasse ist natürlich die Gemeinschaft aktueller Mehrspindelanwender. Die Herausforderung für sie wird darin bestehen, zu verstehen, wie Teile, die viele Nicht-Drehoperationen erfordern, in einer Aufspannung auf diesen Maschinen fertig gestellt werden können. Die andere Klasse potenzieller Anwender sind Fertigungsbetriebe, die solche Werkstücke heute auf Mehrmaschinenzellen, Dreh-Fräs-Maschinen oder Rundtaktmaschinen fertigen. Die Herausforderung für diese Betriebe besteht darin, überhaupt eine Mehrspindelmaschine in Betracht zu ziehen. Diese Art von Maschinen wurde weitgehend übersehen, da angenommen wird, dass die Einrichtung kompliziert und zeitaufwändig ist. Herkömmliches Denken hat diesen Mehrspindler für hohe Stückzahlen an Drehteilen ausgelegt.

Neue Strategien sind möglich

Profile einiger früher Adapter der Mori-Say TMZ642 CNC zeigen, wie diese Maschinen Produktionsstrategien zum Besseren verändern können. One ist ein Hersteller von Schweißzubehör, der die Produktion von mechanischen Mehrspindlern und High-End-Dreh-/Fräsmaschinen verlagert hat. Das andere ist ein traditionelles Schraubenmaschinenhaus, das sich in komplexere Werkstücke aus schwer zu bearbeitenden Materialien verzweigt hat.

Trafimet ist ein italienisches Unternehmen, das Brenner, Stromversorgungsanschlüsse, Verbrauchsspitzen und andere schweißbezogene Verbrauchsmaterialien herstellt, die weltweit verkauft werden. Das Hauptwerk befindet sich in Vincenza, etwa eine Autostunde nördlich von Mailand. In diesem Werk werden jährlich Millionen von Teilen produziert, die meisten davon sind Stecker, Buchsen, Adapter und Brennerspitzen aus Kupfer oder Messing.

Jahrelang hat sich das Unternehmen auf zwei gegensätzliche Arten von Werkzeugmaschinen verlassen, um seine Produktionsziele zu erreichen. Auf der einen Seite standen die Mehrspindelmaschinen – zwei mechanische Maschinen mit acht Spindeln und vier mechanische Maschinen mit sechs Spindeln, die alle für die Herstellung komplexer Teile in großen Produktionsserien bestimmt waren. Auf der anderen Seite standen mehrere einspindlige Dreh-/Fräsmaschinen mit drei Revolvern, die für weniger komplexe Teile in kleineren Auflagen verwendet wurden.

Im Jahr 2006 stieg die Nachfrage nach Steckdosen und Steckern für die Stromversorgung des Unternehmens erheblich an. Die Ingenieure erwogen zunächst einen 8-Spindel-Drehautomaten für die Steckdosenfertigung, waren jedoch besorgt über die Möglichkeit, schnell von Teil zu Teil umrüsten zu können, und entschieden sich für eine CNC-Mehrspindelmaschine. Alle mechanischen Mehrspindler des Unternehmens wurden von ZPS geliefert, daher lag es nahe, den TMZ642 dieses Herstellers in Betracht zu ziehen, der gerade in Europa eingeführt worden war. Es schien eine geeignete Maschine zu sein, um einen vielfältigen Produktmix in Auflagen von 10.000 bis 50.000 Stück zu verarbeiten.

„TAJMAC hat uns geholfen, unsere Prozesse neu zu denken und so bessere Ergebnisse zu erzielen“, sagt Ugo Simioni, Wirtschaftsingenieur bei Trafimet. Beispielsweise ermöglicht die Unabhängigkeit jeder Spindel die Durchführung vieler Arten von Bearbeitungen, einschließlich Operationen, die einen Spindelstopp oder eine unabhängig ausgerichtete C-Achsen-Spindel erfordern. „Das macht die Maschine zu einem echten und vollständigen Dreh- und Fräszentrum“, sagt Herr Simioni.

„In schwierigen Zeiten stellen wir fest, dass wir einige Produkte auf die TMZ-Mehrspindler umstellen und kleinere Losgrößen handhaben können, während wir die Zykluszeiten pro Teil reduzieren“, sagt Herr Simioni. „Eines unserer Teile lief auf einer einspindligen Dreh-/Fräsmaschine mit einer Zykluszeit von etwa 1 Minute. Mit ein wenig Planung stellten wir fest, dass wir das gleiche Teil wirtschaftlich in Chargen von 5.000 – 12 Sekunden Zykluszeiten herstellen konnten – mit drei Umrüstungen pro Woche auf der neuen Maschine.“ Die Trafimet-Ingenieure hatten bereits festgestellt, dass eine Zykluszeit von 15 Sekunden es ermöglichen würde, Lose von 10.000 bis 20.000 Stück wirtschaftlich zu produzieren. "Die unabhängigen Spindelantriebe und das fortschrittliche Antriebssystem, die Verwendung zusätzlicher Achsen und andere Verbesserungen machen die Maschine extrem vielseitig und haben es uns ermöglicht, neue Wege zur Reduzierung der Produktkosten zu finden", betont er.

BRB in der Nähe von Bergamo, Italien, ist ein gutes Beispiel für eine traditionelle Schraubendreherei, die auf komplexe, hochpräzise Teile aus schwer zu bearbeitenden Materialien umgestellt wird. Dieses Geschäft erwarb sein erstes Mori-Say TMZ642 im September 2008.

Durch den Einsatz dieser Maschine konnte das Geschäft Aufträge für eine komplexe Hydraulikhülse aus Edelstahl gewinnen. Das Teil erfordert das Bohren mehrerer Querbohrungen mit kleinem Durchmesser in unterschiedlichen Winkeln zur Mittellinie des Teils. Da die Toleranzen bei diesen abgewinkelten Querbohrungen eng sind, ist die Steifigkeit der Maschine besonders wichtig.

Ein weiteres entscheidendes Merkmal ist die Fähigkeit jeder Spindel, das Werkstück für effektive Bearbeitungsvorgänge mit hohem Drehmoment auf dem Edelstahl sicher einzuspannen. Beispielsweise wird ein Dreipunkt-Fräswerkzeug verwendet, um Schlitze an einem Ende des Teils zu bilden. Typischerweise würden solche Merkmale mit einem Kreissägeblatt erzeugt werden. Allerdings konnte kein Sägeblatt den rostfreien Stahl mit den Schnittgeschwindigkeiten handhaben, die erforderlich sind, um die Anforderungen an die Zykluszeit zu erfüllen. Tatsächlich sind die Zykluszeiten bei diesen Teilen so kurz, dass das Unternehmen eine spezielle Messstation entwickelt hat, damit die Bediener eine angemessene Teileprobenahme durchführen und die für dieses Teil spezifizierten hohen Cpk-Zahlen dokumentieren können.

BRB sieht seine Zukunft in der Produktion solcher Teile. Da diese Teile normalerweise nicht auf Mehrspindelmaschinen hergestellt werden, ist das Geschäft der Ansicht, dass es mit Unternehmen, die diese Art von Teilen auf CNC-Drehmaschinen herstellen möchten, sehr wettbewerbsfähig sein kann.

Eine historische Gelegenheit

Job-Shops und Produktionshäuser stehen möglicherweise vor einem bemerkenswerten Szenario. Steigende Produktionskosten und andere Faktoren machen es weniger günstig, viele Komponenten aus Offshore-Fabriken zu beziehen. Käufer werden nach fähigen Produzenten zu Hause suchen, die neue Technologien, einfachere Logistik, niedrigere Transportkosten und bessere Kommunikation nutzen können, um diese Lücke zu schließen. Sie müssen jedoch immer noch annähernd den "chinesischen Preis" erreichen, um auf ihren globalen Märkten wettbewerbsfähig zu bleiben.

Herr Tessarzyk glaubt, dass diese sich entwickelnde Situation eine bemerkenswerte Gelegenheit für Unternehmen darstellt, die schnell neue Entwicklungen in der Zerspanung übernehmen. Natürlich nutzen die Teilebearbeitungsstrategien, die er im Sinn hat, die Flexibilität und Leistungsfähigkeit der Mehrspindler seines Unternehmens, aber dies ist nur ein Beispiel für einen Technologiewandel, der ein Umdenken und Umdenken erfordert. Schraubwerkstätten müssen sich zu Anbietern von CNC-Fertigung in Kleinserien mit kurzen Durchlaufzeiten entwickeln. Ebenso müssen CNC-Werkstätten von der Abhängigkeit von einfachen Maschinen, die komplexe Schneidmanöver ausführen, zu komplexeren Maschinen übergehen, die das Beste aus einfachen Bewegungen herausholen.

Ein Acht-Spindel-Modell für große, robuste Teile

Obwohl der Mori-Say TMZ867 sein nordamerikanisches Debüt auf der PMTS (28.-30. April 2009, www.pmts.com ) gibt, ist bereits ein Modell im Showroom von TAJMAC-ZPS in ausgestellt Bereich Mailand, Italien. Diese Maschine wird für Vorführungen und zur Erprobung von Kundenteilen eingesetzt. Ein kürzlich getestetes Teil veranschaulicht die Fähigkeiten dieser Maschine und bekräftigt den Punkt, dass sich Anwendungen für die Mehrspindelbearbeitung in eine neue Richtung bewegen.

Das Teil ist eine Lenksäulenkomponente aus Edelstahl. Der hohe Nickel- und Chromgehalt des Werkstückstoffes erfordert ein hohes Drehmoment an der Spindel. Das Teil wurde früher auf einer Hochleistungs-Langdrehbank (Langdrehbank) hergestellt. Auf dieser "Single-Point"-Maschine betrug die Zykluszeit 60 Sekunden. Beim Mehrspindler sind es 16 Sekunden. Beide Maschinentypen stellen das Teil in einem Durchgang fertig. Laut Herrn Tessarzyk ist der Mehrspindler so genau wie die Langdrehmaschine.

Das ist ein ungewöhnlich großes Teil für die Produktion auf einem Mehrspindler. Der TMZ867 kann jedoch Stangenmaterial mit einem Durchmesser von bis zu 72 mm aufnehmen und als Spannfutter mit offener Front arbeiten. Zu den Standardmerkmalen gehören acht unabhängige, wechselstrombetriebene CNC-Horizontalspindeln; acht unabhängige Verbundschlitten (X und Z); acht unabhängige Werkzeugträger mit acht angetriebenen Werkzeugen mit 12.000 U/min; fünf Rückenbearbeitungswerkzeuge (drei davon angetrieben); und eine Reihe von standardmäßigen, voreinstellbaren VDI-Werkzeugen.

Das Antriebssystem folgt den gleichen Prinzipien, die bei seinem kleinen Bruder mit sechs Spindeln, dem TMZ642, entwickelt wurden. Jede der acht Spindeln der Maschine ist durch eine Verbundwelle mit einem eigenen Motor in der Spindeltrommel verbunden, die eine präzise Hirth-Kupplung verwendet. Dies macht es unnötig, die Trommel am Ende jedes 360-Grad-Zyklus rückwärts zu indizieren; die Motoren bei jeder Indexierung mit den Spindeln zu verbinden und zu trennen; oder um die Trommel zu kühlen, um die von den Spindelmotoren erzeugte Wärme abzuleiten.