Schleifoperationen optimieren: Von gut zu hervorragend mit fortschrittlicher Software & Automatisierung

Wie Software, Automatisierung und Schleifmittel-Fortschritte Teile- und Werkzeugschleifen in den Overdrive versetzen.

Vielleicht ist Ihr Unternehmen auf Luftfahrt- oder Medizinkomponenten spezialisiert und Sie müssen komplexe Geometrien in Metallen fertigen, die zu hart für konventionelle Zerspanungsmethoden sind. Oder Sie arbeiten in oder besitzen einen Werkzeug- und Schneidwerkzeughersteller und suchen nach schnelleren, kosteneffektiveren Wegen, Bohrer, Fräser und Formwerkzeuge zu produzieren. Was auch immer der Grund und die Anforderung – Sie haben Glück. Wie bei den meisten Metallbearbeitungstechnologien hat sich das Schleifen – genauer: spanende Bearbeitung mit Schleifmitteln – in den letzten Jahren stark verbessert.

Wie? Zum einen haben Schleifscheibenhersteller neue Bindungen und Superabrasives entwickelt, die den Titel „Super“ eindeutig verdienen, da sie mehr Material in kürzerer Zeit abtragen als je zuvor. Und Schleifmaschinenhersteller liefern immer leistungsfähigere Anlagen, steif und kraftvoll genug, um diese fortschrittlichen Schleifmittel voll auszunutzen, während sie smarte Features wie Automatisierung, Fernüberwachung und intelligente Softwaresysteme zu ihren Werkzeugmaschinen hinzufügen.

Einfach gesagt: Schleifen ist in ein neues Zeitalter von Produktivität und Teilegenauigkeit eingetreten; wenn Sie davon nicht profitieren, verpassen Sie signifikante Chancen für Prozessverbesserung, gesteigerte Produktqualität und einen Schub für das Endergebnis.

Bessere Steuerung ist kritisch

Ein Haupttreiber dafür ist der Mangel an qualifizierten Zerspanern. Das sagt Shane Farrant, National Product Manager für Schleifmaschinen bei JTEKT Toyoda Americas Corp., Arlington Heights, Ill., und fügte hinzu, dass die Vereinfachung der Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) ein notwendiger erster Schritt ist, um die Auswirkungen einer weniger qualifizierten Arbeitskraft zu minimieren.

„Eine einfachere, intuitivere HMI ist eine der vielen Maschinenverbesserungen, die wir für unser Sortiment an Universal-, Zylinder-, Nockenwellen- und Kurbelwellenschleifmaschinen entwickelt haben“, sagte er. „Das bedeutet ein benutzerfreundliches Format mit stärkerer Abhängigkeit von Bildern und anderen Grafiken zur Unterstützung von Setup- und Programmierprozeduren.“

Es gab auch einen großen Schub in Richtung einer Internet-of-Things-basierten (IoT) Arbeitsumgebung. Zum Beispiel zeigt die Diagnoseseite auf Toyodas TOYOPUC Touch-Steuerung Kühlmittelstand, Maschinenvibration, Öltemperatur – alles, was sich in schlechte Teilequalität oder Produktionsprobleme übersetzen könnte, sendet einen sofortigen Alarm an den Verantwortlichen. Zusätzlich ist es möglich, diese Informationen von der Maschinensteuerung zu sammeln und in eine vernetzte Datenbank für historische Analysen zu pushen.

Eine weitere zeitsparende Funktion ist die automatische Generierung alternativer Programme, die ein Bediener aufrufen kann, wenn es ein prozessbezogenes Problem gibt. JTEKT Toyoda Proposal Engineering Manager Steve Earley sagte, diese konversationelle Steuerungsoption sei auf dem GE6 Rollenschleifer des Unternehmens verfügbar, einer Maschine, die auch von Modifikationen am Guss, Motoren und anderen Komponenten profitiert hat, alle darauf ausgelegt, Vibrationen zu reduzieren und die Maschinengenauigkeit in dieser Spezialanwendung zu erhöhen.

Die Materialien für Lithiumbatterien in Elektrofahrzeugen sind recht dünn, erklärte er, und die Walzen, die dieses Material produzieren, müssen daher extrem präzise sein, mit sehr feinen Oberflächen. „Wenn ein Bediener die Maschine einrichtet, präsentiert die Steuerung ein generalisiertes Startprogramm sowie zwei Alternativen – eines aggressiver für schnellere Zykluszeiten und eines konservativeres für bessere Oberflächen“, sagte Earley. „Basierend auf den initialen Ergebnissen kann der Bediener leicht entscheiden, zu welchem Satz Bearbeitungsparameter er wechselt, um das beste Teil in kürzester Zeit zu produzieren.“

Weniger Operationen erforderlich

Larry Marchand, VP der Profilgruppe bei United Grinding North America Inc., Miamisburg, Ohio, stimmte der Notwendigkeit benutzerfreundlicher Steuerungen zu, besonders da Schleifmaschinen leistungsfähiger werden. Aber er sagte, es gibt auch einen enormen Ruf in der Fertigungsgemeinschaft nach reduziertem Work-in-Process und weniger Bearbeitungsoperationen, was United Grinding und andere Unternehmen dazu brachte, den sogenannten „Done-in-One“-Ansatz zu adoptieren, um Bedienerberührungszeit zu reduzieren und Wert pro Operation zu steigern.

Um dies zu unterstützen, hat United Grinding „zusätzliche Prozesse, Operationen und Features“ zu Profilschleifmaschinen eingeführt, die einst sehr einzweckig waren. „Kunden wollen mehr Wert in einer einzigen Teilehandhabung hinzufügen“, sagte Marchand. „Wir haben eine große Nachfrage nach Maschinen mit automatischen Werkzeugwechslern gesehen, die es ermöglichen, das Werkstück zu schleifen und dann einen Bohrer oder Fräser einzubringen, um das Teil fertigzustellen. Das eliminiert Sekundäroperationen, reduziert Teilevorlaufzeit und verbessert Qualität.“

Heißt das, Werkzeugmaschinenbetriebe sollten ihre CNC-Werkzeugmaschinen gegen einen Alles-könnenden Super-Schleifer tauschen? Überhaupt nicht. Genau wie Multitasking-Maschinen einen verdammt guten Job beim Fräsen einer Nut oder Schleifen eines Journals machen, kann ein Multitasking-Schleifer jetzt Aufgaben ausführen, die einst Bearbeitungszentren und Bohr-/Gewindemaschinen vorbehalten waren – aber weder der eine noch der andere Maschinentyp kann den anderen ersetzen. Wie Marchand anmerkte: „Wenn Sie ein Teil haben, das schleifintensiv ist, sind Sie immer besser mit einem dedizierten Schleifer bedient.“

Es gibt mehrere Gründe dafür, sagte er. Schleifen erfordert wesentlich mehr Kühlschmierstoff als Fräs- und Drehoperationen, gezielt genau an der Schnittstelle von Werkstück und Scheibe. Ein Rad zu treiben, das ein paar Fuß im Durchmesser misst, erfordert reichlich PS, weit mehr als auf einem durchschnittlichen Spanmachmaschine verfügbar. Schließlich, Zehntel und einstellige Oberflächen den ganzen Tag zu halten, ist etwas, worin die meisten CNC-Schleifer exzellieren, weil sie dafür ausgelegt sind, diese Operationen zu optimieren. Bearbeitungszentren? Nicht so sehr.

Die harten Materialien meistern

Diese Fähigkeiten sind besonders relevant bei Metallen mit hohem Nickel-, Chrom- und Kobaltgehalt, sagte Marchand. „Ein großer Teil unseres Geschäfts kommt von Kunden, die Teile aus Inconel und Rene fertigen, Materialien, die – mindestens in ihrem gehärteten Zustand – nahezu nicht zerspanbar sind. Ihre einzige Option ist Erodieren oder Schleifen, und dank der Steifigkeit, Leistung und Genauigkeit moderner Schleifmaschinen, plus der Verfügbarkeit von Superabrasives, die bis vor Kurzem nicht verfügbar waren, entscheiden sich die meisten für Letzteres.“

Einer der führenden Hersteller von Superabrasives ist Norton|Saint-Gobain Abrasives, Worcester, Mass. Alfredo Barragan, Senior Corporate Application Engineer für Superabrasives Nordamerika, sagte, Schleifen wurde einst als „reines Finish“-Prozess betrachtet, hat sich aber mit der Entwicklung immer leistungsfähigerer Schleiftechnologie zu einem Mainstream-Bearbeitungsprozess entwickelt. Um mit diesem Prozess den größtmöglichen Erfolg zu erzielen, müssen jedoch ebenso moderne Schleifmittel angewendet werden.

„Traditionelle Harz- oder Metallgebundene Diamantmatrix-Schleifscheiben neigen dazu, sehr dicht zu sein“, sagte Barragan. „Dicht zu sein ist gut, weil es eine robuste Struktur gibt und hilft, eine starke Bindung zu schaffen, die diese Struktur zusammenhält, aber es wirft eine Überlegung auf: Das Rad lädt sich schneller zu, was langfristig die Produktivität reduziert. Norton Winter Paradigm Hybridbond-Schleifscheiben lösen dieses Problem.“

Die Scheiben bieten angeblich eine Kombination aus verbesserter Kornbindung mit hohen Porositätsgraden, wodurch Schneidkräfte reduziert werden. Höhere Porosität reduziert auch das Zusetzen – das Rad schleift kühler, freier, mit weniger Stillstand, und produziert letztendlich mehr Teile pro Tag. Je nach verwendetem Schleifmittel schleifen Hybridbond-Scheiben effizient Hartmetall, fortschrittliche Keramik, gehärtete Werkzeugstähle und die Hochtemperaturlegierungen, die United Grindings Marchand gerade erwähnte.

Es steckt mehr dahinter als Schleifmitteltechnologie. Wie die Werkzeugmaschinen, an denen sie befestigt sind, werden die Scheiben selbst intelligenter, mit eingebetteten RFID-Tags für besseres Asset-Management, gestraffte Beschaffung, Nutzungs- und Abrichtinformationen-Tracking und Absicherung gegen Bedienerfehler.

Norton|Saint-Gobain beschränkt seine Bemühungen auch nicht auf Schleifprodukte. Sein 4Sight Prozessüberwachungs- und Diagnosesystem bietet IoT-Funktionalität ähnlich der zuvor besprochenen, mit herstellerunabhängiger Echtzeitüberwachung von Schleifmaschinenwerten wie Spindellast und Maschinenauslastung, und der Fähigkeit, Daten für Trendanalysen zu speichern oder Alarme zu senden. „Dies ist eine der größten Initiativen des Jahres für uns, und zusammen mit unseren Smart-Tag-Systemen dient es als Fundament unserer Industry 4.0-Lösung“, sagte Barragan.

Auf Ihren Bildschirm: V@dison

Sie sind nicht allein. Vollmer of America Corp., Carnegie, Pa., zusammen mit seiner Muttergesellschaft, der Vollmer Group, arbeitet an einer Reihe von Tools und Services, die darauf abzielen, Schleifoperationen „digital zu transformieren“. Als V@dison gebrandet, umfassen diese den V@ Screen für verbesserte Sichtbarkeit von Maschinenparametern, V@ Check für Prozesssimulation, V@ Boost zur Optimierung der Maschinenleistung gemäß Werkstück, und V@ Guide für konsistentere präventive Wartung.

Vollmer steckt noch in den frühen Phasen dieser Initiative, aber Nordamerika-Vertriebsleiter Shannon Fox sagte, es gebe noch viel niedrig hängende Verbesserungsfrüchte für die Schleifgemeinschaft. Allen voran Automatisierung – Fox verwies auf die robotergestützte Teilebeladung und Radwechsel-Fähigkeiten seines VGRIND 360 Werkzeug- und Schneidwerkzeugschleifers als ein Beispiel, Optionen, die Vollmer und tatsächlich die meisten Werkzeugmaschinenhersteller routinemäßig installieren, da ihre Kunden auf Lights-out-Fertigung hinarbeiten.

Simulation ist eine weitere routinemäßige Anfrage. Obwohl Vollmers V@ Check System noch in Entwicklung ist, merkte Fox an, dass die NUMROTOplus Software, die auf Vollmer und anderen Marken von Schleifgeräten angeboten wird, eine ausgereifte, gut akzeptierte Alternative ist. „Simulation wird wichtiger, da Schleifer leistungsfähiger werden“, sagte er. „Die Quarters sind enger, Werkzeuggeometrien zunehmend komplex, und viele Maschinen – unsere eingeschlossen – erlauben den Einsatz mehrerer Radpakete in einem einzigen Job, was Interferenzbedenken aufwirft. Ohne Simulation riskieren Sie, eine sehr teure Werkzeugmaschine zu crashen.“

Sehen ist Glauben

Simulation ist auch aus anderen Gründen wichtig. Das in Melbourne, Australien ansässige ANCA CNC Machines nutzt sie beispielsweise, um Werkzeugunwucht bei variablem Steigungswinkel-Fräsern vorherzusagen. „Das ist einer der Trade-offs bei Hochleistungsschneidern – weil die Flötenabstände unregelmäßig sind, sind sie inhärent ausbalanciert“, sagte Lucas Hale, Global Marketing Manager. „Um dem entgegenzuwirken, haben wir Simulationssoftware entwickelt, die Unwucht berechnet und das NC-Programm anpasst, um sie durch Entfernen zusätzlichen Materials an strategischen Stellen auszugleichen. Das Werkzeug kommt perfekt ausbalanciert vom Schleifer, liefert verlängerte Werkzeugstandzeit und bessere Oberflächenqualität am bearbeiteten Teil.“

Hale stimmte dem Ruf nach Automatisierung zu, einschließlich roboter Teile- und Radhandhabung, bot aber eine Reihe zusätzlicher Wege, Produktivität zu steigern. Wo routinemäßiges „Abrichten“ des Rads zum Entfernen von Zusetzen einst manuell durchgeführt wurde, hat ANCA es automatisiert, was Arbeitskosten reduziert und Radlebensdauer verlängert. ANCA's Software und Maschinen sollen „signifikante Benutzerfreundlichkeit“ bieten, was Rüstzeit reduziert. Und laserbasierte Messsysteme liefern In-Prozess-Verifikation von Schneidwerkzeuggenauigkeit und -geometrie, gefolgt von automatischen Offsets oder Radabrichten zur Kompensation von Verschleiß.

Und ANCA hat diesen Prozess einen Schritt weitergeführt. Durch Zusammenarbeit mit Unternehmen wie Zoller Inc., einem führenden Anbieter von Werkzeugvoreinstellgeräten, hat ANCA eine Schnittstelle entwickelt, die automatisierte Inspektion und Rückmeldung an den CNC-Schleifer unterstützt – ein Roboter legt den Fräser in den Voreinsteller, der ihn misst und die Ergebnisse an ein Softwaresystem sendet, das die Maschine nach Bedarf anpasst. Das „schließt den Kreis“, erklärte Hale, und zusammen mit integrierten Rohlingmanagementsystemen ermöglicht es Kunden, „hunderte Werkzeuge zu laden, Go zu drücken und am nächsten Tag zu fertigen Schneidwerkzeugen zurückzukehren“, sagte er.

„Auch der grundlegende Maschinenbau hat sich in den letzten fünf Jahren oder so verbessert“, fuhr Hale fort. „Zum Beispiel sind Linearmotoren in unserer Branche weit verbreiteter geworden. Sie tragen nicht nur zur Qualität der Schneidwerkzeuge und damit der Qualität der damit gefertigten Teile bei, sondern Linearmaschinen bewegen sich viel schneller als solche mit Kugelgewindetrieben, was Zykluszeiten reduziert. Und da weniger Verschleiß an Maschinenkomponenten entsteht, wird die Anlagenlebensdauer verlängert. Deshalb sind Linearmotoren praktisch zu einem Standardbestandteil jeder hochpräzisen, hochleistungsfähigen Schleifmaschine geworden.“

Erstes Teil, gutes Teil

Genau wie JTEKT Toyoda den Mangel an qualifizierten Zerspanern mit intuitiverer Steuerungssoftware angeht, arbeitet Rollomatic Inc., Mundelein, Ill., daran, Maschinen-Setups sowohl einfacher als auch schneller zu machen. Das liegt daran, dass die meisten Werkzeug- und Schneidwerkzeughersteller nicht anders sind als jede metallschneidende Job-Shop; sie stehen vor kleineren Losgrößen und kürzeren Lieferzeiten, was Rüstzeit zu einem größeren Prozentsatz jedes Produktionslaufs macht. Ein Teil der Lösung? Bessere Software.

„Seit Jahrzehnten verbrennen Shops drei, vier, fünf Werkstückrohlinge pro Setup, indem sie die Maschine allmählich einstellen, bis sie ein gutes Stück erhalten“, sagte Eric Schwarzenbach, Präsident von Rollomatic Inc. „Aber durch den Einsatz intelligenter Software ist es sehr wohl möglich, die Anzahl der Ausschusswerkstücke zu reduzieren, wobei Null das ultimative Ziel ist. Nicht nur Materialkosten werden gesenkt, sondern auch Rüstzeit.“

Die Software unterstützt den Bediener, indem sie eine 3D-Darstellung der Werkzeugmaschine, des Werkstücks und des Schleifrads erstellt, sagte Schwarzenbach, wodurch der Bedarf an einem Trockenlauf entfällt. Der Bediener kann die Animation beschleunigen, verlangsamen, zurückspulen oder auf Problembereiche zoomen, was ihm hilft, potenzielle Kollisionen zwischen Radpaket und Werkstück zu vermeiden. Und wenn die Animation fertig ist und die Maschine tatsächlich Teile fertigt, arbeitet die Software daran, „Leerfahrten“ zu eliminieren und Sicherheitsabstände auf ein Minimum zu verkürzen.

Intelligente Software ist toll, aber Schwarzenbach wies schnell darauf hin, dass die Werkzeugmaschine und ihre zugehörigen Systeme ebenso wichtig sind. Je genauer und stabiler die Werkzeugmaschine, desto einfacher ist es, die Zieldimension beim ersten Versuch zu treffen. Auch verbesserte Radabrichttechnologie, automatisierte Kalibrierprozeduren, schnellere Steuerungen, die Berechnungen zügiger verarbeiten, und Hybridradbindungen, die verschleißfest, freischneidend und scharfe Ecken länger behalten, sind kritisch. Diese Faktoren spielen eine große Rolle bei schnelleren Setups und einer verbesserten Fähigkeit, das erste Teil zu einem guten Teil zu machen, mit kürzeren Zykluszeiten obendrauf.

Wie andere erwähnt haben, ist automatisierter Radwechsel ein weiterer Gamechanger im Schleifen – Schwarzenbach sagte, Rollomatics High-Speed-Wechsler können ein Radpaket in fünf Sekunden, Dorn-zu-Dorn, tauschen und Grind-to-Grind-Zeiten von 11 Sekunden erreichen. Der Nutzen geht über kürzere Zykluszeiten hinaus. „Wenn Sie ein Paket mit vier Rädern haben, ist das Kollisionspotenzial höher als bei einem mit ein oder zwei Rädern. Das verkompliziert das Setup. Also, wenn Sie ein großes Radpaket aufteilen und die 11 bis 12 Sekunden Radwechselzeit in Kauf nehmen können, dann ist das heutzutage der bevorzugte Weg.“