Produktion optimieren mit Y-Achsen-Bearbeitung: Rüstzeiten und Kosten reduzieren

Einer der Fertigungs-Megatrends der letzten Jahrzehnte ist die Vereinfachung und Minimierung der Anzahl der Bearbeitungseinrichtungen für ein spezifisches Bauteil. Märkte fordern kürzere Lieferzeiten und reduzierte Lagerbestände – ein klarer Anreiz für OEMs und erst recht für deren Zulieferer, die Komponentenfertigung so weit wie möglich zu straffen.

Die Rentabilität eines Bauteils kann sogar davon abhängen, ob mehrere Setups in einer einzigen Maschine kombiniert werden können.

Ein Aspekt des Single-Setup-Trends ist die Hinzufügung von „Live Tooling“ (rotierenden Werkzeugen) zu Drehzentren. Dazu wurden Ende der 1990er Jahre Y-Achsen-Drehfräsmaschinen eingeführt. Die ersten einfachen Live-Tools in Drehzentren hatten eine signifikante Einschränkung: Da die rotierenden Schneiden in den meisten Maschinenkonstruktionen einfach dem Revolver hinzugefügt wurden, konnten sie nur in den gleichen zwei Bewegungsachsen wie die Drehwerkzeuge angetrieben werden – also in X- und Z-Richtung. Um die Reichweite zu verbessern, wurde ein zusätzlicher Führungsweg hinzugefügt, um das Live-Tool über die Spindelfläche zu bewegen. Dies wurde durch Montage der Live-Tools an Revolverseiten oder -front, durch Einbau der Y-Achsen-Führungen auf einem schrägen Bett oder durch Verwendung eines unabhängigen Fräskopfs erreicht. Sowohl Maschinenhersteller als auch Hersteller erkannten schnell die Vorteile. Heute, rund zwei Jahrzehnte später, ist die Y-Achse in fast allen Mehrtaskmaschinen Standard und in vielen neuen Drehzentren optional.

Das Hinzufügen der Y-Achse in ein Drehzentrum bietet 90-Grad-Winkligkeit zwischen den drei linearen Achsen – ähnlich wie ein 3-Achsen-Bearbeitungszentrum.

Herausforderungen beim Abstechen

Abstechen ist ein entscheidender Schritt in jedem Drehprozess, wo er erforderlich ist. Er nimmt nur einen kleinen Prozentsatz der Gesamtbearbeitungszeit in Anspruch, ist aber meist die letzte Operation vor der Fertigstellung. Ein Bruch des Abstechwerkzeugs kann leicht zu Maschinenstillstand und Qualitätsproblemen führen, im schlimmsten Fall muss das Werkstück verschrottet werden – der gesamte Wert der vorangegangenen Bearbeitungsschritte geht verloren. Materialkosten sind ein weiterer Hauptfaktor. Besonders bei teuren Materialien wie warmfesten Superlegierungen (HRSA) besteht ein starker Anreiz, die schmalstmöglichen Wendeschneidplatten zu verwenden.

Diese Faktoren führen zu zwei diametral entgegengesetzten Anforderungen an Abstechwerkzeuge: Sie sollten so schmal und schlank wie möglich sein, um Materialverlust zu minimieren und die Reichweite für maximale Werkstückdurchmesser zu optimieren. Doch schlanke Werkzeuge leiden leicht unter mangelnder Stabilität und folglich unter Vibrationen und Geräuschen. Durch Rattern ruinierte Oberflächengüte und Maßhaltigkeit sind in Abstechoperationen generell inakzeptable Risiken. Während die Y-Achse die Möglichkeiten für rotierende Werkzeuge in Mehrtaskmaschinen und Drehzentren erheblich erweiterte, hat diese Fähigkeit nun eine große Innovation in einer der ursprünglichen Aufgaben dieser Maschinentypen inspiriert: Y-Achsen-Abstechen.

Dieses neue Abstechwerkzeug und -verfahren bieten signifikante Produktivitäts- und Prozesssicherheitsverbesserungen in potenziell jeder Abstechoperation. Die Innovation von Sandvik Coromant, Y-Achsen-Abstechen, basiert auf einem extrem einfachen Prinzip. Während herkömmliche Abstechwerkzeuge mit der X-Achse der Werkzeugmaschine ausgerichtet sind, wurde das Y-Achsen-Werkzeug einfach um 90° gegen den Uhrzeigersinn gedreht, um sich mit der Y-Achse auszurichten. In der konventionellen Konfiguration wird die relativ lange, schlanke Schneide und der Halter im 90°-Winkel in das rotierende Werkstück Vorschub, wobei die größte Schnittkraft durch die Schnittgeschwindigkeit erzeugt wird, der Rest durch Vorschubbewegung.

Vorteile des Y-Achsen-Abstechens

Durch Drehen des Schneidplattensitzes um 90 Grad und Nutzung der Y-Achse kann das Werkzeug im Wesentlichen mit seiner Stirnseite in das Werkstück schneiden, wodurch der resultierende Schnittkraftvektor nahezu mit der Längsachse der Klinge ausgerichtet wird. Die günstigere Kraftverteilung eliminiert kritische Spannungen typischer konventioneller Klingen und erhöht die Biegesteifigkeit bei maximaler Schnitttiefe (CDX) von 60 mm (2,36 Zoll) um mehr als das Sechsfache. Oder umgekehrt: Die Anfälligkeit für plastische Verformung und Instabilität ist im Y-Achsen-Design so niedrig wie ein Sechstel der typischen Verformungen konventioneller Abstechklingen. Die mehr als 500 % Steigerung der Klingensteifigkeit ermöglicht wesentlich höhere Vorschübe und größere Überhänge ohne Stabilitätsverlust – was die Produktivität des Werkzeugs im gleichen Maß verbessert. Die generelle Empfehlung für Abstechen von Stangen ist, den Überhang (OH) zu minimieren oder bei langem OH eine leichte Schneidgeometrie zu nutzen oder den Vorschub zu reduzieren. Ein gängiger Schwellenwert für reduzierten Vorschub ist ein OH, der das 1,5-fache der Klingenhöhe übersteigt. Mit Y-Achsen-Werkzeugen können längere Überhänge erreicht werden, ohne auf optimale Vorschübe, Schneidgeometrien oder Werkzeugabmessungen verzichten zu müssen.

Dank der erhöhten Steifigkeit und der daraus resultierenden reduzierten Biegung kann Y-Achsen-Werkzeug den Bedarf an Über-Mitte-Einstellungen eliminieren und damit verbundene Nachteile wie vorzeitigen Schneidplattenbruch beim Durchstoßen der Mitte und schnellen Flankenverschleiß vermeiden. Weitere Vorteile: geringere Geräuschentwicklung, bessere Oberflächenqualität, zuverlässigerer Prozess sowie die Fähigkeit, größere Durchmesser abzustochen als bisher möglich.

Maschinenspezifische Aspekte des Y-Achsen-Abstechens

Drehzentren: Werden generell für Serienfertigung aus Stangenmaterial verwendet, typischerweise 65 mm (2,56 Zoll) Durchmesser. Hier sind die größten Vorteile des Y-Achsen-Abstechens gesteigerte Produktivität und Oberflächenqualität. Qualitätsoptimierungschancen sind auch interessant, da Abstechen meist der letzte Schritt für ein Bauteil ist. Eine zusätzliche Chance: Bearbeitungskosten durch Reduzierung der Abstechbreite verbessern.

Mehrtaskmaschinen: Y-Achsen-Abstechklingen bieten primär erhöhte Zugänglichkeit und Fähigkeit für größere Durchmesser. Ein Vorversuch bestätigte eine 50 % Erhöhung des Überhangs beim Schneiden eines konventionellen 120-mm-Stabs bei maximaler Vorschubleistung der Schneidplatte. Eine 300 % Produktivitätssteigerung wurde ohne Prozesssicherheitsprobleme erreicht. In einem Kundenversuch ersetzte Y-Achsen-Abstechen das Bandsägen für einen 180-mm-Inconel-Stab – mit signifikanter Produktivitätsverbesserung durch drastisch kürzere Bearbeitungszeiten.

Schrägbettmaschinen: Typischerweise erzeugt die X-Achse eine „bergauf“ geneigte Richtung zur Maschinenfront, mit Spindeln an einem oder beiden Enden des Schrägbetts; der X-Verfahrweg ist meist deutlich länger als der Y-Verfahrweg. Die resultierenden Arbeitsraumbegrenzungen müssen bei der Nutzbarkeit von Y-Achsen-Abstechen für ein spezifisches Bauteil berücksichtigt werden. In einer Mehrtaskmaschine, die im Wesentlichen als Bearbeitungszentrum mit Drehoption charakterisiert werden kann, sind typische Werkzeugbaugruppen wie Coromant Capto® C6 oder HSK63T Klingenadapter oft relativ lang, um ausreichende Reichweite zwischen Haupt- und Gegenspindel zu ermöglichen. Dadurch ist das Gesamtsetup in X-Richtung schwächer im Vergleich zur Y-Achsenbelastung, wo die Schnittkraft in den Werkzeugaufbau und in die Maschinenspindel geleitet wird. Typische Y-Achsen-Werkzeugbaugruppen, meist basierend auf VDI-Adapter oder Anbauklingenadapter für die maschinenangepasste Spannvorrichtung (MACU), sind lang und schlank, um zwischen Haupt- und Gegenspindel zu erreichen und nahe am Spannfutter abzustochen.

Loslegen

Eine Investition in Y-Achsen-Abstechen ist primär ein Wechsel im Ansatz für Abstechoperationen und die damit verbundenen Arbeitsweisen. Es bietet die Möglichkeit, die Fähigkeiten bereits Y-Achsen-ausgestatteter Maschinen voll auszunutzen. Alternativ ist es eine Option, die die Produktivität von Abstechoperationen in einer neuen Maschine oder einem modifizierten Prozess-Setup erheblich steigern kann. Y-Achsen-Abstechen kann sogar die Chance bieten, den Werkzeugbestand zu reduzieren, da weniger dedizierte Klingen nötig sind – die neuen Y-Achsen-Klingen passen in Standardadapter und nutzen Standard CoroCut® QD Wendeschneidplatten.

Als praktische Überlegung: Die Schneide liegt 7 mm (0,276 Zoll) über der Y = 0 Position, wenn sie auf einem Standardklingenadapter montiert ist. Der Bediener sollte sicherstellen, dass dieser Überstand im CNC-Programm kompensiert wird.

Sehen Sie Behind the Scenes of Y-Axis und Demo Y-Axis.