Близкое к нетто токарная обработка: упрощение автоматизации для современного производства

Близкое к нетто (NNS) токарная обработка — это тренд, который втиснулся в мейнстрим производства за последние два десятилетия. Идея понятна почти каждому в производстве сейчас. В своей основе NNS токарная обработка просто означает токарную обработку деталей, которые были отлиты или прессованы близко к конечным размерам. Последствия этого метода продолжают раскрываться по мере того, как станки, инструменты и процессы включают новые разработки и идеи.

Большинство NNS токарной обработки включает обработку очень малого количества признаков на детали; часто один или два, редко более трех. NNS токарная обработка часто создает трудности с зажимом, потому что типичные детали часто тонкостенные, или отлиты/прессованы без приспособлений или измерительных датумов. Поскольку типичная NNS токарная операция — это финальная финишная операция, мы можем добавить, что она обычно попадает в категорию высокоточного точения, растачивания или фасовки.

Самое важное последствие NNS токарной обработки — это то, как она повлияла на тренды в автоматизации. Когда время набращивания становится меньшей частью общего цикла, подача заготовок и смена инструмента становятся главными препятствиями для лучшей эффективности. NNS токарная обработка эволюционировала, чтобы отлично работать с самыми простыми системами подачи заготовок и смены инструмента — тренд, который несколько выходит за рамки самой NNS обработки, вызывая на вызов обычную мудрость о том, сколько сложности хорошо для производственной эффективности и общей рентабельности.

Быстрая подача и извлечение деталей

«Наша работа — загружать и выгружать детали в станок так быстро, как только возможно, и так последовательно, как только возможно», — говорит Дэн Круз, менеджер операций Bearing Technologies, Inc., Div. of MB Mfg. (Бентон-Харбор, Мичиган). Он относится к кольцам для подшипников, которые делает его компания, обрабатываемым из секций труб 4118 стальной трубы, отрезанных по длине. Хотя работа лишь гранично является операцией близкой к нетто (потому что до 0,080 дюйма материала удаляется до тремя проходами режущего инструмента), она использует технологию автоматизации и общий процессный подход, которые NNS токарная обработка поощряла.

Bearing Technologies использует два четырехосевых станка с ганг-тулингом, соединенных в ячейку посредством линейной гантри-подобной передаточной системы. Станки в этой ячейке отражают влияние, которое NNS токарная обработка имела на дизайн производственных токарных станков. Малые, тесно связанные, с емкостью только для одного или двух инструментов на каждом из двух крестосветно-установленных («ганг») инструментальных блоков, эти станки Wasino SS-8 сфокусированы на токарной обработке мелких деталей, требующих обработки лишь нескольких признаков.

Без турелей для индексации, смена инструмента быстрая. Время резания также минимизировано с четырехосевым, двухинструментальным одновременным резанием. Но только 15 процентов от коротких 30–40-секундных цикловых времен деталей включает подачу заготовок. Время загрузки и выгрузки сжато так далеко, как позволяет состояние искусства.

Bearing Technologies использует экстремальный пример быстрой и простой загрузки и выгрузки: гравитационная желобная система подает детали в одну прямую линию и одним движением подачи. Она подходит только для кольцевидных или дисковидных деталей, но попадает в цель, поставленную NNS подачей заготовок. Желобная система использует как можно меньше механического движения и загружает по кратчайшему практичному пути.

Компания ранее делала работу с двухосевыми токарными станками, оснащенными более обычными загрузчиками. Их время резания было на 25 процентов длиннее, чем у новых четырехосевых станков. Но наибольшая разница — в подаче заготовок. Общее цикловое время было примерно в три раза длиннее до перехода на гравитационные загрузчики.

Точности как у шлифовальных станков

Многие NNS применения толкают точность станка до экстремумов, часто заменяя шлифовальные операции и выполняя все токарные операции в одном шаге или в одном проходе через ячейку, которая точит оба конца детали. Применения твердого точения часто попадают в эту категорию. Для порошково-металлургических (PM) шестерен, втулок и других мелких деталей твердое точение стало серьезным конкурентом шлифования. Этот класс работы можно считать подкатегорией NNS токарной обработки, и он делает те же требования к эффективности подачи заготовок и точности.

Это также ставит премию на жесткость станка и инженерию инструмента. Хотя керамика используется в легко нагруженных применениях твердого точения, именно внедрение поликристаллического кубического нитрида бора (PCBN) инструментов принесло твердое точение в мейнстрим производства. Эти инструменты выдерживают длительные серии и дают отличную согласованность износа — пока тщательное внимание уделяется подготовке кромки.

Точное NNS точение, твердое или мягкое, обычно требует дополнительной разработки применения. Наладки инструментов и материалы инструментов критичны для более мягких деталей так же, как и для твердых, где длительные серии сочетаются с высокой точностью и требованиями к чистоте поверхности. И многие такие детали представляют специальные требования к приспособлению или зажиму.

Обработка мелких поршней для газонной техники — хорошая иллюстрация специальных характеристик NNS токарной обработки. Прецизионно отлитые под давлением в тонкие стенки, без легко доступных датумов, эти детали трудны для точного зажима и склонны к деформации. Даже так, мы часто можем точить поршни поршней до ±50 микрондюймов (0,000050 дюйма).

Легкий вес — ключевая цель для мелких поршней, и они были естественным применением для прецизионной литья под давлением. Но процесс литья не производит признаков для зажима внутри деталей. Их нужно обрабатывать по полному внешнему диаметру, и единственный датум для ориентации оси шпинделя — внутренность купола поршня, или корона.

Токарная обработка, следовательно, — это обработка с двух концов, в которой финишно обработанный внешний диаметр на конце короны должен продолжаться на юбке, не теряя концентричность. Тонкие, легко деформируемые стенки юбки делают эту задачу более сложной.

Ответ — комбинация деликатного, точного пневматического зажима и наточенных на месте губок — закаленных, для высокосерийного производства. Использование пневматических зажимов, работающих при максимальном давлении линии 60–70 psi, решает многие такие проблемы зажима тонкостенных NNS деталей. Они склонны зажимать точно в широком диапазоне воздушных давлений, от примерно 30 psi до максимума 70. Даже с гладкими губками они получают адекватный захват детали, если силы резания низки, как на алюминиевых поршнях.

Все равно, есть больше для поддержания точности на тонкостенных деталях, чем просто их точное зажимание. Поршни представляют другую потенциальную проблему из-за своих тонких стенок: втулки штифта пальца, которые мы растачиваем на координированном центре обработки в той же ячейке станка, расположены в тонкостенных усилителях. Они быстро нагреваются в первом токарном шаге, а затем замыкаются при охлаждении, расширяя и сжимая внешний диаметр поршня на 0,00015–0,00020 дюйма. В некоторых NNS применениях такие термические деформации крайне сложны для справления.

Гибкость и термическая чувствительность NNS деталей продолжают толкать развитие лучших решений зажима. Наточка губок зажима на месте на станке стала стандартной практикой. Также обычно конусно растачивают эти губки для компенсации любого изгиба, который они могут претерпеть в использовании. Обработка корней закаленных губок к большему диаметру, чем их концы, на 0,0005–0,001 дюйма, рекомендуется.

Необходимо проектировать губки для максимальной площади контакта при низком давлении. Даже тогда силы резания могут превышать захватную силу губок и позволять деталям скользить. Обычные квадратные зазубрины не помогают в этом, но хороший успех сообщается с острыми зазубринами, кастомизированными для каждого применения. Самый практичный способ их изготовления — как накладные вставки, наточенные и зазубренные вдоль оси шпинделя как единый цилиндрический кусок, а затем распиленные для разделения вставок для каждой отдельной губки.

Зазубрины фактически оставляют мелкие следы на детали, так что они не решают каждую проблему зажима. Но они решили некоторые очень сложные. В одном применении, токарной обработке литого под давлением 390-го алюминиевого сплава втулки, зажиме с гладкими губками, мы получали вариации 0,0001–0,0003 дюйма в округлости, в основном из-за давлений губок, необходимых для предотвращения скольжения, и несовместимой линии разделки на внешнем диаметре литья. С зазубренными губками давление можно было увеличить и все равно улучшить выбег, до 30–50 микрондюймов (0,000030–0,000050 дюйма).

Закаленные детали представляют еще большие трудности зажима. Скольжение — проблема, потому что силы резания несколько выше. И многие из этих деталей, особенно шестерни, не могут быть зажаты на какой-либо простой геометрической поверхности.

Зажим на делительной окружности шестерни — теоретический идеал, потому что, если обрабатывается посадочное отверстие или втулка (а это обычно так), вы хотите, чтобы готовая шестерня работала на своей делительной окружности для тихой, плавной работы. На конической шестерне или даже на плоскошейстерне делительная окружность едва ли очевидна поверхность зажима. Фактически, вы даже не можете ее увидеть. Это теоретический круг, расположенный где-то на зубах шестерни.

Мы решили эту головоломку, используя приспособления для зажима на делительной окружности. Это закаленные, ЭРО «шестеренные» лица, которые монтируются на зажим и сопрягаются с заготовкой, гарантируя, что деталь вращается концентрично с ее делительной окружностью. Когда работа приведена в контакт с приспособлением, две шестеренные формы естественно сопрягаются на круге наименьшего интерференса, который, к счастью, и есть делительная окружность сама.

Высокосерийное применение конической шестерни на заводе Black & Decker в Истоне, Мэриленд, работало с этой настройкой в высокосерийном производстве несколько лет. Закаленные и медью инфильтрованные ПМ детали фасуются и растачиваются на ганг-тулинговом токарном станке, используя PCBN инструменты. Приспособление делительной окружности требует индексации детали при загрузке, чтобы избежать столкновения детали и приспособления, кончик зуба к кончику зуба — что поднимает следующую большую проблему с автоматизированной NNS токарной обработкой: системы подачи заготовок.

Подача заготовок для NNS токарной обработки

Подача заготовок для NNS токарной обработки должна быть быстрой, потому что цикловые времена зависят от нее. Применение загрузки шестерни подсказывает, что оно также должно быть универсальным, чтобы приспосабливаться к чему-то такому сложному, как ориентация зубов шестерни для сопряжения с приспособлением. Одно из более замечательных достижений NNS токарной обработки — эти быстрые и универсальные системы загрузки/выгрузки, которые также имеют достоинства быть простыми, содержащимися внутри станка и легкими для управления стандартным ЧПУ — идеально тем же ЧПУ, что управляет токарным станком.

Это «самодостаточная автоматизация», и она требует определения. Вот конфигурация типичного современного NNS токарного станка: Он с ганг-тулингом, потому что обрабатывается лишь несколько признаков. Ганг-тулинг приводит к тесному механическому связыванию между режущим инструментом и станиной станка. Это делает его жестким и инерентно легче для точной постройки, без втулок турели или индексных шестерен.

Гантри-загрузчик построен поверх станка, прикрепленный прямо к станине станка. Путь захвата заготовок строго вдоль прямых линий, от карусели стадирования заготовок, интегрированной с самим станком. Голова захвата движется вдоль длины станины станка и прямо вверх и вниз на концах, подбирая и помещая детали на карусели и на зажиме.

Современные гантри-загрузчики используют программируемые приводы и зажимоподобные захваты с мягкими губками. Смены деталей, следовательно, быстры. Поскольку движения загрузки и выгрузки мало, а перемещения включают только одну ось за раз, их программы короткие. Они могут храниться в и управляться от ЧПУ станка.

Это инерентно точное, очень компактное решение, и оно модульное, что пригодляется к легкой сборке многостаночных ячеек. Гантри-загрузчики могут подавать промежуточную передаточную систему, построенную по тем же простым линиям линейного пути, для обмена деталями между станками.

Вернемся к тому применению шестерни: Оно требует ориентации детали, но захваты зажимоподобные и недискриминативны о том, как они подбирают детали с карусели. Как оно их ориентирует? Пауза на промежуточной станции, где оно сбрасывает деталь на вращающееся приспособление, которое использует луч света, чтобы сказать, где зубы, и затем вращает шестерню как необходимо, чтобы избежать столкновения. Захват затем снова подбирает деталь и продолжает свой путь к зажиму.

Таким образом, описанная гантри-система проста, но не упрощенная; она может быть расширена благодаря своей программируемости, чтобы сделать что-то дополнительное с деталью. Ориентация ее — одна такая задача. Измерение ее — другая для онлайн SPC применений.

NNS токарная обработка ставит премию на точность и быстроту, и позволяет простую обработку инструментов и подачу заготовок, благодаря природе типичных NNS деталей. Автоматизированные токарные центры, эволюционировавшие для удовлетворения этого рыночного спроса, просты без того, чтобы быть примитивными: они программируемы для специальных задач, включая измерение и ориентацию деталей.

В эффекте, эти автоматизированные токарные центры — предварительно упакованная автоматизация. Быстрые к настройке, способные производить экстремальные точности, и универсальные, они указывают путь к лучшей автоматизации для многих других обработочных применений, кроме токарной обработки близких к нетто форм.