CNC-dreje- og fræsecentre: hvad de er, og hvordan man vælger et

Hvad et CNC-dreje- og fræsecenter egentlig er

Et CNC-dreje- og fræsecenter - også kaldet et drejefræsecenter, multi-tasking-maskine eller CNC-drejebænk med levende værktøj - er et værktøjsmaskine, der udfører både rotationsdrejeoperationer og roterende fræse-, bore- og anboringsoperationer i en enkelt opsætning uden at fjerne emnet fra spindlen. Konventionel bearbejdning adskiller disse operationer på tværs af dedikerede drejebænke og bearbejdningscentre, hvilket kræver, at operatøren manuelt overfører delen mellem maskiner, genfikserer den og gentager den for hver efterfølgende operation. Hver overførsel introducerer positionsfejl, der akkumuleres gennem bearbejdningssekvensen, hvilket kræver generøse tolerancer eller efterbehandlingsinspektion for at håndtere. Et dreje- og fræsecenter eliminerer alle disse mellemliggende opsætninger ved at fuldføre hele bearbejdningssekvensen - eller langt størstedelen af ​​den - i en enkelt fastspænding.

Maskinen integrerer en CNC-drejebænkspindel med en C-akse (drejningsindekseringsevne om spindelaksen) eller fuld konturstyring, kombineret med en drevet værktøjsrevolver eller sekundær fræsespindel, der holder og roterer skæreværktøjer uafhængigt af hovedemnets spindel. Denne drevne værktøjsevne er, hvad der adskiller et dreje- og fræsecenter fra en standard CNC-drejebænk - selve værktøjerne kan spinde, hvilket muliggør off-center boring, krydsboring, fladfræsning, slidsskæring og gevindfræsning på cylindriske eller komplekse prismatiske funktioner uden at genplacere delen. Avancerede drejefræsecentre tilføjer Y-aksevandring vinkelret på både X- og Z-akserne, hvilket muliggør fuldstændigt forskudte fræseoperationer på funktioner, der ikke ligger på delens centerlinje - en kapacitet, der kræves til bearbejdning af excentriske boringer, nøglespalter, flade og sammensatte vinkelfunktioner, som ellers ville være umulige at udføre på en drejebænk.

Business casen for CNC-dreje- og fræsecentre er overbevisende for enhver butik, der producerer komplekse rotationsdele i medium til høj volumen. Eliminering af overførsler mellem maskinerne reducerer den samlede cyklustid, reducerer lagerbeholdningen i processen, fjerner behovet for mellemliggende målestationer og giver en enkelt maskinoperatør mulighed for at overvåge den komplette produktion af en del. I high-mix-miljøer, hvor opsætningstiden er en betydelig del af de samlede omkostninger pr. del, giver en reduktion fra tre eller fire maskinopsætninger til én øjeblikkelig og målbar produktivitetsgevinst.

Kernemaskinekonfigurationer: Hvordan dreje-mølle-centre er bygget

CNC-dreje- og fræsecentre er ikke en enkelt maskintype, men en familie af konfigurationer, der hver især er optimeret til en forskellig balance mellem kompleksitet, emnestørrelse, produktionsvolumen og budget. At forstå, hvordan disse konfigurationer adskiller sig, er afgørende for at specificere den rigtige maskine til et givent produktionskrav - en maskine, der er over-featured til arbejdet, genererer unødvendige kapitalomkostninger og kompleksitet, mens en underspecificeret maskine fremtvinger kompromiser, der besejrer formålet med multi-tasking bearbejdning.

CNC drejebænk med levende værktøj og C-akse

Entry-level konfigurationen til drejningsfræsebearbejdning er en CNC drejebænk med et drevet værktøjsrevolver og C-akse spindelpositionering. Revolverhovedet rummer en blanding af statiske drejeværktøjer og drevne fræse-/borehoveder drevet af en intern motor i revolverhovedet. Hovedspindelen indekseres til enhver vinkelposition under C-akse CNC-styring, hvilket gør det muligt for de drevne værktøjer at udføre aksial og radial boring, fræsning og anboring i enhver klokkeposition rundt om delens omkreds. Denne konfiguration dækker størstedelen af ​​drejemølle-applikationer til stangforsynede aksel- og flangekomponenter: krydshuller, aksiale gevindporte, sekskantede eller firkantede drivfunktioner og enkle flade flade. Begrænsningen er fraværet af en Y-akse - alle fræseoperationer skal udføres ved delens midterlinje eller ved positioner, der kan opnås gennem C-akse-rotation kombineret med X-akse-værktøjspositionering, hvilket begrænser funktioner uden for centrum til dem, der kan frembringes ved spiralinterpolation i C-X-planet.

Dreje-fræsecenter med Y-akse og fræsespindel

Tilføjelse af en ægte Y-akse - typisk ±50 til ±100 mm vandring vinkelret på X-Z-planet - til en revolvermaskine med drevet værktøj muliggør off-center fræsning, excentrisk boring, kilesporskæring og enhver funktion, der ikke ligger på delens rotationsakse. Y-aksen er den egenskab, der adskiller et ægte dreje- og fræsecenter fra en drejebænk med tilfældig fræsekapacitet. Maskiner i denne kategori inkluderer også almindeligvis en sekundær underspindel, der opsamler delen efter front-end-bearbejdning og præsenterer bagsiden til samtidig eller sekventiel bearbejdning - hvilket muliggør komplet OP10/OP20-bearbejdning i en enkelt maskincyklus. Denne underspindelkonfiguration er standard til produktion af højvolumen af ​​aksel- og koblingskomponenter, hvor begge ender kræver bearbejdning.

CNC-drejemøllecentre af schweizisk type

Dreje- og fræsecentre af schweizisk type anvender et glidende hoved- og styrebøsningsarrangement, hvor emnet understøttes meget tæt på skærezonen af en fast styrebøsning, hvor materialet føres aksialt gennem bøsningen, mens det bearbejdes. Dette støttearrangement eliminerer praktisk talt afbøjning af emnet under skæring, hvilket muliggør præcis drejning af meget slanke dele - typisk stangmateriale fra 1 mm til 38 mm diameter - ved længde-til-diameter-forhold på 20:1 eller højere, der ville forårsage afbøjning og skravering på en konventionel drejebænk. Drejemøllecentre af schweizisk type kombinerer denne præcisionsdrejningsevne med flere drevne værktøjsstationer til fræsning, boring og tilbagebearbejdning, hvilket gør dem til standardmaskintypen til højvolumenproduktion af små præcisionskomponenter: medicinske skruer og implantater, urkomponenter, dentale instrumenter, hydrauliske ventilhuse og elektronikkonnektorstifter.

Horisontale og lodrette drejecentre med integreret fræsning

Til store emner - tunge aksler, store flanger, turbinekomponenter og vindenergidele - bruges vandrette drejecentre med integrerede B-akse fræsespindler. B-aksen tillader fræsespindelen at vippe til enhver vinkel i det lodrette plan, hvilket muliggør 5-akset samtidig bearbejdning af komplekse overflader, vinklede boringer og sammensatte funktioner på store, tunge komponenter, som ville være umulige at omplacere sikkert mellem operationer. Lodrette drejecentre (VTC'er) med integreret fræsefunktion håndterer skive- og ringkomponenter med stor diameter - bremseskiver, gearemner, pumpehjul - ved hjælp af en lodret spindelorientering, der tillader tyngdekraften at hjælpe med at fastspænde emnet og gør det nemt at læsse store dele med en kran eller robot.

Nøglespecifikationer, der skal evalueres, når du vælger et dreje- og fræsecenter

Sammenligning af CNC-dreje- og fræsecentre på tværs af producenter kræver evaluering af et omfattende sæt specifikationer, der tilsammen definerer maskinens kapacitetsramme for en given familie af emner. Fokus på overskriftsspecifikationer som spindelhastighed, mens man overser lige så vigtige parametre som revolverindekstid, Y-aksevandring og stangkapacitet giver dårlige købsbeslutninger, der begrænser produktionskapaciteten i hele maskinens levetid.

Specifikationen for drevet værktøjs kraft og hastighed fortjener særlig opmærksomhed, fordi den ofte er undervurderet i maskinspecifikationerne i forhold til hovedspindelen. Et drejecenter med en 22 kW hovedspindel, men kun 3,7 kW drevne værktøjsmotorer, vil give fremragende drejningsresultater, men vil være begrænset til lette fræsesnit og boring med lille diameter - ude af stand til at drage fordel af moderne solide hårdmetal-pindfræsere og -bor ved anbefalede skæreparametre. For forretninger, hvor fræseoperationer repræsenterer en betydelig del af den programmerede cyklustid, bør drevet værktøjseffekt vurderes i forhold til de specifikke planlagte fræseoperationer, ikke kun sammenlignet med konkurrerende maskinspecifikationer.

Dele, der er bedst egnet til drej-mølle-bearbejdning og hvorfor

Ikke alle dele har lige stor gavn af drejemøllebearbejdning. De største fordele tilfalder dele, der primært er roterende - drejede udvendige diametre, borede indvendige træk, gevindoverflader - men har også sekundære prismatiske træk, som normalt ville kræve en anden maskinopsætning på et lodret eller vandret bearbejdningscenter. At identificere, om en delfamilie passer til denne profil, er det første trin i opbygningen af ​​business casen for drejningsmølleinvesteringer.

Skafter med krydsfunktioner

Drivaksler, pumpeaksler og spindelaksler, der kræver drejede diametre, gevind og slebet aksler kombineret med krydsborede huller, tværgående flads, nøgleriller eller Woodruff-kiler, er ideelle drejemøllekandidater. På en konventionel drejebænk afsluttes drejningssekvensen først, derefter overføres akslen til en fræsemaskine eller borepresse for de sekundære funktioner - en proces, der involverer flere fiksturer, potentiale for datumskift og betydelig håndteringstid. På et dreje- og fræsecenter færdiggøres alle funktioner i én fastspænding med en enkelt datumreference, hvilket giver en iboende bedre positionsnøjagtighed mellem dreje- og fræsefunktionerne og eliminerer al overførselstid mellem maskinen.

Flangede og portede komponenter

Hydrauliske manifolder, ventilhuse, pumpehuse og flangeforbindelser kombinerer drejede boringer og udvendige diametre med boltehulsmønstre, portede passager og tætningsriller, der er fordelt rundt om delens omkreds. C-aksens indeksering af en drejefræser-center positionerer disse fordelte funktioner præcist ved at dreje hovedspindelen til den påkrævede vinkelposition før hver drevet værktøjsoperation - eliminerer det roterende bord eller indekserer, der ville være nødvendigt for at opnå den samme positionering på et bearbejdningscenter. Resultatet er hurtigere cyklustid, bedre vinkelpositionsnøjagtighed og færre armaturer i arbejdsgangen.

Medicinske og rumfartspræcisionskomponenter

Knogleskruer, tandimplantater, kirurgiske instrumentkomponenter og rumfartsbefæstelser og fittings er produceret i store mængder af vanskelige materialer - titanlegeringer, kobolt-krom, Inconel og rustfrit stål - med snævre tolerancer på både drejede og fræsede funktioner. I disse sektorer er omkostningerne ved skrot, efterbearbejdning og inspektionsfejl uforholdsmæssigt høje i forhold til omkostningerne til råmateriale og skæreværktøj. Reduktion af antallet af opsætninger reducerer direkte antallet af muligheder for positioneringsfejl, håndteringsskader og datumskift – hvilket gør bearbejdning af drejefræser ikke blot til en produktivitetsforbedring, men til en kvalitets- og sporbarhedsforbedring, som ofte er påbudt af kvalitetsstandarderne for forsyningskæden for luftfarts- og medicinske OEM'er.

CNC-styringssystemer og programmering til dreje-fræsemaskiner

Programmering af et CNC-dreje- og fræsecenter er mere komplekst end at programmere en selvstændig drejebænk eller bearbejdningscenter, fordi programmet skal koordinere flere uafhængige akser - hovedspindel C-akse, drevet værktøjsspindel, X/Y/Z lineære akser og sub-spindel, hvis den er til stede - i sekvenser, der kan overlappe for maksimal cykluseffektivitet. Moderne CNC-controllere fra Fanuc, Siemens, Mazak (Mazatrol) og Okuma (OSP) leverer drejemøllespecifikke programmeringsmiljøer, der håndterer denne kompleksitet, men programmøren skal forstå maskinens specifikke aksekonfiguration og samtidige betjeningsmuligheder for at skrive programmer, der realiserer maskinens fulde potentiale.

Samtidige dreje- og fræseoperationer

Avancerede dreje-fræsecentre med dobbelt revolver eller en revolver-plus-fræsning-spindel-konfiguration kan udføre drejning og fræsning samtidigt - et værktøj skærer en drejet overflade, mens et andet værktøj fræser et krydselement på et andet sted på den samme del samtidigt. Programmering af disse overlappende operationer kræver, at controlleren håndterer potentiel interferens mellem værktøjer og værktøjsholdere i den delte arbejdszone, som moderne kontroller adresserer gennem kollisionsundgåelsesovervågning i realtid ved hjælp af en 3D-maskinemodel. Når den er korrekt programmeret, kan samtidige operationer reducere cyklustiden for komplekse dele med 30-50 % sammenlignet med sekventielle operationer på den samme maskine.

CAM-software til turn-mill programmering

Mens samtaleprogrammering på maskinstyringen er praktisk til simple drejefræsedele med et lille antal drevne værktøjsoperationer, programmeres komplekse dele med mange fræsefunktioner, sammensatte vinkler eller 5-akse konturkrav bedst ved hjælp af dedikeret CAM-software med drejefræse-postprocessorer. Softwarepakker, herunder Mastercam Mill-Turn, Siemens NX CAM, Hypermill og SolidCAM iMachining, giver drejemøllespecifikke værktøjsbanestrategier, maskinsimuleringsmiljøer til kollisionskontrol, før programmet kører på maskinen, og konfigurerbare postprocessorer, der udsender kode, der matcher den specifikke kontrol og maskinkonfiguration. Investeringen i korrekt CAM-værktøj til drejemølleprogrammering betaler sig hurtigt tilbage på komplekse dele, hvor manuelle programmeringsfejl forårsager skrot eller kræver omfattende efterprøvningstid på maskinen.

Værktøj, revolveropsætning og arbejdshold til drej-mølle-operationer

Værktøjssystemet på et dreje- og fræsecenter skal rumme både statiske drejeværktøjer og drevne roterende værktøjer i samme revolver, med hurtig, gentagelig værktøjsskifteevne og tilstrækkelig stivhed til at understøtte både dreje- og fræseskærekræfter. Den drevne værktøjsgrænsefladestandard — VDI eller BMT (Base Mount Tooling) i forskellige størrelser — bestemmer, hvilke drevne værktøjsholdere der er kompatible med revolveren, og hvad det maksimale drevne værktøjsmoment og hastighedskapacitet er gennem revolverens mekaniske drivlinje.

BMT-revolvere (Block-type Mounting Turret) bruger en større monteringsflade end VDI-revolvere, hvilket giver større stivhed til fræseoperationer - en meningsfuld fordel, når dyb lommefræsning eller tung slidsskæring med endefræsere med stor diameter er en del af arbejdsprogrammet. VDI-revolvere er mere almindeligt standardiserede og tilbyder et bredere udvalg af kompatible værktøjsholderdesigns fra flere producenter, men har lavere stivhedsgrænser til tunge fræseapplikationer. For forretninger, der foretager en første drejefræseinvestering, bør værktøjsholdersystemets kompatibilitet med eksisterende drejeværktøjsbeholdninger og tilgængeligheden af ​​drevne værktøjsholdere til de planlagte fræseoperationer verificeres, før der vælges en maskinmodel.

Arbejdsholdestrategier for drej-mølle-bearbejdning

Arbejdsfastholdelse på et drejefræscenter følger de samme principper som drejebænkens arbejdshold - emnet skal være sikkert spændt mod både drejekræfter (radial) og fræsekræfter (aksiale og radiale, ofte med en betydelig aksial komponent fra pindfræsere) samtidigt. Standard 3-kæbe og 6-kæber kraftspændepatroner giver sikker fastspænding til det meste stang-fodret og spændepatronarbejde, men kæbekonfigurationen og kæbeslaget skal rumme alle ud-af-runde funktioner eller spændediametre, der er resultatet af delens geometri. For dele, hvor fræsekræfterne er særligt høje - store nøgleslidser, tung planfræsning - reducerer supplerende tailstock eller stabil hvilestøtte afbøjning og vibrationer. Stangfremføring gennem en stangføder, der er forbundet til maskinspindelen, er standardproduktionskonfigurationen for højvolumen stangfodrede komponenter, hvilket muliggør slukning af lys eller minimalt overvåget drift med automatisk stangbelastning.

Evaluering af ROI af en CNC-dreje- og fræsecenterinvestering

Et CNC-dreje- og fræsecenter har en højere kapitalomkostning end en selvstændig CNC-drejebænk med tilsvarende drejekapacitet - typisk 1,5-3× højere afhængigt af konfigurationen, Y-aksekapaciteten, underspindelen og mærket. At retfærdiggøre denne præmie kræver en disciplineret ROI-analyse, der tager højde for alle produktivitets-, kvalitets- og overheadomkostningspåvirkningerne ved at konsolidere flere operationer på en enkelt maskine.

• Reduktion af opsætningstid: Beregn den aktuelle samlede opsætningstid på tværs af alle maskiner for en repræsentativ del - inklusive maskinopsætning, opsætning af arbejdshold, opsætning af værktøj og inspektion af første artikel. Sammenlign dette med den enkelte opsætningstid på drejemøllecentret. For komplekse dele, der kræver 3-4 opsætninger, kan reduktioner på 60-75% i den samlede opsætningstid opnås, hvilket direkte reducerer omkostningerne pr. del på lav til medium volumen kørsler.
• Cyklustidsbesparelser: Kvantificer den ikke-skærende tid, der i øjeblikket bruges på at flytte dele mellem maskiner, læsse og losse hver maskine og vente i kø mellem operationer. Denne interoperationstid er ofte 2-5× længere end den faktiske skæretid for komplekse dele i et travlt værkstedsmiljø, og det forsvinder næsten helt med drejemøllekonsolidering.
• Gulvplads og reduktion af maskinantal: Et enkelt drejemøllecenter, der erstatter to eller tre maskiner, frigiver betydelig gulvplads, reducerer antallet af værktøjsmaskiner, der kræver vedligeholdelseskontrakter og reservedelsbeholdning, og reducerer antallet af maskinoperatører, der er nødvendige pr. skift.
• Forbedring af kvalitet og skrotomkostninger: Færre datums og opsætninger betyder færre toleranceopbygningsmuligheder. Kvantificer den aktuelle skrothastighed, der kan tilskrives datumskift mellem operationer, og anvend den forventede forbedring - typisk 30-60 % reduktion i datumskift relaterede afvisninger - på ROI-modellen.
• Work-in-proces lagerreduktion: Dele, der venter på at flytte mellem maskiner, repræsenterer kapital bundet i WIP-lageret. Eliminering af køer mellem maskinerne reducerer WIP, forbedrer likviditeten og forkorter de angivne leveringstider - en konkurrencefordel i miljøer med høj blandet jobbutik og kontraktbearbejdning.

Tilbagebetalingsperioder på 18-36 måneder er typiske for velafstemte drejemølleinvesteringer i jobshops og kontraktbearbejdningsoperationer med en betydelig andel af komplekse roterende dele. For dedikerede produktionsceller, der kører store familier af komplekse dele med demonstrerede multi-setup-sekvenser, kan tilbagebetalingen være kortere. De stærkeste ROI-cases kombinerer en klar delfamilie med dokumenteret multi-setup nuværende proces, høje skrotrater, der kan tilskrives datumskift, og en kundebase, der belønner reduktion af leveringstid med øget ordrevolumen - alt dette et korrekt specificeret CNC-dreje- og fræsecenter kan adressere direkte.