Das Potenzial von getan

Das für diese Werkstücke erforderliche Bohren, Anfasen, Fräsen, Gewindeschneiden und Plasmaschneiden wurde allesamt auf einer Maschine durchgeführt.

Fotografen lieben Hahnenschwänze, diese Funkenfahnen, die ein Plasmabrenner erzeugt, wenn er beginnt, dicke Bleche zu durchbohren – ein ikonisches Bild der Schwerindustrie, die sich an die Arbeit macht. Wer jedoch einen Grobblechzuschnitt leitet, kann auf sie durchaus verzichten. Auffällige Hahnenschwänze zeigen nicht, dass „der amerikanische Hersteller seine Arbeit erledigt“, sondern dass sich Plasma-Verbrauchsmaterialien schneller abnutzen, als sie sollten. Werkstattleiter sehen gerne, dass Plasmabrenner schneiden, nicht stechen. Schließlich wird mit dem Schneiden das Geld verdient.

Aus dieser Nachfrage entstanden die frühen kombinierten Plattenschneidemaschinen der Fertigungsindustrie, die nicht nur über Plasma- und Autogenbrenner verfügten, sondern auch über harte Werkzeuge wie Bohrer und (in jüngerer Zeit) Fräsmaschinen. Diese Plattenschneide-Kombinationsmaschinen wurden vor mehreren Jahrzehnten eingeführt und wurden entwickelt, um das Lochstechproblem zu lösen.

Heute sind diese Systeme zum Schweizer Taschenmesser des Plattenschneidens geworden. In diesem Sinne hat sich ihre Hauptfunktion weiterentwickelt. Mittlerweile geht es um mehr als nur darum, den Durchstoß zu vermeiden oder zu minimieren, auch wenn er immer noch eine wichtige Variable in der Gesamtgleichung darstellt. Jetzt geht es darum, die Handhabung zu minimieren, sekundäre Vorgänge zu eliminieren und die Fließgeschwindigkeit der Teile zu erhöhen, vom Rohmaterial bis zur nächsten nachgelagerten Anwendung.

Zunächst boten diese Maschinen neben dem Plasma- und Autogenschneiden lediglich die Möglichkeit zum Bohren. Anstatt sich mit einem langwierigen Lochstechzyklus zu befassen, der die Brennerverschleißteile stark beansprucht, konnten Hersteller jetzt ein Pilotloch bohren und dann mit dem Schneidbrenner von der Kante beginnen.

Dies eröffnete auch neue Nestlayout-Möglichkeiten, insbesondere bei sehr schweren Blechen (z. B. 2 Zoll Dicke), bei denen ein Plasmadurchstechen schwierig, zeitaufwändig oder einfach unmöglich wäre. Bei diesen Platten haben die Programmierer Kantenstarts an der Plattenkante und möglicherweise ein Kettenschneiden von einem Teilprofil zum nächsten eingebaut, damit der Brenner während des Schnitts nicht anhalten und erneut stanzen muss.

Natürlich schränkt diese Randstartanforderung die Nest-Layout-Möglichkeiten ein. Ein Programmierer muss am Ende möglicherweise einen kleineren Rest übrig haben – so klein, dass es sinnvoll sein könnte, ihn einfach zur Verschrottung zu zerschneiden, anstatt ihn aufzubewahren. Ein integrierter Bohrer gibt dem Programmierer die Möglichkeit, Pilotlöcher dort zu platzieren, wo sie benötigt werden, um ein optimales, effizientes und materialsparendes Nest-Layout aufrechtzuerhalten.

Das Bohren von Pilotlöchern war ein wichtiger Grund für den frühen Erfolg dieser Kombimaschinen, aber es war nicht der einzige Grund. Ein zusätzlicher Vorteil war die Möglichkeit, Bohrfunktionen hinzuzufügen. Die Maschine konnte auch kleine Löcher mit einem hohen Verhältnis von Tiefe zu Breite hinzufügen, die mit herkömmlichen Plasmabrennern nur schwer oder gar nicht zu erreichen waren. Manchmal mussten Hersteller größere Löcher schneiden, die aufgrund ihrer engen Toleranzen eine maschinelle Bearbeitung erforderten. Und sie brauchten Löcher unterschiedlicher Größe, einige davon mit Gewinde.

Daraus entstanden Kombimaschinen, die nicht nur mit einem Autogen- und Plasmabrenner ausgestattet waren, sondern auch mit einem Schneidkopf mit rotierendem Revolver, der etwa ein halbes Dutzend Werkzeuge enthielt. Darin können herkömmliche Spiralbohrer unterschiedlicher Größe sowie Gewindeschneid- und ähnliche Schneidwerkzeuge untergebracht werden. Als nächstes kam die Nachfrage nach größeren Löchern, die wiederum größere Bohrer auf größeren Maschinen mit leistungsstarken Spindeln erforderten, jetzt mit Kühlmittelzufuhr durch die Spindel, um das erhöhte Drehmoment und die erhöhte Hitze zu bewältigen.

Anfasen und Fräsen, inklusive helikalem Fräsen von Taschen und Schlitzen, waren die nächsten logischen Schritte. Stellen Sie sich ein großes Schnittteil mit einem 8 Zoll breiten Innenloch mit extrem engen Kantentoleranzen und einer Fase vor. Herkömmlicherweise würde das Plasma das Profil schneiden und der Bediener würde das Teil dann zu einem vertikalen Bearbeitungszentrum bewegen, das die Kante auf die erforderliche Toleranz fräsen und anfasen würde.

Dies erfordert natürlich zusätzliche Bearbeitungs- und Rüstzeit, was den Durchsatz beeinträchtigt. Daher ist es sinnvoll, alles in einem einzigen Rüstvorgang auf einer Kombimaschine zu bewerkstelligen. Und die Erhöhung des Durchsatzes ist das ultimative Ziel, insbesondere bei einem Schwerfertigungsbetrieb, bei dem das Schneiden der erste Arbeitsgang in einem Arbeitsplan ist. Problematische Plattenzuschnitte können dazu führen, dass der Rest der Werkstatt verhungert. Dies ist letztlich das, was diejenigen, die über kombinierte Plattenschneidemaschinen verfügen, vermeiden möchten.

Das Fasenschneiden ist nach wie vor einer der komplexesten Plasmalichtbogenschneidvorgänge.

Natürlich ist es nicht so einfach, einfach ein Portal mit Bohrern und Fräsern auf einen Plasmaschneidetisch zu montieren. Beim Fräsen und Bohren großer Platten gelten zwar viele Geschwindigkeits- und Vorschubkonventionen der maschinellen Bearbeitung, aber in gewisser Weise kann der Prozess anders sein.

Beim Bohren und Fräsen eines Werkstücks, das in einem vertikalen Bearbeitungszentrum (VMC) befestigt ist, wird das Teil beispielsweise fixiert und der Bediener stellt die Werte für den Werkzeuglängenversatz und den Arbeitsversatz ein. Die Maschine weiß, wo sich das Werkstück befindet und wo sie anfangen muss.

Ein kleines Werkstück in einem VMC ist eine Sache; Eine 1 Zoll dicke Platte mit einer Breite oder Länge von mehr als 15 Fuß ist etwas ganz anderes.

Wenn ein Schwerverarbeiter Plattenmaterial annimmt, misst der Lagerverwalter oder Helfer die Plattendicke und der Bediener, der das Material einlädt, überprüft sie. Angenommen, es handelt sich um warmgewalzten Kohlenstoffstahl der Güteklasse 50. Die Steuerung der kombinierten Plattenschneidemaschine sollte dieses Material in ihrer Bibliothek haben, damit sie dessen durchschnittliche Härte, Zugfestigkeit und Nenndicke kennt. Was es nicht weiß, ist die tatsächliche Dicke. Ein 1-Zoll. Eine Platte mit einer Dicke von 1,0625 Zoll liegt immer noch innerhalb der Werksspezifikationstoleranzen. Wenn die Steuerung die tatsächliche Dicke nicht kennt, kann es sein, dass ein Bohrvorgang die Unterseite der Platte nicht durchbricht und der Bediener einfach Nacharbeit erstellt.

Natürlich können Bediener die Blechdickenmessung manuell in der Steuerung ändern, dies ist jedoch möglicherweise nicht für jede Situation ausreichend, insbesondere bei großen Blechen. Nur weil eine Platte an einer Stelle 1,0625 Zoll dick ist, heißt das nicht, dass sie überall genauso dick ist. Außerdem verbiegen sich viele Teller. Ein Bohrer oder Fräser mit einer Tiefe von 1 Zoll. Es könnte sein, dass die Plattenoberfläche einen Viertel Zoll oder mehr höher ist, was den gesamten Vorgang aus dem Gleichgewicht bringen kann.

Eine wirksame Werkstückspannung kann helfen, diese Komplikationen zu beheben. Typische Autogen- und Plasmaschneidvorgänge erfordern keine Werkstückhalterung – dies ist einer der Vorteile des thermischen Schneidverfahrens mit „weichem Werkzeug“. Aber Bohren und Fräsen schon. Die Masse großer Platten kann schwer genug sein, um dem Drehmoment bestimmter Bohr- oder Fräsvorgänge standzuhalten. Aber auch hier sind viele Platten, die wir von der Mühle erhalten, nicht ganz flach.

In der Vergangenheit wurden bei Kombinationsmaschinen pneumatische Klemmen verwendet. Einige Systeme verwenden jetzt einen servobetriebenen Klemmfuß – einen kleinen Rahmen, der direkt unter die Spindel herabfährt, um den Arbeitsbereich festzuklemmen und ihn flach nach unten zu drücken. Sobald das Werkstück eingespannt ist, erkennt das System genau, wo sich diese Spannvorrichtungen in Z-Richtung befinden, und passt dann das Schneidprogramm entsprechend an.

Für Präzisionsarbeiten müssen Kombimaschinen in einer strategischen Reihenfolge schneiden, die unter anderem die Wärmeausdehnung berücksichtigt. Angenommen, Sie haben ein Nest-Layout, das eine Reihe leerer Profile mit jeweils einem einzelnen Loch enthält. Die Position des Lochs im Verhältnis zum Teileumfang ist entscheidend.

Wenn die Maschine alle diese Löcher auf einmal bohren würde und dann mit dem Plasmabrenner zurückkäme, um die Profile zu schneiden, wäre die Position dieser Löcher, gemessen von der Teilekante, wahrscheinlich leicht abweichend. Warum? Es hat mit der Wärmeausdehnung zu tun. Während das Plasma von einem Ende der Platte zum anderen schneidet, „wächst“ die Platte ganz leicht, was wiederum die Position des Plasmabrenners in Bezug auf diese Löcher verändert.

Um diese Sequenz präzise zu schneiden, verwendet die Maschine ein Bohrloch als Bezugspunkt für die Referenzierung des Profils; Die Maschine schaltet auf Plasma um und führt den Schnitt basierend auf dieser Referenz durch. Dieser Vorgang wird von Teil zu Teil wiederholt.

Diese Teile erforderten verschiedene Fräs- und Schneidprozesse, die alle auf einer kombinierten Plattenschneidemaschine durchgeführt wurden.

Auf diese Weise trägt das System dieser Wärmeausdehnung Rechnung. Das ist zwar langsamer als das Plasmaschneiden mit anschließendem Bohren, aber bei Präzisionsarbeiten würde eine solche Schneid- und Bohrsequenz nicht zuverlässig Qualitätsteile innerhalb der Toleranzen produzieren. Unabhängig davon ist es wahrscheinlich viel schneller und weniger arbeitsintensiv, als die Arbeit zu einem sekundären Bohr- oder Bearbeitungsvorgang verlagern zu müssen.

Besuchen Sie beispielsweise ein Bergwerk mit einer großen Felsrutsche und Sie werden einen Pflugbolzen sehen, der bündig auf einer Plattenoberfläche sitzt. Lösen Sie die Schraube auf der anderen Seite, heben Sie den großen Vierkantbolzen heraus, und Sie sehen ein Loch für den Pflugbolzen, das zeigt, was eine kombinierte Plattenschneidemaschine in einer Aufspannung leisten kann.

Beginnend an der Plattenoberfläche fräst die Maschine eine flache Tasche, um einen Stufenversatz zu erzeugen, sodass der Bolzen leicht unter der Rutschenoberfläche sitzt und den Bolzen vor übermäßigem Verschleiß schützt.

Anschließend fährt der Schaftfräser nach unten, um eine quadratische Tasche zu bearbeiten. Danach kommt das Anfaswerkzeug, um den 45-Grad-Winkel zu erzeugen, der dabei hilft, die Schraube an Ort und Stelle zu befestigen. Das Plasma schneidet dann ein quadratisches Loch durch die Platte.

Dies ist keine einfache Operation. Die Mühle senkt sich um ein bestimmtes Maß ab und entfernt dabei nur so viel Material; Dann kommt das Anfasen, dann das Plasma. Wie viel Material verbleibt am Boden dieses Lochs? Welche Verbrauchsmaterialien wären auf dieser Grundlage am besten und welche Geschwindigkeiten und Vorschübe wären am besten geeignet, um ein wirklich quadratisches Loch zu erzielen?

Ein unerfahrener Bediener sollte eine solche Anwendung wahrscheinlich nicht versuchen. Die meisten Hersteller erzielen langfristigen Erfolg beim kombinierten Plattenschneiden, wenn sie die Anwendungskomplexität schrittweise steigern.

Das Beispiel verdeutlicht auch, dass sowohl Plasmaschneiden als auch Fräsen und Bohren ihre Komplexität haben. Das eine ist nicht grundsätzlich einfacher als das andere, insbesondere im Zusammenhang mit einer kombinierten Plattenschneidemaschine. Letztendlich bestimmt der Produktmix eines Herstellers die Prozesskomplexität mehr als alles andere.

Viele Hersteller entscheiden sich für die Bedienung einer Kombi-Plattenschneidemaschine für jemanden mit Erfahrung in der Bearbeitung. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn der Produktmix eine komplexe Bearbeitungsgeometrie umfasst. Wenn der Produktmix jedoch einfache Löcher, aber Profilschneiden mit komplexen Fasengeometrien erfordert, könnte ein Plasmaschneid-Veteran wertvolle Erkenntnisse gewinnen.

Das Anfasen mit einem Plasma kann verfahrenstechnisch sehr kompliziert sein. Mit jedem Grad, um den sich das Plasma aus der Vertikalen dreht, ändert sich die Materialstärke und damit auch die Plasmaeinstellungen. Moderne Systeme verfügen über die Informationen, die sie zum Erstellen einer effektiven Fase benötigen, der Bediener muss jedoch das richtige Verfahren befolgen.

Der Brenner selbst muss vollkommen senkrecht starten; Wenn es etwas abweicht, ist der Abschrägungswinkel falsch, und damit auch die erwartete Schnittdicke und die Plasmaeinstellungen. Wenn ein Bediener beispielsweise einen abgeschrägten Kreis schneidet und der Brenner dennoch im falschen Winkel steht, verwandelt sich dieser Kreis in eine Eiform.

Heutige Kombimaschinen verfügen neben ihren Plasma- und Autogenbrennern über ein Werkzeugmagazin, das eine Hochgeschwindigkeitsspindel mit einer Vielzahl von Werkzeugen versorgt.

Unabhängig davon, ob ein Hersteller entscheidet, wer eine Kombi-Plattenschneidemaschine betreiben soll, hängt die endgültige Entscheidung von der Unternehmenskultur, den verfügbaren Talenten und dem Schulungsprogramm ab.

Ein eifriger und engagierter Neuling in der Fertigung könnte ein Combo-System bedienen, wenn er die richtige Schulung erhält und genügend Zeit hat, bevor er sich an komplexere Arbeiten heranwagt.

Kombinationssysteme eignen sich gut für eine Vielzahl von Anwendungen zum Schneiden und Bearbeiten von Platten mit Plasma, jedoch nicht für alle Anwendungen zur Plattenbearbeitung. Dies liegt an der Spannfähigkeit des Systems und der Beschaffenheit des Plattenmaterials. Aufgrund der Natur des Walzprozesses sind Platten in der Mitte tendenziell etwas dicker. Aus diesem Grund ist ein Combo-System für das Flächenfräsen eigentlich nicht geeignet. Die Maschinen leisten gute Dienste beim Fräsen von Taschen, Aussparungen, Schlitzen und anderen Formen. Aber aufgrund der Art und Weise, wie die Platte gehalten wird, und der Dickenschwankung kann die Schaftfräsfunktion der Kombimaschine keine Oberflächentoleranz erzeugen, die innerhalb von zig Stellen rechts vom Komma liegt.

Allerdings haben einige Hersteller ein T-Nuten-Bearbeitungszentrum direkt an einem Ende des Schneidtisches einer Kombimaschine integriert – im Wesentlichen ein echtes Bearbeitungszentrum mit eigenen Werkzeugen, Steuerung und den erforderlichen Spannmöglichkeiten. Nachdem die Kombimaschine den ersten Schnitt abgeschlossen hat, werden die kritischen Teile zum Bearbeitungstisch bewegt, wo sie für eine echte Oberflächenfräsanwendung flach eingespannt werden können.

Beim Kombinationsschneiden geht es wirklich darum, das große Ganze zu betrachten, und dazu gehört auch die Materialhandhabung. Angenommen, eine Kombimaschine fertigt eine Reihe komplexer Teile durch Fräsen, Bohren und Plasmaschneiden der Teileprofile. Jedes Teil wiegt etwa 600 Pfund, sodass die Bediener jetzt auf einen Laufkran warten müssen. Und warte. Und dann noch etwas warten.

Heutzutage sind bestimmte Kombinationssysteme mit einer leistungsstarken Pick-and-Place-Automatisierung ausgestattet. Sobald ein Nest fertig ist, hebt ein Roboter mit einem magnetischen Endeffektor jedes Stück an und stapelt es auf einer benachbarten Palette. Die Automatisierung weiß, welche Teile sie kommissioniert, und kann sie daher in einer Konfiguration platzieren, die am besten zum Teilefluss passt. Fließen beispielsweise Teile in Paketen, stapelt der Roboter die Zuschnitte in Paketen. Nachdem die Teile abgeladen wurden, kann das Skelett entfernt werden, normalerweise durch manuelles Brennschneiden.

Diese Art der Automatisierung zeigt, worum es beim kombinierten Plattenschneiden geht: die Reduzierung der Häufigkeit, mit der ein Teil bewegt oder gehandhabt werden muss. Letztlich geht es darum, sicherzustellen, dass die nachgelagerten Belange der Werkstatt – sei es beim Schweißen, Umformen oder anderswo – niemals arbeitslos werden. Wenn bei einem Plattenschneideprozess ein Problem auftritt und es dazu führt, dass nachgelagerte Prozesse mit einer geringeren Kapazität betrieben werden müssen, ist der Hersteller nicht so produktiv, wie er sein könnte.

Jeff Lee ist US-Betriebsleiter von Kinetic Cutting Systems, PO Box 652, West Burlington, IA 52655, 319-754-5040, www.kineticusa.com.