Präzisions-CNC-Maschinenwerkstatt steigert Produktionsrate von Aluminium-Feingussteilen um mehr als 80 %

Vor einigen Jahren veranlasste die nachlassende Geschäftslage auf Ölfeldern LeanWerks aus Ogden, Utah, dazu, in anderen Branchen (einschließlich Luft- und Raumfahrt und Hochgeschwindigkeitsautomatisierung) tätig zu werden, um einen ausgeglicheneren Kundenstamm und stabilere Arbeitsabläufe aufzubauen. Die Vertragswerkstatt, die nun nach dem Luft- und Raumfahrtstandard AS9100C registriert ist, begann außerdem damit, einen Teil ihrer vorhandenen Bearbeitungskapazitäten anzupassen, um sie besser an die Bearbeitungsaufgaben anzupassen, mit denen sie in diesen neuen Branchen konfrontiert werden würde.

Reid Leland, Firmenpräsident und Mitbegründer, nennt ein Beispiel: einen Aluminium-Feinguss für ein Kraftstofffiltergehäuse für ein Flugzeugtriebwerk. Als LeanWerks mit diesem Auftrag beauftragt wurde, lag sein Kunde aus der Luft- und Raumfahrt-Gießerei fast ein Jahr im Rückstand mit dem Lieferplan, da der interne Bearbeitungsprozess und damit die Produktionsrate langsam waren. Infolgedessen verlor sein Kunde – der Erstausrüster des Strahltriebwerks, auf dem dieses Gehäuse installiert ist – die Geduld, und der durch die Verzögerungen bei diesem Auftrag verursachte Rückstand enttäuschte andere Kunden. Um die Belastung ihrer internen Bearbeitungsressourcen zu verringern, wandte sich die Gießerei daher an LeanWerks, um die Bearbeitung dieser Gussteile zu übernehmen.

Obwohl viele Ingenieure Feingussteile für ihre Teilekonstruktionen vorgeben, weil diese im Vergleich zu anderen Gussverfahren eine komplexe Form mit guter Maßgenauigkeit bieten, erfordern diese Komponenten dennoch eine maschinelle Bearbeitung, um eine genaue Passung und Funktion in Hochleistungsbaugruppen zu erreichen.

Die Variabilität dieser Arten von Gussteilen und die damit verbundenen schwierigen Anforderungen an die Werkstückspannung führen jedoch dazu, dass einige Werkstätten diese Art von Bearbeitungsarbeiten meiden.

Beispielsweise erfordert das Kraftstofffiltergehäuse mehrere Bearbeitungsvorgänge, darunter Tieflochfräsen, Bohren, Plandrehen, Bohren, Gewindeschneiden, Nuten des Innendurchmessers und 3D-Konturierung. Ursprünglich ging LeanWerks davon aus, dass die Aufgabe mit mehreren Aufspannungen auf einer dreiachsigen Fräsmaschine und einer Aufspannung auf einem Drehzentrum erledigt werden könnte. Letztendlich kam man zu dem Schluss, dass dies nicht die beste Strategie war, da die engen Positionstoleranzen des Teils mit kompliziertem Bezugsschema aufgrund der mehreren Einstellungen nicht erreichbar wären.

Stattdessen überlegte LeanWerks, wie es die Fräsfähigkeit seines Drehfräsers Mazak Integrex i200S nutzen könnte, um die Anzahl der Berührungen des Teils während der Bearbeitung zu minimieren. Die Werkstatt nutzte diese Maschine hauptsächlich zur Herstellung von Kegelventileinsätzen für Hochdruckpumpvorgänge in der Öl- und Gasindustrie, wie sie beispielsweise für hydraulische Fracking- und Coiled-Tubing-Anwendungen benötigt werden. Der Integrex war für das Ventileinsatzteil gut geeignet, da er sowohl den konischen Außendurchmesser des Teils drehen als auch seine inneren quer zur Achse verlaufenden Strömungsbohrungen fräsen konnte. Die Maschine konnte auch die zu den Bohrungen gehörenden O-Ringe fräsen, was aufgrund der konischen Oberfläche der Bohrungen einen fünfachsigen Konturierungsvorgang erforderte.

Allerdings stellte die Bearbeitung des Kraftstofffiltergehäuseteils auf der Drehfräsmaschine, bei der kein Drehen erforderlich war, eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Beispielsweise weist das für Flugzeuge geeignete Gussaluminium A356.0 einen hohen Silikatgehalt auf und kann Schneidwerkzeuge stark belasten.

Darüber hinaus weist die Geometrie des Teils mehrere Merkmale in verschiedenen Winkeln auf allen Flächen auf (einschließlich einer kritischen Passung im Boden des 13 Zoll tiefen Gussstücks) und dünnwandige Bereiche verursachen Vibrationsprobleme während der Bearbeitung. Darüber hinaus erfordert das Teil mit komplexer Bezugsstruktur enge Toleranzen, einschließlich einer Echtpositionstoleranz von 0,25 mm bei einigen weit voneinander entfernten Merkmalen sowie Größentoleranzen von 0,01 mm und Echtpositionstoleranzen von 0,05 mm für andere, weniger getrennte Merkmale.

Infolgedessen unternahm LeanWerks im Wesentlichen drei Schritte, um mit seinem Drehfräser die effektive Bearbeitung von fünf Seiten des Feingussteils in einer Aufspannung zu ermöglichen. Der erste Schritt bestand darin, eine Vorrichtung zum Halten des Gussstücks zu entwerfen, um die Bearbeitung an fünf Seiten des Teils zu ermöglichen. Eine Schlüsselkomponente dieses Vorrichtungsdesigns ist eine Halterung, die in den Hauptkörper des Gussstücks eingreift und gleichzeitig Zugang zu Funktionen zwischen und neben den Halterungsbeinen bietet. Um das Gussstück an der Wiege zu befestigen, wurde ein Ketten- und Flaschenzugmechanismus zwischen den Wiegenbeinen installiert, um eine gleichmäßig verteilte Klemmkraft zu gewährleisten.

Da der Drehfräser nicht über ausreichend Verfahrweg auf der Y-Achse verfügte, um alle Funktionen zu erreichen, wurde ein Schwalbenschwanzschlitten von Setco in die Vorrichtung integriert, damit die Wiege und das Teil verschoben und in einer zugänglichen Position wieder eingespannt werden können, ohne dass das Teil komplett neu befestigt werden muss. Um die Steifigkeit zu gewährleisten, wurde die Wiege mit Passstiften und Schweißnähten auf einer Stahlgrundplatte montiert und verspannt. Diese Grundplatte wird am Schwalbenschwanz-Schlittensattel montiert, und die Schlittenbasis wird an den Hauptbacken des vorhandenen Dreibackenfutters der Maschine montiert.

Als nächstes integrierte die Werkstatt ein Touch-Trigger-Messsystem. Eine Berührungsmessung war erforderlich, da die Form jedes Gussteils leicht variiert und die verschiebbare Vorrichtung, die zur Entschärfung des Y-Achsen-Bewegungsproblems verwendet wird, die Position des Teils verändert. Durch die Abtastung konnte die neue Position des Teils nach der Verschiebung genau definiert werden und die nachfolgenden Werkzeugwege konnten optimal an die tatsächliche Position des Teils angepasst werden.

Tatsächlich erkannte die Werkstatt, dass sie sowohl einen Taster mit Standardlänge als auch einen Taster mit größerer Reichweite benötigte, um auf tief im Inneren des Teils liegende Merkmale zugreifen zu können. Da die Drehmaschine nur über einen Messkanal verfügte, rüstete LeanWerks die Maschine mit einem RMI-Q-Funkempfänger von Renishaw nach und installierte eine speicherprogrammierbare Steuerungskarte (SPS) im Hauptsteuerpult der Maschine, um ein zweites Messsignal zu verarbeiten. Der kurze Tastkopf verwendet einen 25 mm langen Taststift, während der lange Tastkopf einen 50 mm langen Taststift verwendet, der auf einer 200 mm langen Verlängerung montiert ist. Beide verwenden einen Renishaw RMP60-Tastkopfkörper.

Die Antastroutinen wurden mit der Software Inspection Plus von Renishaw programmiert und der resultierende Code an den entsprechenden Stellen in das Maschinenprogramm eingefügt. Die anfängliche Messroutine misst Punkte am unteren Anschluss im Gehäuse und an der Öffnung an der Vorderseite des Gehäuses, um die Mittelachse des Teils zu definieren. Zu den weiteren geprüften Merkmalen gehören eine der kleinen Öffnungen in der Nähe der Fläche, um die Rotationsausrichtung des Teils zu definieren, und eine Wand innerhalb des Hauptseitenflansches, um die Z-Achsen-Position des Teils zu definieren. Das Mazak-Softwaremodul zur Arbeitspositionsfehlerkompensation (WPEC) ermöglicht es, Abweichungen, die durch Berechnungen der wahren Position erkannt werden, die aus der anfänglichen Messroutine abgeleitet werden, durch Spindelindexierungsbewegungen mit dem Teil zu bewegen. Nach den ersten Antastroutinen werden weitere Antastvorgänge durchgeführt, um die Position der zugehörigen Merkmale und nachbearbeiteten Oberflächen zu bestätigen.

Schließlich führten die für dieses Teil erforderlichen tiefgreifenden Bearbeitungsvorgänge und das abrasive Aluminiummaterial dazu, dass die Werkstatt fortschrittliche Schneidwerkzeugtechnologie einsetzte. Für diese Aufgabe nutzt die Werkstatt das Werkzeughaltesystem Rego-Fix powRgrip. Als Alternative zum Schrumpfsitz ist powRgrip ein mechanisches Presspassungssystem, das aus einem Werkzeughalter, einer Präzisionsspannzange und einer kompakten hydraulischen Tischspanneinheit besteht, mit der Spannzange und Werkzeug in den Halter eingesetzt werden. Laut Rego-Fix ist das System in der Lage, hohe Spannkräfte zu erzeugen und gleichzeitig einen Gesamtanzeigewert von weniger als 0,0001 Zoll aufrechtzuerhalten. Die Steifigkeit dieses Systems verbessert die Werkzeugstandzeit und die Schnittgenauigkeit.

Für diese Arbeit verwendete Schneidwerkzeuge müssen positive, hohe Spanwinkel aufweisen und mit sehr hohen Geschwindigkeiten und geringen Schnitttiefen betrieben werden. Zum Einsatz kommen Schaftfräser von Garr Alumistar sowie ein kleiner Planfräser mit unbeschichteten, hochglanzpolierten, hochpositiven Wendeschneidplatten.

LeanWerks stellt Werkzeuge für diese Aufgabe auch mit einem Speroni STP Magis 400-Voreinstellgerät vor, das bei Big Kaiser erhältlich ist. Das Voreinstellgerät ermöglicht nicht nur die externe Einstellung von Werkzeugen, sondern, was noch wichtiger ist, hilft bei der Qualifizierung und Fehlerbehebung, da es die Inspektion der Schneidkante, die Validierung der Form von Formwerkzeugen und die Messung des Rundlaufs erleichtert.

Wendepunkt

Das von LeanWerks entwickelte Verfahren zur Bearbeitung dieses Feingussauftrags auf seiner Drehmühle verbesserte die Produktionsrate von 10 Stunden pro Teil auf weniger als zwei Stunden.

Weitere Informationen: www.renishaw.com

Der Artikel erschien ursprünglich in der Zeitschrift Production Machining (produktionsmachining.com). Copyright 2021, Gardner Business Media, Inc.

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