Rotačné obrábanie so systémami CNC spoločnosti FANUC

Sériová výroba pomocou flexibilných strojov

Rotačné centrá od spoločnosti ANGER v sebe spájajú výhody obrábacích centier a obrábacích liniek 

Firma ANGER MACHINING si vybudovala povesť priekopníka sériovej technológie pre sériové obrábacie systémy riadené CNC. Tieto takzvané rotačné centrá, ktoré sú považované za spojenie obrábacieho centra a výrobnej obrábacej linky, sú veľmi pôsobivé vďaka svojej vysokovýkonnej, no zároveň flexibilnej sériovej výrobe. Medzi príklady patria dva stroje HCXchange 2000 riadené systémom CNC FANUC radu 31i, ktoré boli dodané automobilovému dodávateľovi Magna.

ANGER MACHINING GmbH, so sídlom v rakúskom meste Traun, je výrobcom vysokorýchlostných obrábacích systémov. Vďaka svojmu sériovému konceptu v roku 1984 vytvorila spoločnosť nové štandardy produktivity a získala úspešné postavenie na svetovom trhu. Roland Haas (Dipl.-Ing.), hlavný inžinier v spoločnosti ANGER, v skratke vysvetľuje, čím je táto technológia výnimočná: „Koncept obrábacej linky sme implementovali do jedného stroja.“ Obrobok sa vloží do upínadla a následne sa bleskovo presúva od jedného nepohyblivého vretena k druhému. Časy medzi jednotlivými obrábaniami sú veľmi krátke, iba 0,3 sekundy. Obrobky určené na obrábanie sa môžu lineárne pohybovať a otáčať vo všetkých priestorových osiach, tým pádom je ich možné obrábať zo šiestich strán.

Prvoradá úloha: skrátenie prestojov

Všetky nástroje sa uchopia do špeciálnych obrábacích vretien a viacvretenových hláv namontovaných na štyroch stranách oblasti obrábania nachádzajúcej sa v strede. Pri týchto vysokoproduktívnych strojoch už nehrozia žiadne prestoje v dôsledku výmeny nástrojov. Na flexibilných strojoch značky ANGER sa výmeny nástrojov vykonávajú paralelne počas obrábania. Vďaka tomu sa dosahujú kratšie časy cyklov a vysoká výkonnosť pri oveľa menších rozmeroch stroja – v porovnaní s tradičnými obrábacími centrami.

Na približne 20 až 40 staniciach vykoná stroj všetky potrebné obrábacie úkony – a to s maximálnou presnosťou, nástroj pritom zostáva v rovnakej polohe v držiaku nástrojov. Keďže sa upnutie vykoná iba raz, dosiahne sa zníženie chybovosti pri upínaní a ručnom polohovaní. Vďaka tomu dokážu rotačné centrá ANGER dosahovať procesne spoľahlivé tolerancie polohy s hodnotou 0,015 mm, pri toleranciách priemeru IT 5 a hodnotách zaokrúhlenosti 0,001 mm.

Nízke presúvané hmotnosti pomáhajú znížiť opotrebovanie systémových komponentov a umožňujú využívať veľmi dynamické parametre posuvu s max. rýchlosťami obrábania až 90 m/min a akceleráciou 1 g. Lôžka stroja poskytujúce najvyšší stupeň pevnosti sú zosilnené železobetónom znižujúcim vibrácie a v závislosti od technických špecifikácií stroja môžu dosahovať hmotnosť až 25 ton.

Od očnej optiky až po automobilový priemysel

Rotačné centrá značky ANGER sú ideálnou voľbou v prípadoch, keď sa ročné výrobné objemy pri rovnakom obrobku alebo obrobku s podobným dizajnom pohybujú od 150 000 do 500 000 kusov ročne. Vo svojich počiatkoch dodávala spoločnosť ANGER svoje vysokovýkonné stroje predovšetkým výrobcom očnej optiky. Dokázali znížiť prestoje vďaka obrábaniu niekoľkými nástrojmi, a tým ponúkali efektívny spôsob na plnoautomatické frézovanie okuliarových rámikov z umelohmotných blokov.

Keď boli v tomto odvetví postupne nahradené obrábacie stroje čoraz kvalitnejšími vstrekovacími lismi, dodávala spoločnosť ANGER svoje stroje rozvíjajúcemu sa trhu s mobilnými telefónmi, kde napríklad frézovali horčíkové rámy pre mobilné telefóny značky Ericsson. Firma svoje zameranie čoskoro preorientovala z odvetvia výroby mobilných telefónov na automobilový priemysel, kde bolo potrebné vyrábať podobné objemy kusov rovnakých obrobkov. Spočiatku medzi ne patrili najmä hriadele a komponenty kockového tvaru vyrábané z hliníka. Medzitým sa sortiment aplikácií vďaka uvedeniu modelov strojov ANGER HCS a HCP rozrástol na valce ABS a mnohé iné malé, no zložité komponenty.

Stroje HCX: Ešte väčšie dráhy posuvu a vyššia pevnosť

Ani stroje značky ANGER sa neprestali vyvíjať. Z radu HCP vyrástol model HCX, ktorý si naďalej zachoval overený základný princíp s pevnými vretenami a pohybujúcim sa obrobkom, no jeho technológia prešla úplnou rekonštrukciou. Najvýraznejšou inováciou je prírubový rám s voľne namontovanými obrábacími vretenami, ktoré je možné jednoducho nanovo usporiadať.

Roland Haas hovorí: „Pri modeli HCX sme vykonali úplný mechatronický vývoj a použili celé spektrum virtuálnych simulácií.“ Ako prvé vývojári vypočítali a porovnali rôzne prestaviteľné stojany so skupinovými držiakmi typu „box-in-box“, kde sa rozhodli pre druhé riešenie. Spoločne s rôznymi partnermi tento koncept ďalej rozvíjali. Pomocou mechatronického simulačného systému optimalizovali rôzne komponenty v niekoľkých vývojových iteračných cykloch. Roland Haas vysvetľuje detaily: „Zvýšili sme pevnosť v rozhodujúcich oblastiach, pričom sme zmenšili množstvo materiálu v častiach presúvajúcich hmotnosť. Súčasne sme simulovali a optimalizovali funkciu riadenia všetkých osí. Až keď všetky simulácie dosiahli optimálnu hodnotu, vytvorili sme prototyp modelu HCX.“ Pre sériovú výrobu nakoniec spoločnosť ANGER optimalizovala pri nových strojoch ešte ich životnosť, ako aj jednoduchú montáž a údržbu.

Do konštrukcie stroja bol navyše integrovaný aj systém CAM, pomocou ktorého je možné okamžite po prijatí objednávky nasimulovať nasledujúci proces obrábania. „Vďaka tomu môžeme navrhnúť vretená tak, aby zaručene nedošlo k žiadnej kolízii“, vysvetľuje Roland Haas. Koniec koncov, spoločnosť ANGER je generálnym dodávateľom. To znamená, že dodáva nielen stroj, ale aj celý proces obrábania s preddefinovanými časmi cyklov. Projekt sa zákazníkovi dodáva „na kľúč“, spolu s programom CNC, štatistickým certifikátom kvality a automatizáciou.

V roku 2014 dosiahla spoločnosť uvedením modelu ANGER FLXBL na trh ďalší míľnik vo svojej histórii. Tieto stroje sú flexibilné, štandardizované, modulárne rotačné centrá určené na obrábanie presných dielov v stredne veľkých až veľkých výrobných objemoch. ANGER FLXBL je možné ľahko a rýchlo prekonfigurovať, vďaka čomu možno obrábať široké spektrum obrobkov v rôznych výrobných objemoch, a to v niekoľkých po sebe nasledujúcich životných cykloch produktov. Vďaka jeho flexibilite sa môže prevádzkovateľ systému spoľahnúť na maximálnu návratnosť svojich investícií spolu s výhodami overenej technológie rotačných centier.

Magna: Vysokopresná výroba sériových dielov

Dva stroje ANGER HCXchange 2000 (v podstate tiež predchodcovia modelu ANGER FLXBL) boli v roku 2011 dodané jednému z najväčších dodávateľov v automobilovom priemysle na svete, rakúsko-kanadskej skupine Magna Group, ktorej európska centrála sa nachádza v meste Oberwaltersdorf, iba 2,5 hodiny cesty od mesta Traun. Vo výrobnom závode v meste Lannach v rakúskom regióne Štajersko sa na oboch strojoch značky Anger obrábajú puzdrá vyvažovacích hriadeľov pre benzínové motory v objeme 300 000 kusov ročne. Každý zo strojov dokáže vyrobiť úplne obrobený diel v jednej konfigurácii. Centrálna automatizačná jednotka s robotom nachádzajúcim sa medzi strojmi do nich vkladá polovýrobky a odkladá hotové obrobené diely na dopravníkový pás. Toto riešenie s najmenším pôdorysom a najnižšími nákladmi na jeden vyrobený diel predstavuje najhospodárnejšie obrábacie riešenie v spoločnosti Magna Powertrain Lannach. Zároveň je splnená aj požiadavka flexibilného prevybavenia nástrojmi na obrábanie iného komponentu. Obrobky vyžadujú zložité obrábanie a je pri nich nutné aplikovať veľmi prísne špecifikácie presnosti vzhľadom na vŕtané otvory pre ložiskové body, až po prírubové plochy, hodnoty rovinnosti a referenčné body. 35 obrábacích úkonov sa vykonáva na stroji HCXchange s časom cyklu 114,25 sekundy/diel, a to vrátane plnoautomatického vkladania. Vďaka viacvretenovým nástrojom je počet individuálnych prvkov v oblasti vŕtaných otvorov a závitov ešte vyšší.

Riadiaca a pohonná technológia od spoločnosti FANUC

Spoločnosť Magna si objednala oba stroje ANGER HCXchange s riadiacou a pohonnou technológiou od firmy FANUC – v prípade spoločnosti ANGER nejde o nové partnerstvo, pretože už približne 5 rokov do svojich strojov inštaluje hlavne komponenty od tohto svetového lídra riadiacich systémov CNC. Roland Haas vysvetľuje: „V tom čase sme robili veľmi veľa zákaziek pre severoamerický trh, ktorý si vyžadoval najmä riadiace systémy značky FANUC. Spolupráca so spoločnosťou FANUC bola pre nás veľmi výhodná. Režijné náklady v oblasti servisu a údržby boli minimálne a produkty boli dokonale spoľahlivé. Bohužiaľ, recesia v Severnej Amerike a v tamojšom automobilovom priemysle spôsobila postupné upadanie spolupráce s firmou FANUC. V spoločnosti ANGER sme mali veľkú radosť z objednávky od skupiny Magna Group na vybavenie strojov ANGER HCXchange systémami značky FANUC. Pretože teraz bude tento spoľahlivý a silný partner opäť stáť po našom boku.“

Okrem implementácie CNC systému FANUC radu 31i sa hlavná pozornosť pôvodne sústredila aj na systém pohonu strojov konfigurovaných podľa systému typu „box-and box“. Špeciálnou funkciou je napríklad priečne posúvanie vodorovným smerom, ktoré sa vykonáva pomocou dvoch guľôčkových vretien v paralelnej prevádzke. Cieľom tu bolo zvoliť vhodné nastavenia a zabezpečiť spoľahlivé úpravy riadenia. A nakoniec bolo potrebné dosiahnuť presnosť v rozsahu µm.

Ďalšou výzvou bola integrácia motorov od iného výrobcu. Pretože ANGER do svojho strojového konceptu implementuje svoje vlastné servomotory s dutým hriadeľom. Ďalšou komplikáciou bolo, že v strojoch ANGER HCX sa štandardne používajú štyri osi. Piata os sa na požiadanie zákazníka implementuje do upínacieho zariadenia. Roland Haas hovorí: „Pri objednávke od firmy Magna sme museli po prvý raz použiť pohon s dvojitým krútiacim momentom. No aj túto úpravu a optimalizáciu pohonu sme dokázali zvládnuť spoločnými silami s firmou FANUC.“

Výrobca riadiacich systémov ponúka ako službu odborné znalosti

Aby sme dokázali prekonať všetky úskalia s pohonom a riadením, potrebovali sme odborné znalosti, ktoré nám spoločnosť FANUC poskytla prostredníctvom svojej nemeckej pobočky, ako aj dodatočnej podpory z Japonska. Roland Haas vyjadruje spokojnosť: „Navštívili nás tí istí odborníci na riadiace systémy z firmy FANUC, ktorí už produkt veľmi dobre poznali z minulosti. Poskytli nám skutočne prvotriednu podporu.“

V oblasti riadenia sú špecifikácie pre jednorazové alebo špeciálne cykly obmedzené. Namiesto toho výrobca ANGER uisťuje, že všade tam, kde to bude možné, sa budú dať všetky obrábacie operácie a priečne posuvy naprogramovať pomocou jednoduchých príkazov a štandardných funkcií, aby sa dosiahli rýchle cykly. Práve preto patria funkcia náhľadu riadenia a veľmi rýchle časy cyklov PLC medzi rozhodujúce faktory v boji spoločnosti ANGER o desatiny sekundy.

Vyskytli sa aj veľmi náročné požiadavky pre PLC programovanie, a to hlavne z dôvodu použitia dvoch meničov nástrojov na každom stroji. FANUC počítal aj s týmito programovacími úlohami. Podľa Rolanda Haasa bolo pre spoločnosť ANGER veľmi dôležité môcť tieto odborné znalosti využívať ako službu priamo od spoločnosti FANUC. Podľa neho najviac profitujú zo spoľahlivosti pohonnej a riadiacej technológie značky FANUC práve sérioví výrobcovia. Dodáva, že po implementácii a otestovaní celý systém dlhodobo plynule fungoval. V prípadoch, keď bolo potrebné vymeniť určitý komponent, bol tento úkon vykonaný veľmi prakticky.

Veľmi príjemné používanie vďaka aktívnym rozhraniam

Aj v oblasti prehľadného a jednoduchého používania sa môže ANGER spoľahnúť na spoločnosť FANUC.  Strojárne výrazne investovali do vývoja ovládacieho rozhrania HMI (human machine interface), ktoré je maximálne praktické a ponúka používateľovi široké možnosti vizualizácie. Integrované fotografie, napríklad, označujú, kde presne došlo k poruchám a aký postup treba zvoliť na ich odstránenie. Treba priznať, že rozhrania špeciálne vytvorené pre konkrétnych zákazníkov, akým je aj toto, neboli práve silnou stránkou riadiacich systémov od spoločnosti FANUC, no to je už dávno minulosťou. Roland Haas súhlasí: „Medzičasom začala spoločnosť FANUC poskytovať možnosti vizualizácie, ktoré prinášajú skvelé výhody jednak pre nás, ale najmä pre prevádzkovateľov strojov.“ ANGER poskytol konkrétne predstavy, ako majú obrazovky vyzerať. O implementáciu týchto obrazoviek sa následne postarala spoločnosť FANUC.

ANGER MACHINING GmbH: Stroje pre flexibilnú sériovú výrobu

Medzinárodná strojárenská spoločnosť, ktorej centrála sídli v rakúskom meste Traun, sa špecializuje na vývoj a výrobu rotačných centier. Tieto vysokorýchlostné obrábacie systémy sa používajú najmä v automobilovom priemysle na obrábanie sériových dielov s mimoriadne vysokými požiadavkami na presnosť. Zameriavajú sa hlavne na aplikácie na výrobu dielov pre motory, prevodovky a karosérie z hliníka alebo ocele. Vďaka trom dcérskym spoločnostiam v Nemecku, USA a Japonsku, ako aj veľkému počtu obchodných a servisných zástupcov si spoločnosť od svojho vzniku v roku 1982 vybudovala úspešné postavenie na svetovom trhu.

Okrem iných aplikácií sa rotačné centrá značky ANGER používajú na obrábanie telies ventilov pre automatické a dvojspojkové prevodovky, automobilové skrine prevodoviek, základné rámy, puzdrá vyvažovacích a vačkových hriadeľov a ďalších hranolovitých presných komponentov, prípadne ozubených kolies motorov a prevodoviek.

Medzi jej zákazníkov patria medzinárodní výrobcovia automobilov ako napr. Daimler a VW, ako aj poprední dodávatelia v automobilovom priemysle, ako sú ZF, Magna, Mahle, ThyssenKruppPresta, INA Schaeffler, Bosch alebo Linamar Group, spolu s mnohými spoločnosťami so zameraním na výrobu výliskov pod tlakom.