Penggerusan Bentuk Hampir Net: Menyederhanakan Otomasi untuk Manufaktur Modern

Penggerusan bentuk hampir net (NNS) adalah tren yang telah memasuki alur manufaktur mainstream selama dua dekade terakhir. Ide ini kini dipahami oleh hampir semua orang di manufaktur. Pada dasarnya, NNS turning berarti menggerus bagian yang telah dibentuk atau dicetak mendekati dimensi akhir. Implikasi metode ini terus berkembang seiring dengan perkembangan mesin, alat, dan proses yang menyatukan ide-ide baru.

Sebagian besar NNS turning melibatkan penggerusan sangat sedikit fitur pada bagian; seringkali satu atau dua, jarang lebih dari tiga. NNS turning seringkali menghasilkan kesulitan chucking karena bagian-bagian tipis biasanya, atau dicetak/dibentuk tanpa fixturing atau datum pengukuran. Karena operasi NNS turning yang umum adalah operasi finishing akhir, kita dapat menambahkan bahwa biasanya termasuk dalam kategori penggerusan, boring, atau facing dengan akurasi tinggi.

Implikasi terpenting dari NNS turning, bagaimanapun, adalah cara yang telah mempengaruhi tren dalam otomasi. Saat waktu pembuatan chip menjadi bagian yang lebih kecil dari total waktu siklus, penanganan pekerjaan dan pergantian alat muncul sebagai hambatan utama untuk efisiensi yang lebih baik. NNS turning telah berevolusi untuk bekerja sangat baik dengan penanganan pekerjaan dan pergantian alat yang paling sederhana—tren yang telah sedikit melampaui NNS turning itu sendiri, menantang kebijakan konvensional tentang seberapa besar kompleksitas yang baik untuk efisiensi manufaktur dan efektivitas biaya secara keseluruhan.

Masukkan dan Keluarkan Bagian dengan Cepat

"Pekerjaan kami adalah memasukkan dan mengeluarkan bagian dari mesin secepat mungkin, dan sekonstan mungkin," kata Dan Kruse, manajer operasi Bearing Technologies, Inc., Div. of MB Mfg. (Benton Harbor, Michigan). Dia merujuk pada balur untuk bearing yang dibuat perusahaan, dipotong dari bagian tabung baja 4118 yang dipotong panjang. Meskipun pekerjaan hanya marginil merupakan operasi bentuk hampir net (karena hingga 0,080 inci stok dihilangkan dalam hingga tiga pass alat pemotong), ia menggunakan teknologi otomasi dan pendekatan proses keseluruhan yang telah ditumbuhkan oleh NNS turning.

Bearing Technologies menggunakan dua mesin gang-tooled empat sumbu, yang dihubungkan menjadi sel melalui sistem transfer linear gantry tipe. Mesin di sel ini mencerminkan pengaruh NNS turning pada desain mesin penggerusan produksi. Kecil, terikat erat, dan dengan kapasitas hanya satu atau dua alat pada setiap blok tooling ("gang") yang dipasang di cross slide, mesin Wasino SS-8 ini difokuskan pada penggerusan bagian kecil yang memerlukan penggerusan hanya beberapa fitur.

Tanpa turun yang perlu diindex, pergantian alat cepat. Waktu pemotongan, demikian, diminimalkan dengan pemotongan simultan dua alat empat sumbu. Namun hanya 15 persen dari waktu siklus singkat bagian 30 hingga 40 detik yang melibatkan penanganan pekerjaan. Waktu pemuatan dan pembongkaran telah diperketat sejauh yang memungkinkan oleh teknologi terkini.

Bearing Technologies menggunakan contoh ekstrem pemuatan dan pembongkaran yang cepat dan sederhana: sistem chute gravitasi memasukkan bagian dalam satu garis lurus dan dengan satu gerakan penanganan. Ia hanya cocok untuk bagian berbentuk cincin atau cakram, tetapi ia mencapai sasaran yang ditampilkan dalam penanganan pekerjaan NNS. Sistem chute menggunakan gerakan mekanis sebanyak mungkin sedikit, dan memuat dalam jalur praktis terpendek.

Perusahaan sebelumnya melakukan pekerjaan dengan mesin penggerusan dua sumbu yang dilengkapi loader yang lebih konvensional. Waktu pemotongan mereka 25 persen lebih lama dari mesin empat sumbu baru. Namun perbedaan terbesar ada pada penanganan pekerjaan. Total waktu siklus sekitar tiga kali lebih lama sebelum mereka beralih ke loader gravitasi.

Toleransi Seperti Penggerus

Banyak aplikasi NNS mendorong akurasi mesin ke batas ekstrim, seringkali mengganti operasi penggerusan dan melakukan semua penggerusan dalam satu langkah, atau dalam satu pass melalui sel yang memutar kedua ujung bagian. Aplikasi hard turning seringkali termasuk dalam kategori ini. Untuk gear logam bubuk (PM), bush, dan bagian kecil lainnya, hard turning telah menjadi pesaing serius untuk penggerusan. Kelas pekerjaan ini dapat dianggap sebagai subkategori dari NNS turning dan membuat permintaan yang sama pada efisiensi dan akurasi penanganan pekerjaan.

Ini juga menekankan pada kekakuan mesin dan rekayasa alat. Meskipun keramik digunakan dalam aplikasi hard turning dengan beban ringan, diperkenalnya alat polycrystalline cubic-boron-nitride (PCBN) yang membawa hard-turning ke alur produksi mainstream. Alat ini bertahan dalam run panjang dan menghasilkan konsistensi aus yang hebat—selama perhatian hati-hati diberikan pada persiapan tepi.

Penggerusan NNS presisi, hard atau soft, biasanya memerlukan pengembangan aplikasi tambahan. Pengaturan alat dan bahan alat sangat penting untuk bagian yang lebih lunak serta untuk yang hard, di mana run panjang digabungkan dengan akurasi tinggi dan persyaratan permukaan halus. Dan banyak bagian tersebut menunjukkan permintaan fixturing atau chucking khusus.

Penggerusan piston kecil untuk peralatan rumput adalah ilustrasi yang baik dari karakteristik khusus NNS turning. Bagian ini dicetak presisi dengan bagian tipis, tanpa datum yang mudah diakses, membuat sulit untuk di-chuck dengan akurat dan cenderung mudah merusak. Meskipun begitu, kita seringkali dapat menggerus skirt piston hingga ±50 jutaan (0,000050) inci.

Berat ringan adalah tujuan kunci untuk piston kecil, dan telah menjadi aplikasi alami untuk cetak presisi. Namun proses cetak tidak menghasilkan fitur untuk chucking di dalam bagian. Mereka harus diolok sepanjang diameter luar penuh, dan satu-satunya datum untuk orientasi sumbu poros adalah dalam dome piston, atau crown.

Oleh karena itu, penggerusan adalah pekerjaan penggerusan ujung ganda, di mana diameter luar yang telah di-finish pada ujung crown harus dilanjutkan di skirt, tanpa kehilangan konsentrisitas. Dinding skirt yang tipis dan mudah merusak membuat tugas ini lebih sulit.

Jawabannya adalah kombinasi chucking udara yang lembut dan presisi serta jaw yang diputar di tempat—yang keras, untuk produksi volume tinggi. Penggunaan air chucks, berjalan pada tekanan garis maksimum 60 hingga 70 psi, memecahkan banyak masalah chucking bagian tipis seperti ini. Mereka cenderung chuck dengan akurat dalam rentang tekanan udara yang luas, dari sekitar 30 psi hingga maksimum 70. Bahkan dengan jaw halus, mereka mendapat pegangan yang memadai pada bagian jika gaya penggerusan rendah, seperti pada piston aluminium.

Masih ada lebih dari sekadar mempertahankan akurasi pada bagian tipis daripada hanya chucking mereka dengan akurat. Piston ini menunjukkan masalah potensial lain karena bagian tipisnya: lubang pin pergelangan tangan, yang kita ream di pusat penggerusan terkoordinasi dalam sel mesin yang sama, terletak di boss dinding tipis. Ini panas dengan cepat pada langkah penggerusan pertama lalu menutup saat pendingin, melebar dan mengecil diameter luar piston sebesar 0,00015 hingga 0,00020 inci. Dalam beberapa aplikasi NNS, distorsi termal seperti ini sangat sulit untuk diatasi.

Fleksibilitas dan sensitivitas termal bagian NNS terus mendorong pengembangan solusi chucking yang lebih baik. Finishing jaw di tempat pada mesin telah menjadi praktik standar. Juga umum untuk taper-bore jaw ini untuk mengkompensasi fleksi yang mungkin dialami saat digunakan. Penggilingan akar jaw yang diharden ke diameter yang lebih besar daripada ujungnya, sebesar 0,0005 inci hingga 0,001 inci, direkomendasikan.

Perlu merancang jaw untuk area kontak maksimum ketika tekanan ringan digunakan. Meskipun demikian, gaya pemotongan dapat melebihi kekuatan pegangan jaw dan memungkinkan bagian meleset. Serpih persegi titik biasa tidak membantu banyak dalam hal ini, tetapi keberhasilan baik dilaporkan dengan jaw serpih tajam, yang disesuaikan untuk setiap aplikasi. Cara paling praktis untuk membuatnya adalah sebagai insert bolt-on, digiling dan berserpih sepanjang sumbu poros, sebagai satu piece silindris lalu dipotong dengan gerigi untuk memisahkan insert untuk setiap jaw individual.

Serpih sebenarnya membuat tanda halus pada bagian, jadi tidak memecahkan setiap masalah chucking. Namun mereka telah memecahkan beberapa yang sangat sulit. Dalam satu aplikasi, menggerus bush aluminium cetakan grade 390, chucking dengan jaw halus, kita mendapatkan variasi 0,0001 hingga 0,0003 inci ke bundaran, terutama karena tekanan jaw yang diperlukan untuk mencegah melengkung dan garis parting yang tidak konsisten pada diameter luar cetakan. Dengan jaw serpih, tekanan dapat ditingkatkan dan tetap memperbaiki out-of-roundness, hingga 30 hingga 50 jutaan (0,000030 hingga 0,000050) inci.

Bagian yang diharden menunjukkan kesulitan chucking yang lebih besar. Melengkung adalah masalah karena gaya pemotongan sedikit lebih tinggi. Dan banyak bagian ini, terutama gear, tidak dapat di-chuck pada permukaan geometri sederhana apa pun.

Chucking pada garis pitch gear adalah ideal teoretis, karena, jika lubang atau bush yang terletak sedang diolok (dan biasanya demikian), Anda ingin gear yang selesai berjalan pada garis pitch-nya untuk operasi yang tenang dan halus. Pada gear siku, atau bahkan pada gear datar, garis pitch jarang merupakan permukaan chucking yang jelas. Faktanya, Anda bahkan tidak dapat melihatnya. Ini adalah lingkaran teoretis yang terletak di suatu tempat pada gigi gear.

Kami telah memecahkan masalah mengejarkan ini dengan menggunakan fixture chucking garis pitch. Ini adalah muka "gear" yang diharden, EDMed yang dipasang pada chuck dan yang berpasangan dengan pekerjaan, yang memastikan bagian berputar konsentris dengan garis pitch-nya. Ketika pekerjaan dibawa ke kontak dengan fixture, dua bentuk gear secara alami berpasangan pada lingkaran interferensi paling sedikit, yang, bahagia, adalah garis pitch itu sendiri.

Aplikasi gear siku volume tinggi di pabrik Black & Decker di Easton, Maryland, telah menjalankan setup ini dalam produksi volume tinggi selama beberapa tahun. Bagian PM yang diharden dan disusuri tembaga di-face dan dibore pada mesin penggerusan gang-tooled, menggunakan alat PCBN. Fixture garis pitch memerlukan indexing bagian saat dimuat, untuk menghindari tabrakan bagian dan fixture, ujung gigi-ke-ujung gigi—yang membawa masalah besar berikut dengan NNS turning otomatis: sistem penanganan pekerjaan.

Penanganan Pekerjaan untuk NNS Turning

Penanganan pekerjaan untuk NNS turning harus cepat, karena waktu siklus bergantung padanya. Aplikasi pemuatan gear menunjukkan bahwa harus serbaguna juga, untuk mengakomodasi sesuatu yang rumit seperti mengorientasi gigi gear untuk berpasangan dengan fixture. Salah satu perkembangan paling luar biasa dari NNS turning telah been sistem pemuatan dan pembongkaran yang cepat dan serbaguna, yang juga memiliki keunggulan sederhana, terkandung dalam alat mesin, dan mudah dikendalikan dengan CNC standar—ideally CNC yang sama yang menjalankan mesin penggerusan.

Ini adalah "otomatisasi terkandung," dan memerlukan definisi. Berikut konfigurasi mesin NNS turning kontemporer yang umum: Ia gang-tooled, karena hanya beberapa fitur yang sedang diolok. Gang tooling menghasilkan kopling mekanis yang erat antara alat pemotong dan rangka mesin. Ini membuatnya kaku dan secara bawaan lebih mudah dibangun dengan akurat, tanpa bush turun atau gear index.

Loader tipe gantry dibangun di atas mesin, ditempel langsung pada rangka mesin. Jalur pegangan pekerjaan secara ketat sepanjang garis lurus, dari carousel penataan pekerjaan yang terintegrasi dengan alat mesin itu sendiri. Kepala pegangan bergerak sepanjang panjang rangka mesin dan lurus ke atas dan ke bawah di ujung, mengambil dan meletakkan bagian di carousel dan di chuck.

Loader gantry saat ini menggunakan drive yang dapat diprogram dan pegangan seperti chuck, dengan jaw lunak. Oleh karena itu, pergantian bagian cepat. Karena gerakan pemuatan dan pembongkaran sedikit, dan perjalanan hanya melibatkan satu sumbu pada satu waktu, programnya pendek. Mereka dapat disimpan dan dikendalikan dari CNC alat mesin.

Ini adalah paket yang secara bawaan akurat, sangat kompak, dan modular yang memungkinkan perakitan sel multi-mesin yang mudah. Loader gantry dapat memberi makan sistem perantara transfer, yang dibangun dengan garis lurus yang sama, untuk menukar bagian antara mesin.

Kembali ke aplikasi gear: Ini memerlukan orientasi bagian, tetapi pegangan seperti chuck dan tidak diskriminatif tentang bagaimana mereka mengambil bagian dari carousel. Bagaimana mengorientasinya? Dengan berhenti di stasiun perantara, di mana ia meletakkan bagian pada fixture berputar yang menggunakan sinar cahaya untuk memberitahu di mana gigi berada, dan kemudian memutar gear sesuai kebutuhan untuk menghindari tabrakan. Pegangan kemudian mengambil bagian lagi dan melanjutkan perjalanan menuju chuck.

Jadi, sistem gantry yang kami jelaskan sederhana tapi tidak sederhana; ia dapat diperjelas, berkat pemrogramannya, untuk melakukan sesuatu yang ekstra dengan bagian. Mengorientasinya adalah salah satu tugas tersebut. Mengukurnya adalah yang lain untuk aplikasi SPC online.

Penggerusan bentuk hampir net menekankan pada akurasi dan kecepatan, dan memungkinkan penanganan alat dan penanganan pekerjaan yang sederhana, karena sifat bagian NNS yang umum. Mesin penggerus otomatis yang telah berevolusi untuk memenuhi permintaan pasar ini sederhana tanpa menjadi sederhana: Mereka dapat diprogram untuk tugas khusus, termasuk pengukuran dan orientasi bagian.

Secara efektif, mesin penggerus otomatis ini adalah otomatisasi yang dikemas sebelumnya. Cepat diatur, mampu menghasilkan akurasi ekstrim, dan serbaguna, mereka menunjukkan jalan menuju otomasi yang lebih baik untuk banyak aplikasi penggerusan lainnya, selain penggerusan bentuk hampir net.