Elevate Multi‑Spindle CNC Machining: Advanced Operations & Precision
Teknologi CNC telah secara radikal mengubah sifat pemesinan pada mesin multi-spindle. Gerakan tool carrier dan tool slide di setiap stasiun indexing dikontrol oleh servo motor CNC berdasarkan perintah terprogram, bukan oleh sistem cam mekanis. Memungkinkan untuk melakukan berbagai operasi non-turning seperti milling, drilling, tapping, dan hobbing di setiap stasiun, selain semua operasi turning untuk mesin ini dikenal. Berbagai macam bagian dapat diselesaikan dalam satu pass pada multi-spindle CNC. Selain itu, setup dan change-over sangat disederhanakan karena gerakan alat dapat diprogram ulang alih-alih diubah dengan memproduksi dan memasang set cam baru.
Perkembangan inovatif pada garis TMZ multi-spindle Mori-Say dari ZPS America LLC (Indianapolis, Indiana) janji akan memindahkan CNC ke level baru pada jenis mesin perkakas ini. Salah satu perkembangan ini adalah sistem drive baru yang memungkinkan kecepatan rotasi C-axis dari setiap spindel untuk diprogram secara independen. Kemampuan ini memungkinkan pengguna untuk mengoptimalkan kecepatan spindel untuk operasi pemesinan tertentu. Ini membuat operasi CNC lebih fleksibel dan efisien sambil lebih menyederhanakan setup dan change-over. Yang lebih penting, pengembang mengatakan, kelas bagian baru sekarang dapat diproduksi secara efisien dan ekonomis pada multi-spindle. Rentangnya mencakup bagian yang sering diproduksi pada turn/mill machine atau multi-machine production cell. Bagian kompleks yang memerlukan berbagai langkah turning dan non-turning presisi tinggi dapat diselesaikan dalam satu pass, dan run volume tinggi tidak diperlukan untuk mencapai operasi ekonomis ini.
Generasi baru multi-spindle ini terdiri dari dua model yang berbeda. Mori-Say TMZ642, versi enam-spindle, diperkenalkan ke pasar Amerika Utara di IMTS 2008 di Chicago pada September tahun lalu. Mori-Say TMZ867, versi delapan-spindle untuk bagian yang lebih besar dan pemotongan lebih berat, akan diperkenalkan di Precision Machining Technology Show (PMTS) di Columbus, Ohio pada April 2009. (Lihat kotak di bawah untuk detail mesin ini.)
A Novel Drive Concept
Sistem drive baru yang disertakan dalam mesin ini mengikuti konsep desain yang tidak biasa. Menurut Olaf Tessarzyk, managing partner dan presiden ZPS America, sistem drive inilah yang membedakan mesin ini dari desain multi-spindle lainnya. Sistem drive menggunakan satu driveshaft komposit untuk memenuhi semua spindel dalam drum berputar, namun setiap spindel dapat diatur untuk berjalan pada kecepatan yang berbeda. Kecepatan yang tersedia berkisar dari 2.000 hingga 6.000 rpm. Pengguna dapat memilih kecepatan yang paling cocok untuk operasi yang dilakukan di setiap stasiun, sehingga menghindari kompromi pada performa alat pemotongan, finishing permukaan, atau waktu siklus keseluruhan yang timbul dari penerapan satu kecepatan pada setiap spindel seperti yang ditentukan oleh desain multi-spindle konvensional.
Dengan hanya satu driveshaft yang diatur dari belakang mesin ke depan, bagaimana multiple spindel dapat berjalan pada kecepatan yang berbeda, sebuah prestasi yang tidak mungkin pada mesin lain yang dapat dibandingkan? “Shaft” yang memenuhi spindel sebenarnya adalah sekumpulan tabung teleskoping—satu tabung untuk setiap spindel, seperti yang ditunjukkan dalam ilustrasi di kanan.
Tabung-tubung ini berukuran tidak sama—yang terdalam adalah yang terpanjang dan yang terluar adalah yang terpendek. Di sisi motor mesin, perbedaan panjang dari tabung ke tabung cukup untuk roda roda gigi, sabuk, dan gear dari setiap set drive motor dapat dipasang tanpa mengganggu tabung berikutnya. Dengan demikian, setiap tabung dapat dihubungkan ke sistem drive sendiri. Motor drive di-drivenc servo sehingga spindel yang sesuai akan berputar pada kecepatan yang ditetapkan dalam program CNC untuk operasi yang dilakukan. Tabung juga “diperingkat” panjangnya di sisi pemotongan mesin, di mana gear di ujung setiap tabung menyampaikan gerakan rotasi ke spindel tertentu. Bearing di dalam rangkaian tabung memungkinkan semua tabung berputar dengan geser minimal.
Dari segi teknis, sistem drive ini dikatakan memiliki beberapa manfaat. Pertama adalah menjaga panas yang dihasilkan oleh sekelompok motor drive jauh dari drum spindel. Ini memberikan stabilitas termal tanpa sistem pendingin yang rumit. Selain itu, desain ini memastikan bahwa spindel selalu tetap terhubung ke motor drive masing-masing tanpa memerlukan kontak suplai daya yang kompleks yang harus diputus atau dihubungkan ulang di akhir setiap siklus indexing. Ini berarti drum tidak perlu “mengurung” ke posisi home untuk menghindari membungkus kabel daya di sekitar driveshaft di dalam drum. Faktanya, drum pada model baru ini dapat berputar ke dua arah.
Not A Familiar Name
Sebagian besar pengguna mesin perkakas di Amerika Serikat tidak akrab dengan Mori-Say sebagai merek mesin perkakas. ZPS-America dan induknya, TAJMAC Group, juga mungkin tidak akrab. TAJMAC (dibaca TIE-mack) adalah kelompok multinasional perusahaan pembangunan, distribusi, dan sourcing mesin perkakas berkantor pusat di dekat Milan, Italia. TAJMAC dibentuk setelah Perang Dunia II oleh Amedeo Tajariol. Putranya, Andrea, sekarang memimpin tim manajemen di kantor pusat korporat. Putra Andrea Tajariol, Michele, mengelola pabrik TAJMAC-ZPS di Republik Czech.
ZPS (singkatan bahasa Czech yang diterjemahkan ke "Precision Engineering Plants") adalah pabrik manufaktur utama kelompok TAJMAC. Ia berlokasi tidak jauh dari Zlin, kota kecil di tengah Republik Czech. Selama bertahun-tahun, ZPS telah memproduksi berbagai jenis mesin perkakas untuk private labeling oleh sejumlah perusahaan terkenal AS dan Jepang. Jadi, meskipun ZPS mungkin tidak akrab, kemungkinan besar banyak pelanggan AS akrab dengan mesin ini di bawah nama merek lain.
ZPS memiliki sejarah pembangunan mesin perkakas yang berakar pada awal 1900-an. Produksi peralatan CNC dimulai pada tahun 1980-an. Setelah jatuhnya Besi Tirai, ZPS mengalami beberapa perubahan kepemilikan. TAJMAC mengakuisisi perusahaan pada tahun 2000.
Sebagian dari kompleks ZPS termasuk salah satu pabrik cor paling modern di Eropa. Pabrik cor ini menghasilkan cetakan untuk mesin multi-spindle serta untuk banyak model ZPS lain dan banyak pembuat mesin perkakas luar. Memiliki pabrik cor yang terampil dalam cor cetakan mesin perkakas adalah aset kunci bagi kelompok. Multi-spindle baru adalah contoh prima.
Secara spesifik, desain center block, yang berkontribusi secara signifikan pada kekakuan dan presisi seluruh struktur mesin, memerlukan cor yang cukup rumit yang sedikit pabrik cor dapat produksi secara andal dan ekonomis, kata Michele Tajariol. Cor ini memungkinkan drum, center block, dan drum coupling untuk dirakit dalam konfigurasi yang memungkinkan drum untuk diputar dengan daya dan break in gear dan bearing. Komponen ini diproses akhir sebagai rangkaian integral hanya setelah periode run-in ini. Ini mencakup langkah akhir pada bore spindel, yang selesai di jig boring machine presisi besar sementara drum dengan Hirth coupling berada di posisi di dalam cetakan. Pendekatan ini dikatakan mencapai konsentrasi spindel yang hampir sempurna. Hasilnya adalah penempatan yang sangat akurat saat spindel di-index, memungkinkan mesin untuk melakukan pemesinan presisi tinggi workpiece kompleks.
ZPS telah memproduksi multi-spindle sejak tahun 1950-an. Perusahaan telah berencana untuk memasuki pasar AS sekitar 20 tahun yang lalu, tetapi upaya ini tidak pernah terlaksana. Namun, Tajmac-ZPS baru saja menyusun ulang rencana untuk pemasaran di Amerika Serikat. ZPS-America, awalnya dibentuk pertengahan tahun 2000, mendirikan pusat teknis baru di Indianapolis untuk menempatkan showroom, fasilitas pelatihan, inventori spare part, dan organisasi layanan. Pusat ini dibuka tahun lalu.
Mind-Bending Machines
Tuan Tessarzyk percaya bahwa mesin multi-spindle dengan kemampuan CNC yang diperluas akan memicu pemikiran ulang tentang bagaimana kelas mesin perkakas ini dapat diterapkan, tetapi mereka harus bersaing secara biaya dan andal. Dalam penilaiannya, ini akan menjadi latihan yang sehat untuk perusahaan AS, yang memiliki tradisi yang kuat dalam menyesuaikan ide-ide baru. Bengtel yang cepat untuk memikir ulang proses dan praktik untuk memanfaatkan perkembangan baru sering memiliki keunggulan yang jelas atas kompetitor yang lebih lambat. Ketangkasan mental dan kecerdikan ini menjaga bengkel dan pabrik terbaik berada di depan. Mesin Mori-Say baru kemungkinan besar akan menantang bengkel sekali lagi untuk membungkus pikiran mereka sekitar kemungkinan baru untuk produksi bagian yang efisien.
Tuan Tessarzyk mengatakan bahwa mesin yang membingungkan pikiran ini akan menarik dua kelas pengguna potensial yang berbeda. Keduanya akan ditantang oleh mesin ini. Kelas satu, jelas, adalah komunitas pengguna multi-spindle saat ini. Tantangan bagi mereka adalah untuk memahami bagaimana bagian yang memerlukan banyak operasi non-turning dapat diselesaikan dalam satu setup pada mesin ini. Kelas lain pengguna potensial terdiri dari bengkel produksi yang saat ini memproduksi jenis workpiece ini pada multi-machine cell, turn/mill machine, atau rotary transfer machine. Tantangan bagi bengkel ini adalah untuk mempertimbangkan mesin multi-spindle pada awalnya. Jenis mesin ini sebagian besar diabaikan karena setup dianggap rumit dan memakan waktu. Pemikiran konvensional melihat multi-spindle ini untuk volume tinggi bagian turning.
New Strategies Are Possible
Profil beberapa early adopter Mori-Say TMZ642 CNC menunjukkan bagaimana mesin ini dapat mengubah strategi produksi menjadi lebih baik. Salah satunya adalah produsen aksesol las yang memindahkan produksi dari multi-spindle mekanis dan turn/mill machine high-end. Yang lain adalah pabrik screw machine tradisional yang telah berkembang ke workpiece yang lebih kompleks dalam bahan sulit dipesan.
Trafimet adalah perusahaan Italia yang membuat borong las, konektor suplai daya, tip konsumsi, dan persediaan las terkait lainnya yang dijual di seluruh dunia. Pabrik utamanya berada di Vincenza, sekitar satu jam berkendara utara dari Milan. Pabrik ini menghasilkan jutaan bagian per tahun, mayoritas adalah konektor, soket, adaptor, dan tip borong yang terbuat dari tembaga atau kuningan.
Selama bertahun-tahun, perusahaan mengandalkan dua jenis mesin perkakas yang berbeda untuk mencapai tujuan produksinya. Di satu sisi adalah mesin multi-spindle—dua mesin delapan-spindle mekanis dan empat mesin enam-spindle mekanis, semuanya didedikasikan untuk produksi bagian kompleks dalam run produksi besar. Di sisi lain adalah beberapa turn/mill machine single-spindle, tiga turret, yang digunakan untuk bagian yang kurang kompleks yang diproduksi dalam run lebih pendek.
Pada tahun 2006, permintaan untuk soket dan colokan suplai daya perusahaan meningkat secara signifikan. Insinyur awalnya mempertimbangkan lathe otomatis delapan-spindle untuk produksi soket, tetapi mereka khawatir tentang kemampuan untuk change-over dengan cepat dari bagian ke bagian dan memutuskan untuk mempertimbangkan mesin multi-spindle CNC. Semua multi-spindle mekanis perusahaan telah disediakan oleh ZPS, jadi alami untuk mempertimbangkan TMZ642 pembuat ini, yang baru saja diperkenalkan di Eropa. Tampaknya merupakan mesin yang sesuai untuk menangani campuran produk yang beragam dalam run 10.000 hingga 50.000 potongan.
"TAJMAC helped us to think differently about our processes, and thus, to reach better results," says Ugo Simioni, industrial engineer at Trafimet. For example, the independence of each spindle makes it possible to perform many types of machining, including operations requiring a spindle stop or an independently oriented C-axis spindle. "This makes the machine a real and complete turning and milling center," Mr. Simioni says.
"In tough times, we find we can move some products to the TMZ multi-spindle and handle lower lot sizes while reducing cycle times per part," Mr. Simioni says. "One of our parts had been running on a single-spindle turn/mill with a cycle time of about 1 minute. With a little planning, we found that we could do the same part economically in batches of 5,000—12-second cycle times—with three change-overs per week on the new machine." The Trafimet engineers had already determined that a 15-second cycle time would permit it to produce lots of 10,000 to 20,000 pieces economically. "The independent spindle drives and advanced drive system, the use of extra axes and other improvements make the machine extremely versatile, and it has enabled us to find new ways of reducing product costs," he points out.
BRB, located near Bergamo, Italy, is a good example of a traditional screw machine shop transitioning to complex, high precision parts made of difficult-to-machine materials. This shop acquired its first Mori-Say TMZ642 in September, 2008.
Having this machine in place has allowed the shop to win orders for a complex hydraulic sleeve in stainless steel. The part calls for drilling several small-diameter cross holes at different angles to the part centerline. Because the tolerance on these angled cross holes is tight, the machine’s rigidity is especially important.
Another critical feature is the ability of each spindle to clamp the workpiece securely for effective high-torque machining operations on the stainless steel. For example, a three-point milling tool is used to form slots on one end of the part. Typically, such features would be produced with a circular saw blade. However, no saw blades could handle the stainless steel at the cutting speeds needed to meet cycle time requirements. In fact, cycle times on these parts are so short that the company developed a special gaging station so that operators could perform adequate part sampling and document the high Cpk numbers specified for this part.
BRB sees its future tied to producing parts such as this. Because these parts are not typically produced on multi-spindle machines, the shop believes it can be highly competitive with companies seeking to produce this kind of part on CNC lathes.
An Historic Opportunity
Job shops and production houses may be facing a remarkable scenario. Rising production costs and other factors are making it less favorable to source many components from off-shore factories. Buyers will be looking for capable producers back home that can take advantage of new technology, simpler logistics, lower transportation costs and better communication to fill this gap. However, they will still need to come close to matching the "China price" to remain competitive in their global markets.
Mr. Tessarzyk believes this unfolding situation presents a remarkable opportunity for companies that are quick to adopt new machining developments. Of course, the part processing strategies he has in mind leverage the flexibility and capability of his company’s multi-spindles, but this is just one example of a shift in technology that calls for a shift in outlook and thinking. Screw machine shops will have to become providers of CNC production in short runs with short turn-around times. Likewise, CNC shops will have to transition from a reliance on simple machines that make complex cutting maneuvers to more complex machines that get the most out of simple motions.
An Eight-Spindle Model For Large, Tough parts
Although the Mori-Say TMZ867 is making its North American debut at PMTS (April 28-30, 2009, www.pmts.com), one model is already on display at the TAJMAC-ZPS showroom in the Milan, Italy, area. This machine is used for demonstrations and to prove out customer parts. One recently tested part exemplifies the capabilities of this machine and reinforces the point that applications for multi-spindle processing are moving in a new direction.
The part is a stainless steel steering column component. The high nickel and chrome content of the workpiece material calls for high torque at the spindle. The part was formerly produced on a heavy-duty Swiss-type (sliding headstock) lathe. On this "single-point" machine, cycle time was 60 seconds. On the multi-spindle, it is 16 seconds. Both types of machines complete the part in one pass. According to Mr. Tessarzyk, the multi-spindle is as accurate as the Swiss-type lathe.
This is an unusually large part for production on a multi-spindle. The TMZ867, however, can accommodate barstock as large as 72 mm in diameter and operate as an open-front chucker. Standard features include eight independent, AC-driven CNC horizontal spindles; eight independent compound slides (X and Z); eight independent tool carriers with eight 12,000-rpm driven tools; five backworking tools (three driven); and a range of standard, presettable VDI tooling.
The drive system follows the same principles pioneered on its six-spindle little brother, the TMZ642. Each of the machine’s eight spindles is linked by a composite shaft to its own motor into the spindle drum, which employs a precise Hirth coupling. This makes it unnecessary to reverse-index the drum at the end of each 360-degree cycle; to connect and disconnect the motors to the spindles with each indexing; or to cool the drum to dissipate the heat generated by the spindle motors.
