Pemesinan Lima Sumbu: 10 Elemen Otomasi Kunci untuk Presisi
Otomatisasi terlihat bahkan bagi mata yang tidak terlatih saat mengamati mesin lima sumbu baru Phoenix Proto dengan kolam pallet enam stasiun dan sistem pemuatan pallet (hal yang sama berlaku untuk salah satu mesin tiga sumbu yang dilengkapi serupa). Namun demikian, ada elemen otomasi lain, mungkin lebih halus, yang menyusun proses lima sumbu bengkel. Faktanya, elemen itulah yang memungkinkan proses untuk secara berulang mencapai toleransi dan finishing permukaan yang diperlukan untuk komponen cetakan aluminium bengkel sambil, dengan campur tangan manusia minimal jika ada, menyesuaikan variabel bawaan yang dapat secara buruk mempengaruhi presisi dan throughput pemesinan.
Poin tentang throughput ini penting, karena tujuan bengkel di Centreville, Michigan, adalah untuk menyediakan cetakan aluminium yang dirakit kepada pelanggan dalam waktu tiga minggu, jadi turnaround cepat komponen tooling yang dimesin berkualitas adalah imperatif.
Bob Lammon, presiden perusahaan, mengatakan aluminium terus umum digunakan untuk memproduksi tooling prototipe dan "bridge" (cetakan yang digunakan sementara untuk memungkinkan perusahaan memulai injeksi plastik untuk produk baru sambil menunggu tooling produksi baja selesai). Namun, dia melihat minat yang meningkat terhadap cetakan aluminium yang digunakan untuk produksi sebagai ganti cetakan baja tradisional.
"Bergantung pada geometri dan resin bagian injeksi, mungkin untuk mendapatkan 50.000 shot dari cetakan aluminium yang tidak dilapisi," kata Mr. Lammon. "Dalam beberapa kasus, ini mungkin cukup untuk mendukung kebutuhan produksi. Namun, dengan memperkeras cetakan aluminium hingga 54 HRC melalui teknologi seperti proses pelapisan nikel keras Nibore yang kami gunakan, mungkin untuk mendapatkan 1 juta atau lebih shot untuk resin yang tidak abrasif, dan mungkin 250.000 untuk resin kaca yang diisi abrasif."
Aplikasi untuk cetakan yang diproduksi bengkel sangat bervariasi, termasuk bagian untuk industri peralatan rumah tangga, otomotif, konsumen, medis dan senjata api. Ini mengarah pada campuran tinggi ukuran, fitur dan geometri cetakan yang harus diakomodasi area pemesinan dalam waktu singkat. Mr. Lammon mengatakan solusi alami tampaknya mengotomatisasi proses pemesinan lima sumbu kecepatan tinggi untuk mencetak stretch panjang produksi tanpa pengawasan/lights-out untuk komponen cetakan yang paling kompleks. Ini terwujud, seperti yang saya pelajari selama kunjungan terbaru ke benghel Michigan tersebut.
Penambahan Otomatisasi
Phoenix Proto memiliki tiga mesin kecepatan tinggi dan tiga mesin CNC konvensional. Mesin pusat otomat pertama yang ditambahkan bengkel adalah mesin tiga sumbu Roeders RXP500 yang dibeli pada 2012. Mesin motor linear 42.000 rpm ini memiliki sistem pergantian pallet RCE 1 dengan kolam pallet enam stasiun. Sekarang digunakan terutama untuk memesin komponen seperti dasar cetakan dan blok rongga.
Saat ini, hampir semua pemesinan rongga dan inti cetakan dilakukan pada mesin lima sumbu baru Roeders RXP601DSH dengan sistem pergantian pallet RCE 2 yang lebih besar. Ini, mesin lima sumbu pertama dan (setidaknya untuk saat ini) satu-satunya bengkel, dipasang pada awal 2016. Seperti Roeders tiga sumbu kecepatan tinggi, mesin ini juga memiliki spindel 42.000 rpm dan drive motor linear dengan resolusi 1 nanometer. Motor linear merupakan kunci untuk gerakan cepat, memungkinkan laju travers cepat 2.362 ipm. Mereka juga menawarkan geseran lebih sedikit daripada baut balik, yang mengarah pada konsumsi daya lebih rendah.
Mesin lima sumbu dengan envelop pemesinan 21,3 × 25 × 15,7 inci dan bobot benda kerja maksimum 440 pound memiliki desain gaya trunnion dengan swivel sumbu A hingga ±115 derajat. Gerakan rotasi lainnya disediakan oleh platter sumbu C pada trunnion. Menurut Matt Byers, presiden Roeders of America, desain trunnion di mana spindel tidak memberikan gerakan sumbu rotasi cenderung lebih rigid daripada platform mesin lima sumbu alternatif untuk memungkinkan pemotongan berat. Selain itu, gravitasi pusat yang rendah untuk benda kerja menjaga gaya inersia rendah untuk mengurangi efek miring atau condong selama gerakan kecepatan tinggi.
Mr. Byers juga percaya teknologi kontrol milik mesin menawarkan keuntungan untuk jenis pemesinan milling kecepatan tinggi yang dilakukan Phoenix Proto. Dua parameter penting untuk memfasilitasi pemesinan milling kecepatan tinggi yang efektif adalah lookahead dan kecepatan pemrosesan blok. Kontrol CNC RMS6 berbasis PC mesin menawarkan lookahead 10.000 blok dan kecepatan pemrosesan blok 0,1 milidetik.
Throughput tinggi yang dimungkinkan oleh waktu siklus cepat mesin menggunakan teknik pemesinan kecepatan tinggi dikomplementasi oleh semua elemen otomasi yang diintegrasikan ke dalam proses ini. Berikut adalah 10 elemen otomasi yang saya perhatikan selama kunjungan saya:
1. Sistem pemuatan dan kolam pallet
Sistem pergantian pallet otomatis RCE 2 mesin lima sumbu memiliki kolam pallet enam stasiun, meskipun bengkel kadang memasang lebih dari satu bagian pada satu pallet. Setiap pallet mengukur 23,6 × 15,7 inci.
Atas permintaan Phoenix Proto, gripper sistem pemuatan dimodifikasi. Awalnya, tidak boleh ada bagian yang melampaui tepi pallet. Dengan memodifikasi gripper sehingga mengambil dari bawah pallet, sistem sekarang dapat memuat benda kerja yang lebih besar. Sekarang, ukuran bagian hanya terbatas oleh kapasitas mesin, bukan pemuat.
Bengkel menggunakan perangkat lunak manajemen pekerjaan Roeders untuk menjadwalkan dan mengelola pekerjaan. Bengkel mencoba menjadwalkan pekerjaan yang panjang untuk berjalan di malam hari dan akhir pekan, saat ini menjalankan satu shift 12 jam lima hari per semana. Secara bergantian, bengkel mencoba memastikan ada cukup pekerjaan yang berjalan singkat yang disiapkan untuk memungkinkan mesin tetap sibuk sendiri.
2. Mesin
Pemesinan lima sumbu adalah bentuk otomasi itu sendiri. Ada dua jenis proses lima sumbu: konturing dan penempatan (juga dikenal sebagai "3+2"). Phoenix Proto melakukan 3+2 penempatan pada mesin ini 75 persen waktu. Untuk ini, mesin menggunakan dua sumbu rotasi tambahan hanya untuk memiringkan benda kerja secara sudut dan kemudian mengunci posisi itu. Setelah itu, melakukan apa yang setara dengan operasi tiga sumbu dalam orientasi tersebut. Satu keuntungan adalah ini menawarkan akses alat ke lima sisi bagian dalam satu fixturing. Ini meminimalkan jumlah setup, jumlah mesin yang bagian mungkin harus dijalani, dan oleh karena itu jumlah kali bagian "disentuh" selama produksi (artinya, itu "otomatisasi").
Kemampuan memiring bagian melalui 3+2 juga memungkinkan alat mencapai jauh ke dalam bagian untuk menciptakan fitur cetakan yang sulit seperti tulang dalam. Dalam beberapa kasus, ini telah menghilangkan operasi EDM singkapan sekunder dan kebutuhan terkait untuk memesin elektroda. Selain itu, pemegang alat shrink-fit yang digunakan memiliki diameter yang lebih kecil daripada desain collet untuk memberikan ruang tambahan.
Dengan 3+2, bengkel juga dapat menggunakan pemotong yang lebih pendek dan lebih rigid. Pemotongan yang lebih cepat dan lebih agresif dapat dilakukan menggunakan alat yang lebih pendek dengan risiko getaran atau derau yang lebih kecil yang dapat terjadi jika alat yang lebih panjang diperlukan. Getaran dan derau dapat mengarah pada finishing permukaan yang buruk, yang, dalam kasus Phoenix Proto, akan memerlukan lebih banyak pekerjaan manual di meja untuk komponen cetakan atau bahkan pekerjaan EDM sekunder untuk mencapai finishing berkualitas, memperpanjang waktu produksi secara keseluruhan. Bengkel juga dapat merealisasikan umur alat yang ditingkatkan untuk ball end mill, karena saat bagian dipiringkan di sudut yang berbeda, lebih banyak radius alat dapat digunakan, bukan hanya ujungnya. Pemesinan pada area lain dari radius dan bukan ujung (titik di mana kecepatan rotasi adalah nol) juga mengarah pada finishing permukaan yang lebih baik.
3. Pemeriksaan sentuh-trigger
Setelah bagian baru dimuat ke dalam mesin, rutinitas pemeriksaan otomatis dengan probe sentuh-trigger mengidentifikasi lokasi beberapa titik pada bagian atau perangkat penahan bagian untuk menentukan lokasi bagian yang tepat di mesin. CNC mesin kemudian secara otomatis menyesuaikan sistem koordinat kerja asli agar cocok dengan itu. Ini menghilangkan penyisihan manual, penggerusan bagian dan tugas-tugas memakan waktu lainnya yang sebaliknya akan diperlukan untuk mendapatkan bagian rata dan selaras dengan sempurna dengan sistem koordinat mesin.
4. Siklus kalibrasi otomatis
Mesin lima sumbu memiliki berbagai saluran pendingin di base, rel, kereta, dan sebagainya, sehingga komponen-komponen itu tidak akan melebar karena sumber panas internal. Namun, untuk menyesuaikan fluktuasi suhu lingkungan di dalam bengkel (misalnya dari awal hari hingga akhir hari), siklus kalibrasi otomatis menggunakan probe sentuh-trigger dapat dilakukan.
Siklus kalibrasi Roeders dilakukan dengan cara yang berbeda dari proses pembuat mesin alat lainnya, kata Mr. Byers. Dia mengatakan siklus tersebut biasanya memanggil pallet yang saat ini dimuat ke dalam mesin untuk dihapus dan diganti dengan pallet lain yang memiliki bola alat. Bola ini kemudian di-probe untuk menentukan seberapa besar perpindahan lokasinya yang terjadi karena perubahan suhu lingkungan bengkel. Secara sebaliknya, siklus Roeders tidak memerlukan pallet yang ada dengan bagian untuk dihapus. Mesin memiliki prisma yang digosokkan dengan presisi pada castingan trunnion-arm dan castingan motor sumbu C yang di-probe untuk menentukan perubahan posisi apa pun, dan jika diperlukan, secara otomatis menyesuaikan perubahan tersebut. Phoenix Proto melakukan rutinitas kalibrasi ini sekali per bulan kecuali jika masalah diperhatikan dan kadang-kadang melakukannya sebelum pass finishing kritis.
5. Kompensasi pertumbuhan spindel
Mr. Byers mengatakan beberapa pembuat mesin alat membuat algoritma untuk setiap mesin sebelum pengiriman ke pelanggan untuk memperkirakan seberapa besar spindel akan melebar pada kecepatan dan waktu berjalan yang berbeda. Namun, dia mencatat pada dasarnya mustahil untuk memperhitungkan semua cara pelanggan mungkin menggunakan mesin dari hari ke hari. Mesin lima sumbu Phoenix Proto memiliki sistem kompensasi spindel otomatis opsional untuk menyesuaikan ekspansi (atau kontraksi) spindel secara real-time. Sistem menggunakan sensor non-kontak yang dipasang pada lengan L yang diposisikan di dekat muka spindel (lihat foto dalam slideshow di atas). Sensor dengan resolusi nanometer mendeteksi seberapa banyak spindel melebar atau menyusut selama operasi dan memberikan informasi itu kembali ke CNC untuk menyesuaikan sumbu Z ke atas atau ke bawah untuk kompensasi. Ini sangat penting untuk operasi lima sumbu, karena ketika bagian dipiringkan, pertumbuhan spindel dapat mempengaruhi lokasi ujung alat di semua tiga sumbu linier, bukan hanya di Z. Kompensasi otomatis membantu memastikan finishing permukaan yang baik dan konsisten serta blending.
6. Pengaturan alat laser di mesin
Setiap pergantian alat, panjang dan diameter alat baru secara otomatis diukur menggunakan probe pengaturan alat laser di mesin Blum. (Probe laser serta bola kalibrasi probe sentuh terletak di luar area pemesinan di pengganti alat sehingga dilindungi dari chip dan pendingin.) Bengkel menentukan band toleransi untuk diameter setiap alat. Jika probe mendeteksi bahwa diameter alat di luar toleransi, pemesinan tidak akan diizinkan menggunakan alat tersebut. Misalnya, jika ball end mill 0,250 inci mengukur ±0,0002 terlalu besar atau terlalu kecil, alat tersebut tidak akan digunakan. Ini juga berlaku untuk panjang pemotong.
Sebelum ini, laser menentukan apakah alat yang diganti sudah pecah. Jika alat sudah pecah, tetapi dijadwalkan untuk digunakan pada pekerjaan berikutnya yang diantre di kolam pallet, produksi pada pekerjaan tersebut tidak akan berhenti. "Misalnya, jika alat di posisi ATC lima ditemukan pecah, mesin akan menghapus bagian di mana alat itu pecah, memuat pekerjaan yang dijadwalkan berikutnya dan menjalankan pekerjaan tersebut sampai mencapai tahap di mana alat di stasiun lima akan digunakan," menjelaskan anak Mr. Lammon, Scott, direktur operasi perusahaan dan salah satu dari dua yang memprogram dan menyiapkan mesin lima sumbu. "Kemudian, mesin akan menghapus bagian itu dan beralih ke pekerjaan berikutnya dalam antrian. Proses ini akan berlanjut untuk setiap pekerjaan yang dimuat."
7. Penyesuaian nozzel pendingin
Alih-alih hanya menggunakan nozzel pendingin konvensional fleksibel yang harus diposisikan secara manual, mesin lima sumbu memiliki sistem pengiriman pendingin yang secara otomatis menyesuaikan arah aliran pendingin ke titik pemotongan, tidak peduli seberapa panjang alat. Arah nozzel disesuaikan melalui kode M berdasarkan panjang alat berikutnya yang dipasang di spindel.
8. Fungsi pemrograman auto-tilt
Chris Claar adalah manajer engineering Phoenix Proto yang juga memprogram dan menyiapkan mesin lima sumbu. Dia mengatakan pada 2010, bengkel melakukan studi waktu membandingkan perangkat lunak CAD/CAM sebelumnya dengan perangkat lunak Cimatron. "Kami beralih ke Cimatron setelah studi kami menunjukkan penghematan waktu pemrograman 30 persen dibandingkan perangkat lunak lainnya," kata Mr. Claar. "Salah satu fitur penghematan waktu yang kami hargai adalah fungsi auto-tilt lima sumbu. Karena kami memiliki semua komponen mesin serta benda kerja, fixturing dan alat yang di-modelkan 3D dalam perangkat lunak, fungsi auto tilt dapat menentukan pada kedalaman mana pemotong atau pemegang alat akan mengenai bagian, dan kemudian secara otomatis memiringkan bagian untuk mencegah tabrakan dan memungkinkan operasi dilanjutkan." Perangkat lunak juga menggunakan model 3D tersebut untuk memungkinkan programmer melakukan simulasi offline operasi pemesinan untuk mendeteksi potensi tabrakan.
9. Pemeriksaan sintaks
Selain programmer menjalankan simulasi offline di Cimatron untuk setiap program, mereka juga menggunakan fungsi pemeriksaan sintaks di kontrol Roeders yang secara otomatis membaca ulang program dan postprocessor untuk mengidentifikasi kesalahan apa pun sebelum pekerjaan dijadwalkan.
10. Restart program
Jika ada kebutuhan untuk menghentikan mesin di tengah program, tidak perlu bagi programmer untuk secara manual masuk ke program yang telah diposting, mencari nomor baris tempat mesin dihentikan dan kemudian menghapus semua kode di atasnya sehingga memulai ulang di posisi yang tepat tempat berhenti. Dengan kontrol Roeders, operator cukup memasukkan nomor baris ke dalam file perintah, dan akan secara otomatis membaca melalui program dan memulai ulang dari sana.
Ketenangan Otomatisasi
Meskipun banyak pemikiran telah dilakukan ke dalam strategi pemesinan tanpa pengawasan Phoenix Proto, perusahaan menyadari bahwa hal tak terduga dapat terjadi. Itulah sebabnya baik mesin Roeders tiga sumbu maupun lima sumbu disiapkan untuk mengirim peringatan teks atau email dengan pesan kesalahan. Juga mungkin untuk masuk secara jarak jauh ke kontrol mesin melalui perangkat lunak online "Team Viewer", sama seperti teknisi layanan Roeders dapat melakukan diagnostik mesin jarak jauh untuk mendapatkan ide apakah komponen perlu diganti, apakah drive perlu di-tune dan sebagainya. (Faktanya, tuning drive dapat dilakukan secara jarak jauh menggunakan perangkat lunak ini, kata Mr. Byers.)
Namun demikian, bengkel memiliki opsi lain. Bengkel menggantungkan kamera dari langit-langit di antara dua mesin Roeders yang dapat diakses programmer melalui ponsel mereka untuk melihat apa yang sedang terjadi (lihat foto dalam slideshow di bagian atas halaman ini). Mereka dapat memutar kamera dan memperbesar mesin atau layar CNC untuk melihat (dan mendengar) status pekerjaan yang sedang berjalan. "Sedibut sibuk kami sekarang, saya akan memeriksa di ponsel saya beberapa kali selama malam, karena mesin yang mati dapat benar-benar mengacaukan jadwal kami," kata Mr. Claar. "Sama seperti saya berdiri di mesin."
