Fortschrittliche CNC-Systeme unterstützen einen Hersteller von Werkzeugmaschinen aus den USA beim Ausbau seines Wettbewerbsvorteils

Fortschrittliche CNC-Systeme von NUM zur Herstellung von Zahnrädern (Verzahnungen) unterstützen Bourn & Koch, Inc., einen Hersteller von Werkzeugmaschinen aus den USA, beim Ausbau seines Wettbewerbsvorteils durch die Verwendung von Software zur Maschinensteuerung auf dem neuesten Stand der Technik. Nach einem äusserst erfolgreichen Projekt zur Migration der Steuerung von leistungsfähigen 7-achsigen horizontalen Walzfräsmaschinen zur CNC-Plattform NUM Flexium nimmt das Unternehmen jetzt eine Standardisierung auf diese Steuerungstechnologie für ein umfassendes Spektrum seiner Zahnrad-Produktionsmaschinen vor.

Bourn & Koch entschied sich, die Zahnrad-Abwalzfräsmaschinen 25H - 400H Series II auf Flexium CNC von NUM zu aktualisieren, wobei die 400H den Anfang machte. Aufgrund ihrer Geschwindigkeit und Leistung kann diese Maschine nicht weniger als sieben Zahnrad-Produktionsmaschinen älterer Bauart ersetzen. Daher findet diese Maschine bei vielen Firmen Verwendung, die grosse Präzisionskomponenten wie Zentralräder und Vorgelegeblöcke, Gewinde, Wellen, Keilwellen und Ritzel maschinell bearbeiten. Die 400H unterstützt die Bearbeitung von Werkstücken mit einem Durchmesser von bis zu 400 mm (16 Zoll) und verfügt standardmässig über einen Arbeitsweg der Achsen von 1.168 mm (46 Zoll), der für die Produktion von noch längeren Teilen angepasst werden kann. Bei den Kunden handelt es sich typischerweise um Haupt- und Unterauftragnehmer, die mechanische Antriebsstrangkomponenten und Systeme für Branchen wie Verteidigung und Luftfahrt, Bohrmaschinen für die Öl- und Gasindustrie, Bergbau, Schwermaschinen und Energieerzeugung produzieren.

Bourn & Koch arbeitet seit über 25 Jahren mit der NUM Corporation zusammen und verwendet heute die CNC-Systeme von NUM in vielen seiner Maschinen zur Zahnradformung, zum Walzfräsen und Schleifen. Die CNC-Systeme finden darüber hinaus in verschiedenen weiteren Typen von Abspanmaschinen und bei zahlreichen Projekten zum Upgrade auf CNC-Steuerungen und zur Maschinennachrüstung Verwendung. Sowohl die Unternehmen als auch deren Kunden profitieren von dieser Zusammenarbeit. Die gemeinsam entwickelte Dialogsoftware wurde von einer Reihe von Kunden von Bourn & Koch als wichtiger Faktor für ihre Kaufentscheidung bei Maschinen genannt.

Die Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI) der Zahnrad-Walzfräsmaschine 400H nutzt die Fähigkeiten der Software in vollem Umfang aus. Zu diesem Zweck wird ein Dialog im herkömmlichen Stil mit leistungsstarken Grafiken kombiniert, sodass der Maschinenbediener ISO-Sprachen weder verwenden noch kennen muss. Um ein Teil herzustellen, gibt der Bediener einfach Informationen zur Maschinenkonfiguration wie Schneidgeschwindigkeiten sowie Werkstück- und Werkzeuggeometrie ein. Zu diesem Zweck stehen einfache Menüs zur Verfügung, in denen die leeren Stellen ausgefüllt werden müssen. Bei diesem Vorgang wird der Bediener durch klare und eindeutige Abbildungen des Abwalzfräswerkzeugs und des resultierenden Zahnradteils unterstützt. Alle Berechnungen, die für das Erstellen des Maschinensteuerprogramms für ein bestimmtes Teil erforderlich sind, werden vollständig automatisch ausgeführt.

Das Unternehmen entschied sich daher selbstverständlich für die Migration des Designs zur NUM Flexium CNC-Plattform. Tim Helle, Präsident von Bourn & Koch, erläutert die Entscheidung: „Wir bieten den Kunden eine Auswahlmöglichkeit bei der verwendeten CNC-Technologie, wobei NUM die Standardlösung bei den meisten unserer Zahnrad-Walzfräsmaschinen ist. Unsere Firmenpolitik besteht darin, die aktuellste Technologie zu verwenden, um die Leistung und Rentabilität unserer Maschinen zu optimieren. Dieser Ansatz führt auch zu ständigen Vereinfachungen bei der Bedienung der Maschinen, was weniger Schulungsaufwand erfordert. Zudem sind Ersatzteile schnell verfügbar, was die Betriebszeiten der Maschine verlängert und die Supportkosten der Kunden verringert.“

In dieser Hinsicht hatte der Wechsel zu NUM Flexium CNC auch technische Vorteile: Aufgrund der schnelleren Blockverarbeitung und Schleifenaktualisierung des Systems ergab sich die Möglichkeit, die Zykluszeit der Maschine zu verringern und deren Präzision weiter zu verbessern.

Flexium verfügt auch über mehr NC-Speicher onboard, ein viel breiteres und vereinheitlichtes Spektrum an PLC-Software-Entwicklungswerkzeugen und bietet den OEMs mehr Freiheit beim Erstellen von anwendungsspezifischen Mensch-Maschine-Schnittstellen (HMI). Diese Flexibilität hinsichtlich Steuerung und HMI-Anpassung ermöglichte es Bourn & Koch, verschiedene Betriebsaspekte der Zahnrad-Walzfräsmaschine zu verbessern.

Wenn die aktuellste Zahnrad-Walzfräsmaschine 400H Series II mit NUM CNC angeboten wird, basiert die gesamte Maschine auf der Technologie zur Bewegungssteuerung von NUM. Die einzige Ausnahme ist der Werkstück-Spindelmotor (C-Achse), bei dem es sich um eine spezielle Direktantriebseinheit mit Flüssigkeitskühlung handelt, die ein Drehmoment von 560 Nm bei 110 U/Min. erzeugen kann. Zusätzlich zu einem Flexium 68 NCK (Numerical Control Kernel) – dem leistungsfähigsten Modell von NUM, das bis zu 32 vollständig interpolierte Achsen oder Spindeln steuern kann – und der zugehörigen programmierbaren Steuerung (PLC) liefert NUM die gesamten I/O-Komponenten sowie alle Antriebe und Servomotoren, die an der Maschine verwendet werden.

Tim Helle äussert sich wie folgt dazu: „Wir haben technischen Support von der NUM Corporation erhalten, um den Übergang von Axium zu Flexium CNC-Systemen erfolgreich zu bewältigen. Dadurch konnten wir bereits mit dem Einsatz dieser CNC-Plattform in unserem Angebot an Zahnrad-Walzfräsmaschinen beginnen. Längerfristig beabsichtigen wir, die NUM Flexium CNC-Technologie für alle unseren neuen Zahnrad-Walzfräsmaschinen anzubieten.“

Alle sieben Achsen der Zahnrad-Walzfräsmaschine einschliesslich des Werkstück-Spindelmotors werden durch Flexium 68 CNC und NUMDrive C-Servoantriebe gesteuert. Die radialen (X) und axialen (Z) Zufuhrachsen sowie die Achsen für Walzfräskopf (Y), Walzfräsneigung (A) und Reitstock (W) sind allesamt programmierbar und werden durch die Servomotoren der NUM BPH-Serie mit mittlerem Massenträgheitsmoment angetrieben. Die Kraft, die durch den Reitstock-Servoantrieb ausgeübt wird, kann im laufenden Betrieb während des Maschinenzyklus geändert werden, um die sich ändernde Masse des Teils zu berücksichtigen und das Auftreten von Nachlauffehlern zu vermeiden. Der Wälzfräser (B-Achse) wird durch einen asynchronen NUM AMS-Motor angetrieben, an dem ein Multiturn-Drehgeber mit hoher Auflösung angebracht ist, der wiederum durch einen NUMDrive C-Servoantrieb gesteuert wird. Ein weiteres NUMDrive C-Modul steuert den Werkstück-Spindelmotor mit Direktantrieb.

Aus Gründen der Einfachheit und Benutzerfreundlichkeit ist die Zahnrad-Walzfräsmaschine 400H mit einem Bedienfeld NUM FS152i mit Tastatur ausgestattet, das auf der Vorderseite der Maschine auf einem ergonomischen Schwingarm angebracht wurde. Auf der Bedientafel wird ein 15-Zoll-Touchscreen mit einem Industrie-PC kombiniert, auf dem das Betriebssystem Windows Embedded ausgeführt wird. Der PC verfügt über eine SSD und einen Dual-Core-Prozessor, um eine schnell ansprechende Mensch-Maschine-Schnittstelle zu ermöglichen. Eine Reihe von Maschinenfunktionen wie positiver/negativer Versatz und manuelles Übersteuern der Geschwindigkeit von ausgewählten Achsen sowie die Notfall-Ausschaltung können auch per Fernbedienung mithilfe eines tragbaren und über Kabel verbundenen Handrads gesteuert werden.

Die Maschine verwendet die kompletten Fähigkeiten des vierachsigen elektronischen Getriebes von NUMgear, der verbreiteten Lösung für das Walzfräsen von NUM, um dadurch die Produktion von komplexen Zahnradteilen zu beschleunigen. In Verbindung mit den integrierten Hochgeschwindigkeits-Synchronisationseinrichtungen ermöglicht dies die Anpassung der axialen und radialen Zufuhr und der Wälzfräskopf-Shiftachse an die Werkstückspindel. Die Verwendung des elektronischen Getriebes erfolgt vollständig automatisch. Der Maschinenbediener muss lediglich die grundlegenden Daten für die Zahnradherstellung wie die Anzahl der Zähne und der Gänge des Fräsers sowie das Zahnradmodul – die 400H unterstützt ein Zahnradmodul von 6,4 – und den Steigungswinkel eingeben, um eine spezifische elektronische Verzahnungsfunktion zu definieren und zu aktivieren.

Auf das Management des Werkzeugverschleisses wurde besonderer Wert gelegt. Die Software überwacht kontinuierlich den Zustand des Wälzfräswerkzeugs und verwendet eine vorprogrammierte tangentiale Wälzfräs-Schaltsequenz, um sicherzustellen, dass während der Zahnradproduktion stets eine effiziente Schneidekante eingekuppelt ist. Dabei handelt es sich um einen komplett automatischen Prozess, der sogar während eines Maschinenzyklus aufgerufen werden kann. Ausserdem wird der Bediener immer darauf hingewiesen, wenn es an der Zeit ist, die Wälzfräse zu überprüfen oder zu ersetzen. Unbeschädigte Walzfräsen können viele Male neu geschliffen oder beschichtet werden, bevor sie endgültig abgenutzt sind, was einen wichtigen Beitrag zur Minimierung der Werkzeugkosten leistet. Die Synchronisation des Walzfräskopfs wird während des gesamten Schaltprozesses beibehalten, um die Häufigkeit des Auskuppelns und erneuten Einkuppelns zu minimieren und Schäden an Werkzeug oder Werkstück zu vermeiden.

Bourn & Koch nutzt auch die Funktion der Software zur kontaktfreien automatischen Ausrichtung, um den Durchsatz durch die 400H zu verbessern. Dies erfolgt durch die automatische Synchronisation eines Werkstücks, an dem bereits Zähne vorhanden sind, mit den Bohrgewinden der Schneidevorrichtung an der Wälzfräse. Dies wird in erster Linie für Zahnräder verwendet, die neu geschnitten werden, oder für das erneute Walzfräsen (oder Walzschälen) von Schräg- oder Geradstirnrädern nach der Wärmebehandlung, um Verwindungsfehler zu verringern.

Steven Schilling, Geschäftsführer der NUM Corporation in Naperville, Illinois (USA), bringt es auf den Punkt: „Bourn & Koch ist ein wichtiger Geschäftspartner und einer der Kunden, die wir am meisten schätzen. Das Unternehmen verfügt über eine grosse Kundenbasis mit Maschinen, die mit den CNC-Systemen von NUM ausgestattet sind. Für viele dieser Kunden ist wiederum Benutzerfreundlichkeit ein zentrales Unterscheidungsmerkmal bei Maschinenwerkzeugen. Die Entscheidung des Unternehmens, Flexium als CNC-Plattform für alle NUM-basierten Angebote zu übernehmen, ist sowohl in technischer als auch wirtschaftlicher Hinsicht eine bemerkenswerte Auszeichnung. Wir erhöhen gerade den Umfang der fundierten Produktschulungen für die Teams, die für technische Entwicklung, Inbetriebnahme der Maschine und Kundensupport zuständig sind, um diese Initiative zu unterstützen.“