18-19-20-23-24_Compleetbewerken 14-05-12 11:16 Pagina 18 DOOR: KRIST MIELNIK (SIRRIS) Compleetbewerken op draaifreescentra (deel 3) De LT 2000 EX van Okuma is een mooi voorbeeld van een eigentijds draaicentrum voor compleetbewerken. Deze machine is getoond tijdens de Techni-Show 2012 in Utrecht. Het is een machine met hoofd- en tegenspil en drie revolvers (twee boven- en één onderrevolver). Alle drie revolvers hebben een CNC-gestuurde X-, Y- en Z-as, beide spillen hebben een C-as, bovendien heeft de tegenspil (rechts) ook nog een W-as. Okuma heeft deze machine dit voorjaar ook gedemonstreerd in Krefeld (D) bij het compleetbewerken van een 60 mm lange naaf van het materiaal AlCuMgPb. Met de drie revolvers werd dit werkstuk verspaand in 8 min (foto s: Klaus Hennecke en Reinold Tomberg) Dit derde artikel over compleetbewerken op draaifreescentra gaat dieper in op haalbare nauwkeurigheden. Ook delen de projectingenieurs van Sirris in dit deel hun ervaringen met een geïntegreerd meetsysteem met meetprobe. Een trend is het opnemen van tactiele meettasters in de gereedschapshouder van de machine. Bedrijven gebruiken deze tasters voornamelijk om het werkstuknulpunt vast te leggen en in sommige gevallen om de oriëntatie van het werkstuk op te meten. 18 jaargang 50 www.metaalmagazine.nl 5-2012
18-19-20-23-24_Compleetbewerken 14-05-12 11:16 Pagina 19 M E T A A L B E W E R K E N De machinenauwkeurigheid kan opgedeeld worden in de statische nauwkeurigheid (meestal in koude toestand) en de bewerkingsnauwkeurigheid (nauwkeurigheid tijdens belasting). Voor de controle van de statische nauwkeurigheid worden veelal directe meetprocedures aangewend (volgens opgelegde norm), voor de verificatie van de bewerkingsnauwkeurigheid voornamelijk proefwerkstukken die, nadat ze verspaand zijn, worden opgemeten. Dit wordt ook wel een indirecte meting genoemd. Directe metingen vereisen dure meetapparatuur en worden daarom meestal uitgevoerd door gespecialiseerde bedrijven. Voor een draaifreescentrum nemen ze gemiddeld twee tot drie werkdagen in beslag. Belangrijk daarbij is ook dat er tijdens deze metingen iemand aanwezig is die de relevante compensatietabellen in de besturing weet in te voeren. Verder is het ook aanbevolen om directe metingen te laten uitvoeren onmiddellijk na de installatie van de machine en even voor het verstrijken van de garantieperiode. Bij directe metingen wordt verder nog een onderscheid gemaakt tussen de machinegeometrie en de positioneeren repeteernauwkeurigheid. Voor het nameten van de machinegeometrie wordt meestal de internationaal gangbare norm ISO 230-1 gevolgd. Zaken die worden opgemeten zijn ondermeer parallelliteit, haaksheid, coaxialiteit en rondloopnauwkeurigheid voor de relevante assen. De positioneer- en repeteernauwkeurigheid van lineaire bewegingsassen en de hoekinstelnauwkeurigheid van roterende assen wordt veelal gemeten volgens de norm ISO 230-2. Indien er uit de metingen ontoelaatbare afwijkingen aan het licht komen, dan volstaan bijsturingen in de overeenkomstige compensatietabel. Indirecte metingen met proefwerkstukken nemen normaal gezien minder tijd in beslag dan directe metingen. De bedoeling is dat het verspanen van een proefwerkstuk de normale machineactiviteiten slechts minimaal verstoort. Het voordeel van een proefwerkstuk is ook dat de machinegebruiker ze volledig zelfstandig kan uitvoeren. Bovendien kan het proefwerkstuk op geregelde tijdstippen (bijvoorbeeld één keer per maand) opnieuw worden verspaand. In functie van de eventuele fouten die men wenst te detecteren kan één proefwerkstuk volstaan of dient men nog een tweede stuk met een andere geometrieopbouw te verspanen. In een kader bij dit artikel een voorbeeld van een proefwerkstuk. FAQ s draaifreescentra in vier delen Sirris (www.sirris.be) heeft FAQ s (Frequently Asked Questions) over compleetbewerken op draaifreescentra gepubliceerd in vier delen: de mogelijkheden en beperkingen van compleetbewerking op een draaifreescentrum (deel 1); programmering van een draaifreescentrum (deel2); geïntegreerd meten op een draaifreescentrum (deel 3); en Deel 4, draaifreescentrum of vijfassige freesmachine? In dit nummer deel 3. Het laatste deel verschijnt in een van de komende nummers van Metaal Magazine. Een trend bij het compleetbewerken is het opnemen van meettasters in de machine. Een goede repeteerbaarheid is haalbaar (foto: DMG) Nauwkeurigheid en fout FN 905). De repeteerbaarheid van de tasterherlocatie bleek dus opmerkelijk klein te zijn. Dit is Sirris testte ook de repeteernauwkeurigheid en tasterfout van tactiele meettasters op een compleetbewerkingsmachine. De evaluatie van de heid van de Capto C6-gereedschapsopname. In mede te danken aan de goede repeteerbaar- conditie van het meetsysteem gebeurde via een vergelijking met probemetingen door een 3Dcoördinatenmeetmachine is de repeteernauw- aantal meetprocedures beschreven in ISO/CD 230-10.2. Uit experimenten is gebleken dat de keurigheid een factor twee minder nauwkeurig, repeteerbaarheid van het geïntegreerd meetsysteem van een grootteorde van 2 micrometer sing op een verspanende machine. Conventio- wat nog steeds ruim voldoende is voor toepas- is (wat zeer goed is). Ter vergelijking: de repeteerbaarheid is slechts dubbel zo groot in vergeafhankelijke schakelafstand (de afstand die vernele schakeltasters hebben steeds een richtingslijking met analoge testen die zijn uitgevoerd loopt tussen eerste contact met werkstuk en detectie van het contact door de taster). Dit op een 3D-coördinatenmeetmachine (Mitutoyo is Indirecte metingen nemen minder tijd in beslag >>> jaargang 50 www.metaalmagazine.nl 5-2012 19
18-19-20-23-24_Compleetbewerken 14-05-12 11:16 Pagina 20 Meerdere keren inzetbaar proefwerkstuk Een van de proefwerkstukken in het onderzoek van Sirris is een kubusvormig product (met afgeknotte hoeken) dat op de hoofdspil of op de subspil volledig kan worden afgewerkt. Elk hoofdvlak is op identieke wijze opgebouwd: acht sleuven (om de 45 ), een centraal gat en aan de buitenzijde een dieper gelegen vlak. In de driehoekige vlakken bevinden zich drie sleuven (verdraaiing over 120 ). Aangezien een draaifreescentrum standaard is uitgerust met een klauwplaat is het uitgangsmateriaal gemakshalve cilindervormig. Typische fouten die we met dit proefwerkstuk wensen op te sporen zijn: - uitlijnfouten tussen de freesspil en de draaispil; - afwijkingen op de gereedschapslengte en -diameter (sleufbreedtes, sleufdieptes, gatdiameters); en - afwijkingen ten gevolge van oriëntatiefouten van de freesspil (verschildieptes, vlakken). Mits de nodige machineknowhow van de operator, kunnen deze fouten zonder hulp van de machinefabrikant worden gecompenseerd. De hoofdvlakken en driehoekige vlakken worden met een vlakfrees bewerkt. De sleuven en centrale gaten met een pocketfrees. Enkel de dieper gelegen vlakken aan de buitenzijde van elk hoofdvlak ondergaan twee bewerkingen: een vlakfreesoperatie aan de binnenzijde en een contourfreesoperatie aan de buitenzijde, telkens met dezelfde spiebaanfrees. Bij de contourfreesoperatie is de spiebaanfrees tevens anders georiënteerd. Omdat het centraal gat in het kopvlak als referentie voor de metingen op de 3Dcoördinatenmeetmachine wordt genomen en dus zo nauwkeurig mogelijk dient te zijn (o.m. rondheid), wordt dit gat het best gedraaid in plaats van gecontourfreesd. Groot voordeel van dit proefwerkstuk is dat het meerdere keren opnieuw kan worden ingezet. Enkel een bijstelling van de lengte van de vlakfrees en diameter en lengte van de spiebaanfrees volstaan om het afnamestuk meerdere keren opnieuw te verspanen. Het kubusvormige proefwerkstuk van Sirris voor compleetbewerken (foto: Sirris) inherent aan hun werkingsprincipe. Deze tasterfout kan een belangrijke invloed hebben op de meetresultaten. Ook werd de uitlijnfout tussen de freesspil (die de taster opneemt) en hoofdspil bepaald. In de X-richting werd een verschuiving van 1,6 micrometer genoteerd, in de Y-richting een verschuiving van 8,4 micrometer. De globale verschuiving of uitlijningsfout bedroeg 8,6 micrometerkelijk van het werkstukmateriaal en de gereedschapsdiameter, ronddraaien met verschillende toerentallen en dit gedurende variabele tijden. Als gevolg hiervan zal de freesspil dus meer of minder opwarmen. In ISO 230-3 zijn procedures uitgewerkt die de temperatuursinvloed van de omgeving, roterende assen en lineaire aandrijvingen en/of geleidingen analyseren. Via de voorgeschreven procedures is men in staat de verplaatsing van het gereedschapsassenstelsel Temperatuur Temperatuursinvloeden oefenen een effect uit op de meetnauwkeurigheid van een geïntegreerde meettaster als gevolg van machinevervormingen. In het gevoerde onderzoek hebben de projectingenieurs van Sirris zich beperkt tot het opmeten van de fouten die in direct verband staan met warmte afkomstig van een roterende freesspil, waarin dan ook een meettaster wordt opgenomen. Een freesspil zal, afhan- onder invloed van temperatuurvariaties eenduidig te bepalen. Dit houdt in dat de verschuivingen van het gereedschapsassenstelsel in drie onafhankelijke, loodrecht op elkaar staande richtingen (X - Y - Z), naast de oriëntatie worden opgemeten. Voor deze test heeft men zich beperkt tot de translaties van de spilneus. De invloed van de temperatuur op de verschuiving van de freesspilneus (waarin de meettaster opgenomen wordt) wordt in beeld gebracht aan de hand van een indirecte meting. Deze indirecte meting heeft als doel te achterhalen hoe de drift op de freesspilneus zich manifesteert op de meetdata. Hiertoe wordt de binnendiameter van een inwendig draaistuk met de geïntegreerde meettaster opgemeten via een gefixeerde C-as. Deze set van vier éénpuntsmetingen wordt in totaal vijf keer uitgevoerd. Na elke set van 5 x 4 meetpunten wordt de meettaster gedurende een vooraf gedefinieerde periode via de automatische gereedschapswisselaar in het gereedschappenmagazijn opgeborgen en komt er een gereedschapshouder zonder gereedschap in de plaats. Vervolgens wordt een opwarm- of afkoelcyclus uitgevoerd, waarbij de lege gereedschapshouder aan een vooraf gedefinieerd toerental (respectievelijk 3.000 min -1, 6.000 min -1, 9.000 min -1 en 12.000 min -1 ), gedurende A minuten onbelast zal ronddraaien en gedurende B minuten zal blijven stilstaan (afkoelperiode). De test is uitgevoerd voor een korte cyclus (opwarmcyclus A = 15 min, afkoelcyclus B = 10 min) en een lange cyclus (opwarmcyclus A = 30 min, afkoelcyclus B = 20 min). Na elke belasting- en afkoelcyclus wordt de binnendiameter dan opnieuw vijf maal opgemeten met vier eenpuntsmetingen. Uit de metingen blijkt dat de drift in de Z-richting domineert, terwijl dit voor de X- en Y-richting beperkt blijft. Dit komt doordat de freesspil vooral uitzet in de langsrichting. De methode met gefixeerde C-as, waarbij een geometrie wordt opgemeten door de meetprobe op verschillende XY-posities het product te laten aantoetsen, lijkt in het XY-vlak dus thermisch stabiel te zijn. De mogelijke drift die aanwezig is, zal zichzelf volledig of gedeeltelijk opheffen (door de tegengestelde meetrichting). Het opmeten van bijvoorbeeld een gat zal steeds goede diameters als resultaat opleveren. In productie zal deze opheffing minder vaak voorkomen, omdat een geometrie voornamelijk via éénpuntsmetingen zal worden opgemeten, nadat de C-as het product eerst naar de juiste oriëntatie heeft verdraaid. Een beperkte machineslag bij dit type van bewerkingsmachines ligt hier aan de basis. Deze methode van éénpuntsmetingen zal thermisch gezien dus minder stabiel zijn. Twaalf Het gebruikte draaifreescentrum tijdens het gevoerde onderzoeksproject van Sirris beschikt over een hele serie standaard meetcycli die samen met de meetprobe zijn aangekocht. Daarbij wordt een onderscheid gemaakt tussen meetcycli met de freesspil onder 0 (parallel met de hoofdspil) en de freesspil onder 90 (freesspil dwars op de hoofdspil). Elke meetcyclus is daar- 20 jaargang 50 www.metaalmagazine.nl 5-2012
18-19-20-23-24_Compleetbewerken 14-05-12 11:17 Pagina 23 M E T A A L B E W E R K E N De S242 is een mooi voorbeeld van compleetbewerken van machinebouwer Studer: in- en uitwendig rondslijpen, harddraaien en frezen op één machine. Deze machine is gedemonstreerd tijdens de AMB 2010 in Stuttgart (D). Rechts in de tegenspil een werkstuk van het materiaal 90MnV8 met een hardheid van 56-58 HRc. De drie dwarssleden van de machine dragen een grote slijpsteen voor rondslijpen, een revolver met draai-, frees- en meetgereedschap en een binnenslijpspil (foto: Reinold Tomberg) bij in feite een apart NC-programma dat zich in 90 zijn ook mogelijk. Hiervoor dienen enkel de het machinegeheugen bevindt. Typische meetcycli die standaard worden aangeboden zijn: meetcycli te worden aangepast. Tijdens het on- aanrij- en wegrijposities binnen de standaard boring/cilinder, pocket/web en single surface. derzoeksproject is de nauwkeurigheid van een Metingen onder een hoek verschillend van 0 of aantal meetcycli op indirecte wijze geanaly- Compensatieprocedure thermische drift Een belangrijke doelstelling van een geïntegreerd meetsysteem binnen een bewerkingscentrum is het gebruik van in-proces meetinformatie om de maatnauwkeurigheid van het finale werkstuk te verbeteren. Via een tussentijdse meting kan de beitellengte bijgesteld worden om aldus de werkstuknauwkeurigheid te verbeteren. Het is dan ook van belang een zo nauwkeurig mogelijke meting uit te voeren. Binnen het project compleetbewerken hebben de projectingenieurs van Sirris een compensatieprocedure uitgewerkt. Deze procedure laat toe om tijdens het meten de systematische fouten van het geïntegreerd meetsysteem, evenals fouten ten gevolge van thermische drift, in rekening te brengen. Algemeen kan worden gesteld dat de prestatie van het meetsysteem meer dan voldoende is. Afgezien van de onnauwkeurigheid van de meetcycli en de thermische drift is het mogelijk geweest een compensatieprocedure van de thermische drift van een geïntegreerd meetsysteem te ontwikkelen. seerd. Alvorens een meting met de meetprobe uit te voeren is een goede kalibratie van de meetprobe een must. De meetprobe wordt zoals een snijgereedschap opgespannen in de freesspil. Het is echter niet zeker of de centerlijn van de meetprobe gelijk ligt met de centerlijn van de freesspil. Door de meetprobe te kalibreren, zal een eventuele afwijking tussen beide centerlijnen worden verrekend. Verder zal na kalibratie ook de werkelijke diameter en uitsteeklengte van de stylus gekend zijn. Kalibreren doe je meestal bij het eerste gebruik van de meetprobe. Andere omstandigheden waarbij een kalibratie is vereist, is wanneer een nieuwe stylus wordt gemonteerd of wanneer er een botsing is opgetreden. Binnen het onderzoek is de meetprobe in eerste instantie gekalibreerd volgens de standaard kalibratieprocedure van de leverancier. Concreet betekent dit dat een vast gemonteerde keramische kogel met gekende diameter op twaalf plaatsen wordt aan- >>> jaargang 50 www.metaalmagazine.nl 5-2012 23
18-19-20-23-24_Compleetbewerken 14-05-12 11:17 Pagina 24 Tijdens de laatste EMO in Hannover gaf het Oostenrijkse Weingärtner tijdens een persconferentie uitleg over een vernieuwde compleetbewerkingsmachine uit de MPMCserie, de 1000 S. Bijzonder waren enkele noviteiten waaronder gereedschapswisseling met een robot, drieassige CNC-gestuurde brillen met actieve neerhouder en automatisch wisselend groot boorgereedschap voor holle bewerkingen. Weingärtner bouwt grote machines voor compleetbewerken (foto: Paul Quaedvlieg) getoetst (om de 30 ) met de B-as op 0 (horizontale stand). Dezelfde cyclus binnen de kalibratieprocedure wordt nog eens herhaald, maar waarbij de B-as op 90 staat (verticale stand). Voor elke aantoetsing met de meetprobe wordt er uiteindelijk een aparte kogeldiameter van de meetprobe in de besturing weggeschreven. Ervaring tijdens het onderzoeksproject heeft ons geleerd dat de meetresultaten na gebruik van de standaard kalibratieprocedures ondermaats waren (bijvoorbeeld afwijkingen van de nominale maat van meer dan 0,05 mm voor metingen met de B-as onder 90 ), en dat een aangepaste kalibratieprocedure aangewezen was. Dit kan bijvoorbeeld met een werkstuk waarin een nauwkeurige boring wordt aangebracht. De basismethode van de standaard kalibratieprocedure waarbij er voor beide freesspiloriëntaties (B0 en B90 ) een element (voorheen was dit een keramische kogel, nu de nauwkeurige boring) vanuit twaalf oriëntaties wordt aangetoetst, blijft daarbij behouden. Metingen hebben aangetoond dat de nauwkeurigheid zal verbeteren. Meetcycli Zoals eerder besproken worden meetcycli ter beschikking gesteld door de leverancier van de meetprobe. Deze worden als NC-programma s bewaard in de machinebesturing. Een goede samenwerking tussen leverancier van meetprobe en machinefabrikant is belangrijk. Ervaring leert dat de meetcycli als subprogramma s of onderprogramma s worden opgeroepen vanuit een hoofdprogramma. Binnen het onderzoeksproject werden de hoofdprogramma s vanwege het gebruiksgemak voornamelijk geprogrammeerd met de programmeermodule van de machinesturing. Bij hoofdprogramma s die naast meetprogramma s ook ISO-subprogramma s (gegenereerd door het CAM-systeem) bevatten, is extra waakzaamheid vereist om programmeerfouten te vermijden. Om meetfouten te vermijden en de productie-efficiëntie te verhogen, is het ook aangewezen om standaard meetprogramma s voor te bereiden en te bewaren. Rechtstreeks programmeren van meetcycli vanuit een CAM-systeem is ook mogelijk, maar is meestal een betaalde optie binnen het gebruikte CAM-systeem. De beschikbare meetcycli zijn allemaal opgebouwd volgens een vastgelegde syntaxis. In functie van de gekozen meetcyclus worden de meetwaarden weggeschreven in vastgelegde machinevariabelen. Deze variabelen laten de gebruiker toe om compensaties door te voeren (bijv. uitsteeklengte gereedschap). In functie van de meetcyclus heb je als gebruiker ook de mogelijkheid om bepaalde optionele parameters (bijvoorbeeld nummer van het werkstuknulpunt) dat een update vereist na de meting, het tolerantieveld van een op te meten feature uit te sturen tijdens de meetcyclus. <<< 24 jaargang 50 www.metaalmagazine.nl 5-2012