VMCs: Wie viele Achsen brauchen Sie wirklich?

Sep 21, 2023

Das dreiachsige vertikale Bearbeitungszentrum (VMC) ist seit langem die Werkzeugmaschine der Wahl für viele kleine und mittlere Betriebe. Ihre Verwendung ist allgemein bekannt. Im Vergleich zu komplexeren Maschinen ist es einfacher, Bediener für dreiachsige Maschinen zu finden. Auch Programmierung, Einrichtung und Wartung sind einfacher. Das Beste von allem für Geschäfte mit knappen Kassen ist vielleicht die Tatsache, dass qualitativ hochwertige, relativ erschwingliche VMC-Fräsen mit drei Achsen im Überfluss vorhanden sind, weitaus mehr als ihre horizontalen und fünfachsigen Cousins.

Angesichts der zunehmenden Beliebtheit von Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren scheint es jedoch so, als würden sie in vielen Betrieben bald zum neuen Arbeitstier werden. Denn wer möchte sich schon mit dem Fräsen und Bohren der Oberseite eines Werkstücks zufrieden geben, wenn Hersteller mit fünf Achsen die Bearbeitung aller Werkstücke bis auf die untere Auflagefläche ermöglichen? Warum nicht nach Möglichkeit Mehrfachoperationen und die damit verbundene Investition in die Werkstückaufspannung vermeiden? Und warum nicht Durchlaufzeiten und Work-in-Progress (WIP) verkürzen und gleichzeitig die Rentabilität steigern?

Das sind alles ausgezeichnete Fragen. Rechnet man das einmal durch, rechnet man dann noch die größere Benutzerfreundlichkeit und die sinkenden Kosten von Fünf-Achsen-Werkzeugmaschinen hinzu, dann bleibt den Herstellern eine weitere Frage: Geht die Drei-Achsen-VMC den Weg zu mechanischen Spindelmaschinen und handgeschliffenen Werkzeugbits? Das ist unwahrscheinlich.

Selbst der leidenschaftlichste Fünf-Achsen-Fan wird zugeben, dass dreiachsige CNC-Fräsmaschinen ihre Berechtigung haben, und obwohl die beiden möglicherweise denselben Thron teilen müssen, wird keiner von beiden so schnell von diesem Thron gestürzt. Einer dieser Fans ist Michael Cope, Produkttechnikspezialist bei Hurco Companies Inc., Indianapolis mit Sitz in Indianapolis, der sogar die Kühnheit hatte, ein Buch zu diesem Thema zu schreiben. „Die Vorteile von Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren liegen auf der Hand, und es wäre eine gute Entscheidung, in jeder Werkstatt ein solches zu installieren, aber auch Drei-Achsen-Maschinen haben einige Vorteile“, sagte er.

Cope stellte fest, dass viele fünfachsige Maschinenkonfigurationen kleinere Tische haben, typischerweise runde „Platten“, die die Größe des Werkstücks sowie die Menge, die in einem Bearbeitungszyklus produziert werden kann, begrenzen. Dies macht auch den Liebling der meisten Fräsabteilungen – den 6-Zoll-Maschinistenschraubstock – unwillkommen, ganz zu schweigen davon, dass zwei oder mehr davon auf einem typischen 20 x 40 Zoll (508 x 1.016 mm) VMC zu finden sind. Die Kehrseite davon ist, dass die fünfachsige Werkstückspannung mittlerweile leicht verfügbar ist und die Abkehr von der Schraubstock-Mentalität des Maschinisten die Werkstätten dazu zwingt, neue Möglichkeiten zum Halten von Teilen zu prüfen, was zu kreativen Ansätzen bei der Werkstückbefestigung führt.

Die Fünf-Achsen-Technik inspiriert auch zu kreativeren und produktiveren Methoden zur Bearbeitung dieser Werkstücke. Dies gilt insbesondere für den Formenbau, sagte Cope, wo die Möglichkeit, die Spindel beim Fräsen tiefer Hohlräume zu neigen, den Einsatz kürzerer Werkzeuge und Kreissegmentfräser, auch Trommelfräser genannt, ermöglicht. Dies führt wiederum zu einem stabileren Aufbau mit schnelleren Vorschubgeschwindigkeiten, tieferen Schnitten, längerer Werkzeugstandzeit, weniger Rattern und weniger Problemen mit der Oberflächengüte und der Teilegenauigkeit, die durch die langen, dünnen Werkzeuge entstehen, die bei dreiachsigen CNC-Fräsmaschinen erforderlich sind.

Ähnliche Vorteile gelten für diejenigen, die nicht im Formenbau tätig sind. „Traditionelle Lohnfertiger beginnen, sich von dreiachsigen Maschinen zu entfernen, nicht so sehr wegen der Teilekomplexität, sondern weil sie die Werkstatteffizienz und den Durchsatz steigern müssen“, sagte Cope. „Sie haben begonnen zu erkennen, dass sie mit einer Fünf-Achsen-Maschine die Rüstzeiten reduzieren und möglicherweise die Teilegenauigkeit erhöhen können, da mehrere Seiten in einem einzigen Arbeitsgang bearbeitet werden können. Mit der Axis-Maschine können sie nach Aufträgen suchen und diese anbieten, die sie sonst nicht fertigen könnten. Dadurch erhöht sich das Wachstumspotenzial ihrer Werkstatt.“

Cope behauptet jedoch, dass die anfänglichen höheren Kosten eines fünfachsigen VMC für viele kleinere Betriebe oder solche, die gerade erst anfangen, ein Hingucker sind. Hinzu kommt die Tatsache, dass einige Teile einfach nicht auf den kleineren Tisch einer Fünf-Achsen-Maschine passen oder dass es keinen Sinn macht, einen solchen für einfache „Ein paar Löcher bohren“-Arbeiten und sekundäre Operationen zu verwenden, und Dies führt zu einer unausweichlichen Schlussfolgerung: Herkömmliche dreiachsige VMCs werden nicht so schnell verschwinden.

Mike Kerscher, Technik- und Anwendungsspezialist bei Mazak Corp., Florence, Kentucky, stimmte zu. „Dreiachsige Vertikalmaschinen bleiben für die meisten Hersteller das A und O, insbesondere für Lohnfertiger und solche, die eine große Vielfalt an Teilen bearbeiten“, sagte er. „Und selbst bei hochvolumigen Anwendungen ist es oft sinnvoller, eine zellulare oder automatisierte Konfiguration einzubauen. Aus diesem Grund sind fünfachsige Maschinen – obwohl sie immer beliebter werden – bei den Werkzeugmaschinenverkäufen immer noch in der Minderheit.“

Ein Großteil davon sei auf die größere Vertrautheit der Branche mit dreiachsigen Fräsmaschinen zurückzuführen, fügte Kerscher hinzu. Für diejenigen von uns, die ihre Karriere in der Zerspanung damit begonnen haben, die Griffe einer manuellen Kniefräse zu betätigen, ist der Sprung zu ihrem CNC-Gegenstück ein einfacher Schritt. „Sie sind einfacher zu programmieren und zu bedienen, was angesichts des aktuellen Fachkräftemangels sehr wichtig ist“, sagte er. „Sie können sich eine Zeichnung ansehen und sich vorstellen, wie das Teil auf dem Tisch liegen wird, wobei sich die Z-Achse auf und ab bewegt und der Fräser um das Werkstück herum und darüber fährt. Allein dieser Faktor erleichtert die Arbeit an [a Dreiachsmaschine].“

Vergleichen Sie dieses Szenario mit der Fünf-Achsen-Bearbeitung, bei der der Bediener mit zwei Drehachsen und drei Linearachsen konfrontiert ist. Hier können eine Nichtübereinstimmung zwischen zwei sich schneidenden Löchern, eine tatsächliche Position, die leicht aus dem Gleichgewicht geraten ist, und zwei senkrechte Flächen, die nicht ganz rechtwinklig sind, verwirrende Ereignisse sein, die nur ein erfahrener Maschinist, Programmierer oder Servicetechniker beheben kann.

„Jemand, der eine dreiachsige Vertikalmaschine einrichtet, verwendet möglicherweise einen Wiggler oder einen Kantentaster, um die Position des Werkstücks zu ermitteln“, sagte Kerscher. „Auf einer Fünf-Achsen-Maschine benötigen sie höchstwahrscheinlich einen Messtaster und möglicherweise eines dieser Kugelmessgeräte von Renishaw oder einem anderen Anbieter, um die Drehachsen zu bestimmen. Das heißt nicht, dass es furchtbar schwierig ist, aber es ist so.“ definitiv eine Weiterentwicklung der Fähigkeiten, die bei der Investition in eine neue Maschine oder der Einstellung eines Bedieners berücksichtigt werden sollte.“

Die gute Nachricht ist, dass die Bedienung von Fünf-Achsen-Bearbeitungszentren immer einfacher wird. Das sagt Errol Burrell, Produktspezialist für Maschinenzentren bei Okuma America Corp., Charlotte, North Carolina, der auf 25 Jahre Erfahrung im Fünf-Achsen-Bereich zurückblicken kann. Er sagte, dass CAM-Systeme nicht nur „Fünf-freundlicher“ geworden seien, sondern dass Werkzeugmaschinenhersteller auch automatische Kalibrierungssysteme eingeführt hätten, die einen Großteil der zuvor beschriebenen Rätselraten überflüssig machten.

„Als ich zum ersten Mal mit Fünf-Achsen-Maschinen in Kontakt kam, brauchte man praktisch einen Abschluss vom MIT, um eine solche einzurichten“, sagte er. „Sie mussten die Position der Drehdrehpunkte und der konstanten Oberfläche, die Ihr Tisch darstellt, sowie die Spindelteilungslinie, die Werkzeuglängen kennen und all diese Werte mussten bei der Erstellung des Programms berücksichtigt werden. Das ist nicht der Fall.“ Dies ist jetzt der Fall mit der Erfindung dessen, was Okuma Tool Center Point Control oder TCPC nennt.

Burrell erklärte, dass jeder Maschinenbauer seine eigene Version von TCPC hat, aber alle machen das Gleiche – sie erleichtern die Bestimmung des Rotationszentrums des Teils. Die meisten bieten auch ähnliche Funktionen wie Okumas dynamischen Vorrichtungsversatz, Fünf-Achsen-Autotuning, Haltungskontrolle und mehr, die alle den Aufwand der Fünf-Achsen-Steuerung verringern. „Wir kümmern uns nicht mehr um all die Dinge, mit denen wir uns befassen mussten, weil alles automatisch im Hintergrund berechnet wird, entweder in der Maschinensteuerung oder im CAM-System. Es ist viel einfacher als früher.“

Für die 5-Achs-Bearbeitung ist die Investition in eine neue Werkzeugmaschine keine Voraussetzung. Burrell und mehrere andere, die für diesen Artikel befragt wurden, stellten fest, dass viele Betriebe zunächst einen Drehtisch für die Vier-Achsen-Bearbeitung oder einen Schwenkdrehtisch im Drehzapfen-Stil für die 3+2- und Fünf-Achsen-Simultanbearbeitung kaufen. Und obwohl dies für einige Anwendungen eine gute Lösung ist, weist sie doch einige Einschränkungen auf.

Das erste ist, dass alle oben erwähnten Fünf-Achsen-Feinheiten auf einem Drei-Achsen-VMC nicht vorhanden sind. Und auch wenn der Bediener aufgrund ihres Fehlens möglicherweise nicht über die MIT-Ausbildung von Burrells Anfängen verfügen muss, wird das Einrichten und die Fehlersuche ohne sie schwieriger, und zwar so sehr, dass es unwahrscheinlich ist, mit einer echten Fünf-Achsen-Werkstatt zu konkurrieren.

Die zweite ist die Werkzeuglänge. Angesichts der Tatsache, dass ein typischer Drehtisch eine Höhe von 14 Zoll (35,56 cm) oder mehr haben kann, werden die etwa 20 Zoll (50,8 cm) des Z-Achsen-Verfahrwegs, der bei vielen Vertikalmühlen üblich ist, schnell aufgebraucht. Einfach ausgedrückt ist die Installation eines Kipp-Drehtisches auf den meisten VMCs so, als würde man einen Fischfinder und einen Trolling-Motor in einen alten Crestliner einbauen – Sie fangen vielleicht ein paar Fische, aber es wird nie der Bass Cat sein, auf den Sie gehofft haben. „Drehtische und Drehzapfen sind begrenzt, aber wenn Sie nicht über das nötige Geld verfügen oder Ihre Anforderungen minimal sind, ist dies dennoch eine gute Möglichkeit, in die Vier- und Fünf-Achsen-Bearbeitung einzusteigen.“

Thomas Saur, Vizepräsident für FANUC America-Produkte bei Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., meinte, dass die Umstellung von der Drei- auf die Vier- oder Fünf-Achsen-Bearbeitung wie eine Flut sei, die an Land rollt, und fügte hinzu, dass viele von ihm Kunden investieren in einem Jahr in eines der dreiachsigen RoboDrill-Bearbeitungszentren von FANUC und fügen im nächsten Jahr einen vier- oder fünfachsigen Tisch hinzu. Und da die Maschinen für einen solchen Übergang konzipiert sind, gelten die eben genannten Einschränkungen nicht. Darüber hinaus ergänzen diese Kunden häufig gleichzeitig eine der Automatisierungslösungen des Unternehmens.

Unabhängig von der Marke oder dem Modell der Werkzeugmaschine stimmt Saur jedoch zu, dass die Fünf-Achsen-Bearbeitung größere Investitionen in Technologie und Personal erfordert. „Man braucht unbedingt qualifizierte Leute“, sagte er. „Sie benötigen das richtige Programmiersystem, die richtige Werkstückaufspannung und das richtige Maschinenzubehör, und Sie sollten wahrscheinlich über eine Software zur Simulation des Werkzeugwegs verfügen, da die Fünf-Achsen-Achse ein größeres Absturzrisiko aufweist. Aber wenn Sie all diese Dinge richtig machen, ist das eine großartige Möglichkeit.“ Reduzieren Sie den WIP, verbessern Sie die Teilequalität und öffnen Sie die Tür zu neuen Möglichkeiten.“

Saur erzählte die Geschichte von Command Technology, einem Unternehmen in Maryland, das eine solche Investition getätigt hat. Durch die Installation eines Roboters, der Paletten und Werkzeughalter wechseln kann, kann die Werkstatt nun bis zu 60 eindeutige Teilenummern unbeaufsichtigt verarbeiten, selbst solche, die für das Unternehmen neu sind. „Diese Jungs gehören zu den Besten der Branche, aber es zeigt, was möglich ist“, sagte er. „Sie vertrauen der Maschine, sie vertrauen dem Programmiersystem und sie vertrauen den Menschen. Dadurch können sie sie am Freitagnachmittag mit Rohlingen beladen und am Montag mit den fertigen Teilen zurückkommen. Das ist ein Beispiel, dem viele Werkstätten folgen sollten.“

Tony Pekalski, Präsident von YCM Technology (USA) Inc. mit Sitz in Carson, Kalifornien, sagte, dass der Erfolg eines Fünf-Achsen-VMC von mehreren Faktoren abhängt, von denen viele bereits aufgeführt sind. Dazu gehören das Qualifikationsniveau des Bedieners, der Umfang und die Art der für die Maschine verfügbaren Arbeiten, Genauigkeitsanforderungen und mehr. Ganz oben auf dieser Liste steht jedoch die Menge an Material, die vom Werkstück entfernt werden muss.

„Für die Zerspanung großer Mengen ist eine dreiachsige Vertikalbearbeitung oft die bessere Wahl, da man mit einem Zapfenfräser im Allgemeinen nicht die gleichen Vorschübe und Schnitttiefen erzielen kann“, sagte er. „Auf der anderen Seite sind Sie aus Genauigkeitsgründen immer besser dran, wenn Sie so viel wie möglich in einem einzigen Arbeitsgang bearbeiten können, was Fünf-Achsen-Maschinen offensichtlich besser können. Diese Variablen sind der Grund, warum es für jede Werkstatt wichtig ist, mit uns zusammenzuarbeiten mit jemandem, der sich mit allen Arten von Werkzeugmaschinen auskennt, bevor Sie in eine investieren.“

Pekalski führte diese Aussage weiter aus und schlug vor, dass ein guter Lieferant nicht nur die verschiedenen Anwendungen für drei-, vier- oder fünfachsige Werkzeugmaschinen verstehen sollte, sondern auch die unterschiedlichen Designs, die in den einzelnen Werkzeugmaschinen verfügbar sind. YCM bietet beispielsweise fünf verschiedene Arten von Fünf-Achsen-Maschinen an. Dazu gehören C-Rahmen-, Brücken-, Stößel- und Portalmühlen, die jeweils mit einem Drehzapfen ausgestattet sind, sowie Doppelständer- und Portalmühlen mit zweiachsigen Köpfen. Ein horizontales Bearbeitungszentrum im Zapfenstil ist in Planung.

Ist es wichtig? Ja, sagte Pekalski. „Luft- und Raumfahrt, Automobil, Medizin, Energie, Schwermaschinen – es gibt so viele verschiedene Marktsegmente mit jeweils einer großen Vielfalt an Teilen und Materialien, dass es unmöglich ist, einen Maschinentyp zu haben, der für jedes einzelne gut geeignet ist. Deshalb sind wir.“ über ein so vielfältiges Angebot verfügen, um in jedem dieser Märkte wettbewerbsfähig zu sein.“

Es ist wichtig zu beachten, dass andere Hersteller aus ähnlichen Gründen über eine ähnliche Werkzeugvielfalt verfügen. Es liegt an den Käufern solcher Geräte, sich durch die endlosen Spezifikationen, Zeitstudien, Schnittdemonstrationen und klugen Ratschläge von Verkäufern zu kämpfen, um zu entscheiden, welche Maschine ihren Anforderungen am besten entspricht. Eines sind sich Pekalski und seine Kollegen einig: Die meisten Werkstätten benötigen Werkzeugmaschinen verschiedener Stile und sogar Marken, um wettbewerbsfähig zu bleiben.

„Es gibt keine Einheitslösung, egal wer man ist“, sagte er. „Aus den Gründen, die ich zuvor genannt habe, werden einige Werkstätten auf einer großen, robusten Fünf-Achsen-Maschine schruppen und auf einer kleineren fertigen. Viele von ihnen verwenden Fünf-Achsen für 3+2-Arbeiten, was bedeutet, dass sie dies können.“ Legen Sie die gleiche Arbeit bei Bedarf auf eine dreiachsige Fräsmaschine. Andere sind völlig zufrieden mit einer ganzen Reihe dreiachsiger Maschinen, während die meisten wahrscheinlich beide verwenden können, auch wenn sie diese Entscheidung noch nicht getroffen haben. Es ist unsere Entscheidung Wir arbeiten als Maschinenbauer daran, unsere Kunden zu schulen, ihnen hochwertige Geräte und Automatisierungsmöglichkeiten zur Verfügung zu stellen und sie dann so lange zu unterstützen, wie sie uns brauchen.“

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