Der Sharp-E Newsletter März 2024

 

 

Egal, ob Sie viele Schneidwerkzeuge verwenden oder manchmal verzweifelt nach dem richtigen Werkzeug suchen, Sie haben wahrscheinlich schon einmal darüber nachgedacht, Ihr eigenes herzustellen. Oder zumindest Ihre verschlissenen Werkzeuge zu schärfen. Aber wie entscheiden Sie, ob das Schleifen von Werkzeugen im eigenen Haus die richtige Entscheidung ist? Mit dieser Frage sah sich GKN Aerospace Engine konfrontiert, und der leitende Fertigungsingenieur Jeremy St. Pierre führt uns durch seine Überlegungen. Außerdem gibt er unbezahlbare Ratschläge zu den besten Praktiken, wenn Sie den Schritt wagen.


Kosteneinsparungen führen zu einer Amortisation von 2 Jahren

CNC-Werkzeugschleifmaschinen und die erforderliche Zusatzausrüstung stellen eine erhebliche Investition dar. Daher beauftragte die GKN-Geschäftsführung St. Pierre mit einer Untersuchung des Werkzeugverbrauchs und einer Hochrechnung der potenziellen Einsparungen, die durch die Integration des Werkzeugschleifens ins Unternehmen erzielt werden könnten. Ein Schlüsselfaktor, erklärte St. Pierre, war die Tatsache, dass viele der Werkzeuge mehrfach nachgeschliffen werden können. Er verwies zum Beispiel auf die vielen konischen Kugelfräser, die jedes Mal auf die gewünschte Form geschliffen werden können.

Umgekehrt, so St. Pierre, sind viele dieser Werkzeuge komplex, mit ungleicher Indexierung und variablen Helixen, so dass viele externe Anbieter diese Werkzeuge nicht nachschleifen wollen, es sei denn, sie haben sie ursprünglich hergestellt. Wenn man sie also nicht selbst nachschleifen kann, ist man an ein begrenztes Angebot gebunden, was kostspielig und potenziell riskant ist.

St. Pierre stellte auch fest, dass einige der in großen Stückzahlen hergestellten Werkzeuge sehr teuer waren, weil sie in der Branche nicht zum Standard gehörten. "Anstatt eines Halbzoll-Fräsers haben wir vielleicht einen 0,485-Zoll-Fräserdurchmesser. Da es sich dabei technisch gesehen um eine Sonderanfertigung handelt, mussten wir einen Aufpreis zahlen und Werkzeuge für 12 Wochen bestellen. Und wir hatten lange Vorlaufzeiten." Durch die Berechnung der tatsächlichen Werkzeugkosten, einschließlich der Häufigkeit, mit der 70 Werkzeuge auf einmal bestellt werden mussten, um einen guten Preis zu erzielen", war St. Pierre in der Lage, ein starkes Argument für die Investition in ein noch leistungsfähigeres Werkzeugmanagement zu schaffen, als ursprünglich geplant, mit vier ANCA MX7 Linear-Werkzeugschleifmaschinen, einer ZOLLER Titan-Messmaschine und einer vollständigen Ausstattung mit Zubehör wie einer Abrichtmaschine und einer Schleppfinishmaschine. Die Amortisationszeit betrug jedoch nur zwei Jahre.

Allerdings räumt St. Pierre ein, dass GKN ein großes Unternehmen ist, das ein Vermögen für Werkzeuge ausgegeben hat, so dass es für viele Unternehmen sinnvoller ist, mit kleineren Maschinen anzufangen. Er schlug auch vor, sich die "easy wins" genau anzusehen, die Werkzeuge, die sowohl wichtig als auch machbar sind, "bevor man sagt: 'Wir können alles einführen.'" Dann kann man getrost die Schleifmaschine und das dazugehörige Zubehör angeben und sehen, ob die Zahlen stimmen.

Schnellerer Turnaround

Der Werkzeugbau von St. Pierre verbessert die Gesamteffizienz von GKN erheblich, indem er einfach die Werkzeuge liefert, die die Produktion benötigt. Und das gilt nicht nur für das Nachschleifen. "Wir verwenden die ANCA-Maschinen derzeit zum Schleifen von Werkzeugen mit einem Durchmesser von einem Achtelzoll bis hin zu einer Schnittlänge von fünfeinhalb Zoll", erklärt St. Pierre. "Wir machen viele Einzelanfertigungen und Notreparaturen... Jedes Werkzeug, das draußen hergestellt werden kann, stellen wir jetzt her. Wir stellen Verbundwerkstoff-Werkzeuge, Werkzeuge für spezielle Materialien, Werkzeuge für Kunststoff, Holz... her, was immer wir brauchen." Die Vorlaufzeiten für kundenspezifische Werkzeuge betragen nur einen Tag bis maximal 2 Wochen, fügt er hinzu. "Und wenn Sie nur ein einziges wollen, machen wir Ihnen eins."

Konstruktionsverbesserung zur Verbesserung der Bearbeitung

Man könnte meinen, dass eine hauseigene Schleiferei keine besseren Schneidwerkzeuge herstellen kann als die spezialisierten Hersteller. Aber dank der Konzentration auf GKN und der Experimentierfreudigkeit von St. Pierre hat das Team tatsächlich "eine ganze Reihe von Werkzeugen anderer sehr bekannter Werkzeughersteller geschlagen", so St. Pierre. "Nicht, dass das unsere Absicht wäre. Wir sind nur in der Lage, uns wirklich auf unseren Betrieb und unsere Produkte zu konzentrieren und ein Werkzeug für diese Produktionsumgebung anzupassen. Wir haben die Möglichkeit, Werkzeuge nur für uns zu optimieren."

St. Pierre fasst seine Herangehensweise so zusammen: "Wir probieren Dinge aus, bis sie kaputt gehen, und nehmen sie dann zurück, um das beste Werkzeug herzustellen." Sie probieren die Werkzeuge im angeschlossenen GKN-Werk aus, wenn dort Maschinen stillstehen, oder schicken sie an ihren schwedischen Standort, wo sie eine eigene Testmaschine haben und sofortiges Feedback geben können. Sie geben auch Musterwerkzeuge an Unternehmen weiter, mit denen sie im Laufe der Jahre zusammengearbeitet haben, und bitten sie um ihre Meinung.

St. Pierre dankt auch ANCA (mit Sitz in Wixom, MI) für die Unterstützung bei der Bewältigung einiger seiner Herausforderungen bei der Werkzeugkonstruktion. "Ich fahre ein paar Mal im Jahr nach Michigan, denn die Reise lohnt sich. Wenn ich Probleme habe, gebe ich ANCA normalerweise Werkzeuge, die nicht viele Leute herstellen, und wir setzen uns zusammen und entwerfen sie. Oder sie rufen mich an und wir machen es am Telefon. Innerhalb von ein oder zwei Tagen haben wir dann ein Werkzeug zusammen. Und sie verlangen nichts dafür. Sie wollen nur wissen, wie es läuft. Sie haben uns sehr geholfen."

Eine überraschende Entdeckung, von der St. Pierre berichtete, war, dass er bei vielen seiner Werkzeuge auf eine Beschichtung verzichten konnte, indem er stattdessen die Schneide in einer OTEC-Schleppfinish-Maschine hielt. "Unsere Werkzeuge halten kantengeschliffen länger als beschichtet", stellte St. Pierre fest. "Wir beschichten viele unserer Werkzeuge, wenn sie für die Hochtemperaturbearbeitung eingesetzt werden. Aber wir stellen viele Kegelkugeln für Titan her und haben eine Menge Tests durchgeführt. Wir bereiten ein Werkzeug nur vor, und es hält lange. Manchmal haben wir eine viermal höhere Lebensdauer als bei früheren Werkzeugen.

Neben der höheren Leistung, so St. Pierre weiter, entfällt durch die Kantenvorbereitung auch die etwa einwöchige Vorlaufzeit, die für die Beschichtung erforderlich ist, sowie die damit verbundenen Kosten und die zusätzlichen Versand- und Bearbeitungskosten. "Ein Nachschleifen kann 5 $ oder 100 $ kosten", fuhr er fort. "Aber wenn es sich um einen 5-Dollar-Nachschliff handelt, ist es immer noch eine 10-Dollar-Beschichtung. Jetzt sind Sie im Grunde genommen bei den dreifachen Werkzeugkosten. Mit einem Verfahren, das nur ein paar Sekunden dauert, können wir das vermeiden. (Die durchschnittliche Honzeit bei GKN beträgt etwa eine Minute, und die OTEC bearbeitet laut St. Pierre 25 Werkzeuge gleichzeitig).

Unabhängiges Profitcenter

St. Pierres Werkzeugbau ist an das GKN-Werk für Luft- und Raumfahrtmotoren in Newington, CT, angegliedert, wird aber als eigenständiges Profitcenter geführt. Sie beliefern alle 7 GKN Aerospace Engine-Standorte in Nordamerika und verkaufen außerdem Werkzeuge an andere lokale Luft- und Raumfahrtunternehmen. Es ist ihnen sogar gelungen, externe Aufträge für andere Unternehmen an Land zu ziehen, um zusätzliche Einnahmen zu erzielen. Für GKN ist das nur ein Nebenschauplatz, aber es lohnt sich, diese Möglichkeit in Betracht zu ziehen, wenn man sich für das interne Werkzeugschleifen entscheidet.

Die Wahl der richtigen Schleifmaschine...

Wenn Sie bereit sind, den Schritt zum Werkzeugschleifen zu wagen, ist die nächste wichtige Überlegung, in welche Werkzeugschleifmaschine Sie investieren sollten. Natürlich sind Benutzerfreundlichkeit und Unterstützung wichtige Faktoren, und es ist ratsam, über den Maschinenhersteller hinaus zu denken. Fragen Sie Ihre derzeitigen Lieferanten, welche Maschinen sie verwenden und ob sie bereit sind, Programme weiterzugeben oder andere Unterstützung anzubieten. Für GKN war ANCA eine klare Wahl, da das Unternehmen Marktführer ist und der schwedische Betrieb über ANCA-Maschinen verfügt.

"Auf diese Weise können wir uns gegenseitig helfen", erklärte St. Pierre. "Wir können uns gegenseitig Programme schicken, wir schleifen auf die gleiche Weise... Wenn sie uns brauchen, um ein paar Werkzeuge herzustellen, können sie uns ein Programm schicken, wir können die Werkzeuge laufen lassen, sie zurückschicken, und die Werkzeuge sind genau so, als hätten sie sie dort hergestellt."

Es sollte betont werden, dass St. Pierre zwar über jahrelange Erfahrung in der Fertigung und Problemlösung verfügte, als er das Projekt bei GKN startete, aber noch nie ein Werkzeug geschliffen hatte. Das gilt auch für jeden, der danach zum Team stieß. "Ich stellte Leute ein, von denen ich wusste, dass sie mechanisch begabt waren und die die reale Welt verstanden und wussten, dass man die Dinge nicht zu sehr verkomplizieren sollte", erzählt St. Pierre. "Am Anfang waren sie alle nervös, aber als Erstes flogen wir für ein zweiwöchiges Training mit ANCA nach Michigan. Und dann fingen wir an zu laufen." Seitdem haben sie viel gelernt und auch einige Fehler gemacht, fügt er hinzu. Aber nur einmal haben sie ein Gerät verschickt, das nicht funktioniert hat.

St. Pierre schwärmte von der Software von ANCA: "Die Software führt einen wirklich durch alles, egal ob es um die Neukalibrierung, die Wiederinbetriebnahme oder das Einlernen einer Position bei der Automatisierung geht. Es ist die benutzerfreundlichste Maschine, die ich je benutzt habe. Ich kann jemanden aus der Produktion nehmen, der die Maschine noch nie gesehen hat, und er kann innerhalb einer halben Stunde ein Werkzeug herstellen. Sie entwerfen ein Werkzeug auf der Maschine und schleifen es, ohne zu wissen, was sie tun."

...und die richtige Messmaschine

Die zweitwichtigste Investitionsentscheidung für einen Werkzeugbau, insbesondere für ein Unternehmen der Luft- und Raumfahrtindustrie, sind wohl die Prüfgeräte. ZOLLER, mit Sitz in Ann Arbor, MI, war eine weitere natürliche Wahl. Erstens hatte GKN bereits ZOLLER-Voreinstellgeräte, und St. Pierre schätzte die reibungslose Arbeitsbeziehung, die sie aufgebaut hatten. Zweitens pflegt ZOLLER eine enge Partnerschaft mit ANCA, was zu Lösungen führt, die beide Maschinen leistungsfähiger machen. So entschied sich GKN für eine ZOLLER "titan" der Spitzenklasse, die automatisch jedes Werkzeugattribut optisch messen kann, einschließlich der Spannutform und der Kantenvorbereitung.

Automatisierung mit hoher Genauigkeit

GKN entschied sich dafür, alle ANCA MX7 Werkzeugschleifmaschinen mit einem Laderoboter auszustatten, der auch das interne Abrichten und Messen der Scheiben ermöglicht. Die Maschinen verfügen außerdem über einen integrierten Laser, der ein Werkzeugprofil abtasten und das Schleifprogramm automatisch kompensieren kann, um etwaige Abweichungen von der Sollform zu korrigieren. Dank dieser Funktionen sind die Maschinen in der Lage, während einer unbemannten Schicht Werkzeuge mit engen Toleranzen herzustellen. "Wir halten uns bei unseren Werkzeugen an eine Toleranz von plus/minus einem halben Tausend", so St. Pierre. "Und bei einigen Werkzeugen ist die Toleranz noch enger. Wenn es sich um eine Kugelnase für die Fertigbearbeitung handelt, halten wir ein paar Zehntel ein."

Die ZOLLER "titan" verfügt auch über einen Roboterlader, den ZOLLER "roboSet2" nennt. Darüber hinaus können alle vier Schleifmaschinen und die Messmaschine den Werkzeugdurchmesser während des Lights-Out-Betriebs automatisch wechseln. Das ist wichtig, erklärt St. Pierre, denn sie stellen "400 verschiedene Teilenummern für GKN her. Wir machen keine Lose von 1000, sondern von 15-20". Und mit sehr wenigen Ausnahmen müssen sie zwischen 10 und 100 % aller Werkzeuge prüfen. Um Engpässe zu vermeiden, ist also eine flexible Aufspannung unerlässlich.

Beide Systeme verwenden hydraulische Spannfutter von Schunk, die verschiedene Durchmesser durch Einsetzen einer Zwischenhülse spannen. Im Fall von GKN wechselt ein Roboter die Pinole aus. Wie St. Pierre erläuterte: "Das roboSet [oder der MX7-Lader] hat alle Hülsen schon drin und weiß, wo sie sind. Nehmen wir an, Charge Nummer eins ist ein Halbzoll-Werkzeug. Der Roboter greift die Halbzollhülse und lädt sie in das Spannfutter. Dann durchläuft er alle Halbzoll-Werkzeuge und führt die erforderlichen Berichte aus. Danach tauscht er die Hülsen aus, greift sich das Werkzeug der nächsten Größe und beginnt mit der Ausführung des Programms. Sie müssen nur das Programm schreiben und Ihren Zeitplan auswählen." GKN hat seine Paletten so angepasst, dass sie 5 verschiedene Größen aufnehmen können, und St. Pierre sagte, dass sie 20 verschiedene Werkzeugdesigns in einer unbemannten Schicht durch den ZOLLER laufen lassen können.

GKN verwendet die ANCA-Werkzeugsoftware, um hochdetaillierte Ausdrucke ihrer Werkzeuge zu erstellen, "anstelle der Dummy-Solids, an die die Industrie gewöhnt ist", wie St. Pierre es ausdrückt. "So sind wir in der Lage, alle Parameter des tatsächlichen physischen Werkzeugs und dessen Konstruktion zu berücksichtigen. Diese Drucke bestimmen dann die Prüfroutine. "Bei einem Standardwerkzeug gehen wir 22 bis 30 verschiedene Parameter durch... Aber wir stellen viele Werkzeuge mit variablem Index und variabler Helix her, so dass wir jede Nut überprüfen müssen, insbesondere bei einer Einrichtung." St. Pierre fügte hinzu, dass eine vollständige, detaillierte Inspektion "zehn Minuten dauern kann, aber man kann diese Programme anpassen und es unter eine Minute bringen, um eine Teilmenge spezifischer Merkmale zu überprüfen".

Mehr über die Partnerschaft zwischen ANCA und ZOLLER

Um die QC-Anforderungen zu erfüllen, benötigt GKN eine eigenständige Messmaschine vom Kaliber des "Titanen". Aber beachten Sie, wie sich die Messmöglichkeiten der ANCA mit denen des ZOLLER überschneiden. Wie würden Sie die Aufgaben aufteilen, die beide Geräte ausführen können? Können die Maschinen zusammenarbeiten? Für St. Pierre geht es nicht nur darum, die erforderliche Werkzeugqualität zu erreichen, sondern auch darum, die Produktivität zu maximieren. Wenn zum Beispiel ein Bediener zur Verfügung steht, würde er es vorziehen, die "titan"-Maschine zum Scannen eines Werkzeugprofils zu verwenden und alle erforderlichen Kompensationsdaten an die Schleifmaschine zu senden, anstatt den internen Laser der ANCA zu verwenden. So kann die MX weiterhin Werkzeuge schleifen.

St. Pierre verwies auch auf Situationen, in denen der Bediener möglicherweise nicht weiß, wie er eine Einstellung vornehmen soll. "Wir verwenden den ZOLLER, um die Messung vorzunehmen, und senden sie an das Schleifprogramm zurück, um Korrekturen vorzunehmen. Es ist schön, dass beide Geräte miteinander kommunizieren können, und die Einrichtung war nicht allzu schwierig... Wir haben es bei fortgeschrittenen Werkzeugen eingesetzt, bei denen es so viele Parameter gibt, dass einer den anderen beeinflussen kann. Da haben wir uns vom ZOLLER helfen lassen.

GKN setzt den ZOLLER auch zur Messung der Schleifscheiben ein, was wiederum die Produktivität der MX maximiert. "Wir erhalten die Ausrüstung, um den ZOLLER für alle Scheibenmessungen einzurichten, so dass wir eine ganze Charge einrichten und die Daten dann einfach in die Schleifmaschinen übertragen können", so St. Pierre.

GKN hat auch eine eigenständige Abrichtmaschine, um die Räder offline zu bearbeiten. Aber wie bereits erwähnt, können die MX-Maschinen in einer unbemannten Schicht sowohl die Werkzeuge im Prozess schleifen und messen als auch die Räder messen und abrichten. In der Zwischenzeit würde der ZOLLER die Inspektion der fertigen Werkzeuge an den zuvor geschliffenen Werkzeugen durchführen.

Andere Zusatzgeräte

Jede Werkzeugschleiferei benötigt auch eine Kühlmittelfilterung und -temperaturregelung, die bei GKN durch Transor-Doppelbehältersysteme gewährleistet wird. Abstechmaschinen sind auch für das Kalibrieren von Hartmetallrohlingen nützlich. Hier wählte GKN einen kreativen Ansatz und entschied sich für eine Makino U6 Drahterodiermaschine. St. Pierre: "Der Preisunterschied war nicht groß genug, um die hohen Ausgaben für eine Maschine zu rechtfertigen, die nur abtrennen kann. Also kauften wir eine Drahterodiermaschine, um kundenspezifische Abschnitte in großen Serien zu fertigen. Wir stellen auch unsere eigenen Spannvorrichtungen und Prüflehren für das gesamte Unternehmen her. Diese Maschine hat sich bereits im ersten Jahr bezahlt gemacht, als wir Dinge herstellten, die nichts mit Schleifwerkzeugen zu tun haben." St. Pierre fügte hinzu, dass sie die Erodiermaschine auch zum Schneiden von Werkzeugprofilen und zum anschließenden Schleifen der Spannuten und des Außendurchmessers in den ANCAs verwenden werden. "Wir können die Schleiftoleranzen auf unserer Erodiermaschine einhalten". Sie verwenden sie bereits für die Herstellung von Steadyrest-Buchsen für die ANCAs.

Zusammen mit der Werkzeugverwaltungssoftware TMS von ZOLLER, einem 3D-Drucker für Robotergreifer und andere Werkzeuge, einem Modula VLM-Speicherturm und einem Laserbeschrifter ist der Werkzeugraum von GKN ebenso autark wie effizient.

Es war "eine Menge Arbeit" und eine große Investition. Aber wie St. Pierre es zusammenfasste: "Niemand sagt, dass dieses Projekt eine Fehlinvestition war. Alle sagen, sie wünschten, wir hätten es früher gemacht.
 

 

Jeremy St. Pierre leitete die Einrichtung einer internen Werkzeugschleiferei bei GKN Aerospace Engine, die sich in nur 2 Jahren amortisierte (Bild von ZOLLER)​

 

6 März 2024