Herstellung eines Ölfeld-Gesteinsbohrers mit einer CAD/CAM-CNC-Prozesskette

DMG Mori fertigt eine breite Palette konventioneller spanabhebender Bearbeitungszentren für OEMs und Produktionsbetriebe, die die anspruchsvolle Öl- und Gasindustrie bedienen.

In diesem Markt gibt es mehrere Faktoren, die eine große Sorgfalt und Planung im Bearbeitungsprozess erfordern. Typischerweise sind Komponenten, die für die Öl- und Gasindustrie hergestellt werden, sehr groß, schwer und haben oft komplexe Konturen, was die Bearbeitungszeit lang und die Werkzeugstandzeit kurz macht. Obwohl es sich bei der DMU 50 um ein 5-Achsen-Bearbeitungszentrum der Einstiegsklasse von DMG MORI handelt, handelt es sich um ein kompaktes Gerät mit beachtlicher Robustheit, wie das folgende Beispiel verdeutlicht. „Es ist eine Geschichte vom Typ David handhabt Goliath“, sagt Matthias Leinberger, Business Development Director für Siemens PLM (Product Lifecycle Management).

Bei einer aktuellen Anwendung stand DMG MORI vor der Herausforderung, ein 440 Pfund schweres Werkstück aus 1ade-Stahl mit einem Durchmesser von 8 Zoll und einer Höhe von 8 Zoll zu einem Gesteinsbohrer für die Ölfeldexploration zu verarbeiten. Der Kunde stellte dem Hersteller außerdem die Notwendigkeit einer schnellen Umstellung zur Herstellung des Teils aus verschiedenen Metallmaterialien vor, wobei alle damit verbundenen Werkzeugwechsel und Abweichungen bei der Werkstückaufstellung vorhanden waren. Der Kunde, ein großer Zulieferer der Ölindustrie, versuchte zu entscheiden, ob der bessere Weg für dieses Produkt die Bearbeitung eines einzelnen endkonturnahen Stahls oder eines endkonturnahen Gussstücks wäre. Sowohl das Hochgeschwindigkeits-Schruppen als auch die anschließende sehr präzise 5-Achsen-Bearbeitung mit einer Small-Foot-Maschine, für die sich der Kunde aufgrund spezifischer Bedenken hinsichtlich der Anlagenauslastung und des Wunsches nach einer flexiblen, preisgünstigen und äußerst kostengünstigen Maschine entschieden hatte Werkzeug.

Der Maschinenbauer wandte sich hilfesuchend an seinen langjährigen Geschäftspartner Siemens. Durch das Angebot eines Gesamtpakets aus CAD-CAM-CNC-Hardware, Software und Engineering-Services konnte Siemens dem Maschinenbauer dabei helfen, jeden Aspekt der Teileproduktion erheblich zu verbessern, einschließlich der Reduzierung von Design-to-Part-Protokollen, Bearbeitungszeit, Werkzeugstandzeit, Oberflächenbeschaffenheit, Maßgenauigkeit und allgemeine Produktionseffizienz. Dieses Szenario war in diesem Fall besonders zutreffend, da mit niedrigen Produktionsläufen und kurzen Vorlaufzeiten zu rechnen war.

Ausgehend von der CAD-Datei führte das Siemens PLM-Team das Programm durch seinen NX CAM-Prozess und eliminierte die Einrichtung durch den vollständigen 5-Achsen-Betrieb. Die Funktion „Benutzerdefinierte Ereignisse“ (UDEs) im NX-Programm ermöglicht einfache Kontrollkästchen zum Auslösen von Postprozessor-Referenzen für Kühlmitteldruck, Spindelgeschwindigkeitseinstellungen und mehr. Dadurch wird eine manuelle Programmierung vermieden und dadurch die Programmübergangszeit von bis zu zwei Tagen auf etwa 30 Minuten verkürzt.

Sobald das Programm für die CNC bereit war, ermöglichten die Funktionen dieser Steuerung eine effizientere Simulation des tatsächlichen Schnittpfads. Die 3D-Quick-Set-Kompressorfunktion stellt eine parametrische, aufgeschlüsselte Datendatei für alle Bahnbewegungen bereit, wodurch Kollisionen vermieden werden und in Verbindung mit dem NC-Kernel und der SPS der Werkzeugmaschine die optimale Werkzeugbahn gewährleistet wird. Randy Pearson, Leiter des technischen Anwendungszentrums von Siemens, bemerkt: „Diese Funktion ist eine enorme Zeitersparnis für unseren Kunden, da die Testkugel und der Testtaster im Spindelmechanismus zu jedem Zeitpunkt des Zyklus ausgeführt werden können, um jederzeit die tatsächliche Maschinenkinematik zu testen.“ . Der Vorgang kann auch automatisiert werden, sodass er in vorgegebenen Zeitintervallen auf dem Tisch ausgeführt wird.“

Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsfunktion wird hier durch Zyklus 800 hervorgehoben, eine statische Ebenentransformation, die es einer 5-Achsen-Maschine ermöglicht, eine gedrehte Arbeitsebene im Raum zu definieren. In der Branche ist es allgemein als 3+2-Programmierung bekannt. Der Zyklus rechnet den tatsächlichen Werkstücknullpunkt und die Werkzeugkorrekturen in Bezug auf die gedrehte Fläche um. Bemerkenswert hierbei ist, dass der Zyklus bestimmte Maschinenkinematiken berücksichtigt und die physikalischen Achsen senkrecht zur Arbeitsebene positioniert. Dies wird als TRAORI oder Transformationsorientierung bezeichnet.

Mittlerweile ermöglicht Sinumerik Operate, die benutzerfreundliche grafische Benutzeroberfläche der CNC auf der Maschine, dem Bediener die Ausführung einer Vielzahl integrierter Werkzeugverwaltungs- und Informationsverwaltungsfunktionen, die alle über eine USB- oder Netzwerkverbindung transportierbar sind.

In der Simulation erfolgt die Beladung und Befestigung des Werkstücks virtuell im NX CAM-Programm, das auch eine gleichmäßige Spanlast berechnet, die bei diesen Anwendungen mit großem Materialabtrag von entscheidender Bedeutung ist. Die Simulation überprüft außerdem die Werkzeuglänge in allen Schnittabschnitten und das Programm wird für den Start der Maschine fertiggestellt.

In der Produktion führte dieser Prozess laut Luke Ivaska, dem nationalen Produktmanager von DMG, auch zu einer erheblichen Verbesserung der Werkzeugstandzeit dieses sehr schweren Teils über die Zykluszeit von dreieinhalb Stunden. „Mit der Kombination der NX CAM-Software plus der CNC auf der Maschine und all ihren Möglichkeiten standen wir zunächst vor einigen Herausforderungen, da es sich bei den meisten Softwareprogrammen um speziell entwickelte CAM-Pakete handelt, die eine schnelle und einfache Nutzung durch jedermann ermöglichen. Sie haben erhebliche Einschränkungen; Da jedoch die Software den Werkzeugweg steuert und der Bediener nur sehr wenig Kontrolle hat. Mit NX und Sinumerik CNC haben wir viel mehr Einfluss auf die Erstellung des Werkzeugwegs. Ich habe noch kein Problem gefunden, das ich mit NX nicht lösen konnte.“

In der CNC bietet Sinumerik Operate dem Bediener und dem Fertigungsingenieurpersonal des Endbenutzers vollständigen Zugriff auf eine Vielzahl von Bedingungen in der Produktion, einschließlich aller Schrupp- und Schlichtdaten im Klartext sowie aller 5-Achsen-Transformationsausrichtungsdaten, die für den Neustart nach jeder Unterbrechung protokolliert werden und manueller Neustart.

Die benutzerfreundliche Messung von Arbeitsversätzen ist ein weiterer Vorteil, den der Hersteller und seine Kunden mit der auf dieser Maschine verwendeten CNC genießen. Der Bediener wird beispielsweise beim Setzen des Werkstücknullpunkts grafisch geführt, während die Werkzeuglänge automatisch in die Berechnung einbezogen wird. Beim Operate-System wird die Differenz zwischen dem Positionswert im Maschinenkoordinatensystem und Werkstückkoordinatensystem in der aktiven Nullpunktverschiebung gespeichert.

Der variable Stromlinienbetrieb der Werkzeugmaschine wird hier mit einem interpolierten Vektor kombiniert, um eine glattere Oberfläche bei der Bearbeitung der komplizierten Gesteinsmeißeloberflächen in einem einzigen Werkzeugweg zu erzeugen. Die Maschine wechselt nahtlos von der Vierkant- zur Rundbearbeitung und anschließend zu den extremen Winkelwegen, die zur präzisen Bearbeitung der Innenflächen erforderlich sind. Ein einzelner Bit-Teil des Programms wird automatisch erfasst, sodass ein Step-and-Repeat-Programm erstellt werden kann. Die Simulation jedes Bit-Schneidepfads wurde sowohl im NX CAM- als auch im CNC-Programm durchgeführt. Es ist im wahrsten Sinne des Wortes so, als würde man mit einem „Digital Twin“ der Maschine arbeiten.

Es sei darauf hingewiesen, dass dieses vektorisierte Programm auf jede Maschine mit vergleichbaren Ergebnissen übertragen werden kann, so Randy Pearson und PLM-Geschäftsentwicklungsleiter Matthias Leinberger, der kommentiert: „Gerade weil die Maschinenkinematik bekannt ist, kann dieses Programm, sobald es erstellt wurde, dies auf mehrere Maschinen innerhalb derselben Anlage übertragen oder von Werkstätten auf der ganzen Welt betrieben werden, die alle durch die Steuerung miteinander verbunden sind, sodass eine vollständige Kontinuität zwischen den Abläufen, dem Datenerfassungsprotokoll und dem für die Produktionsanalyse erhaltenen Feedback besteht.“ Randy Pearson wies außerdem darauf hin, dass bei dieser Anwendung der Wunsch des Kunden, die verwendeten Materialien bei aufeinanderfolgenden Durchläufen zu ändern, von der Steuerung leicht berücksichtigt werden konnte, da sie Anpassungen im laufenden Betrieb basierend auf der Ausrichtung der Werkzeugspitze vornehmen kann das Werkstück.

Dieses Projekt wurde mit CELOS an Bord der DMG MORI-Maschine durchgeführt. CELOS erleichtert in dieser Anwendung die vollständige Interaktion zwischen Bediener und Maschine, da es über zahlreiche Apps verfügt, die den sofortigen Abruf der Ist-Zustände, einen vollständigen Datenvergleich über eine Anbindung an CAD- und CAM-Produkte sowie eine vollständige Schnittstelle zum ERP-System des Kundenunternehmens ermöglichen zur Protokollierung und Analyse, wobei prozessinterne Fernanpassungen möglich sind. Im Fall dieses Öl- und Gaskunden wird auch eine interaktive Kommunikation mit einem globalen Produktionsnetzwerk bereitgestellt, die es dem Kunden ermöglicht, die parallele Produktion verschiedener Gesteinsbrocken an Standorten auf der ganzen Welt durchzuführen, mit nahtloser Datenverfolgung und vollständiger Produktionsanalyse.

Kegelförmige Stifte, die ein Werkstück während der Bearbeitung an einem oder beiden Enden stützen. Die Spitzen passen in Löcher, die in die Werkstückenden gebohrt werden. Spitzen, die sich mit dem Werkstück drehen, werden „lebende“ Spitzen genannt; diejenigen, die dies nicht tun, werden „tote“ Zentren genannt.

Mikroprozessorbasierte Steuerung für eine Werkzeugmaschine, die die Erstellung oder Änderung von Teilen ermöglicht. Eine programmierte numerische Steuerung aktiviert die Servos und Spindelantriebe der Maschine und steuert die verschiedenen Bearbeitungsvorgänge. Siehe DNC, direkte numerische Steuerung; NC, numerische Steuerung.

Produktdesignfunktionen, die mit Hilfe von Computern und spezieller Software ausgeführt werden.

Einsatz von Computern zur Steuerung von Bearbeitungs- und Herstellungsprozessen.

Flüssigkeit, die den Temperaturaufbau an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück während der Bearbeitung reduziert. Liegt normalerweise in Form einer Flüssigkeit vor, z. B. einer löslichen oder chemischen Mischung (halbsynthetisch, synthetisch), kann aber auch Druckluft oder ein anderes Gas sein. Aufgrund der Fähigkeit von Wasser, große Mengen an Wärme zu absorbieren, wird es häufig als Kühlmittel und Träger für verschiedene Schneidpasten verwendet, wobei das Wasser-zu-Massen-Verhältnis je nach Bearbeitungsaufgabe variiert. Siehe Schneidflüssigkeit; halbsynthetische Schneidflüssigkeit; Schneidflüssigkeit mit löslichem Öl; synthetische Schneidflüssigkeit.

CNC-Werkzeugmaschine zum Bohren, Reiben, Gewindeschneiden, Fräsen und Bohren. Wird normalerweise mit einem automatischen Werkzeugwechsler geliefert. Siehe Automatischer Werkzeugwechsler.

Jedes gesteuerte Gerät, das es einem Bediener ermöglicht, seine Bewegung durch Eingabe einer Reihe codierter Zahlen und Symbole zu programmieren. Siehe CNC, numerische Computersteuerung; DNC, direkte numerische Steuerung.

Streifen oder Block aus präzisionsgeschliffenem Material, der dazu dient, ein Werkstück anzuheben und es gleichzeitig parallel zum Arbeitstisch zu halten, um einen Kontakt zwischen Fräser und Tisch zu verhindern.