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Aug 30, 2023

Bridge Mills: Eine Brücke zum Erfolg

So wie Architekten Häuser nach den Bedürfnissen und Budgets ihrer Käufer entwerfen, produzieren auch Werkzeugmaschinenhersteller Geräte nach den Vorlieben ihrer Kunden. Sondern eben weil eine vertikale Bearbeitung

So wie Architekten Häuser nach den Bedürfnissen und Budgets ihrer Käufer entwerfen, produzieren auch Werkzeugmaschinenhersteller Geräte nach den Vorlieben ihrer Kunden. Aber nur weil ein vertikales Bearbeitungszentrum (VMC) gute Fräs- und Bohrarbeiten leistet, einen Preis hat, der dem diesjährigen CAPEX-Budget entspricht und durch die Empfangstür passt, heißt das nicht unbedingt, dass es die besten Ergebnisse liefert.

Was ist am relevantesten? Vorhersehbare Teilequalität und maximale Zerspanungsraten aus der Werkzeugmaschinenkonstruktion. Ja, die optimale Leistung jedes CNC-Geräts hängt von der Verwendung hochwertiger Spindeln, Servomotoren und anderer elektromechanischer Komponenten sowie von strengen Montagepraktiken und Tests ab. An erster Stelle steht bei jedem leistungsstarken VMC jedoch die kinematische Struktur, und für die meisten Käufer kommt es oft auf eine grundlegende Entscheidung an: Sie entscheiden sich für einen C-Rahmen oder wechseln zu einem Brückenmodell oder einer Doppelsäule Maschine?

Was ist also der Unterschied? Scott Camloh, nationaler Vertriebsleiter für Hurco North America Inc. und Takumi USA mit Sitz in Indianapolis, erklärte, dass Brücken- und Doppelständermühlen über eine vollständig unterstützte Y-Achse verfügen. Ersteres besteht normalerweise aus einem einteiligen Gussteil in umgekehrter U-Form, dessen Oberseite am Y-Achsen-Schienensystem und am Spindelkopf montiert ist. Aufgrund ihrer größeren Größe verwendet eine Doppelsäulenmaschine drei separate Gussteile, um die U-Form zu bilden, bietet aber das gleiche Maß an Unterstützung.

In beiden Fällen ist diese Baugruppe mit einem breiten, aber relativ kurzen Basisgussstück (keine Schweißkonstruktion) verschraubt, das den Tisch auf einem Paar X-Achsen-Führungsschienen trägt. Diese Anordnung sorgt für die Stabilität und Steifigkeit, die für große, schwere Tischlasten erforderlich ist, während der schwerere Guss die Trägheit hoher Eilganggeschwindigkeiten und schneller Schnittgeschwindigkeiten absorbiert.

„Die einteilige Y-Achsen-Konstruktion bietet außerdem Masse zur Absorption von Schnittvibrationen und erhöht die Steifigkeit der gesamten Maschine“, sagte Camloh. „Darüber hinaus trägt der doppelte Kontakt mit der Maschinenbasis – also den ‚Beinen‘ des umgekehrten U – dazu bei, Neigungen in der Y-Achse zu eliminieren und die Auswirkungen einer unsachgemäßen Nivellierung der Maschine oder instabiler Fundamente zu verringern. Und da der gesamte X-Achsen-Verfahrweg innerhalb der Grundfläche des Grundgussteils liegt, gibt es keinen der bei C-Rahmen-Maschinen üblichen ungestützten Tischüberstände.“

Andererseits besteht ein typischer C-Rahmen-VMC aus drei Gusseisenkomponenten: der Maschinenbasis, einer vertikalen Säule und dem Spindelkopf. Der Tisch sitzt auf gestapelten X- und Y-Achsen, die häufig ein Verhältnis von Längs- zu Querweg von 2:1 oder mehr aufweisen. Diese Anordnung bedeutet, dass der Tisch frei über die Stützstruktur in der X-Achse hinausragen kann, was zu einem Überhang und einer „Senkung“ führt. In ähnlicher Weise ist der Abstand zwischen Spindelmittellinie und Stütze typischerweise so lang wie der Y-Achsen-Hub, was sie anfälliger für thermische Verformung macht.

Camloh fügte hinzu, dass ein Brückenbearbeitungszentrum aufgrund seiner größeren Steifigkeit und thermischen Stabilität im Allgemeinen ein C-Rahmen-VMC ähnlicher Größe übertrifft, wenn Teile bearbeitet werden, die enge Toleranzen, hervorragende Oberflächengüten oder beides erfordern. Sie sind auch bei Hochgeschwindigkeitsbearbeitungsanwendungen sehr effektiv. „Für Formenbauarbeiten, Luft- und Raumfahrtkomponenten und sogar medizinische Teile ist ein Brückenwalzwerk oder eine Doppelständermaschine wie unsere BX-Serie oft die beste Wahl, insbesondere bei anspruchsvolleren Materialien wie gehärteten Stählen und Superlegierungen.“

Wenn man bedenkt, dass Camloh und mehrere der anderen in diesem Artikel zitierten Quellen beide Ausrüstungsstile repräsentieren, könnten ihre Standpunkte überraschend erscheinen. Doch die meisten Werkzeugmaschinenexperten – selbst diejenigen, die eine große Anzahl von C-Rahmen-Fräsmaschinen verkaufen – sind sich einig, dass die Brückenkonstruktion a) genauer und steifer ist, b) weniger Stellfläche beansprucht und c) eine längere Werkzeuglebensdauer und Teilequalität bietet Zerspanungsraten. Warum sind C-Rahmen-Bearbeitungszentren so beliebt, insbesondere bei Ladenbesitzern, die gerade erst anfangen? Ein Wort: Preis.

„C-Rahmen-Vertikalmaschinen sind viel kostengünstiger in der Herstellung als Brückenmaschinen“, sagte Errol Burrell, Produktspezialist für Bearbeitungszentren bei Okuma America Corp., Charlotte, NC. „Das ist mehr als jeder andere Faktor der Grund, warum es einen so großen Markt gibt. Es ist jedoch wichtig, sich darüber im Klaren zu sein, dass der Preis, wenn man einen Standard-VMC mit allen notwendigen Optionen aufrüstet, oft ziemlich nahe an dem einer Brückenmühle liegt. Aus diesen Gründen ist eine Brückenmühle eine viel bessere Investition.“

Dennoch ist für einen Unternehmer mit begrenzten Mitteln jede VMC besser als keine. Aus diesem Grund beginnen viele Ladenbesitzer mit dem, was sie sich leisten können, und rüsten dann auf leistungsfähigere Werkzeugmaschinen um, wenn ihr Geschäft und ihr Umsatz wachsen. „Du fährst doch nicht dasselbe Auto wie in der Highschool, oder?“ scherzte Burrell und fügte hinzu, dass, sobald ein C-Frame-Besitzer einmal auf die Brückenbauweise umgestiegen ist, er nicht mehr zurückkehren wird.

„Wir haben zahlreiche Kunden, die einen Standard-C-Rahmen-VMC gegen eine unserer GENOS M560-V-Maschinen ausgetauscht haben“, sagte er. „In jedem Fall stellten sie eine Verbesserung der Werkzeugstandzeit, der Teilequalität und der Zerspanungsraten fest. Genauso wichtig ist jedoch die Maschinenverfügbarkeit. Da C-Rahmen im Allgemeinen weniger steif sind als eine Brücken- oder Doppelständermaschine, unterliegen sie einem höheren Verschleiß, insbesondere bei schwereren Schnitten und konstant hohen Vorschubgeschwindigkeiten. Die Folge ist ein Anstieg der Wartungskosten.“

Klaus Miller sieht in etwa das Gleiche. Als Vizepräsident für Vertrieb bei Absolute Machine Tools Inc. in Lorain, Ohio, dem Vertreiber von CNC-Maschinen der Marke Johnford, stellte er fest, dass die höheren Vibrationspegel in einer C-Rahmen-Maschine verheerende Auswirkungen auf die Werkzeuglebensdauer sowie auf die Spindellager haben andere bewegliche Komponenten. „Ich glaube nicht, dass die meisten Leute das erkennen. Sie versuchen, die gleichen Schnitttiefen und Vorschübe zu erzielen wie bei einer Brückenfräse, die weitaus stärkere Schläge aushalten kann. Aus diesem Grund stellen wir fest, dass eine Standard-VMC mit C-Rahmen viel mehr Wartung erfordert als eine Brückenmühle.“

Miller hat seine eigenen Kundenerfolgsgeschichten zu erzählen, darunter die eines Lohnfertigers in Dayton, Ohio, mit etwa einem Dutzend vertikaler C-Rahmen. „Der Eigentümer sagte mir kürzlich bei einem Verkaufsgespräch, dass er nach der Investition in ein Johnford DMC-2100H-Bearbeitungszentrum nie wieder ein anderes kaufen würde“, sagte er. „Unter den Gesichtspunkten der Ergonomie, der Wartungskosten und der Gesamtsteifigkeit gab es laut [dem Eigentümer] einfach keinen Vergleich.“

Miller hat dieselbe Liste von Vorteilen für Brückenmühlen abgehakt wie seine Kollegen bei Hurco und Okuma und hat noch einige weitere hinzugefügt. Eines davon ist der hervorragende Spänefluss, ein scheinbar unbedeutendes Detail, das jede Woche stundenlanges manuelles Schaufeln und Reinigen einsparen kann. Brückenfräsmaschinen seien außerdem flexibler, sagte er, da ein Bediener die Teile überall auf dem Tisch montieren könne und dennoch einfachen Zugang habe. Er behauptete auch, dass die Stellfläche einiger C-Rahmen-Maschinen bis zu 40 Prozent größer sei als bei einer Brückenmühle vergleichbarer Größe, was wertvolle Stellfläche verschlinge.

Überraschenderweise trägt dieser letzte Punkt dazu bei, die Preislücke zwischen den beiden Maschinentypen zu schließen. Miller sagte: „Der Seecontainer für eine VMC mit C-Rahmen ist ziemlich breit, was aufgrund der jüngsten Zunahme der Seefracht einen erheblichen Anstieg des Aufkleberpreises gegenüber einer Doppelsäulenmaschine bedeutet.“ Tatsächlich haben wir zum ersten Mal überhaupt damit begonnen, kleine Maschinen der DMC-Serie wie die DMC 1200H und 1500H auf Lager zu bestellen. Das liegt zum Teil an der wettbewerbsfähigeren Preisgestaltung, aber auch daran, dass immer mehr Geschäfte Maschinen im Bridge-Stil auf den Markt bringen.“

Eine andere Art von Werkzeugmaschine, bei der der Marktanteil schrumpft, ist das Bohrwerk. Während Werkstätten diese großen Horizontalfräsen mit ihren ausziehbaren Pinolen schon seit langem verwenden, um tief in Schweiß- und Gussteile vorzudringen, stellen einige fest, dass eine Doppelständer-Vertikalfräse mit fünfseitigem Anbau nicht nur kostengünstiger ist, sondern auch ein breiteres Spektrum bearbeiten kann von Werkstücken.

„Der Formenbau dominiert nach wie vor den Brücken- und Doppelsäulenmarkt, aber wir sehen auch großes Interesse von Werkstätten, die sich auf Luft- und Raumfahrtarbeiten spezialisiert haben, und solchen, die große Komponenten für das Militär herstellen“, sagte Miller. „Johnford bietet einen Kopf an, der in Ein- oder Fünf-Grad-Schritten vollständig programmierbar ist und den automatischen Werkzeugwechsel sowohl horizontal als auch vertikal unterstützt. Der gesamte Spindelstock fährt hinüber, nimmt den Kopf auf, und Sie können nun mit einem einzigen Arbeitsgang fünf Seiten des Teils treffen. Es öffnet viele Türen.“

Es ist die Form-und-Gesenk-Arbeit, auf die Kevin Lichtenberg, YASDA-Produktmanager bei Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., mit der YBM-Serie abzielt, bei der es sich allesamt um Brückenmaschinen handelt. Mikrozentren und kleine bis mittelgroße Brückenmaschinen werden immer in Formen- und Formenbaubetrieben zu Hause sein, bemerkte er, aber um die Einnahmequellen am Laufen zu halten, übernehmen immer mehr Betriebe größere Aufträge, was größere Arbeitsumfänge erfordert.

„Hier glänzt YASDA, da man selbst bei Maschinen mit hoher Kapazität die Genauigkeit eines Lehrenbohrers erhält“, sagte Lichtenberg. „Mit einem X-Achsen-Verfahrweg von bis zu drei Metern und 1.200 mm in der Y-Achse ist der Lehrenbohrer YBM 1218V eine relativ große Maschine, kann aber über den gesamten Arbeitsbereich immer noch Toleranzen von zwei Mikrometern oder besser einhalten.“

Zugegeben, dieses Leistungsniveau hat seinen Preis, aber einige Betriebe sind bereit, diesen zu zahlen, wenn dadurch das Erodieren, Schleifen und andere sekundäre Vorgänge entfallen. „Was auch immer Ihre Werkstatt herstellt: Wenn Sie stets danach streben, Toleranzen im Bereich von einem Tausendstel Zoll einzuhalten – insbesondere echte Positionstoleranzen –, sollten Sie wirklich über die Investition in eine genauere Werkzeugmaschine nachdenken“, sagte Lichtenberg.

Trotz seiner Begeisterung für hochwertige Fräs- und Bohrmaschinen gab Lichtenberg zu, dass es viele Geschäfte gibt, die recht erfolgreich Geräte verkaufen, die er als „Mittelklasse“-Marken bezeichnet. Und obwohl er die Auswahl an Werkzeugmaschinen dieser oder anderer Werkstätten nicht ablehnen wird, wies er doch darauf hin, dass die Branche allmählich erkennt, dass Investitionen in kostengünstige Maschinen selten die niedrigsten Kosten pro Teil mit sich bringen.

„Kostengünstige Werkzeugmaschinen machen die Herstellung von Teilen tatsächlich teurer“, sagte er. „Erstens sind diese Maschinen langsamer. Sie können weder so schnell vorschieben noch einen so schweren Schnitt aushalten wie solche mit starrer Konstruktion. Außerdem ist die Standzeit der Werkzeuge kürzer, sodass es zu mehr Ausfallzeiten kommt. Und wenn Ihre Teile weniger genau sind, als sie sein sollten, erfordern sie mehr Handarbeit, mehr Prüfzeit und mehr Nacharbeit, weil sie beim ersten Mal nicht richtig waren.“

Das alles kostet Geld, fügte Lichtenberg hinzu, aber man bekommt, wofür man bezahlt. „Hochwertige Werkzeugmaschinen haben einen langen Atem“, sagte er. „Sie produzieren über Generationen hinweg den gleichen, zuverlässigen Schnitt. Es gibt eine Gruppe von Maschinenwerkstätten, die das verstanden haben und durch ihre Entscheidung, in die beste Ausrüstung zu investieren, sehr profitabel geworden sind.“

Trotz all dieser Kritik am C-Rahmen gibt es einige Anwendungen, bei denen eine Brückenmühle möglicherweise nicht den gewünschten Erfolg bringt. Beispielsweise lassen sich übergroße Werkstücke leichter auf einer C-Rahmen-Maschine unterbringen. Aufgrund ihrer historischen Beliebtheit gibt es möglicherweise auch mehr Automatisierungsoptionen, und viele Betreiber sind mit bestimmten Standardmarken von VMCs recht vertraut, was es einfacher macht, einen solchen zu bemannen. Und obwohl Brückenwalzwerke einen kleineren Teil der Produktionsfläche benötigen, sind sie im Allgemeinen ein gutes Stück höher als ihre C-förmigen Verwandten, was für Betriebe mit zu kleinen Ladetüren ein Problem darstellt. Dies sind zwar keine unüberwindbaren Probleme, spielen aber bei der Kaufentscheidung eine Rolle.

Andrew McNamara, Vertriebsleiter bei Doosan Machine Tools America, Pine Brook, NJ, hofft, diese Kaufentscheidungen bald in seine Richtung zu beeinflussen. Das Unternehmen hat gerade die Brückenfräsmaschine der BVM-Serie vorgestellt, eine alternative Version seiner bekannten DNM-Reihe, die sich an Lohnfertiger, Formenbauer und Hersteller richtet, die ein thermisch stabiles, hochpräzises vertikales Bearbeitungszentrum zu einem wettbewerbsfähigen Preis benötigen .

„Wir hatten eine ähnliche Maschine unter der Marke NX II auf unserem weltweiten Standort verfügbar, haben sie aber nie übernommen, da wir der Meinung waren, dass sie für den nordamerikanischen Markt zu teuer sei“, sagte er. „Angesichts der Nachfrage konnte Doosan den BVM 5700 mit ähnlichen Spezifikationen wie das NX-Modell ausstatten und ihn in der Region Amerika wettbewerbsfähiger anbieten.“

Wie seine Konkurrenten sagte McNamara, dass sich viel zu viele Maschinenkäufer nur auf den Preis konzentrieren. Sie gehören zu den Ladenbesitzern und Einkaufsmanagern, die „es reicht“, denen vielleicht nicht bewusst ist, dass sie mit dieser Einstellung alles opfern. Und wie andere in diesem Artikel angedeutet haben, gehört die lange Liste produktivitätssteigernder Funktionen, die bei einer Standardmaschine extra kosten, bei einer Brückenmühle im Allgemeinen zur Standardausstattung, was dazu beiträgt, gleiche Wettbewerbsbedingungen zu schaffen.

Abgesehen von den Preisschildern und den Maschinenoptionen hat McNamara einen weiteren wichtigen Punkt angesprochen, der in der heutigen Welt der trochoidalen Werkzeugwege mit geringerer Kraft besonders relevant ist: Manchmal muss man sich einfach die Mühe machen. „Ich habe mir kürzlich eine Maschinenvorführung angesehen, bei der fünf verschiedene Programmiertechniken verglichen wurden“, sagte er. „Es war klar, dass traditionellere Schruppansätze in vielen Fällen effizienter sind.“

Das Problem sei, erklärte er, dass leichtere C-Rahmen-Maschinen diese „Einsteigen und Pflügen“-Methoden der Metallentfernung nicht immer unterstützen, so dass Programmierer gezwungen sind, Werkzeugwege zu verwenden, die den Umfang der für die Bearbeitung von a erforderlichen Achsenbewegungen erhöhen gegebene Teileeigenschaft, was wiederum zusätzliche Wärme in den Kugelumlaufspindeln und Antriebssystemen erzeugt. Es handelt sich um einen Teufelskreis, der bei einigen Werkzeugmaschinenmarken letztlich zum vorzeitigen Komponentenausfall führt.

Letztendlich bieten Brückenmühlen eine größere Flexibilität, sagte McNamara. Sie sind beide steifer und, wie bereits erwähnt, viel genauer. Abgesehen von einem etwas höheren Preis sei der einzige Nachteil, bemerkte er, dass die Z-Achse einer Brückenfräse bei vollem Auszug stärker „auskragt“, obwohl es leicht genug ist, dies zu minimieren, indem man kürzere Werkstücke über Werkstückhalteerhöhungen näher an die Spindel anhebt. „Alle Nachteile werden leicht durch die größere Masse des Brückenwerks und die damit verbundenen geringeren Oberschwingungen ausgeglichen; seine höhere thermische Stabilität, Genauigkeit und Werkzeuglebensdauer; und alles andere. Kurz gesagt, sie bieten einige enorme Vorteile gegenüber C-Rahmen-Maschinen.“

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