Ten warsztat specjalizuje się w bardzo dużych komponentach takich, jak piasty wirnika, czy ramy podstawowe turbin wiatrowych. Sukces tego warsztatu kryje się w tym, że o każdym aspekcie obróbki tak wielkich elementów, myśli się w równie “wielkich” kategoriach.

Gigantyczne turbiny wiatrowe stały się symbolami - symbolami nowej ery alternatywnych źródeł energii. Wysokie, smukłe maszty oraz lśniące, symetryczne łopaty wirników stanowią nadzieję dla szukających czystszych, bezpieczniejszych i bardziej stabilnych źródeł elektryczności. Pomalowane na biało, jak chmury, o kształtach przypominających kwiaty o długich łodygach, turbiny wiatrowe wywołują wizję łagodnej, niewyczerpalnej energii dla domów, szkół i przedsiębiorstw.

W rzeczywistości turbiny wiatrowe są wysoce złożonymi konstrukcjami mechanicznymi o olbrzymich rozmiarach. Najnowsze projekty turbin osiągnęły prawie 300 stóp (92 metry) wysokości z łopatami wirnika o średnicach przekraczających 300 stóp. Większość głównych komponentów to duże odlewy z elementami wymagającymi setek godzin precyzyjnej obróbki. Jednym z warsztatów mechanicznych, wyspecjalizowanych w tego typu pracach jest Magna Machine Co., z siedzibą na   przedmieściach Cincinnati, w stanie Ohio.

Magna ma obecnie wieloletni kontrakt z głównym producentem turbin wiatrowych w Stanach Zjednoczonych, na produkcję piast wirnika i ram podstawowych. W przeciwieństwie do nieskazitelnego obrazu i obiecującego symbolizmu nowozainstalowanych turbin wiatrowych, części te, nieobrobione, ułożone na placu, wywołują zupełnie inne, aczkolwiek równie imponujące wrażenie. Na przykład piasty wirnika to puste w środku kule o średnicy około 12 stóp (3,7 m), ścięte z trzech stron, z wielkimi otworami po każdej stronie, na górze i na dole. Pomarańczowa barwa, będąca skutkiem rdzewienia sprawia, że wyglądają nawet bardziej osobliwie, przypominają coś na wzór olbrzymich dyni pozostawionych przez pozaziemskich przybyszów.

Odlewy piast wirnika nawet gdy nie są 300 stóp nad ziemią, robią niesamowite wrażenie. Te pokazane tutaj czekają na obróbkę na wiertarko – frezarko – wytaczarkach poziomych firmy Magna

Osoby o bardziej praktycznym nastawieniu prawdopodobnie wyobrażają sobie zaraz olbrzymie obrabiarki potrzebne do obróbki części o takich wymiarach.
Magna Machine rzeczywiście posiada bardzo duże obrabiarki, w tym ponad tuzin wiertarko – frezarko – wytaczarek poziomych (HBM) firmy Union Machine, mającej siedzibę w Chemnitz w Niemczech.. Magna była przez lata tak dobrym klientem, że firma Union poprosiła warsztat, aby zajął się marketingiem, dystrybucją oraz świadczeniem usług na rynku amerykańskim. Pod nazwą United Precision Services, przedsiębiorstwo to działa, zupełnie niezależnie od siedzib Magny, na przedmieściach Cincinnati.

Oprócz firmy Union, swoje przedstawicielstwa ma tu wielu (zebranych z całego świata) innych producentów olbrzymich obrabiarek. Tak naprawdę, to już sama produkcja, praca z dużymi częściami i dużymi obrabiarkami określa naturę tego warsztatu. Dodatkowo Magna zajmuje się wytwarzaniem, naprawą oraz przebudową urządzeń przemysłowych stosowanych w górnictwie, przemyśle tworzyw sztucznych, chemicznym, papierniczym, a także innych gałęziach przemysłu. Prezes spółki, Scott Kramer stawia sprawę w następujący sposób: „O naszej produkcji musimy myśleć, jak o typowym zadaniu, jakie przypadają warsztatom, ale jednocześnie musimy patrzeć na nie pod zupełnie innym katem.” Na przykład każdy warsztat chce zminimalizować czas przygotowywania produkcji i zarazem wykonać w tym czasie, jak najwięcej operacji. „Przy operowaniu elementami, które ważą 80,000 funtów (ponad 36 ton), jak ma to miejsce w naszym przypadku, zagadnieniem krytycznym staje się właściwe przygotowanie produkcji” wyjaśnia Kramer.

To samo można powiedzieć o każdym aspekcie procesu obróbki w Magna – jakiego rodzaju maszyn użyć, jak zamocować części, jakie narzędzia zastosować, jak sprawdzać obrobione elementy, jaki harmonogram ustalić aby zapewnić efektywną pracę warsztatu, itp., itd.. W przypadku tego warsztatu ambicja musi iść w parze ze sprytem i mądrością.

Rozwój, Rozwój, Rozwój
Kramer przyznaje, że spryt cechował Magna Machine od czasu jej założenia, w 1947 roku, jednak ambicja do tworzenia rzeczy wielkich (w cudzysłowie i dosłownie), jak twierdzi, dojrzewała w umysłach pracowników stopniowo. Rodzina Kramera otworzyła warsztat, w którym na początku zajmowano się naprawą i konserwacją części wykorzystywanych w urządzeniach przemysłowych. W 1985 roku warsztat przeniesiono do parku przemysłowego. Tym samym uzyskano znacznie więcej przestrzeni i możliwość ustawienia większych obrabiarek, wyższych przęseł i silniejszych suwnic. Obecnie zakład specjalizuje się w obróbce dużych, ciężkich komponentów. Wśród klientów są zarówno Ci, którzy chcą naprawić jakieś części, jak również producenci OEM’owscy, jak np. producenci turbin wiatrowych.

Po kilku rozbudowach, obiekty Magny zajmują łączną powierzchnię 30,5 km2. Najnowsza inwestycja to powiększenie biura i kompleksu inżynieryjnego.

„Ciągle trochę pracy wymaga także nawierzchnia dróg dla samochodów dostawczych.” stwierdza kwaśno Dave Myers, jeden z głównych inżynierów sprzedaży Magny. Wyjaśnia, że częste przejazdy samochodów ciężarowych przewożących ciężkie ładunki odbiły się na betonowej powierzchni. Znacząca część tego ruchu samochodowego spowodowana jest licznymi zamówieniami na części składowe turbin. Kontrakt zobowiązuje do wysyłki trzech kompletnych piast wirnika oraz dwóch konstrukcji wsporczych tygodniowo.

Zapotrzebowanie na energię wiatrową, a tym samym na turbiny, spowodowane to jest między innymi ciągle rosnącymi cenami ropy naftowej i gazu ziemnego oraz dbałością o środowisko naturalne. Jednocześnie rosną także rozmiary i moc nowokonstruowanych turbin. Na przykład, części składowe wykonywane przez Magna, przeznaczone są do produkcji turbin o mocy 2.5 MW. Każda taka turbina wiatrowa jest wstanie wygenerować elektryczność, która wystarcza do zasilenia 1000 domów. Piasty i ramy podstawowe instalowane są na wysokości ok. 90m nad ziemią.

                                            
Ważąca 18 ton piasta wirnika przewożona jest na specjalnie wzmocnionym wózku widłowym o dużej mocy.

Chociaż kilka łat w kruszącym się betonie rampy załadowczej wydaje się być mało istotnym problem, to już na tym przykładzie możemy zobaczyć, jak głęboko sięga przygotowywanie produkcji w Magna. Warsztat ostatnio zainwestował w wózek widłowy zdolny podnieść 80,000 funtów (ponad 36 ton), ułatwiający przenoszenie ciężkich ładunków z, i na rampę. Kiedyś części składowe turbin przenoszone były za pomocą suwnicy. Przenoszenie tych elementów ma naprawdę krytyczne znaczenie.

Dwie Główne Operacje
Obróbka piast wirnika oraz ram podstawowych dokonywana jest w dwóch głównych etapach. W obu przypadkach rozpoczyna się od kwalifikacji odlewu i ustaleniu krytycznego układu odniesienia. Kwalifikacja odlewów (odpowiednio rozmieszczonych i ustawionych w taki sposób, by możliwa była obróbka wszystkich detali i ustalenie powierzchni, które zapewnią właściwe ułożenie we wszystkich kolejnych krokach obróbki, ma kluczowe znaczenie dla efektywnego przeprowadzenia czynności kolejnego etapu przygotowawczego. Dlatego, chociaż pierwsza operacja wymaga usunięcia mniejszej ilości metalu oraz krótszego czasu jednostkowego, jest istotniejsza od drugiej. Z tego też względu powierzana jest najbardziej doświadczonym operatorom.

                                            
Powierzchnie piasty wirnika obrobione podczas pierwszej operacji umożliwiają właściwe i stałe ułożenie części we wszystkich kolejnych krokach obróbki.

Piasty wirnika są wykańczane w jednej, przeznaczonej do tego hali. Minimalizuję to odległość przenoszenia elementów i upraszcza cały proces. Pierwszą operację przeprowadza się na wiertarko – frezarko – wytaczarce poziomej CNC Juaristi TS-5. Posiada ona stół obrotowy, który jest w stanie udźwignąć ważący 40,000 funtów (ponad 18 ton) odlew piasty.

Warsztat opracował pewne proste elementy pozycjonujące, które pomagają rozstawić piasty przed obróbka. Gdy odlew piasty zostanie zakwalifikowany, powierzchnie odniesienia są ustalane na górze i na dole obrabianej części. Te powierzchnie ustawią piastę w specjalnym uchwycie, na czas drugiej operacji. Uchwyt ten gwarantuje utrzymanie środka piasty dokładnie w osi. Przy tym ustawieniu wykonywane są i zakańczane operacje toczenia oraz wiercenia na górze i na dole piasty.

    Ponieważ druga operacja polega na obróbce licznych, bardziej             szczegółowych elementów, szybkość pozycjonowania wiertarko – frezarko – wytaczarki jest istotnym czynnikiem w redukowaniu całkowitego czasu procesu. Zdjęcie pokazuje wytaczadło wykańczające właśnie otwór, do którego zostanie zamontowany mechanizm regulujący nachylenie skrzydeł wirnika.

Drugą operację wykonuje się na wiertarko – frezarko – wytaczarce poziomej Union P-130 CNC (z komputerowym sterowaniem numerycznym) jest to obrabiarka floor-type o przesuwach 197/118/30 cali (500/300/76 cm) w osiach X/Y/Z oraz 29 calowym skokiem suwaka (oś W). Specjalny uchwyt mocujący, na mierzącym 96 na 96 cali (2,5x2,5m) stole obrotowym obrabiarki, pozwala zamocować piastę w najbardziej optymalny sposób i umożliwia zautomatyzowaną obróbkę licznych otworów na śruby.

Warto zwrócić uwagę na kilka, z całej gamy możliwości tej maszyny. Po pierwsze, konfiguracja floor-type oznacza, że przesuwa się raczej kolumna, a nie stół. W ten sposób, przy przesuwaniu zawsze tej samej masy, można znacznie zwiększyć dokładność i szybkość. Model ten posiada także najszybsze pozycjonowanie ze wszystkich wiertarko – frezarko – wytaczarek poziomych w warsztacie. Szybkość pozycjonowania w tej operacji różni się w zależności od złożoności obrabianego elementu. Średnio mamy tu do czynienia z prawie 100 otworami na śruby, na każdej stronie cisnącej, która jest powierzchnią pierścieniową płaską na każdej z trzech stron piasty. Ponadto maszyna wyposażona została w prowadniki i szklane podziałki poprawiające powtarzalność i dokładność.

Wreszcie moment obrotowy, prędkości wrzeciona oraz duże prędkości podawania, spełniają najnowsze trendy rozwoju obrabiarek, które zresztą, ten warsztat śledzi bardzo uważnie. „Ciągle poszukujemy nowych, lepszych gatunkowo narzędzi, zdajemy sobie sprawę z tego, że z takiej maszyny można wyciągnąć znacznie więcej i zdecydowanie zwiększyć chociażby stopień zdejmowania materiału,” twierdzi Myers.

Do skuteczności drugiej operacji przyczyniło się kilka innowacyjnych pomysłów w temacie stosowanych narzędzi. Można tu wspomnieć o specjalnie zaprojektowanych narzędziach do obróbki powierzchni tylnych. Znacznie przyśpieszają one wykonywanie otworów na śruby, bez konieczności pracy od środka piasty. Narzędzie to oszczędza około 6 godzin obróbki na każdej piaście. „Chociaż takie narzędzia oznaczają znaczne inwestycje, zarabiają na siebie bardzo szybko” stwierdza Myers. W tym przypadku, na pokrycie kosztów wystarczyły oszczędności z obróbki jedynie dwóch piast. Warsztat zainwestował także dużo w specjalnie zmodyfikowane lub specjalnie zaprojektowane wytaczadła.

Obróbka ram podstawowych przebiega w podobnym, dwu operacyjnym procesie. Także w tym przypadku, wiertarko – frezarko – wytaczarki poziome firmy Union odgrywają główną rolę. Podobnie jak piasty, ram podstawowe są odlewami z żeliwa sferoidalnego o wysokiej odporności na niskie temperatury. W odróżnieniu od ‘ładnych i okrągłych’ piast, ramy wyglądają, jak gigantyczne misy. Każda waży około 32 000 funtów (14,5 tony).

                                         
Rama podstawowa początkowo obrabiana jest w pozycji pionowej. Wszystkie ścianki i dziury na spodzie podstawy są ukończone w tym ustawieniu.

Na czas pierwszej operacji rama zostaje zamocowana w pozycji pionowej na wiertarko – frezarko – wytaczarce poziomej PCR-150. Z przesuwem 396/157/39 cali (100/40/10 cm) w osiach X/Y/Z oraz 29 calowym (74 cm) skokiem suwaka, jest to największa maszyna HBM w warsztacie. Podobnie jak inne wiertarko – frezarko – wytaczarki poziome firmy Union, tak i ta wyposażona jest szklane podziałki i prowadniki liniowe. Obrabiarka ta, tak samo, jak omawiana wyżej jest typu floor-type, co pozwala na mocowanie części w pozycji pionowej, na olbrzymich kątownikach. Na tym etapie przeprowadzana jest kwalifikacja odlewu, powierzchnia przylgowa kołnierza i stopki montażowe znajdujące się na spodzie podstawy są frezowane, a wszystkie dziury na śruby wiercone. Powierzchnia przylgowa kołnierza staje się powierzchnią odniesienia dla mocowania stosowanego w drugiej operacji.

                           
Druga operacja w przypadku ramy podstawowej wykonywana jest na najnowszej w warsztacie wiertarko – frezarko – wytaczarce firmy Union KC – 150 HDT. Jak pokazano na zdjęciu uchwyt mocujący na masywnym stole obrotowym maszyny osiąga wymagany do tej operacji kąt 5 ½ stopnia.

Warsztat nabył specjalnie do tej operacji wiertarko – frezarko – wytaczarkę poziomą KC-150 HDT. Z przesuwem 157/118/39 cali (40/30/10 cm) w osiach X/Y/Z oraz 29 calowym (74 cm) skokiem suwaka. Cechą przyciągającą uwagę jest stół obrotowy o wymiarach 78 na 118 cali (20x30 cm). Obrabiarka wyposażona jest w zmieniacz głowic, który pozwala na automatyczną instalację głowicy do obróbki pod kątem prostym. Głowica ta ma zasadnicze znaczenie dla obróbki podkładek podtrzymujących na górnej stronie ramy podstawowej. Specjalny uchwyt mocujący, nie tylko utrzymuje ustawienia z poprzedniej operacji, ale także umożliwia ustawienie ramy pod kątem 5 ½ stopnia (głowica obrabiarki może być ustawiana jedynie pod kątem parzystym).

                                                 
Zautomatyzowany zmieniacz głowic pozwala na szybkie zainstalowanie głowicy do obróbki pod kątem prostym. Za jej pomocą toczone są powierzchnie górnej części ramy podstawowej.


Według Myers’a, zdolność szybkiego pozycjonowania, zmieniacz głowic oraz inne zautomatyzowane właściwości tej maszyny, znacznie zredukowały czas cyklu tej operacji. Podstawy mogą być ukończone w czasie, o około 50 procent krótszym, niż to było możliwe na wiertarko – frezarko – wytaczarkach poziomych wcześniejszej generacji. Efektywność tego procesu (chociaż w sumie nieplanowana) znacznie zwiększa moce przerobowe warsztatu. „To tak, jakbyśmy kupując ten model nabyli półtorej maszyny starego typu” – stwierdza Myers.


Dodatkowa wydajność uzyskana dzięki nowej wiertarko – frezarko – wytaczarce może być wykorzystana do innych prac związanych z turbinami wiatrowymi, takich jak wiercenie i gwintowanie dziur w pierścieniach nośnych łożyska. Dwie skończone części, złożone na terenie warsztatu czekają na załadunek.

Jednym z zadań, na które przeznaczono zaoszczędzony czas, jest obróbka stalowych pierścieni nośnych łożyska, które są częścią zespołu silnika typu yaw (silnik z systemem kontroli znoszenia) turbin wiatrowych. Pozwalają one turbinie obracać się w kierunku wiatru, aby zmaksymalizować siłę wiatru napędzającą łopatki wirnika. Ta nowa maszyna używana jest do wiercenia i gwintowania otworów na śruby, które porozsiewane są po powierzchni pierścienia o średnicy 120 cali (3 m) .

Inspekcja Gigantycznych Części To Gigantyczne Wyzwanie
Jednym z wyzwań związanych z obróbką olbrzymich, ciężkich przedmiotów, jest weryfikacja jej rezultatów. W tym celu warsztat używa Faro Laser Tracker Xi, przenośnego systemu pomiaru kontaktowego, który umożliwia przeprowadzenie kontroli podstaw oraz piast na terenie warsztatu. System używa lasera do śledzenia retroreflektora, który porusza się od punktu do punktu, po obrobionym przedmiocie. W każdym punkcie, system mierzy długość wiązki laserowej odbitej od reflektora. Pomiary wymiarów, zasadniczo są uzyskiwane w ten sam sposób, co we współrzędnościowej maszynie pomiarowej z sondą spustową. Zintegrowana w systemie “stacja pogodowa”, zbiera odczyty temperatury i ciśnienia z czujników pokładowych, kompensując w ten sposób wpływ otoczenia na dokładność pomiaru. Jest to tym ważniejszy aspekt, jeśli pomiary dokonywane są w pomieszczeniach bez instalacji klimatycznej (tak, jak ma to właśnie miejsce na terenie tego warsztatu).

                                            
Olbrzymie części muszą być skontrolowane na terenie warsztatu za pomocą przenośnego laserowego systemu pomiarowego. John Kirstner, pełniący w warsztacie rolę inspektora, demonstruje, w jaki sposób cały proces kontroli może być przeprowadzony przez jedną osobę.

Magna, do tego typu pomiarów wykorzystuje system bezprzewodowy. Oznacza to, że do przeprowadzenia kontroli poprawności obróbki wystarcza jedna osoba. Inspektor przesuwa reflektor i naciska przycisk ręcznego nadajnika, aby zdalnie zapisać próbki na laptopie. Potrzeba ok. 4 godzin, aby wykonać standardowy pomiar dla piasty wirnika i ok. pół godziny więcej dla podstawy. Położenie krytycznych elementów dla piasty jest określane z dokładnością 0,004 cala (0,1 mm) i z dokładnością 0,003 cala (0,076 mm) dla ramy podstawowej. (Dokładność Laser Tracker’a wynosi 0.001 cala (0,025 mm)).

„Warto podkreślić, że podczas wykonywania pomiarów dużych części musimy uwzględniać te same środki ostrożności i brać pod uwagę te same warunki, jak wtedy, gdy przygotowujemy się do obróbki” - stwierdza Myers. Na przykład, wydrążone, kuliste odlewy takie, jak piasty wirnika, wyginają się nieznacznie, zależnie od tego na której stronie leżą. Warsztat przywykł już do konieczności dokonywania poprawek wynikających z faktu, że olbrzymie części lubią się lekko deformować, z każdą zmianą pozycji.

Należy pamiętać, że ta końcowa kontrola służy potwierdzeniu i udokumentowaniu, że wyprodukowane części są zgodne z wszelkimi wymaganiami technicznymi klienta. Nie jest to kontrola samego procesu obróbki. Zadanie to związane jest z zastosowaniem przeróżnych przyrządów pomiarowych, tradycyjnych wzorników i sprawdzianów szczękowych. Według Myers’a, taka polityka sprzyja podniesieniu efektywności produkcji, gdyż wymusza na warsztacie utrzymywanie obrabiarek w idealnej kondycji. Na przykład, regularnie dokonuje się kalibracji dokładności wolumetrycznaej wiertarko – frezarko – wytaczarek poziomych, za pomocą interferometru laserowego. Stosowany przez warsztat profilaktyczny program konserwacji wymaga, aby wszystkie istotne maszyny, oprócz rutynowej konserwacji, przechodziły raz w roku trwające tydzień czasu, kontrole i renowacje. Przestój w produkcji uwzględniony jest w harmonogramie pracy warsztatu, dzięki temu nie ma obawy, że prace kontrolne mogłyby być niewykonane na czas.

                                           
Scott Kramer (po lewej) oraz Dave Myers sprawdzają skończoną piastę wirnika. Dave stoi wewnątrz odlewu.

Korzyści Wynikające z Podziału Obowiązków
Kramer jest świadomy, że bliski związek Magny z Union Machine daje przewagę konkurencyjną obu organizacjom. Na przykład, Magna w każdej chwili może skorzystać z pomocy personelu technicznego z Niemiec. W rezultacie warsztat musiał poznać swoje obrabiarki od podszewki, co znacznie pomaga w wykorzystaniu ich możliwości, w jak największym stopniu. Podobnie, doświadczenie Magny i praktyczna ocena działania maszyn, pomogły konstruktorom obrabiarek właściwie ocenić swoje projekty oraz plany ich dalszego rozwoju. „Nawzajem się od siebie uczymy” – stwierdza Kramer.

Korzyści tego partnerstwa rozciągają się i na klientów kupujących maszyny z United Precision Services, przedsiębiorstwa będącego ramieniem Union w Stanach Zjednoczonych. Na przykład, ten sam personel, który zajmował się przez lata konserwacją oraz usuwaniem usterek w maszynach Magny, może to samo robić pod szyldem firmy Union. Jak twierdzi Kramer, firmy mogą się teraz dzielić doświadczeniem i udzielać sobie wzajemnie porad dotyczących konserwacji i użytkowania.

Wraz ze wzrostem zainteresowania alternatywnymi źródłami energii, Kramer spodziewa się także wzrostu zainteresowania wielkimi obrabiarkami i wyposażonymi w nie warsztatami. Praca nad turbinami wiatrowymi jest jedną z możliwości, która zdaje się odzwierciedlać ten trend. Jednakże, kluczowym dla osiągnięcia sukcesu jest, jak zawsze, odpowiednie rozpoznanie i wdrożenie zróżnicowania produkcji. Rynek nieustannie się zmienia i trzeba właściwie wyczuć jego potrzeby.