發(fā)展21世紀(jì)的柔性加工系統(tǒng)

產(chǎn)品的改進(jìn)已經(jīng)驅(qū)動加工系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)十年了，它現(xiàn)在仍然在驅(qū)動著。新產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間已經(jīng)被削減，汽車購買者希望傳動系統(tǒng)的選擇范圍如此之廣，致使我們建造的生產(chǎn)系統(tǒng)必須年產(chǎn)高達(dá)30萬件不同的零件。產(chǎn)品整個生命周期中的需求波動比以入任何時候都更加尖銳。要求為適合個性的市場年產(chǎn)為5萬件，更進(jìn)一步增加了對系統(tǒng)制造新商的壓力。

我們在今后10年的主要挑戰(zhàn)是創(chuàng)造非傳統(tǒng)工具的設(shè)計，涂層刀具，更可靠的主軸，靈巧的工具以及靈巧的夾具。系統(tǒng)必須具有健壯性(魯棒性)、可靠性、柔性和快速性。傳統(tǒng)方法不可能給我們所需要的系統(tǒng)，我們必須打破框框來考慮。

在我們的片段型工業(yè)中，控制、工裝和加工技術(shù)的進(jìn)步很快，一個極好的例子是高速加工。用戶常常訴苦說，機(jī)床制造商過去不支持高速。今天、滾珠絲杠技術(shù)和直線電機(jī)技術(shù)已使機(jī)床能以1g的加速度及36000r/min運(yùn)行，而且控制能夠保持步調(diào)。但是，用在高速加工中的刀具和刀夾則因可靠性問題而傷腦筋，而且主軸制造商還不能夠為大批量生產(chǎn)提供牢固的、可靠的、價格低廉的高速主軸。

主軸


采用陶瓷軸承和滾動體的主軸已把速度推到了18000r/min~20000r/min，超過了油脂潤滑技術(shù)的能力。為消散滾動軸承在高速時產(chǎn)生的熱量，必須另外增加一個軸承冷卻系統(tǒng)，從而產(chǎn)生出另一價位和復(fù)雜性。

在達(dá)到高主軸速度的同時就意味著微量保證期是以小時計，而不是以年計了。用戶現(xiàn)在問的問題不是有多快，而是什么型式的軸承能給出最高的可靠性和質(zhì)量？在主軸本身內(nèi)只有很少運(yùn)動件的電磁主軸可能是最好的長期解決辦法，但在工廠環(huán)境下如何防護(hù)它們還不清楚，而且環(huán)境的磁場危險也未弄明白。

切削刀具


如果我們的目的是用同一刀具進(jìn)行鉆削、銑削、鏜削和攻絲等多道工序加工，我們就需要有多直徑的刀具，這樣可以不用換刀并消除了附加的走刀。如果我們能用一把刀具完成小直徑、大直徑、倒角和端面的加工，代替以前用4把刀具和每次換刀要1或2秒時間，那么我們每個零件加工節(jié)省8秒鐘，外加4把刀具的成本以及一次運(yùn)動代替4次運(yùn)動所產(chǎn)生的機(jī)床磨損的成本，這個節(jié)約是很大的。

硬度合金刀具和立方氮化硼對含鐵材料以及金剛石對鋁的復(fù)合材料的應(yīng)用，曾使刀具性能發(fā)生了革命，而機(jī)床性能則落后了�，F(xiàn)在機(jī)床和控制系統(tǒng)超過了刀具，用戶埋怨可轉(zhuǎn)位式的硬質(zhì)合金涂層刀片的壽命太低，而且可轉(zhuǎn)位刀片又不適用于加工象致密石墨那樣有前途的復(fù)合材料。

當(dāng)切削鋁件時，刀具必須很光滑、光整一致，無凸起或凹坑，我們的刀具工程師還希望看到能足夠光滑地加工鋁件的金剛石涂層刀具。刀具制造商還沒有提供用于高生產(chǎn)率加工的大型圓形金剛石涂層刀具。如果先進(jìn)的涂層，包括金剛石和CBN涂層，可以有于圓形刀具，則高速系統(tǒng)可以采用。

對涂層圓形刀具，如鉸刀的另一選擇是將金剛石片放在刀具上，這種方法可以改善精度和尺寸，也可以延長刀具壽命，但是成本較高。我們已在Mach I機(jī)床上使用過金剛石刀具速度達(dá)20000r/min，效果很好，這里的限制因素是主軸，沒有一根主軸能夠超過金剛石的速度能力。

刀具制造商的反映是：他們花不起對開發(fā)新型刀具技術(shù)的科技投資，但是用戶希望減少刀具更換，以提高設(shè)備利用率和刀具制造商希望銷售可置換刀片，他們在利益上有沖突也是事實(shí)。我們與我們的合作伙伴正在進(jìn)行的研究類型將給刀具制造商帶來專門的技巧，當(dāng)設(shè)備制造商和用戶看到這些新工藝的力量并對他們的供應(yīng)商施加壓力時，供應(yīng)商將開始迎頭趕上。

在和我們的一個汽車客戶工作中，我們企圖開發(fā)一種低阻力、高生產(chǎn)率和具有非傳統(tǒng)的刀片幾何形狀和安裝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)刀具。這種新的刀具用于加工難加工的材料就象加工墨鑄鐵一樣，故至今為止，看起來就象是新的刀具可提高刀具壽命10倍。Wisconsin-Milwaukee大學(xué)的研究人員和工程師們在國家科學(xué)基金3年的資助下正在開發(fā)有于干銑的刀具。初步試驗表明：新的鉆削刀具與標(biāo)準(zhǔn)的鉆頭比將減少刀具磨損20%~25%。

干式加工


用適當(dāng)?shù)耐繉拥毒哌M(jìn)行干式加工在大批量的制造系統(tǒng)中將減少機(jī)床的臺數(shù)或走刀的次數(shù)。例如，我們已經(jīng)安裝了用于干式加工鋁件的專用的立式銑床和提供了多軸臥式加工中心用于進(jìn)行鋁制缸體的指定工序，通過工件在夾具中鑄出的定位點(diǎn)上定位，高速銑削工序保證缸體當(dāng)它們在發(fā)動機(jī)廠被加工之前具有相等的余量分布。從銑削工序中取消了冷卻液可以將切屑直接用于鑄造而無需進(jìn)行冷卻液分離。金剛石涂層消除了刀尖上的熱，從而消除了切削刃上的刀瘤，但是那樣的刀具現(xiàn)在還沒有。

但是，干式加工鐵質(zhì)工件時出現(xiàn)的問題，在工藝采用之前必須加以解決。例如，切屑如何安全地排出？切削熱怎么辦？如何避免切削刃上的切屑瘤。對準(zhǔn)干式生產(chǎn)加工，我們采用一個Orsco潤滑系統(tǒng)，該系統(tǒng)使少量的專用潤滑液原子化，它的一滴被氣流散開后可以潤滑整個切削的刀具，因為它不進(jìn)入大氣，所以冷卻液不用收集，切屑在再生前也不用清潔。

我們的工程師報告說，采用Orsco潤滑系統(tǒng)銑削、鉆削、鏜削和鉸削鋁件和鑄鐵件，生產(chǎn)出的零件質(zhì)量幾乎與用正常的冷卻液生產(chǎn)出來的一樣好。

智能夾具


一個只能夾持一個工件的專用夾具，在任何地方都值30000美元至60000美元，一個有40至100個夾具的系統(tǒng)，很容易就使一個加工系統(tǒng)的成本增加數(shù)百萬美元，我們需要一個能夾持很多個不同工件的夾具(那是真正的柔性夾具)它的剛度足以抵抗今天的重切削作用在工件上的力。

1988年1月，在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的先進(jìn)技術(shù)項目(ATP)基金的幫助下，我們開始開發(fā)一個智能夾具系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括柔性夾緊，工件定位器，一個微定位器以及軟件。對系統(tǒng)的研究工作將進(jìn)行到2000年12月，我們的合作者是伊利諾斯大學(xué)、密執(zhí)安大學(xué)、喬治亞大學(xué)，還有Daimler Chrysler、Ford和GM汽車公司。

夾具的柔性取決于清除固定的機(jī)械定位器。在智能夾具系統(tǒng)中，工件定位系統(tǒng)確定工件并感知其位置。系統(tǒng)的核心是夾具的配置站，它包括一個機(jī)器人的機(jī)械手和一個夾具的接收器，機(jī)器人傳送交換夾具，交換夾具帶著工件進(jìn)出加工站和夾具配置站。

進(jìn)入站的工件將被夾緊，而壓板被調(diào)整來夾持現(xiàn)在的工件。當(dāng)夾緊時，工件的位置不需精確地知道，一旦工件被確定無疑后，工件的定位系統(tǒng)就精確地定位工件，位于柔性壓板底下的工件微定位器便校正任何的不對中性，然后夾具才被送到機(jī)床上。

一個靈捷的夾具系統(tǒng)可以為一個汽車制造商的每一個加工系統(tǒng)節(jié)約基本投資達(dá)1800萬美元，為每輛車節(jié)約加工費(fèi)30~50美元。這個項目中的合作者——三大汽車制造廠和Cummins發(fā)動機(jī)廠將在他們自己的工廠獲得該新系統(tǒng)的第一個試用。3~5年后，我們將為國外市場進(jìn)行改裝。

靈捷系列的鏜削工作站


鏜孔常常是比較難的，特別是鏜凸輪和曲軸孔就更難，因為他們的長徑比很大，尺寸精度和幾何精度也很高。每個鏜削工作站都要按在特定的缸體或缸蓋上的特定鏜孔工序的要求來進(jìn)行工程化設(shè)計。工件或工藝過程的任何變動都要求額外的再工程化或甚至更換鏜削工作站。

一個專用的鏜削工作站穿過托架鏜一個光滑的孔，該托架將凸輪軸裝在汽車發(fā)動機(jī)的頂上，孔的深度達(dá)889mm，在400mm×400mm的工作空間內(nèi)任何位置上，孔的直徑由25.4mm至76.2mm。具有多個切削刀具的長工具(鏜桿)同時加工這些孔，但是調(diào)整很復(fù)雜，需要專門的主軸，鏜桿必須兩端支承，機(jī)床將很重。

切削刀具將從距機(jī)床支承結(jié)構(gòu)很遠(yuǎn)的地方去進(jìn)行其工作。一般一個25mm的孔要求刀具的行程約762mm。整個工序中，22.5kg重的刀具必須保持與發(fā)動機(jī)完全平行，不管重力和慣性力有多大。一把很長的鉆頭，當(dāng)其走完一個很長的孔時，將會抖動或偏離前進(jìn)方向。

傳統(tǒng)的解決辦法是沿發(fā)動機(jī)缸體的長度上采用細(xì)心對中的支承以保持刀具對準(zhǔn)目標(biāo)，當(dāng)然，這些支承要預(yù)先滿足鏜刀桿的快速更換的要求。當(dāng)振動問題使精度降低至低于可接受的水平時，用替換整體硬質(zhì)合金提高柔性或用合金鋼的復(fù)合鏜桿以提高剛性，或采用不同的拉緊系統(tǒng)的努力都告失敗。

柔性系列的鏜削工作站可以精密加工至少6種不同的發(fā)動機(jī)型號，代替至少6臺專用鏜床。它可以削減每輛車的生產(chǎn)成本約50~85美元，每年為美國汽車制造商節(jié)省7億至12億美元。

為將靈捷性引入鏜削加工中，防止引起誤差的振動和變形的支承套必須取消。我們需要有一種具有能快速消除鏜桿振動影響的被償機(jī)構(gòu)和保持孔具有足夠尺寸精度和幾何特性的刀具。智能工具及其控制被視為是一種好的替代。

我們在1995年便與密執(zhí)安大學(xué)工程學(xué)院的一個研究小組一起開始研究此項目，并從國家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的先進(jìn)技術(shù)項目那里得到200萬美元的資助，加上我們自己的70萬美元基金。福特汽車公司、通用汽車公司和Chrysler汽車公司都參與了這個計劃。

垂直度、波浪型(pitch)、搖滾型(Roll)、蛇行(Yaw)誤差要最小化和位移精度是最優(yōu)先要考慮的。我們的研究小組曾用一系列的機(jī)床零件有限元模型，特別是整臺機(jī)床結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行分析，以便優(yōu)化其固有頻率和響應(yīng)頻率，分析了熱傳導(dǎo)，耐用度和疲勞強(qiáng)度，以保證機(jī)床的穩(wěn)定性和可靠性。

一臺“靈巧”機(jī)床要求有一個靈巧的控制。我們的合作伙伴Granfield Precision公司在它的開放式結(jié)構(gòu)的控制器cu6400上增添了一個專門的幾何補(bǔ)償功能，它可以改變孔的直徑從25mm至75mm，并能在250mm×250mm的工作區(qū)內(nèi)改變孔的位置。現(xiàn)在具有不同孔徑和孔位的零件加工就用不著更改工裝或重新制造工裝了。

現(xiàn)在我們需要有一臺和CNC加工中心一樣靈活的但又要精密和剛性好的機(jī)床，不過任務(wù)才完成了一半在鏜削、工裝設(shè)計中的挑戰(zhàn)和機(jī)床設(shè)計一樣大。機(jī)床進(jìn)行幾何補(bǔ)償?shù)哪芰κ顾�變得“靈巧”，所以我們決定把刀具也做得靈巧。

靈巧的刀具


在高速切削金屬時，主動控制要求有刀具傳感器和控制器，以便不斷地監(jiān)測和提供反饋。在傳統(tǒng)的機(jī)床上，控制器板和刀具之間即使是3m~6m的距離也要引起不可接受的信號滯后。為此Lamb公司的工程師制造了一個含計算機(jī)的刀具，一個激光導(dǎo)引的系統(tǒng)和壓電傳感器放在刀具體內(nèi)的刀具可以在5000r/min下旋轉(zhuǎn)。切削刀具的調(diào)整是在主軸內(nèi)計算好并發(fā)出信號，從而比傳統(tǒng)的控制器能產(chǎn)生出更快和更精確的切削刀具的響應(yīng)。

由于靈巧刀具必需包含有操作器和傳感器以便實(shí)時控制鏜桿，所以它是空心的。在刀具外徑上的應(yīng)變計提供更多的負(fù)載和位移的數(shù)據(jù)。刀具的里面是超精密的激光系統(tǒng)用于測量振動位移和操作器的位移，后者是較正切削刀片位置的。

刀具上有兩個刀片，一個用于孔的精加工，一個用于粗加工。精加工刀片安在空心刀具里面的一個撓性物件上，并與具有高頻響應(yīng)的壓電操作器相連接。刀具控制器輸出進(jìn)給量到壓電操作器中，壓電操作器將進(jìn)給量轉(zhuǎn)移成線性脈沖并通過杠桿傳給撓性物件，杠桿推動精加工刀片作徑向移動剛好抵消掉鏜桿、工件或機(jī)床的振動影響。

我們把靈捷系列的鏜削系統(tǒng)稱為BOA，即具有最佳精度的鏜削，三大汽車制造廠將第一個獲得使用，這就使他們比外國汽車制造商占有優(yōu)勢，2000年9月在美國芝加哥國際制造技術(shù)展覽會(IMTS)的Lamb展臺上將展出該系統(tǒng)。

下一步干什么


2000年代將是系統(tǒng)供應(yīng)商、刀具供應(yīng)商和用戶合作的時代。先進(jìn)的產(chǎn)品開發(fā)集團(tuán)必須與顧客一起工作以便確定和描述下一代的材料和加工。

我們必須鼓勵刀具供應(yīng)商開發(fā)低價位、高質(zhì)量的涂層刀具。為了跳上一個臺階，提高可靠性和降低壽命周期成本的主軸和刀具技術(shù)必須發(fā)展。環(huán)境的趨勢必須嚴(yán)格監(jiān)視，干式加工的應(yīng)用將增長，因為鋁的應(yīng)用變得較普及。先進(jìn)的刀具材料可能被用于干加工含鐵工作，而且干加工可能成為某些復(fù)合材料加工的選擇。有一點(diǎn)是肯定的：當(dāng)傳統(tǒng)技術(shù)的固定目標(biāo)遇到用戶要求的不可抗拒的力量時，傳統(tǒng)的知識將給人們一種打破框框的思維。