無需速度的高速加工

在Tech Manufacturing公司的加工車間中，轉(zhuǎn)速為4000 r/min的高速加工機床已經(jīng)非常有效。但該車間又引進安裝了一臺轉(zhuǎn)速高達15000 r/min的新型鍛模銑床，從而使生產(chǎn)率更進一步地大幅度提高。但是，即使沒有購置這臺新型機床，高速加工仍具有其應(yīng)有的價值。
    位于密蘇里州Wright城的Tech Manufacturing公司的工程設(shè)計副總裁Jerry Halley先生針對零件的高速加工提出了三項基本原則，其具體內(nèi)容如下：切削加工時，軸向切削深度要小，而切削速度要盡可能的快；在進行切削加工的地方，應(yīng)保證盡可能地將工件夾緊；在已經(jīng)完成一個工件的切削加工以后，無需再返回進行二次加工。
    預(yù)見性加工
    Halley先生曾經(jīng)在波音公司工作過。在過去10年中，他是該公司St. Louis工廠工程技術(shù)人員隊伍中的其中一員，該工廠生產(chǎn)高速銑床，他們應(yīng)用過去一直使用的高速加工方法，使這些機床發(fā)揮了更大的生產(chǎn)能力，從而達到更高的生產(chǎn)效率。
    在鋁和鈦合金原材料的實體基礎(chǔ)上銑削加工成型飛機結(jié)構(gòu)件時，采用“高速加工”的方法具有特殊的意義，并與機床的顫振現(xiàn)象產(chǎn)生一定的聯(lián)系。高速度加工中心都存在著內(nèi)在的顫振傾向，在金屬高速切削應(yīng)用領(lǐng)域中，這種顫振現(xiàn)象會限制生產(chǎn)效率的發(fā)揮。然而，如果車間能夠深入了解產(chǎn)生這種顫振現(xiàn)象的原因，找到機床主軸的正確轉(zhuǎn)速，并在相對較高的轉(zhuǎn)速下保持銑削工藝的穩(wěn)定平靜，那么對提高金屬的高速切削效率將起到很大的作用。對于刀具與主軸的每種不同組合，其所采用的最佳轉(zhuǎn)速也是各不相同的。在找到最佳的加工速度以及應(yīng)用上面所提到的那些加工原則以后，波音公司的加工車間不但使他們的機床提高了生產(chǎn)效率，而且使其在加工飛機上的薄壁零件時，削減了零件的生產(chǎn)成本，降低了的零件的重量，同時也提高了車間的生產(chǎn)率。

    圖1 圖中所示為該加工車間中生產(chǎn)效率最高的SNK型5軸高速加工銑床。該車間現(xiàn)有的機床上都應(yīng)用了高速加工原則，現(xiàn)有的程序和工藝也完應(yīng)了這一高速加工機床

    現(xiàn)在，Tech Manufacturing公司的這一加工車間已經(jīng)為飛機制造工業(yè)服務(wù)了50多年，Halley先生作為該公司的共同業(yè)主，已經(jīng)將高速加工的原則應(yīng)用到了該加工車間中幾乎各種的5軸和3軸加工中心上，用于所有飛機零件的加工。他說，加工車間現(xiàn)有的雇員不到50名，但卻有10幾臺CNC機床，對于從事高速加工業(yè)務(wù)來說，可能是屬于最小的車間。如果嚴格地按照其車間設(shè)備的最高速度而言，他的加工車間也許也是從事高速加工領(lǐng)域中，屬于加工速度最慢的企業(yè)。
    速度（或缺乏足夠的速度）并不一定能說明什么。請再看一看上面所提到的一些規(guī)則。它們并不要求任何特別的速度。關(guān)于“盡您最快速度”的規(guī)則仍然適用，即使這并不是一個特別快的速度。
    Tech Manufacturing公司大多數(shù)的5軸加工中心，其最高速度局限于4000 r/min。雖然該車間的機床仍然保持著很好的工作狀態(tài)和很強的工作能力，但它們畢竟屬于較老的機床。在它們能夠達到的速度范圍內(nèi)，要找到一種無顫振的特殊主軸速度、同時又能大幅度地提高生產(chǎn)效率的機會是不存在的。然而，有關(guān)高速加工的原則和加工程序仍然適用于這些機床。

該加工車間專門生產(chǎn)圖中所示的這類零件—飛機結(jié)構(gòu)件，這類零件由整塊的鋁和鈦合金材料加工而成

該加工車間從SNK America公司購置了一臺最新式的HPS 120B/5型5軸加工機床，其轉(zhuǎn)速高達15000r/min。Halley先生通過使用由Manufacturing Laboratories公司引進的MetalMax系統(tǒng)進行振動分析試驗，測量這臺機床的頻率響應(yīng)特性，以確定該機床在采用該車間各種標準刀具時的高生產(chǎn)率理想主軸速度。在掌握這方面的信息之后，他就確定了在這一機床上運行程序的新速度、進給率和切削深度，但他不需要改變刀具的任何路徑。高速加工的刀具路徑在老式機床上的運行已經(jīng)證明其具有很高的生產(chǎn)效率，目前在新的機床上應(yīng)用運行，甚至可以達到更高的生產(chǎn)效率。實際上，當(dāng)該機床幾乎在車間中安裝不久，就開始為該車間盈利，創(chuàng)造價值。
     Halley先生說，這一利潤回報并不是主要的。即使該車間從來沒有購置過這臺新機床，高速加工對這一車間仍然具有很大的意義。在加工速度較低時，采用“高速加工”這個術(shù)語可能有點用詞不當(dāng)，但按照這些原則和方法加工，可以為工藝的一致性和預(yù)見性提供相應(yīng)的好處。根據(jù)Halley先生和公司其他人的說法，即使在沒有速度的情況下，采用高速加工仍然具有很大的價值。

即使沒有速度，高速加工也具有很大的意義。在老式、速度較慢的機床上，堅持高速加工的原則包括以下優(yōu)點：工藝具有更好的一致性，具有更好的表面光潔度，而且無需進行二次去毛刺加工

消除了變量
    事實上，高速加工的原則并不是關(guān)于特殊的速度問題，而是關(guān)于機床的優(yōu)化問題。
    加工飛機結(jié)構(gòu)件和其他金屬零件的高速切削的典型方法是這樣的：首先是進行快速的粗加工操作，即采用較大的刀具，切除大量的材料。然后花費較長的時間進行精加工操作，在要求嚴格的地方，采用較小的層次切削，以保證零件的加工精度。振動總是會給精加工走刀增加一些不確定因素，因此在特定的時刻，這一因素或其他因素就會影響到工藝的動態(tài)穩(wěn)定性。
    有效的高速加工可限制變量的發(fā)生，這樣有利于進一步優(yōu)化其余的變量，盡可能使切削更加穩(wěn)定并達到更高的生產(chǎn)率。選擇太多未必是好事，因為選擇的范圍太廣，也會使工藝更難以控制。
    例如，加工車間提供使用的銑刀數(shù)量應(yīng)盡量限制在較小的范圍內(nèi)。在Tech Manufacturing公司，車間中大量使用的刀具只有四種標準的端面銑刀。刀具的長度也受到一定的限制。刀具都調(diào)節(jié)到規(guī)定的標準計量長度。因此不需要調(diào)試刀具用的測量探針，因為在這一工藝中，刀具的計量長度都是固定不變的。
    采用高主軸速度的原因與這類原則有著密切的關(guān)系，工藝的微小變化會給系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性帶來明顯的影響。如果工藝物理特性保持恒定不變的話，那么車間為這一最新機床找到的特殊高生產(chǎn)率主軸速度也將保持恒定不變。
    在較低的速度條件下，也許不可能找到這樣的特殊速度。然而，有害的顫振現(xiàn)象仍然是一個非常危險的因素。在這里，工藝的一致性仍然使其有可能對切削參數(shù)進行微調(diào)，以便使可能發(fā)生的顫振現(xiàn)象降低到最低限度。在低速條件下，如果與更為典型的工藝相比，由此而產(chǎn)生的工藝，或多或少地就其加工周期而言，其生產(chǎn)率是不高的，但是精心控制的工藝，其加工的表面光潔度較好，而且很少需要進行二次去毛刺加工。
    Halley先生說，還有另外一種很有意義的加工方法，通過這一嚴格的工藝來減少變量。也就是說通過這種加工方法來消除粗加工和精加工之間的明顯區(qū)別。在高速加工中，主要就是采用銑削加工的方法。如果切削足夠穩(wěn)定，那么就會采用同樣的走刀方式，從隱窩的中心切除材料，并且還能以這種走刀方式加工隱窩的壁面，直至達到其最終位置。

圖4 該加工車間還將購置一臺與此相同的銑床，由這兩臺機床組成一個高速加工單元。這一套加工單元將成為該加工車間中生產(chǎn)效率最高的加工區(qū)，其所需的操作工人數(shù)量也是最少的

刀具路徑技術(shù)
    在高速加工中，穩(wěn)定性也會促進對刀具路徑的選用方法。一旦當(dāng)一個工件在加工完成以后，不要再次接觸它。因此，當(dāng)其完成對一個特殊區(qū)域的切削以后，如果刀具將一個柔性特色留在了它的后面，那么這對它不會產(chǎn)生多大的影響。然而，這一切削加工中的工件應(yīng)該在某些戰(zhàn)略性區(qū)域保留足夠的裕量，以支持在加工這一材料時出現(xiàn)特殊的情況。消除粗加工與精加工之間的明顯差距幫助達到上述這一目標。例如，一個薄壁零件，可以在其兩側(cè)保留較大的加工裕量，首先在其一側(cè)加工，然后再在另一側(cè)加工，兩側(cè)采用交替增量的加工方式，一直加工到底部為止。
    Halley先生說，一旦懂得了保持剛性的必要性以后，這一類的方法就變成了常識。然而，在應(yīng)用高速加工的方法時，人們所面臨的挑戰(zhàn)是CAM軟件不能支持這類加工方法。自動生成的刀具路徑往往會以一種特殊的簡便數(shù)學(xué)模式加工特定的裕量，但沒有給系統(tǒng)的動態(tài)偏差留下允差裕量。
其中有一個實例與這一加工方法有關(guān)，這就是Tech Manufacturing公司在加工未支撐薄地板時的所采用的加工方法。為了保持剛性，最好的方法就是在垂直的層面方向上一直將其加工到地板上，然后跳躍到相鄰的另一個垂直層面上，一直向下加工，然后繼續(xù)以此方法加工。相反，加工車間的CAM軟件不能提供這一功能。其自動生成的刀具路徑將以水平增量的方式進行一定量的加工，代替了對整個工件形狀在水平方向上一層一層的銑削加工。因此，編程員需要采用手工操縱自動刀具路徑的生成，并以獨立加工的操作形式，處理每一個垂直的增量級數(shù)據(jù)。采用這樣的方式操縱，可生成更加穩(wěn)定一致和可以預(yù)測的加工程序，最終可以使車間避免出現(xiàn)故障，即使在低速運行的情況之下，但是這種操縱方法會增加編程時間。
    事實上，高速加工零件所需的編程時間向車間有效地使用更高速的加工機床發(fā)出了挑戰(zhàn)。機床通過零件加速，但編程所需的額外時間，會給需要等待程序的機床帶來危險，如果加工車間不能小心謹慎地安排好機床的生產(chǎn)。

圖5 高速加工原則看起來往往需要不同尋常的刀具路徑。上述演示圖非常的直觀

更好并不代表最好
    新的銑床很容易成為機加工車間中生產(chǎn)效率最高的機床。該車間將采用自鎖緊和自定位工件夾緊裝置來縮短工件的調(diào)試裝夾時間，縮短機床的加工周期，該工件夾緊裝置由BIG Kasier公司提供。這臺銑床將根據(jù)該車間為該機床已經(jīng)找到的無顫振切削速度進行工作，不再需要那些在老式低速的5軸機床上經(jīng)過實踐驗證的高速加工程序。
    在加工車間購置這臺機床前，Halley先生曾對這臺機床進行了一次頻率響應(yīng)試驗。在車間考慮采用上面提到的MetalMax系統(tǒng)時，他對車間里的每臺機床都進行了評價。由于他對機床動態(tài)特性的影響和重要性非常熟悉，因此他在考慮購置機床的時候，不可能不對機床的這些情況進行分析研究，正如在購置一輛汽車時，不可能不對汽車進行試駕駛運行一樣。他所關(guān)心的其中一個主要問題是觀察整個機床速度范圍內(nèi)的振動特性是否穩(wěn)定一致。如果機床的速度不存在這樣的穩(wěn)定一致性，那就表明機床的動態(tài)特性，基本上隨著速度的變化而變化。在這種情況下，就很難使它找到和保持最佳的速度狀態(tài)。
    新機床必須保持高生產(chǎn)率的運行狀態(tài)，因為對于該加工車間而言，這是一筆非常巨大的投資。Halley先生說，損失一個小時就意味著減少一個小時的利潤。當(dāng)然，加工車間已再一次準備好回收這筆投資。由于這臺機床可能是該車間最貴重的設(shè)備，因此其所需投入的勞務(wù)時間是最少的。當(dāng)該車間再購置第二臺相同機床的時候，這兩臺機床將組成一套高速加工單元，同時還將包括一個去毛刺加工站。他說，操作這套高速加工單元只需兩名操作工就足夠了，一名有經(jīng)驗的機械師再加一名沒有經(jīng)驗的雇員，這名雇員在與機械師的一起工作中，將會逐漸地變得經(jīng)驗豐富，而最終成為一名高級操作人員。
    購置的第二臺機床與第一臺相同。事實上，它必須與第一臺機床完全一致，這樣，該加工車間在第一臺機床優(yōu)化方面所做的全部努力可以毫無遺漏的直接應(yīng)用于新的機床之上。引進任何其他變量的機床，將會影響該加工車間高速加工技術(shù)的高效應(yīng)用。按照Halley先生的說法，即使第二臺機床比第一臺機床稍好的話，該車間也不能完全接受。