采用自動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)高效加工

    齒輪加工業(yè)習(xí)慣于高標(biāo)準(zhǔn)，但有些行業(yè)卻聲稱可以滿足高得多的公差和標(biāo)準(zhǔn)。這種公認(rèn)的常識(shí)，連同齒輪生產(chǎn)中的一些基本做法，已經(jīng)受到機(jī)床制造商的挑戰(zhàn)，它就是Holroyd公司-Renold精密技術(shù)公司的一個(gè)分公司。 
    思想方面的轉(zhuǎn)變以及生產(chǎn)速度及精度的更高的期望從該公司英國(guó)北部Rochdale的制造廠的壓縮機(jī)螺桿生產(chǎn)線上得到了很好的體現(xiàn)。壓縮機(jī)螺桿生產(chǎn)線如何與齒輪制造關(guān)聯(lián)起來(lái)？答案存在于公司的兩臺(tái)機(jī)床中，即公司的帶有機(jī)載精密測(cè)量及自動(dòng)修正裝置的2E高速螺桿銑床及其TG150螺紋磨床。 
管它們正用來(lái)生產(chǎn)壓縮機(jī)螺桿，但兩臺(tái)機(jī)床都是設(shè)計(jì)用于生產(chǎn)帶有螺旋輪廓復(fù)雜零件的，同時(shí)還非常適合生產(chǎn)蝸輪軸等齒輪零件。 
關(guān)于該單元
    Holroyd的所謂的“Gemini”生產(chǎn)單元每年平均生產(chǎn)4萬(wàn)個(gè)壓縮機(jī)螺桿。在去年的生產(chǎn)中，廢品非常少，滿足了生產(chǎn)目標(biāo)要求。之所以能夠滿足要求，根本原因是采用了干銑削加工、在機(jī)測(cè)量及在機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置等。以下是對(duì)此生產(chǎn)策略的簡(jiǎn)單介紹。 
    釋放了應(yīng)力的C1141級(jí)鋼以棒材形式發(fā)送，螺桿在兩端進(jìn)行普通車削，毛坯裝在2E螺旋深溝槽銑床上。然后從毛坯上銑削5個(gè)螺旋溝槽，留出0.010英寸作為最終磨削加工的余量。 
    然后在Danobat數(shù)控車床上精加工心軸和螺桿兩端。盡管在加工的各個(gè)階段看起來(lái)有很大的差異，但仍通過(guò)彩色標(biāo)碼的托盤(pán)在機(jī)床之間搬運(yùn)螺桿以免發(fā)生混淆。然后將半精加工螺桿放到自動(dòng)上料裝置上，準(zhǔn)備在Holroyd TG150螺紋磨床上進(jìn)行最終磨削加工。每個(gè)零件離開(kāi)該機(jī)床時(shí)都為精加工好的狀態(tài)，通過(guò)了測(cè)量、檢查和確認(rèn)等工序，所有這些都無(wú)須采用外部測(cè)量設(shè)備。 
    在此有必要指出，Holroyd在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)和制造機(jī)床。這些機(jī)床不僅銷售給其它齒輪制造商，同時(shí)還在公司內(nèi)部使用，用于為那些將生產(chǎn)任務(wù)轉(zhuǎn)包給其它工廠的客戶生產(chǎn)成品零件。  

    從毛坯進(jìn)行螺旋輪廓的干式銑削
    依次考察該過(guò)程的重要方面要從2E螺紋銑床開(kāi)始。它在螺桿毛坯中切割1.0英寸深、1.25英寸寬的螺旋溝槽。在工件旋轉(zhuǎn)通過(guò)切削刀具的同時(shí)通過(guò)反向作用力穿過(guò)切割頭而進(jìn)給，從而產(chǎn)生螺旋溝槽輪廓。 
    該機(jī)床在一刀操作中就可以形成全深的溝槽，并且只用幾秒鐘的時(shí)間(見(jiàn)圖1)。切割頭在一步中的材料去除率非常高，因?yàn)樯�成的熱被切屑帶走。然后切屑從機(jī)床床身內(nèi)通過(guò)傳送帶帶走。由于傳給工件的熱很低甚至沒(méi)有，因此無(wú)須采用冷卻液。干加工是該單元的一個(gè)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗�不需要額外的液體過(guò)濾、泵及冷卻設(shè)備。 
    Paul Hannah是Holroyd的工程產(chǎn)品副總裁，他說(shuō) ：“切屑帶走了熱量，因此我們可以非常迅速地去除大量金屬而不會(huì)引起很大的溫度變化；在切削過(guò)程中工件溫度保持穩(wěn)定，一直在大約超出室溫6°F的溫度上。通過(guò)快速將毛坯切削至留出成品千分之10的余量，我們可以確保精磨不需要去除太多金屬，我們可以在非常短的周期內(nèi)獲得最終結(jié)果。” 
螺紋磨削過(guò)程
    在完成螺桿端部及軸的加工后，將螺桿移到螺紋磨床上。將螺桿傳遞給一個(gè)為螺紋磨床上料的自動(dòng)上料器，后面要比較詳細(xì)地就這方面進(jìn)行介紹。磨床自動(dòng)上料，并通過(guò)液壓方式采用緊公差軸式卡盤(pán)夾緊工件，這種卡盤(pán)由液壓尾架在非傳動(dòng)端進(jìn)行支撐。該機(jī)床采用一個(gè)安裝在機(jī)床上的帶精密紅寶石探針的測(cè)頭來(lái)針對(duì)基準(zhǔn)面檢查工件的位置。然后，砂輪產(chǎn)生第一個(gè)螺紋/槽，精度為最終尺寸的0.001英寸。 
    由砂輪生成陽(yáng)或陰螺紋凸或凹的曲面輪廓-由砂輪兩表面同時(shí)在中心折痕處磨削，一側(cè)加工螺旋的內(nèi)側(cè)，另一側(cè)加工外側(cè)。然后由測(cè)頭掃描該輪廓以確認(rèn)公差。如果輪廓正確，且在公差范圍內(nèi)，則將下一個(gè)槽磨削到成品精度。然后當(dāng)?shù)诙�個(gè)槽還在機(jī)床上時(shí)對(duì)它進(jìn)行檢查。如果通過(guò)了檢查，則磨削其余三個(gè)槽，第一個(gè)槽進(jìn)行精加工，去除磨削第一刀留下的0.001英寸余量。  
    如果在磨削完第一個(gè)槽后零件不滿足公差要求，則TG150會(huì)依據(jù)砂輪形狀或軸位置來(lái)計(jì)算必要的調(diào)整量，然后用安裝在砂輪臂內(nèi)側(cè)的兩個(gè)金剛石輪重新修整砂輪。在再次修整砂輪后，將另一個(gè)槽磨削到0.001英寸的公差，并進(jìn)行檢查。如果現(xiàn)在滿足了公差要求，則將下一個(gè)槽磨削至成品尺寸，并加以檢查。這一步將確定所做的調(diào)節(jié)是正確的，然后磨削其余螺紋，包括已經(jīng)進(jìn)行精加工的最初的兩個(gè)在內(nèi)。 
    Hannah先生說(shuō) ：“重新修整過(guò)程是由機(jī)床在磨削第一個(gè)螺紋之前自動(dòng)完成的，在第一刀完成后一般機(jī)床很少需要進(jìn)行進(jìn)一步修正。如果確實(shí)需要，則修正是有效的，第二個(gè)螺紋會(huì)通過(guò)要求，然后磨削循環(huán)可以按正常方式繼續(xù)。該過(guò)程可靠性非常高，因此如果機(jī)床修正兩次以上后零件還沒(méi)有通過(guò)要求，則我們知道要么工件準(zhǔn)備有問(wèn)題，要么所用材料有問(wèn)題，即砂輪或鋼有問(wèn)題。” 
    在正常生產(chǎn)循環(huán)中在機(jī)床上進(jìn)行測(cè)量和調(diào)節(jié)的主要好處是，每件產(chǎn)品都針對(duì)相同精度進(jìn)行完全檢查，就像在CMM(坐標(biāo)測(cè)量機(jī))上一樣。此外，通過(guò)免去脫機(jī)測(cè)量，大大減少了裝夾時(shí)間。這種方法提高了整個(gè)過(guò)程的速度和重復(fù)精度。 
    在機(jī)測(cè)量
    Hannah先生說(shuō)，TG150機(jī)床是“按照與獨(dú)立CMM相同的規(guī)格及公差設(shè)計(jì)制造的”。該磨床采用與高檔CMM上所用掃描測(cè)頭一樣的測(cè)頭。磨床還采用帶有(與CMM上類似的)高精度編碼器和光柵的閉環(huán)伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。然后將機(jī)床依據(jù)CMM相同的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)定，以保證所需要的精度。Hannah先生說(shuō)：“我們不再需要將產(chǎn)品取下來(lái)檢查并驗(yàn)證加工公差�！� 
    該機(jī)床回避了環(huán)境條件方面棘手的問(wèn)題，這是為保證外部測(cè)量技術(shù)可靠性的關(guān)鍵。測(cè)頭安裝在內(nèi)部，它的環(huán)境條件與機(jī)床相同，因此機(jī)床、工件和測(cè)量設(shè)備之間不存在溫度波動(dòng)問(wèn)題。如果環(huán)境條件發(fā)生變化，則機(jī)床會(huì)自動(dòng)適應(yīng)。 
    每次掃描循環(huán)開(kāi)始時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)單的測(cè)頭校正過(guò)程可以為開(kāi)始加工提供(得到)確認(rèn)的基準(zhǔn)點(diǎn)。Hannah先生指出，測(cè)量循環(huán)本身在不產(chǎn)生任何加工作用力的情況下發(fā)生，因此在動(dòng)態(tài)上以及運(yùn)動(dòng)學(xué)角度上都是穩(wěn)定的-當(dāng)加工元件為靜止時(shí)，機(jī)床床身的重量、精度及穩(wěn)定性可以與CMM相比。工件裝在與加工時(shí)所用夾具相同的夾具中，因此在修正性的再加工過(guò)程中位置不會(huì)丟失。 
    避免了在將零件卸下并運(yùn)到別處安裝的CMM過(guò)程中必然發(fā)生的誤差。工件無(wú)須重新裝到機(jī)床中，然后重新磨削，再取下進(jìn)行驗(yàn)證修正過(guò)程。這里還存在明顯(而重大)的成本優(yōu)勢(shì) ：避免為檢查精度而中斷生產(chǎn)，生產(chǎn)率大大提高，螺紋磨削機(jī)床以其最高效率和生產(chǎn)率水平操作。 
    砂輪的機(jī)上修整
    為了在一臺(tái)機(jī)床上完成加工-測(cè)試 -再加工過(guò)程，采用兩個(gè)機(jī)上金剛石盤(pán)來(lái)修整砂輪。圖4以黑色表示機(jī)床上這些部件在裝配中的情景。Hannah先生將該配置稱作是去除精密機(jī)床裝夾中“黑色藝術(shù)”的主要因素。他說(shuō)：“操作員技巧水平在復(fù)雜的加工過(guò)程中始終是一個(gè)變量，精確調(diào)節(jié)通常需要多年的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)才可以完善�！�       
    由金剛石修整輪來(lái)維持砂輪的形狀，在每?jī)蓚�(gè)工件加工之間都要進(jìn)行這種修整。  圖5: 為該磨床提供服務(wù)的自動(dòng)上料器節(jié)省了地面空間，并保證了機(jī)床的連續(xù)操作。  圖6: 借助帶有觸摸式屏幕面板的機(jī)床控制單元，可以瀏覽車間數(shù)據(jù)，并對(duì)它們進(jìn)行編程。單元的控制軟件基于Windows系統(tǒng)。 
    Holroyd聲稱已經(jīng)將這種知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的精華融合到了這種機(jī)床的操作智能中。利用來(lái)自機(jī)上測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，它可以精確預(yù)測(cè)為實(shí)現(xiàn)所需要的結(jié)果而需要在砂輪輪廓上實(shí)施的微小變化，并在砂輪上實(shí)施這種變化。砂輪中常規(guī)的磨損也用這種方式解決，因?yàn)樵谀ハ髅總�(gè)新工件之前都要實(shí)施修整過(guò)程。 
    砂輪的更換在很大程度上是可以預(yù)測(cè)的。機(jī)床具備的在機(jī)自適應(yīng)功能也意味著新零件的裝夾時(shí)間縮短，因?yàn)榇蠖鄶?shù)裝夾都是自動(dòng)完成的。 
自動(dòng)上料器
    相對(duì)于該單元所生產(chǎn)的工件數(shù)量而言，它的體積是非常緊湊的。這方面的一個(gè)主要原因應(yīng)歸功于給TG150磨床上料的自動(dòng)上料器(見(jiàn)圖5)。為了使機(jī)床的操作時(shí)間最大化，將準(zhǔn)備進(jìn)行最后加工的半成品零件放在傳送帶上。然后，機(jī)床用一個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)的吊車和龍門系統(tǒng)拾取每個(gè)零件，并且一旦機(jī)床準(zhǔn)備好就上料。 
    這是該單元首次推出后唯一更新的方面。通過(guò)這種更新，每班可以多加工三個(gè)零件。 
效果
    聯(lián)鎖螺桿諸如Gemini單元所生產(chǎn)的螺桿用在空氣/氣體壓縮機(jī)、制冷系統(tǒng)、真空泵以及一般的精密流體泵中。這些設(shè)備所要求的精度在整個(gè)曲面上在0.00025英寸內(nèi)，這代表著最精密的工業(yè)公差之一。某些齒輪生產(chǎn)無(wú)疑不需要這樣的精度，但它卻定義了齒輪生產(chǎn)如今可以實(shí)現(xiàn)的精度極限。在生產(chǎn)齒輪零件時(shí)，齒形可以變化，但精度卻保持不變。 
Holroyd宣稱，總體而言，與比較傳統(tǒng)的加工、測(cè)量及調(diào)節(jié)方法相比，通過(guò)采用Gemini單元生產(chǎn)一批成品零件的時(shí)間降低了一半。該公司還宣稱該單元實(shí)現(xiàn)了較高的重復(fù)精度，這個(gè)數(shù)量級(jí)比需要類似投資的其它系統(tǒng)都高。這樣就使需要采用螺桿壓縮機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合更加經(jīng)濟(jì)可行，特別是在要發(fā)送易腐品的場(chǎng)合，諸如給遠(yuǎn)程市場(chǎng)提供新鮮產(chǎn)品的場(chǎng)合。