高速加工技術(shù)應(yīng)用實例

高速加工是零件加工的全新途徑，它集成多種技術(shù)，不僅僅是高速主軸和快速精密進給在機床上的簡單結(jié)合。為了應(yīng)用高速加工技術(shù)，加工廠必須把必不可少的新功能和必不可少的新技巧有機地結(jié)合起來。同時，也要改變工廠的運作方式和物質(zhì)設(shè)施。

就縮短產(chǎn)品的交付周期和降低成本而言，HSM可以發(fā)揮作用并且很有價值。任何計劃實施HSM的工廠都應(yīng)仔細考慮，重視生產(chǎn)現(xiàn)場內(nèi)外可以加快生產(chǎn)周期的一切技術(shù)。實施HSM沒有唯一正確的途徑，每種情況應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)用HSM也沒有嚴格不變或立竿見影的準則。

我們可以看到，HSM終究不是理論或只有實驗室才能驗證的概念，而是切實可行的技術(shù)。本文分析潛心從事HSM的兩家工廠的應(yīng)用實例，希望能對讀者有所啟發(fā)。

以高速切削謀生存


如果HSM 只是達到某個目的的手段，采用HSM能夠謀生存嗎？Mike Haverkamp 和 Brian TerBeek的回答是“能”。他們正在這樣作，這兩個伙伴從機械師改行程序員，然后變成HSM企業(yè)家。他們的Cad Cam Services公司位于密執(zhí)安州Grand Rapids郊外，主要致力于大型成形鋼模、壓鑄模和其它大工件的合同加工。該公司不僅提供熔融沉積造模方式的快速原型制造、逆向工程和壓鑄模及注塑模的全套生產(chǎn)，還繼續(xù)提供CNC 程序設(shè)計技術(shù)和3D設(shè)計服務(wù)。

Haverkamp 和 TerBeek 在1991年成立自己的公司，以承包NC程序設(shè)計開始營業(yè)，這種工作很紅火，但是到了九十年代中，由于功能強大、基于PC機的CAM 系統(tǒng)的出現(xiàn)，他們的工作明顯受到冷落。然而他們發(fā)現(xiàn)本地區(qū)的工廠在生產(chǎn)高峰期間仍然會有程序設(shè)計“細脖子”的問題，在加工方面也可能產(chǎn)生瓶頸。

Haverkamp 和 TerBeek 看準了這個機會，能夠快速完成大型模具部件的粗加工和精加工的工廠一定會使人們趨之若騖，他們認為，HSM 會給模具加工業(yè)務(wù)提供有吸引力的速度和價格。

同時他們對HSM技術(shù)有所準備：有必要的編程技能，還有穩(wěn)定的客戶基礎(chǔ)，包括許多有希望的客戶，于是到了1995年，他們形成了一種全新的合作策略，使Cad Cam Services 公司致力于高速切削業(yè)務(wù)。

圖1： Cad Can Services 公司專門從事大型模具和沖壓模的制作，Rambaudi Ramspeed 高速銑床采用1英寸圓頭銑刀精銑大型壓鑄模，細密的軌跡間隔生成粗糙亞只有0.0005英寸的表面。


HSM 專用設(shè)施


Haverkamp 和 TerBeek最初計劃購買一臺粗加工和半精加工大機床和一臺調(diào)整精加工機床，但是在同伊利諾斯州Rockford機床進口商的共同努力下，買了一臺Rambaudi Ramspeed供精加工用，還有一臺改型的Droop & Rein立式銑床用于粗加工。

這對合作伙伴不僅投資購買合適的機床，而且投資興建新廠。機床的地基設(shè)計考慮了承載力和隔震性，因為震動可降低精加工精度。原來的兩臺機床面對面而置，以便于在兩臺機床之間轉(zhuǎn)送工件，而且一名操作工可以照料兩臺機床。

該廠房占地10000平方英尺，內(nèi)部高度足以安裝一個吊鉤距地面20英尺的50噸天車。地下敷設(shè)了計算機網(wǎng)絡(luò)電纜管道，電纜接到廠房里的每一臺機床或工作站。廠房前端有兩層辦公區(qū)，每層分別為5000平方英尺，不過Cad Cam Services目前只占用下面的一層。

沿著生產(chǎn)區(qū)的墻排列著幾臺15馬力的立式加工中心、一臺升降式工具銑床、一臺 EDM 和一對磨床，單憑這些機床就使Cad Cam Services構(gòu)成一個設(shè)備精良的現(xiàn)代化模具加工廠。然而Cad Cam 加工能力的支柱是Rambaudi Ramspeed B27L立式龍門加工中心，其X、Y和Z軸行程達到106×86×40英寸，主軸電機功率18馬力，最高速度25000 rpm ，快進速度600 ipm，專門適用于高速精加工。

走廊對面是床頭箱裝在固定床身上的Droop & Rein三軸立銑，。和Ramspeed機床相比，這臺50馬力機床的工作臺稍長而窄，主軸速度2000 rpm。這臺機床經(jīng)常采用4或 5英寸鑲?cè)卸嗣驺姷哆M行粗加工操作，對于這種刀具和吃刀量大的粗加工而言，2000 rpm的速度足以產(chǎn)生合適的表面切削速度。

另一臺大型機床LEM93-M5來自意大利制造商FPT，與其它粗加工機床相比，F(xiàn)PT的固定工作臺適合于較重的工件。這臺FPT機床的功率較小，主軸30馬力，但轉(zhuǎn)速較高，同Droop & Rein相比，經(jīng)常以2倍的進給速度和一半的切削深度進行操作。

圖2：這臺改型的Droop & Rein 機床也許不漂亮，但好使，它用于粗加工和半精加工是高速精成功關(guān)鍵之一。插圖表示這臺在精銑一個模腔。


大吃刀量的天地


盡管這些機床在主軸速度和進給速度上和Ramspeed 不屬于同一個檔次，它們?nèi)匀皇荂ad Cam 公司HSM 策略不可分割的一部分，正象Haverkamp 所說，“高速切削成功的一個關(guān)鍵在于粗加工和半精加工能力，粗加工和半精加工必須有效地切除很多金屬，并給高速精加工保留很小的加工余量。”

粗加工和半精加工不僅重要而且加工量大，例如，壓鑄模一開始可能是兩個冰箱之大、重量75000 磅的4140鋼毛坯，而到精加工時，已經(jīng)有20000磅的材料被銑掉了，僅留下0.020 英寸的精加工余量，而且在拐角或圓角處不能留下過多的材料，所以幾何精度非常關(guān)鍵。

FPT所進行的一個典型粗加工例子是：先采用5英寸TiAIN鍍膜鑲?cè)卸嗣驺姷�，主軸速度450～500 rpm，進給率150～175 ipm，切削深度0.050英寸，加工時大量切屑唰唰飛落。粗加工以后大部分工件送到外面熱處理。

工件一返回便開始半精加工，通常采用2英寸球頭銑刀在轉(zhuǎn)速2000 rpm和進給速度125～150 ipm下半精加工。對于遵循往復(fù)銑削模式的型面切削而言，軌跡間隔在0.125英寸以內(nèi)。作之字形切削時，可以采用相似的轉(zhuǎn)速和進給速度以及0.020至0.050英寸的切削深度，并采用直徑2.5英寸的小半徑刀頭。此外，比較小的刀具還可以用來連接倒角。三臺大機床均配有Fidia 控制器，使操作員的培訓(xùn)變得簡單易行。

并非越快越好


提到高速精加工，Haverkamp信守“不一定越快越好”的準則，這個準則或許令人吃驚。他說：“我們很少用12000 rpm以上的主軸速度，”盡管Rambaudi機床的主軸速度可達25000 rpm，“有幾個經(jīng)濟因素必須考慮，而且它們隨加工任務(wù)而變化�！彼�解釋，“例如，我們在較低的速度下可以獲得最長的刀頭壽命，并且可以采用隨時可得、價格非常便宜的普通刀體和刀桿。”

一般說來，如果采用1英寸頭可轉(zhuǎn)位銑刀，高速精加工速度在9750～10000 rpm范圍，常用的進給率是275 ipm ，切削深度和軌跡間隔各0.020英寸。該銑床最大進給速度400ipm，本來可以用比較高的主軸速度，但是保持最合適的切削力更為重要。

“保守型” HSM 不僅僅為了節(jié)約刀具，還因為主軸在高轉(zhuǎn)速下磨損比較大。這臺機床在正常保養(yǎng)條件下連續(xù)使用了三年多，依然沒有更換過主軸和軸承。

“無人照看或全自動加工”對于主軸轉(zhuǎn)速較低的切削也是比較好的賭注，盡管Cad Cam Services公司始終只有一個操作員值班，操作員不必眼巴巴地盯著機床的每一個動作。一般可由２個操作員合作管理三臺機床。另外機床在較低的速度范圍內(nèi)毫不費力地保持目標精度：型面精度±0.001英寸，細部精度±0.0005英寸。不過機床的加、減速度是非常高的，且運動平穩(wěn)。

圖3：FPT活動床身銑床在粗銑一個浴盤模具的側(cè)面�？焖偾谐�金屬是號關(guān)鍵，盡管這臺機床可以進行精加工。


程序設(shè)計適應(yīng)生產(chǎn)車間的需要


Cad Cam Services公司具有很強的刀具和刀具路徑設(shè)計能力，這不足為奇，它把刀具作為一個獨立的CAD/CAM車間，并且公司有5名能夠設(shè)計模具并編制加工程序的專職CAD/CAM工程師。由于設(shè)計能力與編程能力的結(jié)合，生產(chǎn)出可加工性很高的模具—這在當(dāng)今快節(jié)奏環(huán)境下是一個優(yōu)勢。

TerBeek 強調(diào)，有稱職的編程人員支持HSM 非常重要，他說：“程序員必須了解生產(chǎn)現(xiàn)場的情況并且傾聽機加工人的意見�！贝旨庸ぁ�半精加工和精加工的刀具路徑程序均采用Sescoi公司的WorkNC，首席程序員Gary Thelen偏愛WorkNC系統(tǒng)，因為該系統(tǒng)能夠快速處理刀具命令，據(jù)他說程序設(shè)計在很大程度上是自動的。而且，程序設(shè)計和現(xiàn)場經(jīng)驗關(guān)系甚重，Thelen 先生解釋，有經(jīng)驗的程序員能夠分析刀具路徑的仿真，并能迅速識別哪部分程序有可能在機床上出問題。

在許多情況下，為了加工工件幾何形狀的一個部位，程序員可以查看和采用幾種方法，結(jié)果生成幾個單獨的刀具路徑文件，供機加工人選擇。如果根據(jù)刀具的表現(xiàn)情況有一種方式明顯優(yōu)于另一種，即可選定比較好的刀具路徑，決對不會拖延時間等待這部分工作重新編程。

程序員還知道何時采用HSM專用的刀具路徑例行程序，比如，“徑向進刀”和“徑向退刀”程序所生成的路徑以圓弧開始或結(jié)束，而且刀具軌跡和走刀方向在空中變化，使得采用不同編程技術(shù)加工的局部表面彼此之間光滑過渡。

TerBeek先生強調(diào)，程序員和加工車間應(yīng)保持適時的通訊，這對于有效的粗加工、半精加工以及HSM都是必不可少的，他把“交流”看得很重要，因此和Thelen 編寫了一個建立資料頁面的軟件，用來匯集每一個刀具路徑文件。頁面上標識程序名，說明程序所遵循的切削策略，給出安裝切削刀具的細節(jié)，規(guī)定加工所得到的刀紋高度，并且提供其它一切有關(guān)信息。這個頁面還包括相關(guān)的視圖，使操作員能夠直觀地想象整個操作過程�！皩τ诩庸に�要執(zhí)行的刀具路徑，我們的機床操作員說了算，所以我們希望他們掌握全部信息，以作出正確的判斷�！盩erBeek 這樣解釋。

生產(chǎn)現(xiàn)場以裝有工業(yè)型機殼的 Windows-NT PC機作為公司網(wǎng)絡(luò)的終端，也是CNC機床的本機文件服務(wù)器。這些PC機采用Internet標準通訊協(xié)議TCP/IP進行高速數(shù)據(jù)通訊。

五軸機床新觀點


Cad Cam Services 用的Rambaudi機床可以進行5軸同時動作的切削，主軸頭在程序控制下可以按照切削型面的變化而傾斜和回轉(zhuǎn)，以保證刀具在整個路徑上的正確方向。然而，Cad Cam Services 公司很少采用5軸方式，而主要用這臺機床完成三軸機床不可能完成的操作，比如沿著落鍛模內(nèi)側(cè)的周線銑倒角。

該公司發(fā)現(xiàn)，利用分度頭的傾斜和回轉(zhuǎn)并與機床Fidia 控制器的一個特殊軟件功能相結(jié)合，就會格外地實用、快捷。這個軟件功能稱作“旋轉(zhuǎn)刀具中點(RTCP)”，它使基于球頭銑刀中心所計算的刀具路徑和相應(yīng)軸的旋轉(zhuǎn)完全對應(yīng)。這個功能無須為了更改刀具長度而重新定位程序，也不必為每個軸的旋轉(zhuǎn)而反復(fù)建立原始位置。