高速加工技术应用实例
高速加工零件加工的全新途径,它集成多种技术,不仅仅是
高速主轴和快速精密进给在机床上的简单结合。为了应用高速加工技术,加工厂
必须把必不可少的新功能和必不可少的新技巧有机地结合起来。同时,也要改变
工厂的运作方式和物质设施。
就缩短产品的交付周期和降低成本而言,HSM可以发挥作用并且很有价值。
任何
计划
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实施HSM的工厂都应仔细考虑,重视生产现场内外可以加快生产周期的
一切技术。实施HSM没有唯一正确的途径,每种情况应当如何应用HSM也没有严格不变或立竿见影的准则。
我们可以看到,HSM终究不是理论或只有实验室才能验证的概念,而是切实
可行的技术。本文
分析
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潜心从事HSM的两家工厂的应用实例,希望能对读者有所
启发。
如果HSM只是达到某个目的的手段,采用HSM能够谋生存吗? Mike Haverkamp 和 Brian TerBeek的回答是“能”。他们正在
样作,这两个伙伴从机械师改行程序员,然后变成HSM企业家。他们的Cad Cam Services公司位于密执安州Grand Rapids郊外,主要致力于大型成形钢模、压铸模和其它大工件的合同加工。该公司不仅提供熔融沉积造模方式的快
速原型制造、逆向工程和压铸模及注塑模的全套生产,还继续提供CNC 程序设计技术和3D设计服务。
Haverkamp 和TerBeek 在1991年成立自己的公司,以承包NC程序设计开始营业,这种工作很红火,但是到了九十年代中,由于功能强大、基于PC机的CAM 系统的出现,他们的工作明显受到冷落。然而他们发现本地区的工厂在生产高峰期
间仍然会有程序设计“细脖子”的问题,在加工方面也可能产生瓶颈。
Haverkamp和TerBeek 看准了这个机会,能够快速完成大型模具部件的粗加
工和精加工的工厂一定会使们趋之若骛,他们认为,HSM 会给模具加工业务提供有吸引力的速度和价格。
同时他们对HSM技术有所准备:有必要的编程技能,还有稳定的客户基础,包
括许多有希望的客户,于是到了1995年,他们形成了一种全新的合作策略,使
Cad Cam Services 公司致力于高速切削业务。
Haverkamp和TerBeek最初计划购买一台粗加工和半精加工大机床和一台调
整精加工机床,但是在同伊利诺斯州Rockford机床进口商的共同努力下,买了
一台Rambaudi Ramspeed供精加工用,还有一台改型的Droop & Rein立式铣床用于粗加工。
这对合作伙伴不仅投资购买合适的机床,而且投资兴建新厂。机床的地基设
计考虑了承载力和隔震性,因为震动可降低精加工精度。原来的两台机床面对面
而置,以便于在两台机床之间转送工件,而且一名操作工可以照料两台机床。 该厂房占地10000平方英尺,内部高度足以安装一个吊钩距地面20英尺的50吨天车。地下敷设了计算机网络电缆管道,电缆接到厂房里的每一台机床或工作
站。厂房前端有两层办公区,每层分别为5000平方英尺,不过Cad Cam Services目前只占用下面的一层。
沿着生产区的墙排列着几台15马力的立式加工中心、一台升降式工具铣床、
一台 EDM 和一对磨床,单凭这些机床就使Cad Cam Services构成一个设备精良的现代化模具加工厂。然而Cad Cam 加工能力的支柱是
Rambaudi Ramspeed B27L立式龙门加工中心,其X、Y和Z轴行程达到106×86×40英寸,主轴电机功率18马力,最高速度25000 rpm ,快进速度600 ipm,专门适用于高速精加工。
走廊对面是床头箱装在固定床身上的Droop & Rein三轴立铣。和Ramspeed机床相比,这台50马力机床的工作台稍而窄,主轴速度2000 rpm。这台机床经常采用4或 5英寸镶刃端面铣刀进行粗加工操作,对于这种刀具和吃刀量大
的粗加工而言,2000 rpm的速度足以产生合适的
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面切削速度。
另一台大型机床LEM93-M5来自意大利制造商FPT,与其它粗加工机床相比,
FPT的固定工作台适
合于较重的工件。这台FPT机床的功率较小,主轴30马力,但转速较高,同Droop & Rein相比,经常以2倍的进给速度和一半的切削深度进行操作。
尽管这些机床在主轴速度和进给速度上和Ramspeed 不属于同一个档次,它
们仍然是Cad Cam公司HSM 策略不可分割的一部分,正象Haverkamp 所说,“高速切削成功的一个关键在于粗加工和半精加工能力,粗加工和半精加工必须有效
地切除很多金属,并给高速精加工保留很小的加工余量。”
粗加工和半精加工不仅重要而且加工量大,例如,压铸模一开始可能是两个
冰箱之大、重量75000 磅的4140钢毛坯,而到精加工时,已经有20000磅的材料被铣掉了,仅留下0.020 英寸的精加工余量,而且在拐角或圆角处不能留下
过多的材料,所以几何精度非常关键。
FPT所进行的一个典型粗加工例子是:先采用5英寸TiAIN镀膜镶刃端面铣
刀,主轴速度450~500 rpm,进给率150~175 ipm,切削深度0.050英寸,加工时大量切屑唰唰飞落。粗加工以后大
部分工件送到外面热处理。
工件一返回便开始半精加工,通常采用2英寸球头铣刀在转速2000 rpm和进给速度125~150 ipm下半精加工。对于遵循往复铣削模式的型面切削而言,轨
迹间隔在0.125英寸以内。作之字形切削时,可以采用相似的转速和进给速度以
及0.020至0.050英寸的切削深度,并采用直径2.5英寸的小半径刀头。此外,
比较小的刀具还可以用来连接倒角。三台大机床均配有Fidia 控制器,使操作员的
培训
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变得简单易行。
提到高速精加工,Haverkamp信守“不一定越快越好”的准则,这个准则或
许令人吃惊。他说:“我们很少用12000 rpm以上的主轴速度,”尽管Rambaudi机床的主轴速度可达25000 rpm,“有几个经济因素必须考虑,而且它们随加工
任务而变化。”他解释,“例如,我们在较低的速度下可以获得最长的刀头寿命,
并且可以采用随时可得、价格非常便宜的普通刀体和刀杆。”
一般说来,如果采用1英寸头可转位铣刀,高速精加工速度在9750~10000 rpm范围,常用的进给率是275 ipm ,切削深度和轨迹间隔各0.020英寸。该铣床最大进给速度400ipm,本来可以用比较高的主轴速度,但是保持最合适
的切削力更为重要。
“保守型” HSM 不仅仅为了节约刀具,还因为主轴在高转速下磨损比较大。这
台机床在正常保养条件下连续使用了三年多,依然没有更换过主轴和轴承。
“无人照看或全自动加工”对于主轴转速较低的切削也是比较好的赌注,尽
管Cad Cam Services公司始终只有一个操作员值班,操作员不必眼巴巴地盯着
机床的每一个动作。一般可由2个操作员合作管理三台机床。另外机床在较低的
速度范围内毫不费力地保持目标精度:型面精度?0.001英寸,细部精度?0.0005英寸。不过机床的加、减速度是非常高的,且运动平稳。
Cad Cam Services公司具有很强的刀具和刀具路径设计能力,这不足为奇,
它把刀具作为一个独立的CAD/CAM车间,并且公司有5名能够设计模具并编制加
工程序的专职CAD/CAM工程师。由于设计能力与编程能力的结合,生产出可加工
性很高的模具—这在当今快节奏环境下是一个优势。
TerBeek 强调,有称职的编程人员支持HSM 非常重要,他说:“程序员必须了
解生产现场的情况并且倾听机加工人的意见。”粗加工、半精加工和精加工的刀
具路径程序均采用Sescoi公司的WorkNC,首席程序员Gary Thelen偏爱WorkNC系统,因为该系统能够快速处理刀具命令,据他说程序设计在很大程度上是自动
的。而且,程序设计和现场经验关系甚重,Thelen 先生解释,有经验的程序员
能够分析刀具路径的仿真,并能迅速识别哪部分程序有可能在机床上出问题。
在许多情况下,为了加工工件几何形状的一个部位,程序员可以查看和采用
几种方法,结果生成几个单独的刀具路径文件,供机加工人选择。如果根据刀具
的表现情况有一种方式明显优于另一种,即可选定比较好的刀具路径,决对不会
拖延时间等待这部分工作重新编程。
程序员还知道何时采用HSM专用的刀具路径例行程序,比如,“径向进刀”
和“径向退刀”程序所生成的路径以圆弧开始或结束,而且刀具轨迹和走刀方向
在空中变化,使得采用不同编程技术加工的局部表面彼此之间光滑过渡。
TerBeek先生强调,程序员和加工车间应保持适时的通讯,这对于有效的粗加工、
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 编
写了一个建立资料页面的软件,用来汇集每一个刀具路径文件。页面上标识程序
名,说明程序所遵循的切削策略,给出安装切削刀具的细节,规定加工所得到的
刀纹高度,并且提供其它一切有关信息。这个页面还包括相关的视图,使操作员
能够直观地想象整个操作过程。“对于加工所要执行的刀具路径,我们的机床操
作员说了算,所以我们希望他们掌握全部信息,以作出正确的判断。”TerBeek 这
样解释。
生产现场以装有工业型机壳的 Windows-NT PC机作为公司网络的终端,也是CNC机床的本机文件服务器。这些PC机采用Internet
标准
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通讯协议TCP/IP进
行高速数据通讯。
Cad Cam Services 用的Rambaudi机床可以进行5轴同时动作的切削,主轴头在程序控制下可以按照切削型面的变化而倾斜和回转,以保证刀具在整个路径
上的正确方向。然而
,Cad Cam Services 公司很少采用5轴方式,而主要用这台机床完成三轴
机床不可能完成的操作,比如沿着落锻模内侧的周线铣倒角。
该公司发现,利用分度头的倾斜和回转并与机床Fidia 控制器的一个特殊软件功能相结合,就会格外地实用、快捷。这个软件功能称作“旋转刀具中点
(RTCP)”,它使基于球头铣刀中心所计算的刀具路径和相应轴的旋转完全对应。
这个功能无须为了更改刀具长度而重新定位程序,也不必为每个轴的旋转而反复
建立原始位置。
发布时间:2006-4-2
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