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数控机床/铣床 |
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高速加工技术应用实例 |
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作者：Mark Alber |
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高速加工是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。
以高速切削谋生存
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”。他们正在这样作，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人们趋之若骛，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。
图1： Cad Can Services 公司专门从事大型模具和冲压模的制作，
Rambaudi Ramspeed 高速铣床采用1英寸圆头铣刀精铣大型压铸模，
细密的轨迹间隔生成粗糙亚只有0.0005英寸的表面。
HSM 专用设施
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长而窄，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表面切削速度。
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。
图2：这台改型的Droop & Rein 机床也许不漂亮，但好使，
它用于粗加工和半精加工是高速精成功关键之一。插图表示这台在精铣一个模腔。
大吃刀量的天地
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，使操作员的培训变得简单易行。
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。
图3：FPT活动床身铣床在粗铣一个浴盘模具的侧面。
快速切除金属是号关键，尽管这台机床可以进行精加工。
程序设计适应生产车间的需要
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标准通讯协议TCP/IP进行高速数据通讯。
五轴机床新观点
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。(end)
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(11/10/2004) |
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