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5轴加工中心加工产品原型的案例研究
newmaker    来源:CMJ 中国机械与金属
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加工中心/FMS展厅
车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ...
处于全球化竞争环境中的制造商愈来愈表现出投资多轴机床的需求,以期获得高精、高质的加工和高投资回报(高利润)。最受欢迎的多轴机床为5轴机,包括5轴联动机床和“3+2轴”机床,因为5轴机可以满足简洁化/无人操作的要求。在此,我们将介绍通过集中加工实现节拍缩短的案例,以及北村公司的机床。

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五轴加工现场

目前对5轴机床的需求所呈现的趋势为:在提高质量、削减成本的基础上,力争实现缩短从研发设计到制造出成品这一环节的交货期。有了高精度的机床,客户期望可以省略或减少精整、抛(磨)光的工序。在此,我们以汽车变速器产品原型为例作些说明(见图1和图2)。

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图2 用5轴加工中心加工汽车零部件

加工此工件通常需要用到多种设备,如:数控车床EDM(放电加工机)、电火花成型加工以及电极加工设备。此工件的形状加工不需要联动配合可倾或旋转轴,或是深切斜倒区域(undercut),所以无需使用5轴机。然而,北村公司的5轴机组合的车削功能,可以用一台机床替代上述所需各种设备,因此可以成功实现精简加工工序过程、减少装夹时间,从而大大降低整体成本的目标。结果加工节拍减少了约54小时,因为诸如数控车床、EDM(放电加工机)、电火花成型加工以及电极加工设备,加工中心的倒角加工,手工打磨等加工工序都可以省去。见图3,与传统加工工艺的比较。北村公司推荐使用的机床为“Mytrunnion-1”,此机型为“Mytrunnion”系列中最小型的5轴联动立式加工中心。为了实现最终的目标,机床还必须要有良好的吸震性能以保证刀具的使用寿命。

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图3 节拍比较

北村公司的“Mytrunnion-1”的配置为:具备高吸震性能的硬轨结构,优异的加速/减速性能,高速高刚性30,000min-1 主轴,和耳轴款式的旋转工作台/分度盘(由旋转轴支撑其两端,不同于仅是靠一端支撑的台面安放款式 a table on table style),并且硬轨为感应处理硬化和精密研磨工艺,配合触面为树脂贴塑。因此在高速进给切削时北村机床可提供高于其它机床7倍的抗震能力(见图4)。所有上述机床特点,可令机床具有重切削的能力,不仅加工表面质量好,且刀具寿命更长。通过该案例,我们希望强调一个事实:将对称工件装夹于工作台中心,北村机床可以实现连续高精度加工,而无需设定工件各个加工点的工件坐标。

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图4 硬轨与线轨的比较

加工及机床功能之关键点

该工件为产品原型,不是量产。量产时,该工件的加工分为多道不同工序,各个工序需要用到不同的工装,而采用此种加工方式来加工产品原型则是非常低效率的。使用“Mytrunnion-1”的各种功能,我们可以减少工序,提高效率,同时确保精度在公差范围内。在此,我们再来看一下加工工艺以及加工该工件所需要的机床功能。要保证使用多轴机床进行量产时的高精度,经常需要调整工件坐标系统的参考点。这个调整可以通过一个自动触碰探针实现(见图5),但是产品原型的加工则无需这样做。

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工件坐标设定

利用CNC车削功能来加工外圆及镗孔

外圆以及安装传动轴的(镗)孔的精度有圆度要求。北村的“Mytrunnion-1”利用直驱马达来驱动旋转工作台,转盘的转速高达1100 min-1。该工作台可以在主轴上装有车刀时做旋转操作,所以可以避免在不同工序设备(铣削机床—车床)加工时因重新装卸所造成的失误,因此工件的加工精度得以提高。而且,我们还可以在工件处于倾斜位置时进行工作台旋转操作,这样可以进行工件背面的倒角加工,因此可以省略另行二次加工。

利用5轴机床的联轴控制功能进行工件的内部和外部铣削加工

该工件外部有变速轮齿,各齿的内面必须要有均匀的厚度以使其轻盈。长的端铣刀可以用来缓慢加工各齿间的沟槽(工件的形状是没有倒勾的)。而使用5轴加工中心可以允许使用短的端铣刀,从而可以改善切削加工的条件,如此可以缩短节拍。由于可以做到一次装卡,并同时加工工件的内部和外部,因此既节省了以前需要多次装卡的时间,还可以避免工件任一面的错配。

外缘和端部凸出处的排泄孔

通常排泄孔是垂直于每个齿的表面。尽管附图照片无法清楚显示,利用5轴联动加工中心配合以Swarf cutting切削加工技术,就可以在短时间内完成不相同锥形表面的加工。该工件本身是不能用倒角设备(刀具)加工的。将工件放入加工中心机床(Vs 车床),额外的行程可以允许实现加工该工件的三处凸出处,而无需重新装卡。内圆处的键槽可以直接加工,无需变动转动轴的方向。相对于中心和垂直的定位精度得以大幅提高。

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图6 手工刮研

刀具中心点控制(TCP),倾斜面加工指令(TWP)

使用5轴加工中心(5轴联动或3+2轴)加工时,如果利用TCP、TWP的功能,则可以让您通过各类5轴加工中心、刀具来加工不同形状的工件。而且,即便切削加工条件有变化,其加工程序的修改也相对简单。通过这些5轴控制功能,使需要用CAM来重新编辑程序的时间大幅减少,从而提高了生产效率。

TCP功能令图形(轮廓)编程变得可能,传统做法是必须分成细小线段,利用相同的概念即一根轴正交(独立)于3轴,如直线插补、圆形插补及其他。在此案例中,工件是装卡在转盘中心的,如果我们利用TCP、TWP,则即便工件是偏离中心的,我们仍旧可以实现加工(将计算出偏离于实际中心的数值设入参数中)。通过此方法,不论工件装卡在何处,我们都可以采用相同的程序。然而,如果因室温变化或长时间连续加工导致参考点变化,则加工精度会明显降低。在北村公司,即便是再小的机床,如“Mytrunnion-1”机型,所有安装接触面都采用精湛的手工刮研工艺,所有北村的机床都可实现并保持长期的超高精度,这是基于手工刮研工艺所确保的垂直度和平行度(见图 6)。北村机床还标配有 “智能高级热位移自动补偿功能” (IAC,取得专利于2001年,见图7、8、9),机床内部装有温感应装置,工厂环境温度变化导致的热位移会通过补偿(基于经验)至工件原点从而将此影响减少。最新的版本在环境温度变化为±5℃范围内时,几乎可以完全消除此类影响。

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图7 IAC温度

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图8 放大的温度变化图表

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图9 IAC功能

结论

本文所介绍的是一个很好的案例,即可以通过将多次装卡工艺精简为仅一次装卡,我们可以减少设备投资和相关人员的工作量。图1所示的工件是从胚料开始加工的,加工为成品仅需一次装卡。其结果,与传统加工方式即EDM加工相比,可以节省54小时。总体来说,EDM加工方式一直都被视为加工硬质材料(molybdenum,Inconel,及其他硬化材质)的高效方法。尽管EDM加工方式在量产时被普遍采用,但是并不适合像今天这样的产品原型加工案例。相比之下,加工中心的节拍时间大大节省,体现出其成本、效率方面的明显优势。但是利用5轴加工中心加工如此坚硬材质,机床本身必须要有极好的抗震性能,因此北村的 “Mytrunnion”系列采用的是硬轨技术,这在长时间连续无人加工时其优势明显。况且,能够实现5轴加工中心仅一次装夹便完成生产数量的机床不多见,尤其需要加工复杂、多面的工件。针对更长时间的无人加工、多样化产品加工,该机床可以加装7或 21面的工作托盘单元(见图10和11),所以说5轴加工中心必须要有刚性。北村机床在这方面具有一定的优势:

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图10 Mytrunnion-1机床外观

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Mytrunnion-1机床内部

首先,北村的“Mytrunnion”系列为旋转工作台在可倾耳轴上的款式,如此在工件平行或倾斜时,可以改变传达至工作台的重量分配。尤其在现在,机床的加速度(加速及减速时)通常超过1G。如果机床结构不能承受此速度,则高精机床亦根本无从谈起。

其次,如果工件可以被倾斜,则可以让刀具更近地接触工件,并可使用更短的刀具,而更短的刀具则意味着可以改善加工条件(实现高速高进给的切削)。但是机床必须要具备高刚性和好的吸震性能,否则难以改善加工表面的质量。

第三点,使用更短的刀具可以提高粗加工的效率。如果机床的刚性无法满足重切削的要求,机床会产生震动,加速刀具的损耗。这样你就无法缩短粗加工的时间。

综上所述,机床本身的刚性好,对5轴加工中心来讲,有利于其实现高速、高精度的加工。为了充分发挥客户所使用机床的性能,北村公司一直以来在制造机床时都会考虑到机床的操作者。北村公司始终认为“亲近用户”应该是被最优先考虑的,所以在开发最新款5轴加工中心时,北村公司非常重视如何最大限度地发挥、提升机床操作员的潜能和工作表现(具体的讲,比如可以减少装卡次数)。将来会有更多利用5轴加工中心来制造产品开发原型的情形出现,因为这类复杂的工件愈来愈少会被量产。目前使用5轴机床最为普遍的例子(行业)是航空业,该行业的所谓量产概念明显不同于汽车制造业,一般仅为600件左右。因此,未来利用5轴加工中心来进行产品原型制造加工的趋势将变得愈发明显。
文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者,请点击此处) (8/9/2011)
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