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一夜之间完成的模具加工
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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, ...
在竞争激烈的运动鞋生产市场中,以惊人的速度从概念到设计图,然后再进行实际生产是十分必要的。快速和高效的5轴加工是这个发展过程中的关键加速因素。

对于观众而言,观看体育比赛的乐趣之一就是见证顶级运动员绝对优美的动作。他们的身体在运动时所表现出来的力量和运动精度是如此令人赏心悦目,特别是当其赢得比赛或在竞争中赢得最佳优胜者时。

观看一台5轴联动的CNC数控加工中心的高速铣削加工操作,同样是一种令人感兴趣的奇妙经历。当刀具在一个工件复杂的外形轮廓线上运动切削时,强大的机械轴协调的运动也展现出了一个壮观的场面。

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然而,刀具在5轴加工过程中所体现出的平滑而优美的运动,其意义要远远超过运动员为观众所提供的惊险刺激。它们通常是一个很好的指示器,表明采用该刀具加工将会给工件留下一个光滑的表面质量,所留下的刀痕极少。5轴加工是一个运动鞋制造公司所依赖的主要加工工艺之一,以便在其内部的加工厂加工注塑模具(图 1)。2009年夏末,MMS参观了这个加工车间,看到了机床如何加工模具的情况。这些模具是应用于原型生产的,以满足设计评价和测试的需要。由于这些原型是该公司设计过程中的关键部分,因此该加工车间快速和高精度的生产这些模具的加工能力是至关重要的(图2)。事实上,通常要求在24h内(甚至在一个通宵的时间内)完成模具的生产和原型的成型工作。

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图1 在一个领先的运动鞋生产企业中,设计师们有机会对模具车间在短期内生产的原型或鞋样概念进行审核和进一步改进,
而为期一天或隔夜的生产周转期则是该车间所具有的优势

这就是该加工车间的经理们为什么对IMTS 2008国际加工技术博览会如此感兴趣的一个主要原因,因为在这个展会上展出了由Fanuc公司推出的高端CNC数控系统的新功能。

这个功能被称作“Smooth Tool Center Point”(TCP)平滑工具中心点的控制,可自动调节伺服指令,以便在刀具编程时避免不必要的急剧运动,使5轴加工期间的工件表面保持在同一个方向上。这项调节的结果使刀具的切削动作更为平滑,振动噪声极低,工件表面上留下的刀痕较少。在采用平滑工具中心点控制系统以后,刀具的使用寿命延长,机床的磨损减少。

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图2 备用模具的储存基地,是该加工车间模具流水生产系统中的一个部分,
在整个加工车间中应用的精益生产原则也是这个策略的一个部分

那时,该公司的经理走访了在该展会上展出的森精机公司的展位。这家鞋类模具制造车间已于2007年年中从该机床制造商那里购置了一台NMV5000DCG型立式加工中心。该机床是经过较长时间的工艺操作合格后被选中的,其中包括对一个具有挑战性试件的加工,并结合了该车间最困难的加工要求。

在运行过程中,除了其操作性能优于其他机床之外,事实证明,这台VMC立式加工中心在安装就位以后,使该车间的操作体现了5轴加工所具有的能力和价值。根据这些经验,该车间决定再购置另外一台机床。

森精机公司的其中一名销售工程师建议对平滑工具中心点控制的特性进行调研。于是在Fanuc公司的展位上观看了有关5轴加工的视频录像,对带有平滑工具中心点控制和不带平滑工具中心点控制的特点做出了无可辩驳的结论。

几个月以后,该车间又订购了一台NMV5000DCG型立式加工中心,并规定该机床上必须安装有平滑工具中心点控制系统。很明显,这台安装有先进控制系统的新型5轴加工机床,将是该公司的一项宝贵资产。它可以帮助该加工车间及为其提供服务的公司赢得新产品竞争中的胜利。

团队的努力

运动鞋生产市场的竞争极为激烈,市场中的领军企业努力将大量的资源投入到研究和开发之中,希望率先推出新的概念和款式。因此,对于市场中的领军企业而言,保持某些装备最好的、最先进的加工和模具成型操作设备是必须的。如果他们能够更快更好地生产模压件,那么设计师们就能够更快、更好地创造赢得市场的产品。

MMS拜访过的这家车间拥有10台机床,聘用了5名高级模具制造工,其中2台5轴VMC立式加工中心是属于最新型的机床。虽然这两台机床的安装相隔了约一年的时间,但它们几乎是完全一样的并列安装在一起的。两者都配备了Fanuc 30i系列CNC数控系统。

原先的那台NMV5000DCG型机床是在北美首先安装的机型之一,而较新的这台机床是第一台装有平滑中心点控制系统的机床。对于这个加工车间而言,作为一个早期的用户,意味着它可以与制造商、CNC数控系统供应商和当地的经销商(在这里是指Ellison Technologies公司俄勒冈州的Wilsonville办事处)共享一条学习曲线。Ellison公司早在一年前就已经成为安装5轴加工中心的专家。Stephen Witmer先生(Ellison技术公司的一名销售工程师)曾经被安排在日本制造厂内对机床进行试切削资格的测试。

按照该加工车间经理的说法,在第二台机床抵达该车间时,平滑工具中心点控制系统是如此新鲜的事物。因此,机床制造商和CNC数控系统的开发商都不得不在安装过程中与该车间密切合作。有关各方均试图拿出最佳的执行方案。Ellison技术公司的应用工程师Randy Murphy先生努力做好相互之间的协调工作,使这种新技术可以获得成功。

Ellison技术公司办事处负责这项业务的副总裁John Goes先生解释说,这项合作是至关重要的,因为执行Smooth TCP平滑工具中心点控制系统就要求将机床的伺服系统“微调”到符合该车间加工要求和期望的最佳设定值。他说:“在工厂里有如此多的工作要做,只有在用户的工厂内真正强有力立地开展调试工作,才能准确地进行校准。在这项工作中,团队的合作与运动场上的共同努力一样重要。”

Witmer先生指出,这个特殊的加工车间以一种特殊的要求和气氛进行运作,这个车间每年承接700~1000个项目。例如,运动鞋外部鞋底设计这样的典型项目,可能需要多达8套模具。这些项目数量的不断增加就要求采用5轴加工,因为它不但是一种最有效的加工方法,而且也只有采用这种加工方法时才能从事某些特色生产,例如底部切削。

然而,高效率的5轴加工只是该车间已安装就位的全部模具流水线生产工艺的一个部分。为了使其精益求精及达到高效率和自动化,它制订了一系列的工作原则。例如,加工车间储存了经过预加工的模具基座,其中98%的尺寸完全符合其所承担的模具加工任务。同样,CNC数控编程员也为所有模具基座的准备工作开发了宏指令程序,使部分编程工艺达到了自动化水平。

可以这么说,为快速周转而已经建立的工作流,以及像Smooth TCP平滑工具中心控制这类的改进已直达极限。“他们可以立即看到在节约时间方面所获得的回报。”Witmer先生说。这家公司在新的机床上安装了 Smooth TCP平滑工具中心控制系统后不久,又在原先的那台机床上安装了该系统。

稳定而平滑

从技术上来说,Smooth TCP平滑工具中心控制系统增强了5轴加工机床的工具中心点控制操作模式。对此,Fanuc公司提供了如下解释:在一台配有两个旋转轴的5轴加工机床上,TCP工具中心控制系统可不断地执行刀具的长度补偿,即使在一个工件块的中间,在其控制下刀具中心点沿着特定的编程路径运动。即使该刀具的姿态发生了变化,采用TCP经过编程的刀具中心点也会在指令规定的路径上运动。

在某些情况下,一个加工程序还可能包括钢块间刀具姿态的不平度。在这种情况下,每一钢块控制点的位置与刀具中心点的位置会发生变化。因此,也会产生许多加速/减速的问题,因而控制点不能够平滑运动。其结果是:加工时间增加,加工表面的质量下降。

Smooth TCP 平滑工具中心点具有一种可补偿旋转轴位置的功能,它的补偿方式可减少刀具姿态的不平衡度。这种功能会使旋转轴在使用TCP的加工程序中平稳运动。应用Smooth TCP 平滑工具中心点控制系统可减少加工时间,提高加工表面的质量。

Witmer 先生指出,在观察配有Smooth TCP 平滑工具中心点控制系统的5轴加工操作与不带该控制系统的操作时,其差距可以是很大的。“不管采用哪一种方式,虽然其刀具顶部的相对运动是相似的,但当其碰到某种几何形状时,你将能够看到刀具主轴端所发生的真正变化。当其随着复杂外形轮廓运行时,如采用TCP就以可使刀具端部发生较少的摆动和波动。

当然,5轴加工不是一个旁观者的运动,尽管在24h内完成模具加工的比赛意味着这个模具加工车间必须时刻紧盯着计时器。基于这种原因,刀具中心点控制和 Smooth TCP工具中心点加强控制系统为5轴加工所节约的时间是相当可观的。按照这个加工车间的估计,采用刀具中心点控制系统可使加工时间节约高达50%。而在适当的地方采用Smooth TCP工具中心点控制系统则可使加工时间再降低25%。(根据Fanuc公司所进行的试验,在一般的加工情况下,采用Smooth TCP工具中心点控制系统,可节约加工时间10%,而在极端的加工情况下,则可使加工时间节约44%。)

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图3 NMV5000DCG型5轴机床上的旋转轴(B轴和C轴)是按照悬臂设计方式配置的,这种结构可使工件倾斜和回转摆动,其所受到的干扰限制比某些耳轴设计的形式要少

Smooth TCP平滑工具中心点控制系统以两种方式来节约加工时间:第一种方式是避免因刀具方向变化而引起的轴位置过量的实质性变化。这些运动会减缓对刀具路径指令的执行,并在工件的表面上遗留刀具的加工痕迹。刀具较平滑运动的另一种结果是,刀具顶端所产生的振动较少,这将有利于提高工件表面的光洁度,尤其是在精加工切削过程中。总之,由这台机床加工的模具,其表面只需很少的手工加工,甚至是无需要人工打磨。

Witmer先生说,只有鞋类模具或夹板类的表面需要镜面抛光加工,我们常常采用手工的方式进行抛光打磨。在机床上完成模具加工任务意味着无人化生产操作方式对整体生产率所产生的最大影响。该加工车间采用24h不间断的连续工作制,每天只有白班需要模具制作工在现场看管机床的操作。

然而,并非每个5轴加工操作都需激活Smooth TCP平滑工具中心点控制系统进行工作。该加工车间的经验表明,它可以对某些几何形状的加工精度采取一些折衷的措施,例如某些陡壁型腔的加工。“是否采用 Smooth TCP平滑工具中心点控制系统取决于多种因素,其中包括用户设定的公差尺寸带作为一个参数。”Witmer先生说。采用3度设置值可提供最快、最流畅的加工,而采用0.5度设置值可进行速度较慢但更精确的切削加工。

保持基本的稳定性

在Ellison Technologies公司,Smooth TCP平滑工具中心点控制对于5轴加工机床用户而言是一项开放的技术,但就其潜在的加工能力而言,它确实能够增强机床的结构,非常适合于实际应用,十分有利于粗加工和精加工操作。Witmer先生说:“NMV5000DCG型机床的设计为5轴加工提供了一个内在稳定的平台。”

例如,该模型采用了悬臂式旋转工作台配置,而不是采用一种耳轴设计的方式(图4)。倾斜和摆动的工件可使刀具深入到隐窝的底部,例如鞋底的成型夹板,出现间隙的情况较少。更重要的是,该设计允许在B轴和C旋转轴中采用直接驱动的分马力电机。这些分马力电机应具有足够大的功率,以便为其他主轴的驱动能力提供适当的速度和扭矩,但这些旋转轴的质量仍然在可控的管理范围内。Goes先生说:“由于缺少反冲力,从而也提高了机床的刚性。”
文章内容仅供参考 (投稿) (5/24/2013)
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