无需速度的高速加工传感系统

无需速度的高速加工

无需速度的高速加工 2011年12月03日 来源： 在Tech Manufacturing公司的加工车间中，转速为4000 r/min的高速加工机床已经非常有效。但该车间又引进安装了一台转速高达15000 r/min的新型锻模铣床，从而使生产率更进一步地大幅度提高。但是，即使没有购置这台新型机床，高速加工仍具有其应有的价值。位于密苏里州Wright城的Tech Manufacturing公司的工程设计副总裁Jerry Halley先生针对零件的高速加工提出了三项基本原则，其具体内容如下：切削加工时，轴向切削深度要小，而切削速度要尽可能的快；在进行切削加工的地方，应保证尽可能地将工件夹紧；在已经完成一个工件的切削加工以后，无需再返回进行二次加工。预见性加工Halley先生曾经在波音公司工作过。在过去10年中，他是该公司St. Louis工厂工程技术人员队伍中的其中一员，该工厂生产高速铣床，他们应用过去一直使用的高速加工方法，使这些机床发挥了更大的生产能力，从而达到更高的生产效率。在铝和钛合金原材料的实体基础上铣削加工成型飞机结构件时，采用“高速加工”的方法具有特殊的意义，并与机床的颤振现象产生一定的联系。高速度加工中心都存在着内在的颤振倾向，在金属高速切削应用领域中，这种颤振现象会限制生产效率的发挥。然而，如果车间能够深入了解产生这种颤振现象的原因，找到机床主轴的正确转速，并在相对较高的转速下保持铣削工艺的稳定平静，那么对提高金属的高速切削效率将起到很大的作用。对于刀具与主轴的每种不同组合，其所采用的最佳转速也是各不相同的。在找到最佳的加工速度以及应用上面所提到的那些加工原则以后，波音公司的加工车间不但使他们的机床提高了生产效率，而且使其在加工飞机上的薄壁零件时，削减了零件的生产成本，降低了的零件的重量，同时也提高了车间的生产率。

图1 图中所示为该加工车间中生产效率最高的SNK型5轴高速加工铣床。该车间现有的机床上都应用了高速加工原则，现有的程序和工艺也完全适应了这一高速加工机床

现在，Tech Manufacturing公司的这一加工车间已经为飞机制造工业服务了50多年，Halley先生作为该公司的共同业主，已经将高速加工的原则应用到了该加工车间中几乎各种的5轴和3轴加工中心上，用于所有飞机零件的加工。他说，加工车间现有的雇员不到50名，但却有10几台CNC机床，对于从事高速加工业务来说，可能是属于最小的车间。如果严格地按照其车间设备的最高速度而言，他的加工车间也许也是从事高速加工领域中，属于加工速度最慢的企业。速度（或缺乏足够的速度）并不一定能说明什么。请再看一看上面所提到的一些规则。它们并不要求任何特别的速度。关于“尽您最快速度”的规则仍然适用，即使这并不是一个特别快的速度。Tech Manufacturing公司大多数的5轴加工中心，其最高速度局限于4000 r/min。虽然该车间的机床仍然保持着很好的工作状态和很强的工作能力，但它们毕竟属于较老的机床。在它们能够达到的速度范围内，要找到一种无颤振的特殊主轴速度、同时又能大幅度地提高生产效率的机会是不存在的。然而，有关高速加工的原则和加工程序仍然适用于这些机床。

该加工车间专门生产图中所示的这类零件—飞机结构件，这类零件由整块的铝和钛合金材料加工而成

该加工车间从SNK America公司购置了一台最新式的HPS 120B/5型5轴加工机床，其转速高达15000r/min。Halley先生通过使用由Manufacturing Laboratories公司引进的MetalMax系统进行振动分析试验，测量这台机床的频率响应特性，以确定该机床在采用该车间各种标准刀具时的高生产率理想主轴速度。在掌握这方面的信息之后，他就确定了在这一机床上运行程序的新速度、进给率和切削深度，但他不需要改变刀具的任何路径。高速加工的刀具路径在老式机床上的运行已经证明其具有很高的生产效率，目前在新的机床上应用运行，甚至可以达到更高的生产效率。实际上，当该机床几乎在车间中安装不久，就开始为该车间盈利，创造价值。Halley先生说，这一利润回报并不是主要的。即使该车间从来没有购置过这台新机床，高速加工对这一车间仍然具有很大的意义。在加工速度较低时，采用“高速加工”这个术语可能有点用词不当，但按照这些原则和方法加工，可以为工艺的一致性和预见性提供相应的好处。根据Halley先生和公司其他人的说法，即使在没有速度的情况下，采用高速加工仍然具有很大的价值。

即使没有速度，高速加工也具有很大的意义。在老式、速度较慢的机床上，坚持高速加工的原则包括以下优点：工艺具有更好的一致性，具有更好的表面光洁度，而且无需进行二次去毛刺加工

消除了变量事实上，高速加工的原则并不是关于特殊的速度问题，而是关于机床的优化问题。加工飞机结构件和其他金属零件的高速切削的典型方法是这样的：首先是进行快速的粗加工操作，即采用较大的刀具，切除大量的材料。然后花费较长的时间进行精加工操作，在要求严格的地方，采用较小的层次切削，以保证零件的加工精度。振动总是会给精加工走刀增加一些不确定因素，因此在特定的时刻，这一因素或其他因素就会影响到工艺的动态稳定性。有效的高速加工可限制变量的发生，这样有利于进一步优化其余的变量，尽可能使切削更加稳定并达到更高的生产率。选择太多未必是好事，因为选择的范围太广，也会使工艺更难以控制。例如，加工车间提供使用的铣刀数量应尽量限制在较小的范围内。在Tech Manufacturing公司，车间中大量使用的刀具只有四种标准的端面铣刀。刀具的长度也受到一定的限制。刀具都调节到规定的标准计量长度。因此不需要调试刀具用的测量探针，因为在这一工艺中，刀具的计量长度都是固定不变的。采用高主轴速度的原因与这类原则有着密切的关系，工艺的微小变化会给系统的动态响应特性带来明显的影响。如果工艺物理特性保持恒定不变的话，那么车间为这一最新机床找到的特殊高生产率主轴速度也将保持恒定不变。在较低的速度条件下，也许不可能找到这样的特殊速度。然而，有害的颤振现象仍然是一个非常危险的因素。在这里，工艺的一致性仍然使其有可能对切削参数进行微调，以便使可能发生的颤振现象降低到最低限度。在低速条件下，如果与更为典型的工艺相比，由此而产生的工艺，或多或少地就其加工周期而言，其生产率是不高的，但是精心控制的工艺，其加工的表面光洁度较好，而且很少需要进行二次去毛刺加工。Halley先生说，还有另外一种很有意义的加工方法，通过这一严格的工艺来减少变量。也就是说通过这种加工方法来消除粗加工和精加工之间的明显区别。在高速加工中，主要就是采用铣削加工的方法。如果切削足够稳定，那么就会采用同样的走刀方式，从隐窝的中心切除材料，并且还能以这种走刀方式加工隐窝的壁面，直至达到其最终位置。

图4 该加工车间还将购置一台与此相同的铣床，由这两台机床组成一个高速加工单元。这一套加工单元将成为该加工车间中生产效率最高的加工区，其所需的操作工人数量也是最少的

刀具路径技术在高速加工中，稳定性也会促进对刀具路径的选用方法。一旦当一个工件在加工完成以后，不要再次接触它。因此，当其完成对一个特殊区域的切削以后，如果刀具将一个柔性特色留在了它的后面，那么这对它不会产生多大的影响。然而，这一切削加工中的工件应该在某些战略性区域保留足够的裕量，以支持在加工这一材料时出现特殊的情况。消除粗加工与精加工之间的明显差距帮助达到上述这一目标。例如，一个薄壁零件，可以在其两侧保留较大的加工裕量，首先在其一侧加工，然后再在另一侧加工，两侧采用交替增量的加工方式，一直加工到底部为止。Halley先生说，一旦懂得了保持刚性的必要性以后，这一类的方法就变成了常识。然而，在应用高速加工的方法时，人们所面临的挑战是CAM软件不能支持这类加工方法。自动生成的刀具路径往往会以一种特殊的简便数学模式加工特定的裕量，但没有给系统的动态偏差留下允差裕量。其中有一个实例与这一加工方法有关，这就是Tech Manufacturing公司在加工未支撑薄地板时的所采用的加工方法。为了保持刚性，最好的方法就是在垂直的层面方向上一直将其加工到地板上，然后跳跃到相邻的另一个垂直层面上，一直向下加工，然后继续以此方法加工。相反，加工车间的CAM软件不能提供这一功能。其自动生成的刀具路径将以水平增量的方式进行一定量的加工，代替了对整个工件形状在水平方向上一层一层的铣削加工。因此，编程员需要采用手工操纵自动刀具路径的生成，并以独立加工的操作形式，处理每一个垂直的增量级数据。采用这样的方式操纵，可生成更加稳定一致和可以预测的加工程序，最终可以使车间避免出现故障，即使在低速运行的情况之下，但是这种操纵方法会增加编程时间。事实上，高速加工零件所需的编程时间向车间有效地使用更高速的加工机床发出了挑战。机床通过零件加速，但编程所需的额外时间，会给需要等待程序的机床带来危险，如果加工车间不能小心谨慎地安排好机床的生产。

图5 高速加工原则看起来往往需要不同寻常的刀具路径。上述演示图非常的直观

更好并不代表最好新的铣床很容易成为机加工车间中生产效率最高的机床。该车间将采用自锁紧和自定位工件夹紧装置来缩短工件的调试装夹时间，缩短机床的加工周期，该工件夹紧装置由BIG Kasier公司提供。这台铣床将根据该车间为该机床已经找到的无颤振切削速度进行工作，不再需要那些在老式低速的5轴机床上经过实践验证的高速加工程序。在加工车间购置这台机床前，Halley先生曾对这台机床进行了一次频率响应试验。在车间考虑采用上面提到的MetalMax系统时，他对车间里的每台机床都进行了评价。由于他对机床动态特性的影响和重要性非常熟悉，因此他在考虑购置机床的时候，不可能不对机床的这些情况进行分析研究，正如在购置一辆汽车时，不可能不对汽车进行试驾驶运行一样。他所关心的其中一个主要问题是观察整个机床速度范围内的振动特性是否稳定一致。如果机床的速度不存在这样的稳定一致性，那就表明机床的动态特性，基本上随着速度的变化而变化。在这种情况下，就很难使它找到和保持最佳的速度状态。新机床必须保持高生产率的运行状态，因为对于该加工车间而言，这是一笔非常巨大的投资。Halley先生说，损失一个小时就意味着减少一个小时的利润。当然，加工车间已再一次准备好回收这笔投资。由于这台机床可能是该车间最贵重的设备，因此其所需投入的劳务时间是最少的。当该车间再购置第二台相同机床的时候，这两台机床将组成一套高速加工单元，同时还将包括一个去毛刺加工站。他说，操作这套高速加工单元只需两名操作工就足够了，一名有经验的机械师再加一名没有经验的雇员，这名雇员在与机械师的一起工作中，将会逐渐地变得经验丰富，而最终成为一名高级操作人员。购置的第二台机床与第一台相同。事实上，它必须与第一台机床完全一致，这样，该加工车间在第一台机床优化方面所做的全部努力可以毫无遗漏的直接应用于新的机床之上。引进任何其他变量的机床，将会影响该加工车间高速加工技术的高效应用。按照Halley先生的说法，即使第二台机床比第一台机床稍好的话，该车间也不能完全接受。(end)

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