圍繞加工工藝設(shè)計(jì)零件.doc

大多數(shù)加工車(chē)間先是設(shè)計(jì)一個(gè)零件，然后再找一臺(tái)能夠加工這一零件的機(jī)床。然而，Sikorsky公司在創(chuàng)建其新的精密元件加工技術(shù)中心的時(shí)候，它采用了與此相反的方式。 Sikorsky Aircraft飛機(jī)公司在最近的一個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)項(xiàng)目上采取了一種不尋常的不同方法。該公司首先在市場(chǎng)上物色現(xiàn)有機(jī)床的加工能力，而不是先確定零件的設(shè)計(jì)和 加工工藝，然后根據(jù)相應(yīng)的具體情況，再完成零件的設(shè)計(jì)。這種方法稱(chēng)為可生產(chǎn)性設(shè)計(jì)（DFM）概念上的一個(gè)新的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。 事實(shí)上，這種方法 可確保所設(shè)計(jì)的零件可以順利地加工處理。然而，要顛覆先設(shè)計(jì)零件、后匹配機(jī)床的次序是并不簡(jiǎn)單的。例如，Sikorsky公司不得不重新考慮如何與機(jī)床制 造商合作的問(wèn)題。在這種情況下，只有Mitsui Seiki（三井精機(jī)）愿意與其合作，與Sikorsky公司一起解決其技術(shù)上存在的任何局限性問(wèn)題。 Sikorsky公司3臺(tái)新型5軸三井精機(jī)加工中心中最大的一臺(tái)機(jī)床現(xiàn)正用于生產(chǎn)其從未設(shè)計(jì)過(guò)的兩個(gè)最大、最復(fù)雜的鈦合金元件。一個(gè)是 直徑為66in（1in=25.4mm）的主轉(zhuǎn)子中心體，其加工前的重量達(dá)2450lb（1lb=0.454kg）。再加上卡具，其總重量超過(guò)了 10000lb。另一個(gè)是直徑為78in的旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)，其加工前的重量為1450lb。加工這種尺寸的鈦合金工件，高扭矩主軸是必不可少的。一種 1900mm的工作臺(tái)，是專(zhuān)門(mén)為這一應(yīng)用領(lǐng)域而設(shè)計(jì)的，它在卡具的設(shè)計(jì)和剛性方面也有很大的不同。 圖1 這是直徑為66in的主轉(zhuǎn)子中心體的半成品，安裝在其最大一臺(tái)5軸加工中心托盤(pán)底板上的卡具上準(zhǔn)備進(jìn)一步加工當(dāng)該項(xiàng)目推出時(shí)，我們對(duì)所需的最佳機(jī)床已經(jīng)有了大致的了解，但當(dāng)我們獲取了機(jī)床特點(diǎn)的詳細(xì)信息以后，我們就能夠使用最佳的刀具、開(kāi)發(fā)正確的工件卡具和設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)脑O(shè)置程序，”Sikorsky公司的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)部經(jīng)理Brian DeBlasi先生說(shuō)。 “同 樣，每一零件幾何圖形的設(shè)計(jì)，圍繞著該零件如何在5軸加工中心上加工的問(wèn)題進(jìn)行考慮。這是在轉(zhuǎn)子頭設(shè)計(jì)最終完成之前的一種長(zhǎng)遠(yuǎn)看法，這是在個(gè)別零件幾何形 狀最終確定之前很久以前的事情。如果我們沒(méi)有搞清這些機(jī)床能夠加工什么零件，那么這些工程和加工步驟也不會(huì)有什么直觀的效果” Brian DeBlasi經(jīng)理說(shuō)道。 Mark Tuscano先生是Sikorsky公司團(tuán)隊(duì)中的一名工藝工程師，他發(fā)表了另外一種觀點(diǎn)：“我們購(gòu)置了一種新的機(jī)床，但我們圍繞該工藝制訂的新方法是為 了我們能夠在將來(lái)其他的項(xiàng)目上復(fù)制使用。這種方法就是我們的特點(diǎn)，或是我們新精密元件加工技術(shù)中心的特點(diǎn)。” 圖2 Sikorsky公司的精密元件加工技術(shù)中心實(shí)際上是一套柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，目前由一臺(tái)VTL立式轉(zhuǎn)塔車(chē)床、一臺(tái)2000mm的5軸加工中心、兩臺(tái)1200mm的5軸加工中心和一套自動(dòng)托盤(pán)裝卸系統(tǒng)組成空中飛舞的幾何圖形 Sikorsky公司需要對(duì)初步的數(shù)據(jù)迅速地作出反應(yīng)，因?yàn)樗切滦惋w機(jī)的獨(dú)家開(kāi)發(fā)商。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)不失時(shí)機(jī)地為幾種主轉(zhuǎn)子頭概念制作了模型?！拔蚁氲降氖且粋€(gè)巨大的油炸面包圈。”DeBlasi先生說(shuō)。 DeBlasi先生與Tuscano先生開(kāi)始進(jìn)一步探討該項(xiàng)目的發(fā)展前途。然而，他們卻被告知，沒(méi)有一臺(tái)合適的機(jī)床具有理想的尺寸和能力來(lái)承擔(dān)全系列轉(zhuǎn)子頭零件的生產(chǎn)任務(wù)。 盡 管缺少幾何圖形的細(xì)節(jié)，但DeBlasi先生和他的團(tuán)隊(duì)知道他們需要一臺(tái)配有高扭矩主軸的5軸機(jī)床，應(yīng)具有加工復(fù)雜幾何形狀和堅(jiān)硬材料的能力，應(yīng)能承受巨 大的重量和保持嚴(yán)格的公差尺寸。“我們對(duì)加工能力作了分析，所以我們知道最初我們需要3臺(tái)機(jī)床，然后又添置了兩臺(tái)?！盩uscano先生說(shuō)。 在這一點(diǎn)上，很顯然對(duì)于DeBlasi先生、Tuscano先生和高級(jí)項(xiàng)目工程師Ken Catino先生來(lái)說(shuō)，他們本質(zhì)上需要的是一套柔性生產(chǎn)系統(tǒng)（FMS）。 “我們?cè)谶@里所談?wù)摰牟辉偈且慌_(tái)機(jī)床，而是工廠內(nèi)的一個(gè)真正的微型工廠，”Tuscano先生說(shuō)，“我們將報(bào)過(guò)價(jià)的所有機(jī)床制造商放在一起，然后將范圍縮小到兩類(lèi)加工設(shè)備5軸加工中心和立式轉(zhuǎn)塔車(chē)床”。 Tuscano先生說(shuō)，對(duì)于5軸加工中心而言，Mitsui Seiki（三井精機(jī)）公司被列入到這一短短的名單之中，因?yàn)樵摴镜臋C(jī)床，在加工精度、鈦合金的加工經(jīng)驗(yàn)、其產(chǎn)品系列的加工能力及其機(jī)床制造中的獨(dú)特工程設(shè)計(jì)方法等方面都很有名氣。 動(dòng)力和合作 當(dāng) DeBlasi先生、Tuscano先生和Catino先生與制造商的工作組會(huì)面時(shí)，他們知道了更多有關(guān)機(jī)床的知識(shí)，例如，機(jī)床必須具有足夠的剛性，才能 始終如一地承受強(qiáng)力切削的負(fù)荷，從而保持批量生產(chǎn)的加工精度。此外，機(jī)床必須配置合適功率和扭矩的主軸以及驅(qū)動(dòng)絲杠的大型伺服電機(jī)。 對(duì) 于3臺(tái)機(jī)床中最大一臺(tái)機(jī)床的規(guī)格，隨后由制造商提出建議，其中包括2000mm1750mm1400mm的X、Y、Z工作區(qū)，以適應(yīng)旋轉(zhuǎn)斜盤(pán)的加工； 一個(gè)專(zhuān)用A軸托盤(pán)工作臺(tái)，其可傾斜角度范圍為20-110，遞增量為0.001；以及一根以0.001旋轉(zhuǎn)遞增的B軸；一套特定的50號(hào)錐度主 軸，其轉(zhuǎn)速范圍為156000r/min，由一臺(tái)37kW/30kW電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這一主軸的關(guān)鍵額定扭矩為3332Nm。為了提高刀柄和主軸頭之間的連接 剛性，該機(jī)床還將包括一個(gè)BigPlus雙接觸主軸接口。Sikorsky公司指定由制造商提供自動(dòng)換刀系統(tǒng)，該系統(tǒng)可儲(chǔ)存360把刀具，每把刀具重達(dá) 30kg，刀具長(zhǎng)度在650mm范圍之內(nèi)。 當(dāng)Mitsui Seiki公司獲悉，加工前的主轉(zhuǎn)子中心體與卡具的總重接近10000lb時(shí)，制造商對(duì)工作臺(tái)處于-90位置時(shí)的一個(gè)0.006in軸承垂度同樣表示關(guān) 注。Mitsui Seiki公司的工程師們?cè)O(shè)計(jì)了特殊的、直徑為1900mm的托盤(pán)工作臺(tái)，它可用作卡具的底座，以滿足兩個(gè)主轉(zhuǎn)子中心體粗加工操作的要求?！皩⒖ň吆凸ぷ?臺(tái)整合在一起是一個(gè)創(chuàng)舉，它可使我們能夠在那臺(tái)機(jī)床上加工大型轉(zhuǎn)子件?！盩uscano先生說(shuō)。 圖3 圖中所示的主轉(zhuǎn)子軸套正夾持在卡具上進(jìn)行打毛刺操作，為了減輕其重量，該工件經(jīng)過(guò)重新設(shè)計(jì)，成為現(xiàn)在的一個(gè)單體零件。即使是更復(fù)雜的配置，仍然可以在5軸加工中心上加工生產(chǎn)DeBlasi 先生指出，包括執(zhí)行FMS系統(tǒng)任務(wù)的所有各方都愿意互相學(xué)習(xí)。Mitsui Seiki公司和VTL立式轉(zhuǎn)塔車(chē)床供應(yīng)商菲尼克斯公司，都成了工程風(fēng)險(xiǎn)合作體的一個(gè)部分。“我們所有的工具設(shè)計(jì)和計(jì)劃安排工作都圍繞5軸加工中心而開(kāi) 展。我們認(rèn)為這就是該工藝及其獲得成功的核心?！盌eBlasi先生說(shuō)。 精密元件加工技術(shù)中心的誕生 DeBlasi 先生、Tuscano先生和Catino先生將該案例提交給了管理層作資本費(fèi)用預(yù)算。最終，管理層批準(zhǔn)了最初的一筆2000萬(wàn)美元投資，其中包括在工廠內(nèi) 重建一個(gè)20000ft2（1ft2=0.093m2）面積的廠房。他們將這一加工區(qū)域稱(chēng)作“精密元件加工技術(shù)中心”。 該中心的主要生 產(chǎn)資源有以下各部分組成：一臺(tái)由菲尼克斯公司提供的VTL立式轉(zhuǎn)塔車(chē)床，配有第二套滑枕。它采用了一個(gè)90in的工作臺(tái)、一套BigPlus 50-hp CAT50型銑削加工主軸和一套五工位托盤(pán)池；配置1900mm托盤(pán)的一臺(tái)5軸加工中心；配置1200mm托盤(pán)的兩臺(tái)5軸加工中心；工件裝卸站；兩套 Fastems公司的自動(dòng)托盤(pán)搬運(yùn)系統(tǒng)，為加工中心提供服務(wù)。為中型加工中心配置的42個(gè)托盤(pán)，以及為大型加工中心配置的24個(gè)托盤(pán)，這是迄今為止的第二 大裝置。 設(shè)計(jì)初步成型 當(dāng)機(jī)床正在生產(chǎn)制造和工廠的老生產(chǎn)區(qū)正在改建翻新的時(shí)候，該工作團(tuán)隊(duì)最終確定了零件的幾何形 狀；卡具的設(shè)計(jì)；工藝流程圖；加工軟件和自動(dòng)化軟件程序；以及材料的搬運(yùn)處理程序。新元件的加工工藝一旦確立之后，其他生產(chǎn)制造方面的問(wèn)題可以相應(yīng)地作出 微調(diào)。工藝工程師們審核了零件的CATIA實(shí)體模型，并研究了相應(yīng)的加工操作，同時(shí)完成了零件幾何形狀相關(guān)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)工作。 然而，根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)子頭零件初步設(shè)計(jì)的分析表明，整個(gè)組裝件的毛重將會(huì)超量，除非作出必要的改變。該設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)考慮到了如何減輕重量的方法。他們認(rèn)識(shí)到，對(duì)于一個(gè)轉(zhuǎn)子頭這樣的組裝件，最簡(jiǎn)單的方法之一是：將多個(gè)元件組合成一個(gè)單一獨(dú)立配置的結(jié)構(gòu)件，并去除緊固件。 起初，某些所建議的獨(dú)立組合件涉及到主轉(zhuǎn)子軸套、阻尼器支架和俯仰角組件，由于它們太復(fù)雜而無(wú)法加工，因此被淘汰出局。然而，通過(guò)將這些元件組合在一起，Sikorsky公司的工程師們就可以去除零件的螺栓連接件，從而可減少大量的組裝硬件并減輕重量。 幸 運(yùn)的是，采用加工中心的5軸加工能力，加工新的組合件就不存在任何問(wèn)題了。“工藝指南選項(xiàng)是一個(gè)如何了解機(jī)床能夠做什么的很好例子，”DeBlasi先 生說(shuō)?！爸鬓D(zhuǎn)子中心體則是另一個(gè)很好的例子。我們能夠去除隱窩中幾個(gè)加工步驟，在這種情況下，可使其加工更加簡(jiǎn)單?！?所以問(wèn)題就這樣解決了。該團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)地分析了每個(gè)零件的可制造性，并根據(jù)工藝知識(shí)調(diào)整了設(shè)計(jì)。同樣，該團(tuán)隊(duì)也根據(jù)工藝來(lái)設(shè)計(jì)卡具，以避免其間隙問(wèn)題，最大程度地提高卡具的夾緊效果。 隨后，卡具設(shè)計(jì)人員根據(jù)演示圖版來(lái)設(shè)計(jì)卡具，以適應(yīng)工藝中的每一步驟?！八麄兊闹噶詈芎?jiǎn)單，但任務(wù)非常復(fù)雜。我要求他們建造一套能夠夾持工件的卡具，而且要使其表面易于接近，以便于加工?！盩uscano先生說(shuō)。 零 件在通過(guò)FMS柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的加工過(guò)程中，其每項(xiàng)加工操作都需要不同的卡具，或需要在同一卡具中將零件翻轉(zhuǎn)。除了達(dá)到必要的精度，卡具的設(shè)計(jì)將集成液壓心 軸組合在一起，以確保零件的位置處于每個(gè)后續(xù)操作的中心。在裝載過(guò)程中，心軸可提高重復(fù)精度，并可提供額外的動(dòng)力，從而充分利用較少的夾緊裝置，為加工生 產(chǎn)創(chuàng)造更大的可接近性。 The main rotor sleeve, shown here fixtured for a deburring operation, was redesigned as a monolithic part to reduce weight. The more complex configuration is still producible on a five-axis machine.實(shí)際運(yùn)行中的FMS柔性生產(chǎn)系統(tǒng) 主 轉(zhuǎn)子中心體的加工過(guò)程可作為FMS柔性生產(chǎn)系統(tǒng)如何操作運(yùn)行的一個(gè)實(shí)例。對(duì)中心體鍛件的第一個(gè)操作是在VTL立式轉(zhuǎn)塔車(chē)床上執(zhí)行的，其中該零件的兩側(cè)采用 粗車(chē)削加工，而某些平面則采用銑削加工。銑削加工的平面是合格的，正如中心孔直徑那樣。這些加工步驟可使零件初步成形。下一步是將零件轉(zhuǎn)移到大型加工中心 上加工，它可銑削加工掉總計(jì)1053lp的材料，從而在零件上形成各種隱窩和臂形輪廓。然后工件返回到VTL立式轉(zhuǎn)塔車(chē)床上，對(duì)其內(nèi)徑和臂部進(jìn)行最后的車(chē) 削加工。然后，它返回到加工中心進(jìn)行精加工作業(yè)。 在這個(gè)階段將會(huì)碰到最關(guān)鍵的公差尺寸問(wèn)題。按照中心體NC數(shù)控編程員Doug Ventimiglia先生的說(shuō)法，該車(chē)間可將其平行度保持在0.005in范圍之內(nèi)，直徑公差達(dá)到0.002in，距離真實(shí)位置的誤差為 0.005in。“更重要的是我們還注意到廣泛地應(yīng)用可生產(chǎn)性設(shè)計(jì)技術(shù)，最大限度地減少對(duì)精密公差尺寸工件的要求。我們這樣做的主要目的是為了減少對(duì)工作 人員的壓力，而不是對(duì)機(jī)床的壓力。機(jī)床是可以日夜工作的。事實(shí)上，我們經(jīng)常超過(guò)了規(guī)定的公差，因?yàn)檫@是生產(chǎn)工藝造成的結(jié)果?！盫entimiglia先生 說(shuō)。 所有的機(jī)床都具有復(fù)位功能，可通過(guò)與托盤(pán)傳送站緊密連接在一起的專(zhuān)用零件裝卸站，達(dá)到這一目的。這意味著