高速加工技術(shù)應(yīng)用實例

1、高速加工技術(shù)應(yīng)用實例高速加工是無忙機械電子】零件加工的全新途徑，它集成多種技術(shù)，不僅僅 是高速主軸和快速精密進給在機床上的簡單結(jié)合。為了應(yīng)用高速加工技術(shù)，加工 廠必須把必不可少的新功能和必不可少的新技巧有機地結(jié)合起來。 同時，也要改 變工廠的運作方式和物質(zhì)設(shè)施。就縮短產(chǎn)品的交付周期和降低成本而言，HSM可以發(fā)揮作用并且很有價 值。任何計劃實施HSM的工廠都應(yīng)仔細考慮，重視生產(chǎn)現(xiàn)場內(nèi)外可以加快生產(chǎn)周 期的一切技術(shù)。實施HSM沒有唯一正確的途徑，每種情況應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)用HSM也沒 有嚴格不變或立竿見影的準(zhǔn)則。我們可以看到，HSM終究不是理論或只有實驗室才能驗證的概念，而是切 實可行的技術(shù)。本文分析潛心

2、從事HSM的兩家工廠的應(yīng)用實例，希望能對讀者有 所啟發(fā)。以高速切削謀生存如果HSM只是達到某個目的的手段，采用 HSM能夠謀生存嗎？Mike Haverkamp和 Brian TerBeek的回答是“能”。他們正在二丄訕井畀：樣作，這兩個伙伴從機械師改行程序員，然后變成HSM企業(yè)家。他們的Cad Cam Services公司位于密執(zhí)安州 Grand Rap ids郊外，主要致力 于大型成形鋼模、壓鑄模和其它大工件的合同加工。該公司不僅提供熔融沉積造 模方式的快速原型制造、逆向工程和壓鑄模及注塑模的全套生產(chǎn)，還繼續(xù)提供 CNC程序設(shè)計技術(shù)和3D設(shè)計服務(wù)。Haverkamp和TerBeek在199

3、1年成立自己的公司，以承包 NC程序設(shè) 計開始營業(yè)，這種工作很紅火，但是到了九十年代中，由于功能強大、基于PC機的CAM系統(tǒng)的出現(xiàn)，他們的工作明顯受到冷落。然而他們發(fā)現(xiàn)本地區(qū)的工廠 在生產(chǎn)高峰期間仍然會有程序設(shè)計 “細脖子”的問題，在加工方面也可能產(chǎn)生瓶 頸。Haverkamp和 TerBeek看準(zhǔn)了這個機會，能夠快速完成大型模具部件的 粗加工和精加工的工廠一定會使們趨之若騖，他們認為，HSM會給模具加工業(yè)務(wù)提供有吸引力的速度和價格。同時他們對HSM技術(shù)有所準(zhǔn)備：有必要的編程技能，還有穩(wěn)定的客戶基礎(chǔ)，包 括許多有希望的客戶，于是到了 1995年，他們形成了一種全新的合作策略，使 Cad Cam

4、 Services 公司致力于高速切削業(yè)務(wù)。HSM專用設(shè)施Haverkamp和TerBeek最初計劃購買一臺粗加工和半精加工大機床和一臺 調(diào)整精加工機床，但是在同伊利諾斯州Rockford機床進口商的共同努力下，買了一臺Rambaudi Ramspeed供精加工用，還有一臺改型的Droop & Re in立式 銑床用于粗加工。這對合作伙伴不僅投資購買合適的機床，而且投資興建新廠。機床的地基 設(shè)計考慮了承載力和隔震性，因為震動可降低精加工精度。原來的兩臺機床面對 面而置，以便于在兩臺機床之間轉(zhuǎn)送工件，而且一名操作工可以照料兩臺機床。 該廠房占地10000平方英尺，內(nèi)部高度足以安裝一個吊鉤

5、距地面 20英尺的50 噸天車。地下敷設(shè)了計算機網(wǎng)絡(luò)電纜管道，電纜接到廠房里的每一臺機床或工作 站。廠房前端有兩層辦公區(qū)，每層分別為 5000平方英尺，不過Cad Cam Services目前只占用下面的一層。沿著生產(chǎn)區(qū)的墻排列著幾臺15馬力的立式加工中心、一臺升降式工具銑 床、一臺 EDM和一對磨床，單憑這些機床就使 Cad Cam Services構(gòu)成一個 設(shè)備精良的現(xiàn)代化模具加工廠。然而 Cad Cam加工能力的支柱是Rambaudi Ramspeed B27L立式龍門加工中心，其 X、Y和Z軸行程達到106X 86X40英寸，主軸電機功率18馬力，最高速度25000 rpm ，快進速度

6、600 ipm，專門適用于高速精加工。走廊對面是床頭箱裝在固定床身上的 Droop & Rein三軸立銑。和 Ramspeec機床相比，這臺50馬力機床的工作臺稍而窄，主軸速度2000 rpm。這臺機床經(jīng)常采用4或5英寸鑲?cè)卸嗣驺姷哆M行粗加工操作，對于這種刀具和 吃刀量大的粗加工而言，2000 rpm的速度足以產(chǎn)生合適的表面切削速度。另一臺大型機床LEM93-M5來自意大利制造商FPT,與其它粗加工機床相 比，F(xiàn)PT的固定工作臺適合于較重的工件。這臺FPT機床的功率較小，主軸30馬力，但轉(zhuǎn)速較高，同 Droop & Rein相比，經(jīng)常以2倍的進給速度和一半的切削深度進行操作。大

7、吃刀量的天地盡管這些機床在主軸速度和進給速度上和Ramspeed不屬于同一個檔次，它們?nèi)匀皇荂ad Cam公司HSM策略不可分割的一部分，正象Haverkamp所 說，“高速切削成功的一個關(guān)鍵在于粗加工和半精加工能力，粗加工和半精加工必須有效地切除很多金屬，并給高速精加工保留很小的加工余量?！贝旨庸ず桶刖庸げ粌H重要而且加工量大，例如，壓鑄模一開始可能是兩個冰箱之大、重量75000磅的4140鋼毛坯，而到精加工時，已經(jīng)有 20000磅 的材料被銑掉了，僅留下0.020 英寸的精加工余量，而且在拐角或圓角處不能 留下過多的材料，所以幾何精度非常關(guān)鍵。FPT所進行的一個典型粗加工例子是：先采用5英

8、寸TiAIN鍍膜鑲?cè)卸嗣?銑刀，主軸速度450500 rpm,進給率150175 ipm,切削深度0.050英寸， 加工時大量切屑唰唰飛落。粗加工以后大部分工件送到外面熱處理。工件一返回便開始半精加工，通常采用2英寸球頭銑刀在轉(zhuǎn)速2000 rpm 和進給速度125150 ipm下半精加工。對于遵循往復(fù)銑削模式的型面切削而 言,軌跡間隔在0.125英寸以內(nèi)。作之字形切削時，可以采用相似的轉(zhuǎn)速和進給 速度以及0.020至0.050英寸的切削深度，并采用直徑2.5英寸的小半徑刀頭。 此外，比較小的刀具還可以用來連接倒角。三臺大機床均配有Fidia控制器，使操作員的培訓(xùn)變得簡單易行。并非越快越好提到高

9、速精加工，Haverkamp信守“不一定越快越好”的準(zhǔn)則，這個準(zhǔn)則 或許令人吃驚。他說：“我們很少用12000 rpm以上的主軸速度，”盡管Rambaudi 機床的主軸速度可達25000 rpm,“有幾個經(jīng)濟因素必須考慮，而且它們隨加工任務(wù)而變化?！彼忉?，“例如，我們在較低的速度下可以獲得最長的刀頭壽 命，并且可以采用隨時可得、價格非常便宜的普通刀體和刀桿。”一般說來，如果采用1英寸頭可轉(zhuǎn)位銑刀，高速精加工速度在 9750 10000 rpm范圍，常用的進給率是275 ipm ，切削深度和軌跡間隔各0.020 英寸。該銑床最大進給速度400ipm，本來可以用比較高的主軸速度，但是保持 最合適

10、的切削力更為重要。“保守型” HSM不僅僅為了節(jié)約刀具，還因為主軸在高轉(zhuǎn)速下磨損比較大。 這臺機床在正常保養(yǎng)條件下連續(xù)使用了三年多，依然沒有更換過主軸和軸承?！盁o人照看或全自動加工”對于主軸轉(zhuǎn)速較低的切削也是比較好的賭注， 盡管Cad Cam Services公司始終只有一個操作員值班，操作員不必眼巴巴地 盯著機床的每一個動作。一般可由2個操作員合作管理三臺機床。另外機床在較低的速度范圍內(nèi)毫不費力地保持目標(biāo)精度：型面精度土0.001英寸，細部精度土0.0005英寸。不過機床的加、減速度是非常咼的，且運動平穩(wěn)。程序設(shè)計適應(yīng)生產(chǎn)車間的需要Cad Cam Services公司具有很強的刀具和刀具路徑

11、設(shè)計能力，這不足 為奇，它把刀具作為一個獨立的CAD/CAM車間，并且公司有5名能夠設(shè)計模具并 編制加工程序的專職CAD/CAM工程師。由于設(shè)計能力與編程能力的結(jié)合，生產(chǎn)出 可加工性很高的模具一這在當(dāng)今快節(jié)奏環(huán)境下是一個優(yōu)勢。TerBeek強調(diào)，有稱職的編程人員支持 HSM非常重要，他說：“程序員必須 了解生產(chǎn)現(xiàn)場的情況并且傾聽機加工人的意見?！贝旨庸?、半精加工和精加工的 刀具路徑程序均采用Sescoi公司的WorkNC首席程序員Gary Thelen偏愛 WorkN係統(tǒng)，因為該系統(tǒng)能夠快速處理刀具命令，據(jù)他說程序設(shè)計在很大程度 上是自動的。而且，程序設(shè)計和現(xiàn)場經(jīng)驗關(guān)系甚重，Thele n 先

12、生解釋，有經(jīng)驗 的程序員能夠分析刀具路徑的仿真，并能迅速識別哪部分程序有可能在機床上出 問題。在許多情況下，為了加工工件幾何形狀的一個部位， 程序員可以查看和采 用幾種方法，結(jié)果生成幾個單獨的刀具路徑文件， 供機加工人選擇。如果根據(jù)刀 具的表現(xiàn)情況有一種方式明顯優(yōu)于另一種， 即可選定比較好的刀具路徑，決對不 會拖延時間等待這部分工作重新編程。程序員還知道何時采用HSM專用的刀具路徑例行程序，比如，“徑向進刀” 和“徑向退刀”程序所生成的路徑以圓弧開始或結(jié)束， 而且刀具軌跡和走刀方向 在空中變化，使得采用不同編程技術(shù)加工的局部表面彼此之間光滑過渡。TerBeek先生強調(diào)，程序員和加工車間應(yīng)保持適

13、時的通訊， 這對于有效的粗加工、 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 編 寫了一個建立資料頁面的軟件，用來匯集每一個刀具路徑文件。頁面上標(biāo)識程序 名，說明程序所遵循的切削策略，給出安裝切削刀具的細節(jié)，規(guī)定加工所得到的 刀紋高度，并且提供其它一切有關(guān)信息。這個頁面還包括相關(guān)的視圖，使操作員 能夠直觀地想象整個操作過程?！皩τ诩庸に獔?zhí)行的刀具路徑，我們的機床操 作員說了算，所以我們希望他們掌握全部信息，以作出正確的判斷?！盩erBeek這 樣解釋。生產(chǎn)現(xiàn)場以裝有工業(yè)型機殼的Windows-NT PC機作為公司網(wǎng)絡(luò)的終端，也是CNCM床的本機文件服務(wù)器。這些 PC機采用In ternet標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議 TCP/IP進行高速數(shù)據(jù)通訊。五軸機床新觀點Cad Cam Services 用的Rambaud機床可以進行5軸同時動作的切削， 主軸頭在程序控制下可以按照切削型面的變化而傾斜和回轉(zhuǎn)， 以保證刀具在整個 路徑上的正確方向。然而,Cad Cam Services 公司很少采用5軸方式，而主要用這臺機床完成三軸機