加工中心的更高柔性

HEATS · 发表于 2010-10-22 00:35:49

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“专用-机床循环时间肯定要更短，但是当它发生故障时，只能等修好-机床后才能重新开始生产。而如果要针对另一批加工任务给专用机床重新配置刀具，则花在这方面的钱几乎可以购买一台新的、柔性更高、更适合当今生产要求的CNC机床。”如果您从以上说法中感觉出专用机床正从（位于印地安那州 Indianapolis市的）Visteon的底盘生产厂退出，那么您的感觉是对的。

　　该底盘生产厂专门致力于生产客车和卡车用助力式齿条及小齿轮转向机构，已经淘汰了大约一半的用于生产输入轴——助力转向阀的一个关键部件——的分度机床。当在剩余分度机床上加工的输入轴工件结束或发生变化时，该工厂计划让它们退役，而不会给它们重新配置新刀具。

　　输入轴是一种圆柱形钢质部件，大约6英寸长，1英寸直径，从棒料加工而来。它需要大量工序，包括“Op 80”，其中要通过外径往在零件长度方向运行的主孔钻通大量孔（液压流体通道）。

小事情有时候也关系重大。选择该加工中心的一个主要原因是，它可以高速钻孔，这是成功钻削该小孔（1.5mm直径）的前提条件。在其中安装钻头的调速器主轴头转速最高可达20,000转/分钟。

　　输入阀曾一度几乎全部是在自动分度机床上钻孔的。但最近Visteon工厂接到了一个新的齿条和小齿轮转向机构定单，其中输入轴需要一个异常小的孔（直径为1.5mm）。在讨论新工件的一个会议上，钻头供应商建议，小孔应该用超出分度机床允许的更高转速加以钻削，因此参与人员开始考虑用可替代方式来加工孔。

　　先锋模型工程部的一名成员Wahid Kapadia说：“我们工厂有大量专用机床，我们越来越多地意识到，针对不同工件装夹调整机床所花费的时间和资金大大限制了工厂的效率和灵活性。出于多种原因我们开始寻找一台钻小孔的CNC机床。首先，许多CNC机床具备我们钻该孔所需要的主轴转速。其次，加工小孔很容易断刀，而CNC机床则带有可以减少这种问题的刀具控制装置。

　　他继续说：“其次，我们很想维持较高的生产速度。当专用机床发生问题时，生产会停止，在问题得到解决之前无法进行生产。相反，当在若干台标准CNC机床上展开生产时，如果一台机床发生问题，其他机床可以继续加工零件。尽管生产受到了影响，但是却没有完全停止。”

　　工厂最开始考虑采用一台带有动力刀具的CNC车床。但是，它却无法找到一台可以提供加工小孔所需钻孔速度的机床。

　　接着，工厂考察了标准CNC钻削和攻丝机床。为了满足所涉及的生产批量，需要若干台这样的机床，然而，由于机床将在很大程度上以无人看管方式运行，因此针对相关工件需要给它们添加一些其他必要的东西。为了让零件装卸自动化，需要采用一台或多台机器人。为了给输入轴以90度增量分度而进行钻削，还需要一个分度工夹。购买机床并给它们配置工件加工所必需的工件搬运设备其前景变得让人气馁。因此需要找到一个比较简单的解决方案。

　　在经过更多研究后，工厂调研了由（伊利诺斯州Rolling Meadows市）美国Wasino公司生产的A系列加工中心。该A系列由带辅助车削功能的四轴（X、Y、Z及C）加工中心组成。该系列的配置更像自动车床而不是普通加工中心，它具有转速为4000 r/min的卧式主轴，带可以以 0.0001英寸增量进行编程的C轴。主轴由一个刀塔供刀，刀塔的每个刀位上装有回转或车削刀具。

　　A系列机床还配备一个综合龙门上料器，它可以从位于机床后面的一个紧凑圆盘形集结区域中取出待加工零件并将加工好的零件返回给它。机床带有最大10英寸（用于最大型号的工件）的散件搬运卡盘，以及允许棒料进给或从棒料进给器上给机床排出棒料的主轴孔。

　　该机床针对Visteon最重要的特征之一是，刀具转塔可以（不用任何齿轮）直接驱动回转刀具，加速到10,000r/min，保证了钻削新输入轴小孔所需要的转速。因此，工厂购买了A-12型（带12把转塔刀具）。为确保工厂对于当前和未来工件具有足够高的钻削速度，它购买了带调速器主轴头的机床，可以将最大转速翻番到20,000 r/min。

针对该零件量身定做

　　Kapadia先生说：“主主轴带一根C轴，它可以方便地满足我们的需求：对零件进行分度以进行钻孔操作。另外，机床的综合龙门也通过自动装卸零件而满足了我们的需求。现货A-12可以如此完整地满足我们的工件加工需求，就像是专门为该零件量身定做的一样。”

　　一开始，工厂计划在分度机床上继续加工输入轴，并以单独的工序在CNC机床上加工小孔。但是，CNC可以钻削所有的孔，通过用它钻孔，工厂可以避免用单独的工序钻削小孔。在输入轴钻削加工方面，CNC机床完全替代了分度机床。

　　当工厂接到一个小吨位载货卡车助力转向机构的定单时，这种情景再次重演。一开始，计划在工厂的分度机床上钻削新工件的输入轴。但是，进一步分析表明，给机床重新配备刀具以加工新工件将产生很高的成本，而在新CNC机床上钻削输入轴的成本效益则要好得多。因此，工厂为该加工任务购买了另外三台A-12型机床。

　　类似地，工厂购买了第五台A-12机床来完成曾经用于生产维修件的旧分度机床的操作。两台旧机床被报废。CNC机床组给工厂提供了分度机床无法提供的生产灵活性。Kapadia先生解释说：“所有的CNC机床都是为加工我们所有的输入轴而编程设定的。这一点意味着我们可以在任何时候在任何机床上加工任何零件。”

　　这些加工中心还可以用于加工临时性的工件。例如，在助力转向单元的设计变更要求缩短输入轴的长度时，把用于维修件的加工中心快速设置为进行这种“截短”操作。此外，当某特定工件任务需要在工件上铣削扁平面时，可以快速编程设定加工中心，并配置相应刀具而完成工件的加工。

　　一名操作员照看五台机床

　　在Visteon，加工中心是成排布置的。所有五台机床都由一名操作员照看，他的主要任务是保持加工中心的圆盘中始终存有毛坯件。在我们参观该工厂的那天，大多数机床都在钻削输入轴中三个不同直径的孔：一个7.9mm通到零件一端平行、经过铣削加工的扁平体的孔；8个3mm直径、每两个沿外径彼此相隔 90度分布的孔；2个1.5mm直径、彼此相隔180度的孔。所有的孔都通到零件长度方向的主孔。转塔分度三次，将合适的刀具用于加工输入轴，零件的总循环时间为55秒。

　　工厂曾一度用六台分度机床来钻削输入轴中的孔。加工中心已经替代了这些机床中的三台。其余的机床依然在生产，但是当这些工件加工完或者设计发生变化时，将不再给它们重新配置刀具。它们将被更多加工中心所替代。

在加工中心上用测头自动调节刀具偏置

　　当Visteon的Indianapolis底盘厂从专用分度机床转向采用加工中心来钻削其助力转向单元的输入轴时，新技术使该工厂可以利用更高级的切削刀具控制装置。这些CNC机床每班钻削数以千计的孔，必须随时进行刀具偏置调节以补偿刀具磨损。工厂不想让其操作员负责这些变化。其中一个原因是，一名操作员操作所有5台CNC机床，没有时间进行刀具偏置补偿。此外，操作员犯的某个错误可能导致成批零件超差，或者甚至导致机床无法生产的事故。

　　这个问题在工厂在每台加工中心上安装了一个Z-Nano测头后得到了解决。由该测头检测每把钻头并给机床控制器自动发送信号来补偿检测到的刀具磨损。 Z-Nano测头由（位于肯塔基州Erlanger市）的Blum有限公司制造，将一个灵敏度非常高的测头（可以测量直径小至0.02mm的刀具）与（可以与各大CNC控制兼容、对各种必要的刀具定位变化提供指示的）软件融合为一体。测头的重复精度为0.001mm。测量数据通过被保护电缆直接从测头传送到机床控制器上。

　　除了更好地控制孔尺寸和提高机床操作时间外，该测头还提供了大大节省刀具的机会。该工厂采用整体、带 TiN涂层的硬质合金钻头来钻削输入轴上的孔。Visteon的Kapadia先生解释说：“此前，我们一直只用新钻头。其中一个原因是不想让我们的操作员调节偏置，以对重磨后钻头较小的尺寸进行补偿。现在，由于每台机床都安装了一个测头，可以测量钻头并自动进行必要的调节，因此我们在使用重磨钻头方面再也没有什么障碍了。一把新钻价格高达50美元，而重磨的成本却只有其几分之一，这样我们就可以大大节省开支。”

Visteon的Kapadia先生正在检查从工厂五台加工中心上钻削的一个输入轴。

　　龙门臂的下抓手刚刚从主轴上卸下一根钻好孔的输入轴，正在往主轴中装一根新的坯料（夹在上抓手中），然后它会将钻好孔的轴返回到机床后面的输出传送带上滤清器。

　　一个小钻头在钻削前被送到Z-Nano测头处进行检测的情景。如果测头感应到刀具磨损，则它会自动给加工中心控制装置发送信号，改变刀具偏置值，补偿磨损量。

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