圍繞加工工藝設(shè)計零件.doc

大多數(shù)加工車間先是設(shè)計一個零件，然后再找一臺能夠加工這一零件的機床。然而，Sikorsky公司在創(chuàng)建其新的精密元件加工技術(shù)中心的時候，它采用了與此相反的方式。 Sikorsky Aircraft飛機公司在最近的一個產(chǎn)品開發(fā)項目上采取了一種不尋常的不同方法。該公司首先在市場上物色現(xiàn)有機床的加工能力，而不是先確定零件的設(shè)計和 加工工藝，然后根據(jù)相應的具體情況，再完成零件的設(shè)計。這種方法稱為可生產(chǎn)性設(shè)計（DFM）概念上的一個新的轉(zhuǎn)折點。 事實上，這種方法 可確保所設(shè)計的零件可以順利地加工處理。然而，要顛覆先設(shè)計零件、后匹配機床的次序是并不簡單的。例如，Sikorsky公司不得不重新考慮如何與機床制 造商合作的問題。在這種情況下，只有Mitsui Seiki（三井精機）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題。 Sikorsky公司3臺新型5軸三井精機加工中心中最大的一臺機床現(xiàn)正用于生產(chǎn)其從未設(shè)計過的兩個最大、最復雜的鈦合金元件。一個是 直徑為66in（1in=25.4mm）的主轉(zhuǎn)子中心體，其加工前的重量達2450lb（1lb=0.454kg）。再加上卡具，其總重量超過了 10000lb。另一個是直徑為78in的旋轉(zhuǎn)斜盤，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，是專門為這一應用領(lǐng)域而設(shè)計的，它在卡具的設(shè)計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5軸加工中心托盤底板上的卡具上準備進一步加工當該項目推出時，我們對所需的最佳機床已經(jīng)有了大致的了解，但當我們獲取了機床特點的詳細信息以后，我們就能夠使用最佳的刀具、開發(fā)正確的工件卡具和設(shè)計適當?shù)脑O(shè)置程序，”Sikorsky公司的新產(chǎn)品開發(fā)部經(jīng)理Brian DeBlasi先生說。 “同 樣，每一零件幾何圖形的設(shè)計，圍繞著該零件如何在5軸加工中心上加工的問題進行考慮。這是在轉(zhuǎn)子頭設(shè)計最終完成之前的一種長遠看法，這是在個別零件幾何形 狀最終確定之前很久以前的事情。如果我們沒有搞清這些機床能夠加工什么零件，那么這些工程和加工步驟也不會有什么直觀的效果” Brian DeBlasi經(jīng)理說道。 Mark Tuscano先生是Sikorsky公司團隊中的一名工藝工程師，他發(fā)表了另外一種觀點：“我們購置了一種新的機床，但我們圍繞該工藝制訂的新方法是為 了我們能夠在將來其他的項目上復制使用。這種方法就是我們的特點，或是我們新精密元件加工技術(shù)中心的特點?！?圖2 Sikorsky公司的精密元件加工技術(shù)中心實際上是一套柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，目前由一臺VTL立式轉(zhuǎn)塔車床、一臺2000mm的5軸加工中心、兩臺1200mm的5軸加工中心和一套自動托盤裝卸系統(tǒng)組成空中飛舞的幾何圖形 Sikorsky公司需要對初步的數(shù)據(jù)迅速地作出反應，因為它是新型飛機的獨家開發(fā)商。設(shè)計團隊不失時機地為幾種主轉(zhuǎn)子頭概念制作了模型。“我想到的是一個巨大的油炸面包圈?！盌eBlasi先生說。 DeBlasi先生與Tuscano先生開始進一步探討該項目的發(fā)展前途。然而，他們卻被告知，沒有一臺合適的機床具有理想的尺寸和能力來承擔全系列轉(zhuǎn)子頭零件的生產(chǎn)任務(wù)。 盡 管缺少幾何圖形的細節(jié)，但DeBlasi先生和他的團隊知道他們需要一臺配有高扭矩主軸的5軸機床，應具有加工復雜幾何形狀和堅硬材料的能力，應能承受巨 大的重量和保持嚴格的公差尺寸?！拔覀儗庸つ芰ψ髁朔治觯晕覀冎雷畛跷覀冃枰?臺機床，然后又添置了兩臺?！盩uscano先生說。 在這一點上，很顯然對于DeBlasi先生、Tuscano先生和高級項目工程師Ken Catino先生來說，他們本質(zhì)上需要的是一套柔性生產(chǎn)系統(tǒng)（FMS）。 “我們在這里所談?wù)摰牟辉偈且慌_機床，而是工廠內(nèi)的一個真正的微型工廠，”Tuscano先生說，“我們將報過價的所有機床制造商放在一起，然后將范圍縮小到兩類加工設(shè)備5軸加工中心和立式轉(zhuǎn)塔車床”。 Tuscano先生說，對于5軸加工中心而言，Mitsui Seiki（三井精機）公司被列入到這一短短的名單之中，因為該公司的機床，在加工精度、鈦合金的加工經(jīng)驗、其產(chǎn)品系列的加工能力及其機床制造中的獨特工程設(shè)計方法等方面都很有名氣。 動力和合作 當 DeBlasi先生、Tuscano先生和Catino先生與制造商的工作組會面時，他們知道了更多有關(guān)機床的知識，例如，機床必須具有足夠的剛性，才能 始終如一地承受強力切削的負荷，從而保持批量生產(chǎn)的加工精度。此外，機床必須配置合適功率和扭矩的主軸以及驅(qū)動絲杠的大型伺服電機。 對 于3臺機床中最大一臺機床的規(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)，以適應旋轉(zhuǎn)斜盤的加工； 一個專用A軸托盤工作臺，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號錐度主 軸，其轉(zhuǎn)速范圍為156000r/min，由一臺37kW/30kW電機驅(qū)動。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，該機床還將包括一個BigPlus雙接觸主軸接口。Sikorsky公司指定由制造商提供自動換刀系統(tǒng)，該系統(tǒng)可儲存360把刀具，每把刀具重達 30kg，刀具長度在650mm范圍之內(nèi)。 當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，制造商對工作臺處于-90位置時的一個0.006in軸承垂度同樣表示關(guān) 注。Mitsui Seiki公司的工程師們設(shè)計了特殊的、直徑為1900mm的托盤工作臺，它可用作卡具的底座，以滿足兩個主轉(zhuǎn)子中心體粗加工操作的要求?！皩⒖ň吆凸ぷ?臺整合在一起是一個創(chuàng)舉，它可使我們能夠在那臺機床上加工大型轉(zhuǎn)子件?！盩uscano先生說。 圖3 圖中所示的主轉(zhuǎn)子軸套正夾持在卡具上進行打毛刺操作，為了減輕其重量，該工件經(jīng)過重新設(shè)計，成為現(xiàn)在的一個單體零件。即使是更復雜的配置，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習。Mitsui Seiki公司和VTL立式轉(zhuǎn)塔車床供應商菲尼克斯公司，都成了工程風險合作體的一個部分?！拔覀兯械墓ぞ咴O(shè)計和計劃安排工作都圍繞5軸加工中心而開 展。我們認為這就是該工藝及其獲得成功的核心?！盌eBlasi先生說。 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用預算。最終，管理層批準了最初的一筆2000萬美元投資，其中包括在工廠內(nèi) 重建一個20000ft2（1ft2=0.093m2）面積的廠房。他們將這一加工區(qū)域稱作“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：一臺由菲尼克斯公司提供的VTL立式轉(zhuǎn)塔車床，配有第二套滑枕。它采用了一個90in的工作臺、一套BigPlus 50-hp CAT50型銑削加工主軸和一套五工位托盤池；配置1900mm托盤的一臺5軸加工中心；配置1200mm托盤的兩臺5軸加工中心；工件裝卸站；兩套 Fastems公司的自動托盤搬運系統(tǒng)，為加工中心提供服務(wù)。為中型加工中心配置的42個托盤，以及為大型加工中心配置的24個托盤，這是迄今為止的第二 大裝置。 設(shè)計初步成型 當機床正在生產(chǎn)制造和工廠的老生產(chǎn)區(qū)正在改建翻新的時候，該工作團隊最終確定了零件的幾何形 狀；卡具的設(shè)計；工藝流程圖；加工軟件和自動化軟件程序；以及材料的搬運處理程序。新元件的加工工藝一旦確立之后，其他生產(chǎn)制造方面的問題可以相應地作出 微調(diào)。工藝工程師們審核了零件的CATIA實體模型，并研究了相應的加工操作，同時完成了零件幾何形狀相關(guān)的設(shè)計細節(jié)工作。 然而，根據(jù)對轉(zhuǎn)子頭零件初步設(shè)計的分析表明，整個組裝件的毛重將會超量，除非作出必要的改變。該設(shè)計團隊考慮到了如何減輕重量的方法。他們認識到，對于一個轉(zhuǎn)子頭這樣的組裝件，最簡單的方法之一是：將多個元件組合成一個單一獨立配置的結(jié)構(gòu)件，并去除緊固件。 起初，某些所建議的獨立組合件涉及到主轉(zhuǎn)子軸套、阻尼器支架和俯仰角組件，由于它們太復雜而無法加工，因此被淘汰出局。然而，通過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題了?！肮に囍改线x項是一個如何了解機床能夠做什么的很好例子，”DeBlasi先 生說?！爸鬓D(zhuǎn)子中心體則是另一個很好的例子。我們能夠去除隱窩中幾個加工步驟，在這種情況下，可使其加工更加簡單?！?所以問題就這樣解決了。該團隊系統(tǒng)地分析了每個零件的可制造性，并根據(jù)工藝知識調(diào)整了設(shè)計。同樣，該團隊也根據(jù)工藝來設(shè)計卡具，以避免其間隙問題，最大程度地提高卡具的夾緊效果。 隨后，卡具設(shè)計人員根據(jù)演示圖版來設(shè)計卡具，以適應工藝中的每一步驟?！八麄兊闹噶詈芎唵?，但任務(wù)非常復雜。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。 零 件在通過FMS柔性生產(chǎn)系統(tǒng)的加工過程中，其每項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)。除了達到必要的精度，卡具的設(shè)計將集成液壓心 軸組合在一起，以確保零件的位置處于每個后續(xù)操作的中心。在裝載過程中，心軸可提高重復精度，并可提供額外的動力，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.實際運行中的FMS柔性生產(chǎn)系統(tǒng) 主 轉(zhuǎn)子中心體的加工過程可作為FMS柔性生產(chǎn)系統(tǒng)如何操作運行的一個實例。對中心體鍛件的第一個操作是在VTL立式轉(zhuǎn)塔車床上執(zhí)行的，其中該零件的兩側(cè)采用 粗車削加工，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)塔車床上，對其內(nèi)徑和臂部進行最后的車 削加工。然后，它返回到加工中心進行精加工作業(yè)。 在這個階段將會碰到最關(guān)鍵的公差尺寸問題。按照中心體NC數(shù)控編程員Doug Ventimiglia先生的說法，該車間可將其平行度保持在0.005in范圍之內(nèi)，直徑公差達到0.002in，距離真實位置的誤差為 0.005in。“更重要的是我們還注意到廣泛地應用可生產(chǎn)性設(shè)計技術(shù)，最大限度地減少對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工作 人員的壓力，而不是對機床的壓力。機床是可以日夜工作的。事實上，我們經(jīng)常超過了規(guī)定的公差，因為這是生產(chǎn)工藝造成的結(jié)果。”Ventimiglia先生 說。 所有的機床都具有復位功能，可通過與托盤傳送站緊密連接在一起的專用零件裝卸站，達到這一目的。這意味著