围绕加工工艺设计零件

围绕加工工艺设计零件 大多数加工车间先是设计一个零件，然后再找一台能够加工这一零件的机床。 然而，Sikorsky 公司在创建其新的精密元件加工技术中心的时候，它采用了与 此相反的方式。 Sikorsky Aircraft 飞机公司在最近的一个产品开发项目上采取了一种不寻常 的不同方法。该公司首先在市场上物色现有机床的加工能力，而不是先确定零 件的设计和加工工艺，然后根据相应的具体情况，再完成零件的设计。这种方 法称为可生产性设计（DFM）概念上的一个新的转折点。 事实上，这种方法可确保所设计的零件可以顺利地加工处理。然而，要颠覆先 设计零件、后匹配机床的次序是并不简单的。例如，Sikorsky 公司不得不重新 考虑如何与机床制造商合作的问题。在这种情况下，只有 Mitsui Seiki（三井 精机）愿意与其合作，与 Sikorsky 公司一起解决其技术上存在的任何局限性问 题。 Sikorsky 公司 3 台新型 5 轴三井精机中最大的一台机床现正用于生产其从未设 计过的两个最大、最复杂的钛合金元件。一个是直径为 66in（1in=25.4mm）的 主转子中心体，其加工前的重量达 2450lb（1lb=0.454kg）。再加上卡具，其 总重量超过了 10000lb。另一个是直径为 78in 的旋转斜盘，其加工前的重量为 1450lb。加工这种尺寸的钛合金工件，高扭矩主轴是必不可少的。一种 1900mm 的工作台，是专门为这一应用领域而设计的，它在卡具的设计和刚性方面也有 很大的不同。 图 1 这是直径为 66in 的主转子中心体的半成品，安装在其最大一台 5 轴加工 中心托盘底板上的卡具上准备进一步加工 当该项目推出时，我们对所需的最佳机床已经有了大致的了解，但当我们获取 了机床特点的详细信息以后，我们就能够使用最佳的、开发正确的工件卡具和 设计适当的设置程序，”Sikorsky 公司的新产品开发部经理 Brian DeBlasi 先 生说。 “同样，每一零件几何图形的设计，围绕着该零件如何在 5 轴加工中心上加工 的问题进行考虑。这是在转子头设计最终完成之前的一种长远看法，这是在个 别零件几何形状最终确定之前很久以前的事情。如果我们没有搞清这些机床能 够加工什么零件，那么这些工程和加工步骤也不会有什么直观的效果” Brian DeBlasi 经理说道。 Mark Tuscano 先生是 Sikorsky 公司团队中的一名工艺工程师，他发表了另外 一种观点：“我们购置了一种新的机床，但我们围绕该工艺制订的新方法是为 了我们能够在将来其他的项目上复制使用。这种方法就是我们的特点，或是我 们新精密元件加工技术中心的特点。” 图 2 Sikorsky 公司的精密元件加工技术中心实际上是一套柔性生产系统，目前 由一台 VTL 立式转塔、一台 2000mm 的 5 轴加工中心、两台 1200mm 的 5 轴加工 中心和一套自动托盘装卸系统组成 空中飞舞的几何图形 Sikorsky 公司需要对初步的数据迅速地作出反应，因为它是新型飞机的独家开 发商。设计团队不失时机地为几种主转子头概念制作了模型。“我想到的是一 个巨大的油炸面包圈。”DeBlasi 先生说。 DeBlasi 先生与 Tuscano 先生开始进一步探讨该项目的发展前途。然而，他们 却被告知，没有一台合适的机床具有理想的尺寸和能力来承担全系列转子头零 件的生产任务。 尽管缺少几何图形的细节，但 DeBlasi 先生和他的团队知道他们需要一台配有 高扭矩主轴的 5 轴机床，应具有加工复杂几何形状和坚硬材料的能力，应能承 受巨大的重量和保持严格的公差尺寸。“我们对加工能力作了分析，所以我们 知道最初我们需要 3 台机床，然后又添置了两台。”Tuscano 先生说。 在这一点上，很显然对于 DeBlasi 先生、Tuscano 先生和高级项目工程师 Ken Catino 先生来说，他们本质上需要的是一套柔性生产系统（FMS）。 “我们在这里所谈论的不再是一台机床，而是工厂内的一个真正的微型工厂， ”Tuscano 先生说，“我们将报过价的所有机床制造商放在一起，然后将范围 缩小到两类加工设备5 轴加工中心和立式转塔车床”。 Tuscano 先生说，对于 5 轴加工中心而言，Mitsui Seiki（三井精机）公司被 列入到这一短短的名单之中，因为该公司的机床，在加工精度、钛合金的加工 经验、其产品系列的加工能力及其机床制造中的独特工程设计方法等方面都很 有名气。 动力和合作 当 DeBlasi 先生、Tuscano 先生和 Catino 先生与制造商的工作组会面时，他们 知道了更多有关机床的知识，例如，机床必须具有足够的刚性，才能始终如一 地承受强力切削的负荷，从而保持批量生产的加工精度。此外，机床必须配置 合适功率和扭矩的主轴以及驱动丝杠的大型伺服电机。 对于 3 台机床中最大一台机床的规格，随后由制造商提出建议，其中包括 2000mm1750mm1400mm 的 X、Y、Z 工作区，以适应旋转斜盘的加工；一个专 用 A 轴托盘工作台，其可倾斜角度范围为 20-110，递增量为 0.001； 以及一根以 0.001旋转递增的 B 轴；一套特定的 50 号锥度主轴，其转速范围 为 156000r/min，由一台 37kW/30kW 电机驱动。这一主轴的关键额定扭矩为 3332Nm。为了提高刀柄和主轴头之间的连接刚性，该机床还将包括一个 本文由万向联轴器 冷镦机 联合整理发布 BigPlus 双接触主轴接口。Sikorsky 公司指定由制造商提供自动换刀系统，该 系统可储存 360 把刀具，每把刀具重达 30kg，刀具长度在 650mm 范围之内。 当 Mitsui Seiki 公司获悉，加工前的主转子中心体与卡具的总重接近 10000lb 时，制造商对工作台处于-90位置时的一个 0.006in 轴承垂度同样表示关注。 Mitsui Seiki 公司的工程师们设计了特殊的、直径为 1900mm 的托盘工作台， 它可用作卡具的底座，以满足两个主转子中心体粗加工操作的要求。“将卡具 和工作台整合在一起是一个创举，它可使我们能够在那台机床上加工大型转子 件。”Tuscano 先生说。 图 3 图中所示的主转子轴套正夹持在卡具上进行打毛刺操作，为了减轻其重量， 该工件经过重新设计，成为现在的一个单体零件。即使是更复杂的配置，仍然 可以在 5 轴加工中心上加工生产 DeBlasi 先生指出，包括执行 FMS 系统任务的所有各方都愿意互相学习。 Mitsui Seiki 公司和 VTL 立式转塔车床供应商菲尼克斯公司，都成了工程风险 合作体的一个部分。“我们所有的工具设计和计划安排工作都围绕 5 轴加工中 心而开展。我们认为这就是该工艺及其获得成功的核心。”DeBlasi 先生说。 精密元件加工技术中心的诞生 DeBlasi 先生、Tuscano 先生和 Catino 先生将该案例提交给了管理层作资本费 用预算。最终，管理层批准了最初的一笔 2000 万美元投资，其中包括在工厂内 重建一个 20000ft2（1ft2=0.093m2）面积的厂房。他们将这一加工区域称作 “精密元件加工技术中心”。 该中心的主要生产资源有以下各部分组成：一台由菲尼克斯公司提供的 VTL 立 式转塔车床，配有第二套滑枕。它采用了一个 90in 的工作台、一套 BigPlus 50-hp CAT50 型铣削加工主轴和一套五工位托盘池；配置 1900mm 托盘的一台 5 轴加工中心；配置 1200mm 托盘的两台 5 轴加工中心；工件装卸站；两套 Fastems 公司的自动托盘搬运系统，为加工中心提供服务。为中型加工中心配 置的 42 个托盘，以及为大型加工中心配置的 24 个托盘，这是迄今为止的第二 大装置。 设计初步成型 当机床正在生产制造和工厂的老生产区正在改建翻新的时候，该工作团队最终 确定了零件的几何形状；卡具的设计；工艺流程图；加工软件和自动化软件程 序；以及材料的搬运处理程序。新元件的加工工艺一旦确立之后，其他生产制 造方面的问题可以相应地作出微调。工艺工程师们审核了零件的 CATIA 实体模 型，并研究了相应的加工操作，同时完成了零件几何形状相关的设计细节工作。 然而，根据对转子头零件初步设计的分析表明，整个组装件的毛重将会超量， 除非作出必要的改变。该设计团队考虑到了如何减轻重量的方法。他们认识到， 对于一个转子头这样的组装件，最简单的方法之一是：将多个元件组合成一个 单一独立配置的结构件，并去除紧固件。 起初，某些所建议的独立组合件涉及到主转子轴套、阻尼器支架和俯仰角组件， 由于它们太复杂而无法加工，因此被淘汰出局。然而，通过将这些元件组合在 一起，Sikorsky 公司的工程师们就可以去除零件的螺栓连接件，从而可减少大 量的组装硬件并减轻重量。 幸运的是，采用加工中心的 5 轴加工能力，加工新的组合件就不存在任何问题 了。“工艺指南选项是一个如何了解机床能够做什么的很好例子，”DeBlasi 先生说。“主转子中心体则是另一个很好的例子。我们能够去除隐窝中几个加 工步骤，在这种情况下，可使其加工更加简单。” 所以问题就这样解决了。该团队系统地分析了每个零件的可制造性，并根据工 艺知识调整了设计。同样，该团队也根据工艺来设计卡具，以避免其间隙问题， 最大程度地提高卡具的夹紧效果。 随后，卡具设计人员根据演示图版来设计卡具，以适应工艺中的每一步骤。 “他们的指令很简单，但任务非常复杂。我要求他们建造一套能够夹持工件的 卡具，而且要使其表面易于接近，以便于加工。”Tuscano 先生说。 零件在通过 FMS 柔性生产系统的加工过程中，其每项加工操作都需要不同的卡 具，或需要在同一卡具中将零件翻转。除了达到必要的精度，卡具的设计将集 成液压心轴组合在一起，以确保零件的位置处于每个后续操作的中心。在装载 过程中，心轴可提高重复精度，并可提供额外的动力，从而充分利用较少的夹 紧装置，为加工生产创造更大的可接近性。 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. 实际运行中的 FMS 柔性生产系统 主转子中心体的加工过程可作为 FMS 柔性生产系统如何操作运行的一个实例。 对中心体锻件的第一个操作是在 VTL 立式转塔车床上执行的，其中该零件的两 侧采用粗车削加工，而某些平面则采用铣削加工。铣削加工的平面是合格的， 正如中心孔直径那样。这些加工步骤可使零件初步成形。下一步是将零件转移 到大型加工中心上加工，它可铣削加工掉总计 1053lp 的材料，从而在零件上形 成各种隐窝和臂形轮廓。然后工件返回到 VTL 立式转塔车床上，对其内径和臂 部进行最后的车削加工。然后，它返回到加工中心进行精加工作业。 本文由万向联轴器 冷镦机 联合整理发布 在这个阶段将会碰到最关键的公差尺寸问题。按照中心体 NC 数控编程员 Doug Ventimiglia 先生的说法，该车间可将其平行度保持在 0.005in 范围之内，直 径公差达到 0.002in，距离真实位置的误差为 0.005in。“更重要的是我们还注 意到广泛地应用可生产性设计技术，最大限度地减少对精密公差尺寸工件的要 求。我们这样做的主要目的是为了减少对工作人员的压力，而不是对机床的压 力。机床是可以日夜工作的。事实上，我们经常超过了规定的公差，因为这是 生产工艺造成的结果。”Ventimiglia 先生说。 所有的机床都具有复位功能，可通过与托盘传送站紧密连接在一起的专用零件 装卸站，达到这一目的。这意