產(chǎn)品的改進(jìn)已經(jīng)驅(qū)動(dòng)加工系統(tǒng)的發(fā)展數(shù)十年了，它現(xiàn)在仍然在驅(qū)動(dòng)著。新產(chǎn)品的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間已經(jīng)被削減，汽車購(gòu)買者希望傳動(dòng)系統(tǒng)的選擇范圍如此之廣，致使我們建造的生產(chǎn)系統(tǒng)必須年產(chǎn)高達(dá)30萬(wàn)件不同的零件。產(chǎn)品整個(gè)生命周期中的需求波動(dòng)比以入任何時(shí)候都更加尖銳。要求為適合個(gè)性的市場(chǎng)年產(chǎn)為5萬(wàn)件，更進(jìn)一步增加了對(duì)系統(tǒng)制造新商的壓力。

我們?cè)诮窈?0年的主要挑戰(zhàn)是創(chuàng)造非傳統(tǒng)工具的設(shè)計(jì)，涂層刀具，更可靠的主軸，靈巧的工具以及靈巧的夾具。系統(tǒng)必須具有健壯性(魯棒性)、可靠性、柔性和快速性。傳統(tǒng)方法不可能給我們所需要的系統(tǒng)，我們必須打破框框來(lái)考慮。

在我們的片段型工業(yè)中，控制、工裝和加工技術(shù)的進(jìn)步很快，一個(gè)極好的例子是高速加工。用戶常常訴苦說(shuō)，機(jī)床制造商過(guò)去不支持高速。今天、滾珠絲杠技術(shù)和直線電機(jī)技術(shù)已使機(jī)床能以1g的加速度及36000r/min運(yùn)行，而且控制能夠保持步調(diào)。但是，用在高速加工中的刀具和刀夾則因可靠性問(wèn)題而傷腦筋，而且主軸制造商還不能夠?yàn)榇笈�量生產(chǎn)提供牢固的、可靠的、價(jià)格低廉的高速主軸。

主軸


采用陶瓷軸承和滾動(dòng)體的主軸已把速度推到了18000r/min~20000r/min，超過(guò)了油脂潤(rùn)滑技術(shù)的能力。為消散滾動(dòng)軸承在高速時(shí)產(chǎn)生的熱量，必須另外增加一個(gè)軸承冷卻系統(tǒng)，從而產(chǎn)生出另一價(jià)位和復(fù)雜性。

在達(dá)到高主軸速度的同時(shí)就意味著微量保證期是以小時(shí)計(jì)，而不是以年計(jì)了。用戶現(xiàn)在問(wèn)的問(wèn)題不是有多快，而是什么型式的軸承能給出最高的可靠性和質(zhì)量？在主軸本身內(nèi)只有很少運(yùn)動(dòng)件的電磁主軸可能是最好的長(zhǎng)期解決辦法，但在工廠環(huán)境下如何防護(hù)它們還不清楚，而且環(huán)境的磁場(chǎng)危險(xiǎn)也未弄明白。

切削刀具


如果我們的目的是用同一刀具進(jìn)行鉆削、銑削、鏜削和攻絲等多道工序加工，我們就需要有多直徑的刀具，這樣可以不用換刀并消除了附加的走刀。如果我們能用一把刀具完成小直徑、大直徑、倒角和端面的加工，代替以前用4把刀具和每次換刀要1或2秒時(shí)間，那么我們每個(gè)零件加工節(jié)省8秒鐘，外加4把刀具的成本以及一次運(yùn)動(dòng)代替4次運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的機(jī)床磨損的成本，這個(gè)節(jié)約是很大的。

硬度合金刀具和立方氮化硼對(duì)含鐵材料以及金剛石對(duì)鋁的復(fù)合材料的應(yīng)用，曾使刀具性能發(fā)生了革命，而機(jī)床性能則落后了�，F(xiàn)在機(jī)床和控制系統(tǒng)超過(guò)了刀具，用戶埋怨可轉(zhuǎn)位式的硬質(zhì)合金涂層刀片的壽命太低，而且可轉(zhuǎn)位刀片又不適用于加工象致密石墨那樣有前途的復(fù)合材料。

當(dāng)切削鋁件時(shí)，刀具必須很光滑、光整一致，無(wú)凸起或凹坑，我們的刀具工程師還希望看到能足夠光滑地加工鋁件的金剛石涂層刀具。刀具制造商還沒有提供用于高生產(chǎn)率加工的大型圓形金剛石涂層刀具。如果先進(jìn)的涂層，包括金剛石和CBN涂層，可以有于圓形刀具，則高速系統(tǒng)可以采用。

對(duì)涂層圓形刀具，如鉸刀的另一選擇是將金剛石片放在刀具上，這種方法可以改善精度和尺寸，也可以延長(zhǎng)刀具壽命，但是成本較高。我們已在Mach I機(jī)床上使用過(guò)金剛石刀具速度達(dá)20000r/min，效果很好，這里的限制因素是主軸，沒有一根主軸能夠超過(guò)金剛石的速度能力。

刀具制造商的反映是：他們花不起對(duì)開發(fā)新型刀具技術(shù)的科技投資，但是用戶希望減少刀具更換，以提高設(shè)備利用率和刀具制造商希望銷售可置換刀片，他們?cè)诶�益上有沖突也是事實(shí)。我們與我們的合作伙伴正在進(jìn)行的研究類型將給刀具制造商帶來(lái)專門的技巧，當(dāng)設(shè)備制造商和用戶看到這些新工藝的力量并對(duì)他們的供應(yīng)商施加壓力時(shí)，供應(yīng)商將開始迎頭趕上。

在和我們的一個(gè)汽車客戶工作中，我們企圖開發(fā)一種低阻力、高生產(chǎn)率和具有非傳統(tǒng)的刀片幾何形狀和安裝系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)刀具。這種新的刀具用于加工難加工的材料就象加工墨鑄鐵一樣，故至今為止，看起來(lái)就象是新的刀具可提高刀具壽命10倍。Wisconsin-Milwaukee大學(xué)的研究人員和工程師們?cè)趪?guó)家科學(xué)基金3年的資助下正在開發(fā)有于干銑的刀具。初步試驗(yàn)表明：新的鉆削刀具與標(biāo)準(zhǔn)的鉆頭比將減少刀具磨損20%~25%。

干式加工


用適當(dāng)?shù)耐繉拥毒哌M(jìn)行干式加工在大批量的制造系統(tǒng)中將減少機(jī)床的臺(tái)數(shù)或走刀的次數(shù)。例如，我們已經(jīng)安裝了用于干式加工鋁件的專用的立式銑床和提供了多軸臥式加工中心用于進(jìn)行鋁制缸體的指定工序，通過(guò)工件在夾具中鑄出的定位點(diǎn)上定位，高速銑削工序保證缸體當(dāng)它們?cè)诎l(fā)動(dòng)機(jī)廠被加工之前具有相等的余量分布。從銑削工序中取消了冷卻液可以將切屑直接用于鑄造而無(wú)需進(jìn)行冷卻液分離。金剛石涂層消除了刀尖上的熱，從而消除了切削刃上的刀瘤，但是那樣的刀具現(xiàn)在還沒有。

但是，干式加工鐵質(zhì)工件時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題，在工藝采用之前必須加以解決。例如，切屑如何安全地排出？切削熱怎么辦？如何避免切削刃上的切屑瘤。對(duì)準(zhǔn)干式生產(chǎn)加工，我們采用一個(gè)Orsco潤(rùn)滑系統(tǒng)，該系統(tǒng)使少量的專用潤(rùn)滑液原子化，它的一滴被氣流散開后可以潤(rùn)滑整個(gè)切削的刀具，因?yàn)樗�不進(jìn)入大氣，所以冷卻液不用收集，切屑在再生前也不用清潔。

我們的工程師報(bào)告說(shuō)，采用Orsco潤(rùn)滑系統(tǒng)銑削、鉆削、鏜削和鉸削鋁件和鑄鐵件，生產(chǎn)出的零件質(zhì)量幾乎與用正常的冷卻液生產(chǎn)出來(lái)的一樣好。

智能夾具


一個(gè)只能夾持一個(gè)工件的專用夾具，在任何地方都值30000美元至60000美元，一個(gè)有40至100個(gè)夾具的系統(tǒng)，很容易就使一個(gè)加工系統(tǒng)的成本增加數(shù)百萬(wàn)美元，我們需要一個(gè)能夾持很多個(gè)不同工件的夾具(那是真正的柔性?shī)A具)它的剛度足以抵抗今天的重切削作用在工件上的力。

1988年1月，在美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所的先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目(ATP)基金的幫助下，我們開始開發(fā)一個(gè)智能夾具系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括柔性?shī)A緊，工件定位器，一個(gè)微定位器以及軟件。對(duì)系統(tǒng)的研究工作將進(jìn)行到2000年12月，我們的合作者是伊利諾斯大學(xué)、密執(zhí)安大學(xué)、喬治亞大學(xué)，還有Daimler Chrysler、Ford和GM汽車公司。

夾具的柔性取決于清除固定的機(jī)械定位器。在智能夾具系統(tǒng)中，工件定位系統(tǒng)確定工件并感知其位置。系統(tǒng)的核心是夾具的配置站，它包括一個(gè)機(jī)器人的機(jī)械手和一個(gè)夾具的接收器，機(jī)器人傳送交換夾具，交換夾具帶著工件進(jìn)出加工站和夾具配置站。

進(jìn)入站的工件將被夾緊，而壓板被調(diào)整來(lái)夾持現(xiàn)在的工件。當(dāng)夾緊時(shí)，工件的位置不需精確地知道，一旦工件被確定無(wú)疑后，工件的定位系統(tǒng)就精確地定位工件，位于柔性壓板底下的工件微定位器便校正任何的不對(duì)中性，然后夾具才被送到機(jī)床上。

一個(gè)靈捷的夾具系統(tǒng)可以為一個(gè)汽車制造商的每一個(gè)加工系統(tǒng)節(jié)約基本投資達(dá)1800萬(wàn)美元，為每輛車節(jié)約加工費(fèi)30~50美元。這個(gè)項(xiàng)目中的合作者——三大汽車制造廠和Cummins發(fā)動(dòng)機(jī)廠將在他們自己的工廠獲得該新系統(tǒng)的第一個(gè)試用。3~5年后，我們將為國(guó)外市場(chǎng)進(jìn)行改裝。

靈捷系列的鏜削工作站


鏜孔常常是比較難的，特別是鏜凸輪和曲軸孔就更難，因?yàn)樗麄兊拈L(zhǎng)徑比很大，尺寸精度和幾何精度也很高。每個(gè)鏜削工作站都要按在特定的缸體或缸蓋上的特定鏜孔工序的要求來(lái)進(jìn)行工程化設(shè)計(jì)。工件或工藝過(guò)程的任何變動(dòng)都要求額外的再工程化或甚至更換鏜削工作站。

一個(gè)專用的鏜削工作站穿過(guò)托架鏜一個(gè)光滑的孔，該托架將凸輪軸裝在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的頂上，孔的深度達(dá)889mm，在400mm×400mm的工作空間內(nèi)任何位置上，孔的直徑由25.4mm至76.2mm。具有多個(gè)切削刀具的長(zhǎng)工具(鏜桿)同時(shí)加工這些孔，但是調(diào)整很復(fù)雜，需要專門的主軸，鏜桿必須兩端支承，機(jī)床將很重。

切削刀具將從距機(jī)床支承結(jié)構(gòu)很遠(yuǎn)的地方去進(jìn)行其工作。一般一個(gè)25mm的孔要求刀具的行程約762mm。整個(gè)工序中，22.5kg重的刀具必須保持與發(fā)動(dòng)機(jī)完全平行，不管重力和慣性力有多大。一把很長(zhǎng)的鉆頭，當(dāng)其走完一個(gè)很長(zhǎng)的孔時(shí)，將會(huì)抖動(dòng)或偏離前進(jìn)方向。

傳統(tǒng)的解決辦法是沿發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的長(zhǎng)度上采用細(xì)心對(duì)中的支承以保持刀具對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)，當(dāng)然，這些支承要預(yù)先滿足鏜刀桿的快速更換的要求。當(dāng)振動(dòng)問(wèn)題使精度降低至低于可接受的水平時(shí)，用替換整體硬質(zhì)合金提高柔性或用合金鋼的復(fù)合鏜桿以提高剛性，或采用不同的拉緊系統(tǒng)的努力都告失敗。

柔性系列的鏜削工作站可以精密加工至少6種不同的發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，代替至少6臺(tái)專用鏜床。它可以削減每輛車的生產(chǎn)成本約50~85美元，每年為美國(guó)汽車制造商節(jié)省7億至12億美元。

為將靈捷性引入鏜削加工中，防止引起誤差的振動(dòng)和變形的支承套必須取消。我們需要有一種具有能快速消除鏜桿振動(dòng)影響的被償機(jī)構(gòu)和保持孔具有足夠尺寸精度和幾何特性的刀具。智能工具及其控制被視為是一種好的替代。

我們?cè)?995年便與密執(zhí)安大學(xué)工程學(xué)院的一個(gè)研究小組一起開始研究此項(xiàng)目，并從國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)研究所的先進(jìn)技術(shù)項(xiàng)目那里得到200萬(wàn)美元的資助，加上我們自己的70萬(wàn)美元基金。福特汽車公司、通用汽車公司和Chrysler汽車公司都參與了這個(gè)計(jì)劃。

垂直度、波浪型(pitch)、搖滾型(Roll)、蛇行(Yaw)誤差要最小化和位移精度是最優(yōu)先要考慮的。我們的研究小組曾用一系列的機(jī)床零件有限元模型，特別是整臺(tái)機(jī)床結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行分析，以便優(yōu)化其固有頻率和響應(yīng)頻率，分析了熱傳導(dǎo)，耐用度和疲勞強(qiáng)度，以保證機(jī)床的穩(wěn)定性和可靠性。

一臺(tái)“靈巧”機(jī)床要求有一個(gè)靈巧的控制。我們的合作伙伴Granfield Precision公司在它的開放式結(jié)構(gòu)的控制器cu6400上增添了一個(gè)專門的幾何補(bǔ)償功能，它可以改變孔的直徑從25mm至75mm，并能在250mm×250mm的工作區(qū)內(nèi)改變孔的位置�，F(xiàn)在具有不同孔徑和孔位的零件加工就用不著更改工裝或重新制造工裝了。

現(xiàn)在我們需要有一臺(tái)和CNC加工中心一樣靈活的但又要精密和剛性好的機(jī)床，不過(guò)任務(wù)才完成了一半在鏜削、工裝設(shè)計(jì)中的挑戰(zhàn)和機(jī)床設(shè)計(jì)一樣大。機(jī)床進(jìn)行幾何補(bǔ)償?shù)哪芰κ顾�變得“靈巧”，所以我們決定把刀具也做得靈巧。

靈巧的刀具


在高速切削金屬時(shí)，主動(dòng)控制要求有刀具傳感器和控制器，以便不斷地監(jiān)測(cè)和提供反饋。在傳統(tǒng)的機(jī)床上，控制器板和刀具之間即使是3m~6m的距離也要引起不可接受的信號(hào)滯后。為此Lamb公司的工程師制造了一個(gè)含計(jì)算機(jī)的刀具，一個(gè)激光導(dǎo)引的系統(tǒng)和壓電傳感器放在刀具體內(nèi)的刀具可以在5000r/min下旋轉(zhuǎn)。切削刀具的調(diào)整是在主軸內(nèi)計(jì)算好并發(fā)出信號(hào)，從而比傳統(tǒng)的控制器能產(chǎn)生出更快和更精確的切削刀具的響應(yīng)。

由于靈巧刀具必需包含有操作器和傳感器以便實(shí)時(shí)控制鏜桿，所以它是空心的。在刀具外徑上的應(yīng)變計(jì)提供更多的負(fù)載和位移的數(shù)據(jù)。刀具的里面是超精密的激光系統(tǒng)用于測(cè)量振動(dòng)位移和操作器的位移，后者是較正切削刀片位置的。

刀具上有兩個(gè)刀片，一個(gè)用于孔的精加工，一個(gè)用于粗加工。精加工刀片安在空心刀具里面的一個(gè)撓性物件上，并與具有高頻響應(yīng)的壓電操作器相連接。刀具控制器輸出進(jìn)給量到壓電操作器中，壓電操作器將進(jìn)給量轉(zhuǎn)移成線性脈沖并通過(guò)杠桿傳給撓性物件，杠桿推動(dòng)精加工刀片作徑向移動(dòng)剛好抵消掉鏜桿、工件或機(jī)床的振動(dòng)影響。

我們把靈捷系列的鏜削系統(tǒng)稱為BOA，即具有最佳精度的鏜削，三大汽車制造廠將第一個(gè)獲得使用，這就使他們比外國(guó)汽車制造商占有優(yōu)勢(shì)，2000年9月在美國(guó)芝加哥國(guó)際制造技術(shù)展覽會(huì)(IMTS)的Lamb展臺(tái)上將展出該系統(tǒng)。

下一步干什么


2000年代將是系統(tǒng)供應(yīng)商、刀具供應(yīng)商和用戶合作的時(shí)代。先進(jìn)的產(chǎn)品開發(fā)集團(tuán)必須與顧客一起工作以便確定和描述下一代的材料和加工。

我們必須鼓勵(lì)刀具供應(yīng)商開發(fā)低價(jià)位、高質(zhì)量的涂層刀具。為了跳上一個(gè)臺(tái)階，提高可靠性和降低壽命周期成本的主軸和刀具技術(shù)必須發(fā)展。環(huán)境的趨勢(shì)必須嚴(yán)格監(jiān)視，干式加工的應(yīng)用將增長(zhǎng)，因?yàn)殇X的應(yīng)用變得較普及。先進(jìn)的刀具材料可能被用于干加工含鐵工作，而且干加工可能成為某些復(fù)合材料加工的選擇。有一點(diǎn)是肯定的：當(dāng)傳統(tǒng)技術(shù)的固定目標(biāo)遇到用戶要求的不可抗拒的力量時(shí)，傳統(tǒng)的知識(shí)將給人們一種打破框框的思維。