高速加工是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(jìn)給在機(jī)床上的簡(jiǎn)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(jī)地結(jié)合起來(lái)。同時(shí)，也要改變工廠的運(yùn)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(jià)值。任何計(jì)劃實(shí)施HSM的工廠都應(yīng)仔細(xì)考慮，重視生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)外可以加快生產(chǎn)周期的一切技術(shù)。實(shí)施HSM沒(méi)有唯一正確的途徑，每種情況應(yīng)當(dāng)如何應(yīng)用HSM也沒(méi)有嚴(yán)格不變或立竿見(jiàn)影的準(zhǔn)則。

我們可以看到，HSM終究不是理論或只有實(shí)驗(yàn)室才能驗(yàn)證的概念，而是切實(shí)可行的技術(shù)。本文分析潛心從事HSM的兩家工廠的應(yīng)用實(shí)例，希望能對(duì)讀者有所啟發(fā)。

以高速切削謀生存


如果HSM 只是達(dá)到某個(gè)目的的手段，采用HSM能夠謀生存嗎？Mike Haverkamp 和 Brian TerBeek的回答是“能”。他們正在這樣作，這兩個(gè)伙伴從機(jī)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 Rapids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(jì)技術(shù)和3D設(shè)計(jì)服務(wù)。

Haverkamp 和 TerBeek 在1991年成立自己的公司，以承包NC程序設(shè)計(jì)開(kāi)始營(yíng)業(yè)，這種工作很紅火，但是到了九十年代中，由于功能強(qiáng)大、基于PC機(jī)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(huì)有程序設(shè)計(jì)“細(xì)脖子”的問(wèn)題，在加工方面也可能產(chǎn)生瓶頸。

Haverkamp 和 TerBeek 看準(zhǔn)了這個(gè)機(jī)會(huì)，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(huì)使人們趨之若騖，他們認(rèn)為，HSM 會(huì)給模具加工業(yè)務(wù)提供有吸引力的速度和價(jià)格。

同時(shí)他們對(duì)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 Services 公司致力于高速切削業(yè)務(wù)。

圖1： Cad Can Services 公司專門(mén)從事大型模具和沖壓模的制作，Rambaudi Ramspeed 高速銑床采用1英寸圓頭銑刀精銑大型壓鑄模，細(xì)密的軌跡間隔生成粗糙亞只有0.0005英寸的表面。


HSM 專用設(shè)施


Haverkamp 和 TerBeek最初計(jì)劃購(gòu)買(mǎi)一臺(tái)粗加工和半精加工大機(jī)床和一臺(tái)調(diào)整精加工機(jī)床，但是在同伊利諾斯州Rockford機(jī)床進(jìn)口商的共同努力下，買(mǎi)了一臺(tái)Rambaudi Ramspeed供精加工用，還有一臺(tái)改型的Droop & Rein立式銑床用于粗加工。

這對(duì)合作伙伴不僅投資購(gòu)買(mǎi)合適的機(jī)床，而且投資興建新廠。機(jī)床的地基設(shè)計(jì)考慮了承載力和隔震性，因?yàn)檎饎?dòng)可降低精加工精度。原來(lái)的兩臺(tái)機(jī)床面對(duì)面而置，以便于在兩臺(tái)機(jī)床之間轉(zhuǎn)送工件，而且一名操作工可以照料兩臺(tái)機(jī)床。

該廠房占地10000平方英尺，內(nèi)部高度足以安裝一個(gè)吊鉤距地面20英尺的50噸天車。地下敷設(shè)了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)電纜管道，電纜接到廠房里的每一臺(tái)機(jī)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(guò)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(tái)15馬力的立式加工中心、一臺(tái)升降式工具銑床、一臺(tái) EDM 和一對(duì)磨床，單憑這些機(jī)床就使Cad Cam Services構(gòu)成一個(gè)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(mén)加工中心，其X、Y和Z軸行程達(dá)到106×86×40英寸，主軸電機(jī)功率18馬力，最高速度25000 rpm ，快進(jìn)速度600 ipm，專門(mén)適用于高速精加工。

走廊對(duì)面是床頭箱裝在固定床身上的Droop & Rein三軸立銑，。和Ramspeed機(jī)床相比，這臺(tái)50馬力機(jī)床的工作臺(tái)稍長(zhǎng)而窄，主軸速度2000 rpm。這臺(tái)機(jī)床經(jīng)常采用4或 5英寸鑲?cè)卸嗣驺姷哆M(jìn)行粗加工操作，對(duì)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(tái)大型機(jī)床LEM93-M5來(lái)自意大利制造商FPT，與其它粗加工機(jī)床相比，F(xiàn)PT的固定工作臺(tái)適合于較重的工件。這臺(tái)FPT機(jī)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(jìn)給速度和一半的切削深度進(jìn)行操作。

圖2：這臺(tái)改型的Droop & Rein 機(jī)床也許不漂亮，但好使，它用于粗加工和半精加工是高速精成功關(guān)鍵之一。插圖表示這臺(tái)在精銑一個(gè)模腔。


大吃刀量的天地


盡管這些機(jī)床在主軸速度和進(jìn)給速度上和Ramspeed 不屬于同一個(gè)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(shuō)，“高速切削成功的一個(gè)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。”

粗加工和半精加工不僅重要而且加工量大，例如，壓鑄模一開(kāi)始可能是兩個(gè)冰箱之大、重量75000 磅的4140鋼毛坯，而到精加工時(shí)，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(guò)多的材料，所以幾何精度非常關(guān)鍵。

FPT所進(jìn)行的一個(gè)典型粗加工例子是：先采用5英寸TiAIN鍍膜鑲?cè)卸嗣驺姷叮�主軸速度450～500 rpm，進(jìn)給率150～175 ipm，切削深度0.050英寸，加工時(shí)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(kāi)始半精加工，通常采用2英寸球頭銑刀在轉(zhuǎn)速2000 rpm和進(jìn)給速度125～150 ipm下半精加工。對(duì)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(shí)，可以采用相似的轉(zhuǎn)速和進(jìn)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(lái)連接倒角。三臺(tái)大機(jī)床均配有Fidia 控制器，使操作員的培訓(xùn)變得簡(jiǎn)單易行。

并非越快越好


提到高速精加工，Haverkamp信守“不一定越快越好”的準(zhǔn)則，這個(gè)準(zhǔn)則或許令人吃驚。他說(shuō)：“我們很少用12000 rpm以上的主軸速度，”盡管Rambaudi機(jī)床的主軸速度可達(dá)25000 rpm，“有幾個(gè)經(jīng)濟(jì)因素必須考慮，而且它們隨加工任務(wù)而變化�！彼�解釋，“例如，我們?cè)谳^低的速度下可以獲得最長(zhǎng)的刀頭壽命，并且可以采用隨時(shí)可得、價(jià)格非常便宜的普通刀體和刀桿。”

一般說(shuō)來(lái)，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(jìn)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(jìn)給速度400ipm，本來(lái)可以用比較高的主軸速度，但是保持最合適的切削力更為重要。

“保守型” HSM 不僅僅為了節(jié)約刀具，還因?yàn)橹鬏S在高轉(zhuǎn)速下磨損比較大。這臺(tái)機(jī)床在正常保養(yǎng)條件下連續(xù)使用了三年多，依然沒(méi)有更換過(guò)主軸和軸承。

“無(wú)人照看或全自動(dòng)加工”對(duì)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(gè)操作員值班，操作員不必眼巴巴地盯著機(jī)床的每一個(gè)動(dòng)作。一般可由２個(gè)操作員合作管理三臺(tái)機(jī)床。另外機(jī)床在較低的速度范圍內(nèi)毫不費(fèi)力地保持目標(biāo)精度：型面精度±0.001英寸，細(xì)部精度±0.0005英寸。不過(guò)機(jī)床的加、減速度是非常高的，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。

圖3：FPT活動(dòng)床身銑床在粗銑一個(gè)浴盤(pán)模具的側(cè)面�？焖偾谐�金屬是號(hào)關(guān)鍵，盡管這臺(tái)機(jī)床可以進(jìn)行精加工。


程序設(shè)計(jì)適應(yīng)生產(chǎn)車間的需要


Cad Cam Services公司具有很強(qiáng)的刀具和刀具路徑設(shè)計(jì)能力，這不足為奇，它把刀具作為一個(gè)獨(dú)立的CAD/CAM車間，并且公司有5名能夠設(shè)計(jì)模具并編制加工程序的專職CAD/CAM工程師。由于設(shè)計(jì)能力與編程能力的結(jié)合，生產(chǎn)出可加工性很高的模具—這在當(dāng)今快節(jié)奏環(huán)境下是一個(gè)優(yōu)勢(shì)。

TerBeek 強(qiáng)調(diào)，有稱職的編程人員支持HSM 非常重要，他說(shuō)：“程序員必須了解生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的情況并且傾聽(tīng)機(jī)加工人的意見(jiàn)�！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(ài)WorkNC系統(tǒng)，因?yàn)樵撓到y(tǒng)能夠快速處理刀具命令，據(jù)他說(shuō)程序設(shè)計(jì)在很大程度上是自動(dòng)的。而且，程序設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系甚重，Thelen 先生解釋，有經(jīng)驗(yàn)的程序員能夠分析刀具路徑的仿真，并能迅速識(shí)別哪部分程序有可能在機(jī)床上出問(wèn)題。

在許多情況下，為了加工工件幾何形狀的一個(gè)部位，程序員可以查看和采用幾種方法，結(jié)果生成幾個(gè)單獨(dú)的刀具路徑文件，供機(jī)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(duì)不會(huì)拖延時(shí)間等待這部分工作重新編程。

程序員還知道何時(shí)采用HSM專用的刀具路徑例行程序，比如，“徑向進(jìn)刀”和“徑向退刀”程序所生成的路徑以圓弧開(kāi)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(guò)渡。

TerBeek先生強(qiáng)調(diào)，程序員和加工車間應(yīng)保持適時(shí)的通訊，這對(duì)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(xiě)了一個(gè)建立資料頁(yè)面的軟件，用來(lái)匯集每一個(gè)刀具路徑文件。頁(yè)面上標(biāo)識(shí)程序名，說(shuō)明程序所遵循的切削策略，給出安裝切削刀具的細(xì)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(gè)頁(yè)面還包括相關(guān)的視圖，使操作員能夠直觀地想象整個(gè)操作過(guò)程�！皩�(duì)于加工所要執(zhí)行的刀具路徑，我們的機(jī)床操作員說(shuō)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(chǎng)以裝有工業(yè)型機(jī)殼的 Windows-NT PC機(jī)作為公司網(wǎng)絡(luò)的終端，也是CNC機(jī)床的本機(jī)文件服務(wù)器。這些PC機(jī)采用Internet標(biāo)準(zhǔn)通訊協(xié)議TCP/IP進(jìn)行高速數(shù)據(jù)通訊。

五軸機(jī)床新觀點(diǎn)


Cad Cam Services 用的Rambaudi機(jī)床可以進(jìn)行5軸同時(shí)動(dòng)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(gè)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(tái)機(jī)床完成三軸機(jī)床不可能完成的操作，比如沿著落鍛模內(nèi)側(cè)的周線銑倒角。

該公司發(fā)現(xiàn)，利用分度頭的傾斜和回轉(zhuǎn)并與機(jī)床Fidia 控制器的一個(gè)特殊軟件功能相結(jié)合，就會(huì)格外地實(shí)用、快捷。這個(gè)軟件功能稱作“旋轉(zhuǎn)刀具中點(diǎn)(RTCP)”，它使基于球頭銑刀中心所計(jì)算的刀具路徑和相應(yīng)軸的旋轉(zhuǎn)完全對(duì)應(yīng)。這個(gè)功能無(wú)須為了更改刀具長(zhǎng)度而重新定位程序，也不必為每個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)而反復(fù)建立原始位置。