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在切削之外考虑

时间: 2011-07-02 09:01 来源: 作者: Peter Zelinski点击:
曾经堆满了工作任务的制造厂家们如今却开始努力,并且这种努力随着大量制造业作业转向国外比较廉价的资源而变得愈发困难。

这种对美国制造商们的总体论断对与硅谷相关的半导体行业甚至更加突出。位于加利福尼亚州Fremont的FM Industries-NGK的一家子公司-正是从事这种行业。

David Miller是FM Industries的总裁。他说,他发现那些国外制造商们一直在填补技术方面的缺口。他说:“唯一的防御措施是提高效率和生产力。”对他的公司而言,这一点意味着不仅是加速,同时还要集成。

该公司主要为半导体生产中所用的处理腔体制造水蒸汽小管。组装是在Fremont工厂中心的一间净化间完成的。

为了对其产品需求下降这种情况作出响应,公司探索了增加客户业务份额的途径。公司自问:如果FM Industries不仅生产内部组件,同时生产成套腔体模块会是什么样的情景?

这种变化将简化客户供应链。还将扩充FM Industries作为重要技术技能资源的作用。而公司意识到这方面的主要挑战,不仅存在于洁净间,同时存在于CNC机加工车间。


该工厂认为接触式测头是刀库中最重要的工具。采用测头进行测量,
可以少用限制性的工夹,从而可以进行金属去除率较高的铣削而不至于使零件变形

本体零件

工厂必须着手加工这些成套腔体的本体。

这些零件,由实心铝材弯曲而成,不仅制作精巧,同时还规格较大。典型的腔体本体尺寸为30英寸见方,14英寸厚。它具有大量复杂的细节,从一个腔体到另一个腔体存在很大差别。为了成为一个外协式腔体制造商,FM Industries要求自己的工厂不仅要在经济实惠的情况下加工这些具有挑战意味的零件,同时还要将生产时间控制在很短的范围内-这是半导体供应链中一种典型的现象。

第一步是获得正确的设备。该公司内部没有足够大的机床可以加工这些零件。它购买了一个马扎克(Mazak)Palletech单元,包括10个托盘和两台CAT-50#锥度、50马力、主轴转速为15,000 rpm的。

第二步比较困难。工厂必须开发一种可以高效使用该设备的工艺。

在第一个加工腔体本体的机会到来时,该工厂从其功率较低的机床上借用了高速加工技术。工程主任Mark Filice说,结果没有发挥新设备的潜力。尽管满足了客户的最后交货日期连同其它要求,但Filice先生和其他人都明白如果公司要成功成为腔体供应商,则必须将腔体本体加工的时间减少到这次加工时间的几分之一。

该工厂意识到,50#锥度机床可以调用它自己的所有高速加工工艺。这种发现使得公司大大更改了工艺以获得更加高效的生产。公司最近借调的Kurt Sanfilippo先生在切割加工时间降低到一半之后也投入了这种努力过程。现任马扎克中心经理的Sanfilippo先生正用他自己在50#锥度方面所拥有的一些经验来进一步促进工艺改善,从而将剩余的加工时间再降低2/3。

他指出,该工艺工程很多都是在切削以外发生的。

他说,在切削内,优化加工很可能发生在最高主轴转速以下。这是高功率和低功率机床之间最大的一个差异。

转速与金属去除率的对比

比切削速度更重要的是金属去除率。这也正是Sanfilippo先生关注的方面。

他说,在40#锥度机床上,生产率最高的切削很可能发生在最高转速上。但是在50#锥度机床上,特别是在功率为50马力的机床上,最高金属去除率可能发生在功率曲线上功率保持较高的某个点上。尽管该工厂一般确实采用最高转速用1英寸进行精加工,但在粗加工或采用较大刀具时,该工厂更有可能采用10,000 r/min的速度。低速使得该车间可以更多地利用主轴功率。通过对刀具和高速切削过程中的刀具路径进行战略性的选择,该工厂可以实现较高的进给速度,对每单元主轴功率,实现6立方英寸/分钟的金属去除率。

但是用如此之快的速度去除如此多的材料存在工件表面质量差的风险。随着材料的内部应力释放,存在变形的危险。因此,在高功率切削过程中,该工厂没有将太多的加工集中在一个部位,而是小心让刀具频繁离开工件,让它在零件上距离远的特征之间跳动。通常刀具在两个对立面之间前后移动。

为了让刀具以这种方式从一个地方移到另一个地方,要对软件自动产生的刀具路径进行严格的控制。它还对工件所保持的方式具有影响。

工夹

至今为止,腔体本体是用墓碑式夹持到位的。也就是说,它们的夹持方式与卧式加工中心上大多数零件的夹持方式一样。

但是墓碑式夹具限制了刀具的接近,因此限制了工厂获得更高金属去除率的能力。墓碑式夹具使得刀具无法达到零件的“后妫词雇信炭梢栽贐轴分度也是如此。刀具在单次循环中唯一可以接触的两个对立面是两个“侧”面,在实践中墓碑式夹具甚至还会妨碍这两个面。因此,墓碑式夹具使得车间无法实现刀具在零件周围区域之间频繁移动这样一种铣削策略。

因此该工厂现在转而采用这样一种过程,其中零件在底部固定,让零件四个面可以自由接近。完成该功能的工夹采用公司自己开发的一种特殊设计。工夹不仅允许进行高金属去除率加工,同时还减少了装夹次数。以前需要10道工序的加工现在只需要5道。所采用的托盘数也减少,从每个零件8个降低到了4个。

但是夹紧零件并非墓碑式夹具所完成的所有工作。它还将零件精确定位在三维空间内。例如,顶着墓碑式夹具的方形面夹紧零件可以确保零件定位准确。而对于诸如腔体本体这样的弯曲件,在将被加工掉的原材料区域内钻的夹紧孔等会使原材料尺寸方面的差异不那么重要。该车间通过什么方式保证对大零件仅通过其底边而实现同样精确的定位?

Sanfilippo先生说这个问题的答案来自测量。腔体本体的加工循环包括大量测量过程。他说:“测头是我们最重要的工具。”

测量

采用测头通过消除错误节省了时间。安装在机床主轴上的雷尼绍(Renishaw)接触式测头可以验证装入了正确的托盘,托盘上装的是正确的工件,工件已经正确定位。甚至进行频繁移动来证实测头本身在进行正确测量。

测量还减少了装夹时间,因为操作员无须对零件的定位保证如此精准。无须操作员时刻移动和调节零件以配合加工程序的某些固定坐标系,CNC可以移动该坐标系而配合由测头测出的工件位置。如果零件与托盘旋转轴相比定位偏心,则CNC可以用同样的量将其坐标系移动偏心,甚至补偿在托盘转动时产生的三角函数偏置。事实上,如果工件本身没有正确地找正,则CNC可以在B轴中添加一个角度偏置,以补偿这种差异。

该工厂通过测量可以避免的一步是原材料的预加工。通过测量,CNC可以测量现有余量为多少,并依据相应要求而规定切深或加工的道数。

许多工厂要看到所有这些测量都会遇到困难。机床比较昂贵;它的时间很昂贵,因此一般认为该机床应该是用于加工的。相对较慢而安静的测量过程看起来是一种非生产过程。

但是通过降低装夹时间,这些测量过程对生产而言确实是需要的。借助测量,以前包括装夹时间在内需要2.5小时的一个工序降低到了1.5小时。此外,还可以降低加工误差,这样就可以创造更多的节省。

测量还对FM Industries公司所具备的高金属去除率切削多样性产生直接作用。在机床完成特别快的重负荷切削后,工件是否移位?通过测量可以检查出来。这样可以更加接近其工夹夹紧力运行,而不必将过程限制在过轻而过于谨慎的切削参数上。

其它方面

本讨论中没有谈及所用的刀具、刀夹、转速和进给速度、刀具路径策略等,即各大车间在试图提高高速加工生产率方面一般要应付的工艺成分。FM Industries采用客户切削刀具和客户刀夹,因此太详细地讨论这些过程细节将会泄露一些专有秘密。但是同时,进行这样一种讨论将忽略与其它高速加工应用相比,FM Industries过程中最重要的方式。将工艺设计为在切削中实现高效是大多数实践者探讨高速加工的方式。而围绕切削进行高效加工则提供了进一步改善工艺的机会,而这些机会通常是在没有进行仔细研究的情况下就被放过了。


180把刀具

FM Industries的马扎克单元中的两台加工中心每台都带有180把刀具。这个数字听起来似乎很多。工程主任Mark Filice说:“对它的装刀速度之快,您会感到惊讶。”

对于早先在该单元上加工的零件,该工厂通常采用专用刀具,可以在零件的某些特征上节省循环时间。不同的零件号在这些刀具中调用不同的选择。公司不大欣赏的是存放和跟踪所有这些刀具所花费的成本太高,更不用说将它们从刀库中移进移出了。

现在重点是标准化。该公司想给两台机床配备同样标准化的180把刀具阵列-一种从来不需要改变的阵列。这种标准的刀具阵列已经在一台机床上到位,并且将很快转移到另一台机床上。

限制该公司编程员密切而无限选择刀具意味着某些特征无法尽可能高效地加工。以前只需要一把刀具的场合现在可能需要4把刀具。但是这种差异只会导致加工中心上额外时间很细微的增加。相比而言,管理数量更大且不断增长的刀具库存将意味着增加劳动力小时成本、人员精力分散以及错误机会-其代价比这种额外时间的成本要大得多。

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