發展21世紀的柔性加工系統

產品的改進已經驅動加工系統的發展數十年了，它現在仍然在驅動著。新產品的生產準備時間已經被削減，汽車購買者希望傳動系統的選擇范圍如此之廣，致使我們建造的生產系統必須年產高達30萬件不同的零件。產品整個生命周期中的需求波動比以入任何時候都更加尖銳。要求為適合個性的市場年產為5萬件，更進一步增加了對系統制造新商的壓力。

我們在今后10年的主要挑戰是創造非傳統工具的設計，涂層刀具，更可靠的主軸，靈巧的工具以及靈巧的夾具。系統必須具有健壯性(魯棒性)、可靠性、柔性和快速性。傳統方法不可能給我們所需要的系統，我們必須打破框框來考慮。

在我們的片段型工業中，控制、工裝和加工技術的進步很快，一個極好的例子是高速加工。用戶常常訴苦說，機床制造商過去不支持高速。今天、滾珠絲杠技術和直線電機技術已使機床能以1g的加速度及36000r/min運行，而且控制能夠保持步調。但是，用在高速加工中的刀具和刀夾則因可靠性問題而傷腦筋，而且主軸制造商還不能夠為大批量生產提供牢固的、可靠的、價格低廉的高速主軸。

主軸


采用陶瓷軸承和滾動體的主軸已把速度推到了18000r/min~20000r/min，超過了油脂潤滑技術的能力。為消散滾動軸承在高速時產生的熱量，必須另外增加一個軸承冷卻系統，從而產生出另一價位和復雜性。

在達到高主軸速度的同時就意味著微量保證期是以小時計，而不是以年計了。用戶現在問的問題不是有多快，而是什么型式的軸承能給出最高的可靠性和質量？在主軸本身內只有很少運動件的電磁主軸可能是最好的長期解決辦法，但在工廠環境下如何防護它們還不清楚，而且環境的磁場危險也未弄明白。

切削刀具


如果我們的目的是用同一刀具進行鉆削、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秒時間，那么我們每個零件加工節省8秒鐘，外加4把刀具的成本以及一次運動代替4次運動所產生的機床磨損的成本，這個節約是很大的。

硬度合金刀具和立方氮化硼對含鐵材料以及金剛石對鋁的復合材料的應用，曾使刀具性能發生了革命，而機床性能則落后了�，F在機床和控制系統超過了刀具，用戶埋怨可轉位式的硬質合金涂層刀片的壽命太低，而且可轉位刀片又不適用于加工象致密石墨那樣有前途的復合材料。

當切削鋁件時，刀具必須很光滑、光整一致，無凸起或凹坑，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率加工的大型圓形金剛石涂層刀具。如果先進的涂層，包括金剛石和CBN涂層，可以有于圓形刀具，則高速系統可以采用。

對涂層圓形刀具，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，也可以延長刀具壽命，但是成本較高。我們已在Mach I機床上使用過金剛石刀具速度達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金剛石的速度能力。

刀具制造商的反映是：他們花不起對開發新型刀具技術的科技投資，但是用戶希望減少刀具更換，以提高設備利用率和刀具制造商希望銷售可置換刀片，他們在利益上有沖突也是事實。我們與我們的合作伙伴正在進行的研究類型將給刀具制造商帶來專門的技巧，當設備制造商和用戶看到這些新工藝的力量并對他們的供應商施加壓力時，供應商將開始迎頭趕上。

在和我們的一個汽車客戶工作中，我們企圖開發一種低阻力、高生產率和具有非傳統的刀片幾何形狀和安裝系統的旋轉刀具。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，看起來就象是新的刀具可提高刀具壽命10倍。Wisconsin-Milwaukee大學的研究人員和工程師們在國家科學基金3年的資助下正在開發有于干銑的刀具。初步試驗表明：新的鉆削刀具與標準的鉆頭比將減少刀具磨損20%~25%。

干式加工


用適當的涂層刀具進行干式加工在大批量的制造系統中將減少機床的臺數或走刀的次數。例如，我們已經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行鋁制缸體的指定工序，通過工件在夾具中鑄出的定位點上定位，高速銑削工序保證缸體當它們在發動機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需進行冷卻液分離。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，但是那樣的刀具現在還沒有。

但是，干式加工鐵質工件時出現的問題，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。對準干式生產加工，我們采用一個Orsco潤滑系統，該系統使少量的專用潤滑液原子化，它的一滴被氣流散開后可以潤滑整個切削的刀具，因為它不進入大氣，所以冷卻液不用收集，切屑在再生前也不用清潔。

我們的工程師報告說，采用Orsco潤滑系統銑削、鉆削、鏜削和鉸削鋁件和鑄鐵件，生產出的零件質量幾乎與用正常的冷卻液生產出來的一樣好。

智能夾具


一個只能夾持一個工件的專用夾具，在任何地方都值30000美元至60000美元，一個有40至100個夾具的系統，很容易就使一個加工系統的成本增加數百萬美元，我們需要一個能夾持很多個不同工件的夾具(那是真正的柔性夾具)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，在美國國家標準與技術研究所的先進技術項目(ATP)基金的幫助下，我們開始開發一個智能夾具系統，該系統包括柔性夾緊，工件定位器，一個微定位器以及軟件。對系統的研究工作將進行到2000年12月，我們的合作者是伊利諾斯大學、密執安大學、喬治亞大學，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械定位器。在智能夾具系統中，工件定位系統確定工件并感知其位置。系統的核心是夾具的配置站，它包括一個機器人的機械手和一個夾具的接收器，機器人傳送交換夾具，交換夾具帶著工件進出加工站和夾具配置站。

進入站的工件將被夾緊，而壓板被調整來夾持現在的工件。當夾緊時，工件的位置不需精確地知道，一旦工件被確定無疑后，工件的定位系統就精確地定位工件，位于柔性壓板底下的工件微定位器便校正任何的不對中性，然后夾具才被送到機床上。

一個靈捷的夾具系統可以為一個汽車制造商的每一個加工系統節約基本投資達1800萬美元，為每輛車節約加工費30~50美元。這個項目中的合作者——三大汽車制造廠和Cummins發動機廠將在他們自己的工廠獲得該新系統的第一個試用。3~5年后，我們將為國外市場進行改裝。

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，因為他們的長徑比很大，尺寸精度和幾何精度也很高。每個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進行工程化設計。工件或工藝過程的任何變動都要求額外的再工程化或甚至更換鏜削工作站。

一個專用的鏜削工作站穿過托架鏜一個光滑的孔，該托架將凸輪軸裝在汽車發動機的頂上，孔的深度達889mm，在400mm×400mm的工作空間內任何位置上，孔的直徑由25.4mm至76.2mm。具有多個切削刀具的長工具(鏜桿)同時加工這些孔，但是調整很復雜，需要專門的主軸，鏜桿必須兩端支承，機床將很重。

切削刀具將從距機床支承結構很遠的地方去進行其工作。一般一個25mm的孔要求刀具的行程約762mm。整個工序中，22.5kg重的刀具必須保持與發動機完全平行，不管重力和慣性力有多大。一把很長的鉆頭，當其走完一個很長的孔時，將會抖動或偏離前進方向。

傳統的解決辦法是沿發動機缸體的長度上采用細心對中的支承以保持刀具對準目標，當然，這些支承要預先滿足鏜刀桿的快速更換的要求。當振動問題使精度降低至低于可接受的水平時，用替換整體硬質合金提高柔性或用合金鋼的復合鏜桿以提高剛性，或采用不同的拉緊系統的努力都告失敗。

柔性系列的鏜削工作站可以精密加工至少6種不同的發動機型號，代替至少6臺專用鏜床。它可以削減每輛車的生產成本約50~85美元，每年為美國汽車制造商節省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影響的被償機構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。

我們在1995年便與密執安大學工程學院的一個研究小組一起開始研究此項目，并從國家標準和技術研究所的先進技術項目那里得到200萬美元的資助，加上我們自己的70萬美元基金。福特汽車公司、通用汽車公司和Chrysler汽車公司都參與了這個計劃。

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先要考慮的。我們的研究小組曾用一系列的機床零件有限元模型，特別是整臺機床結構的有限元模型進行分析，以便優化其固有頻率和響應頻率，分析了熱傳導，耐用度和疲勞強度，以保證機床的穩定性和可靠性。

一臺“靈巧”機床要求有一個靈巧的控制。我們的合作伙伴Granfield Precision公司在它的開放式結構的控制器cu6400上增添了一個專門的幾何補償功能，它可以改變孔的直徑從25mm至75mm，并能在250mm×250mm的工作區內改變孔的位置�，F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。

現在我們需要有一臺和CNC加工中心一樣靈活的但又要精密和剛性好的機床，不過任務才完成了一半在鏜削、工裝設計中的挑戰和機床設計一樣大。機床進行幾何補償的能力使它變得“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，主動控制要求有刀具傳感器和控制器，以便不斷地監測和提供反饋。在傳統的機床上，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滯后。為此Lamb公司的工程師制造了一個含計算機的刀具，一個激光導引的系統和壓電傳感器放在刀具體內的刀具可以在5000r/min下旋轉。切削刀具的調整是在主軸內計算好并發出信號，從而比傳統的控制器能產生出更快和更精確的切削刀具的響應。

由于靈巧刀具必需包含有操作器和傳感器以便實時控制鏜桿，所以它是空心的。在刀具外徑上的應變計提供更多的負載和位移的數據。刀具的里面是超精密的激光系統用于測量振動位移和操作器的位移，后者是較正切削刀片位置的。

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

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

下一步干什么


2000年代將是系統供應商、刀具供應商和用戶合作的時代。先進的產品開發集團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。

我們必須鼓勵刀具供應商開發低價位、高質量的涂層刀具。為了跳上一個臺階，提高可靠性和降低壽命周期成本的主軸和刀具技術必須發展。環境的趨勢必須嚴格監視，干式加工的應用將增長，因為鋁的應用變得較普及。先進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合材料加工的選擇。有一點是肯定的：當傳統技術的固定目標遇到用戶要求的不可抗拒的力量時，傳統的知識將給人們一種打破框框的思維。