在競(jìng)爭(zhēng)激烈的運(yùn)動(dòng)鞋生產(chǎn)市場(chǎng)中，以驚人的速度從概念到設(shè)計(jì)圖，然后再進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)是十分必要的。快速和高效的5軸加工是這個(gè)發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵加速因素。
對(duì)于觀眾而言，觀看體育比賽的樂(lè)趣之一就是見(jiàn)證頂級(jí)運(yùn)動(dòng)員絕對(duì)優(yōu)美的動(dòng)作。他們的身體在運(yùn)動(dòng)時(shí)所表現(xiàn)出來(lái)的力量和運(yùn)動(dòng)精度是如此令人賞心悅目，特別是當(dāng)其贏得比賽或在競(jìng)爭(zhēng)中贏得最佳優(yōu)勝者時(shí)。
觀看一臺(tái)5軸聯(lián)動(dòng)的CNC數(shù)控加工中心的高速銑削加工操作，同樣是一種令人感興趣的奇妙經(jīng)歷。當(dāng)?shù)毒咴谝粋€(gè)工件復(fù)雜的外形輪廓線上運(yùn)動(dòng)切削時(shí)，強(qiáng)大的機(jī)械軸協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)也展現(xiàn)出了一個(gè)壯觀的場(chǎng)面。
然而，刀具在5軸加工過(guò)程中所體現(xiàn)出的平滑而優(yōu)美的運(yùn)動(dòng)，其意義要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)運(yùn)動(dòng)員為觀眾所提供的驚險(xiǎn)刺激。它們通常是一個(gè)很好的指示器，表明采用該刀具加工將會(huì)給工件留下一個(gè)光滑的表面質(zhì)量，所留下的刀痕極少。5軸加工是一個(gè)運(yùn)動(dòng)鞋制造公司所依賴的主要加工工藝之一，以便在其內(nèi)部的加工廠加工注塑模具(圖 1)。2009年夏末，MMS參觀了這個(gè)加工車間，看到了機(jī)床如何加工模具的情況。這些模具是應(yīng)用于原型生產(chǎn)的，以滿足設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)和測(cè)試的需要。由于這些原型是該公司設(shè)計(jì)過(guò)程中的關(guān)鍵部分，因此該加工車間快速和高精度的生產(chǎn)這些模具的加工能力是至關(guān)重要的(圖2)。事實(shí)上，通常要求在24h內(nèi)(甚至在一個(gè)通宵的時(shí)間內(nèi))完成模具的生產(chǎn)和原型的成型工作。
圖1 在一個(gè)領(lǐng)先的運(yùn)動(dòng)鞋生產(chǎn)企業(yè)中，設(shè)計(jì)師們有機(jī)會(huì)對(duì)模具車間在短期內(nèi)生產(chǎn)的原型或鞋樣概念進(jìn)行審核和進(jìn)一步改進(jìn)，
而為期一天或隔夜的生產(chǎn)周轉(zhuǎn)期則是該車間所具有的優(yōu)勢(shì)
這就是該加工車間的經(jīng)理們?yōu)槭裁磳?duì)IMTS 2008國(guó)際加工技術(shù)博覽會(huì)如此感興趣的一個(gè)主要原因，因?yàn)樵谶@個(gè)展會(huì)上展出了由Fanuc公司推出的高端CNC數(shù)控系統(tǒng)的新功能。
這個(gè)功能被稱作“Smooth Tool Center Point”(TCP)平滑工具中心點(diǎn)的控制，可自動(dòng)調(diào)節(jié)伺服指令，以便在刀具編程時(shí)避免不必要的急劇運(yùn)動(dòng)，使5軸加工期間的工件表面保持在同一個(gè)方向上。這項(xiàng)調(diào)節(jié)的結(jié)果使刀具的切削動(dòng)作更為平滑，振動(dòng)噪聲極低，工件表面上留下的刀痕較少。在采用平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)以后，刀具的使用壽命延長(zhǎng)，機(jī)床的磨損減少。
圖2 備用模具的儲(chǔ)存基地，是該加工車間模具流水生產(chǎn)系統(tǒng)中的一個(gè)部分，
在整個(gè)加工車間中應(yīng)用的精益生產(chǎn)原則也是這個(gè)策略的一個(gè)部分
那時(shí)，該公司的經(jīng)理走訪了在該展會(huì)上展出的森精機(jī)公司的展位。這家鞋類模具制造車間已于2007年年中從該機(jī)床制造商那里購(gòu)置了一臺(tái)NMV5000DCG型立式加工中心。該機(jī)床是經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)時(shí)間的工藝操作合格后被選中的，其中包括對(duì)一個(gè)具有挑戰(zhàn)性試件的加工，并結(jié)合了該車間最困難的加工要求。
在運(yùn)行過(guò)程中，除了其操作性能優(yōu)于其他機(jī)床之外，事實(shí)證明，這臺(tái)VMC立式加工中心在安裝就位以后，使該車間的操作體現(xiàn)了5軸加工所具有的能力和價(jià)值。根據(jù)這些經(jīng)驗(yàn)，該車間決定再購(gòu)置另外一臺(tái)機(jī)床。
森精機(jī)公司的其中一名銷售工程師建議對(duì)平滑工具中心點(diǎn)控制的特性進(jìn)行調(diào)研。于是在Fanuc公司的展位上觀看了有關(guān)5軸加工的視頻錄像，對(duì)帶有平滑工具中心點(diǎn)控制和不帶平滑工具中心點(diǎn)控制的特點(diǎn)做出了無(wú)可辯駁的結(jié)論。
幾個(gè)月以后，該車間又訂購(gòu)了一臺(tái)NMV5000DCG型立式加工中心，并規(guī)定該機(jī)床上必須安裝有平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)。很明顯，這臺(tái)安裝有先進(jìn)控制系統(tǒng)的新型5軸加工機(jī)床，將是該公司的一項(xiàng)寶貴資產(chǎn)。它可以幫助該加工車間及為其提供服務(wù)的公司贏得新產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)中的勝利。
團(tuán)隊(duì)的努力
運(yùn)動(dòng)鞋生產(chǎn)市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)極為激烈，市場(chǎng)中的領(lǐng)軍企業(yè)努力將大量的資源投入到研究和開發(fā)之中，希望率先推出新的概念和款式。因此，對(duì)于市場(chǎng)中的領(lǐng)軍企業(yè)而言，保持某些裝備最好的、最先進(jìn)的加工和模具成型操作設(shè)備是必須的。如果他們能夠更快更好地生產(chǎn)模壓件，那么設(shè)計(jì)師們就能夠更快、更好地創(chuàng)造贏得市場(chǎng)的產(chǎn)品。
MMS拜訪過(guò)的這家車間擁有10臺(tái)機(jī)床，聘用了5名高級(jí)模具制造工，其中2臺(tái)5軸VMC立式加工中心是屬于最新型的機(jī)床。雖然這兩臺(tái)機(jī)床的安裝相隔了約一年的時(shí)間，但它們幾乎是完全一樣的并列安裝在一起的。兩者都配備了Fanuc 30i系列CNC數(shù)控系統(tǒng)。
原先的那臺(tái)NMV5000DCG型機(jī)床是在北美首先安裝的機(jī)型之一，而較新的這臺(tái)機(jī)床是第一臺(tái)裝有平滑中心點(diǎn)控制系統(tǒng)的機(jī)床。對(duì)于這個(gè)加工車間而言，作為一個(gè)早期的用戶，意味著它可以與制造商、CNC數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商和當(dāng)?shù)氐慕?jīng)銷商(在這里是指Ellison Technologies公司俄勒岡州的Wilsonville辦事處)共享一條學(xué)習(xí)曲線。Ellison公司早在一年前就已經(jīng)成為安裝5軸加工中心的專家。Stephen Witmer先生(Ellison技術(shù)公司的一名銷售工程師)曾經(jīng)被安排在日本制造廠內(nèi)對(duì)機(jī)床進(jìn)行試切削資格的測(cè)試。
按照該加工車間經(jīng)理的說(shuō)法，在第二臺(tái)機(jī)床抵達(dá)該車間時(shí)，平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)是如此新鮮的事物。因此，機(jī)床制造商和CNC數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)商都不得不在安裝過(guò)程中與該車間密切合作。有關(guān)各方均試圖拿出最佳的執(zhí)行方案。Ellison技術(shù)公司的應(yīng)用工程師Randy Murphy先生努力做好相互之間的協(xié)調(diào)工作，使這種新技術(shù)可以獲得成功。
Ellison技術(shù)公司辦事處負(fù)責(zé)這項(xiàng)業(yè)務(wù)的副總裁John Goes先生解釋說(shuō)，這項(xiàng)合作是至關(guān)重要的，因?yàn)閳?zhí)行Smooth TCP平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)就要求將機(jī)床的伺服系統(tǒng)“微調(diào)”到符合該車間加工要求和期望的最佳設(shè)定值。他說(shuō)：“在工廠里有如此多的工作要做，只有在用戶的工廠內(nèi)真正強(qiáng)有力立地開展調(diào)試工作，才能準(zhǔn)確地進(jìn)行校準(zhǔn)。在這項(xiàng)工作中，團(tuán)隊(duì)的合作與運(yùn)動(dòng)場(chǎng)上的共同努力一樣重要。”
Witmer先生指出，這個(gè)特殊的加工車間以一種特殊的要求和氣氛進(jìn)行運(yùn)作，這個(gè)車間每年承接700~1000個(gè)項(xiàng)目。例如，運(yùn)動(dòng)鞋外部鞋底設(shè)計(jì)這樣的典型項(xiàng)目，可能需要多達(dá)8套模具。這些項(xiàng)目數(shù)量的不斷增加就要求采用5軸加工，因?yàn)樗坏且环N最有效的加工方法，而且也只有采用這種加工方法時(shí)才能從事某些特色生產(chǎn)，例如底部切削。
然而，高效率的5軸加工只是該車間已安裝就位的全部模具流水線生產(chǎn)工藝的一個(gè)部分。為了使其精益求精及達(dá)到高效率和自動(dòng)化，它制訂了一系列的工作原則。例如，加工車間儲(chǔ)存了經(jīng)過(guò)預(yù)加工的模具基座，其中98%的尺寸完全符合其所承擔(dān)的模具加工任務(wù)。同樣，CNC數(shù)控編程員也為所有模具基座的準(zhǔn)備工作開發(fā)了宏指令程序，使部分編程工藝達(dá)到了自動(dòng)化水平。
可以這么說(shuō)，為快速周轉(zhuǎn)而已經(jīng)建立的工作流，以及像Smooth TCP平滑工具中心控制這類的改進(jìn)已直達(dá)極限。“他們可以立即看到在節(jié)約時(shí)間方面所獲得的回報(bào)。”Witmer先生說(shuō)。這家公司在新的機(jī)床上安裝了 Smooth TCP平滑工具中心控制系統(tǒng)后不久，又在原先的那臺(tái)機(jī)床上安裝了該系統(tǒng)。
穩(wěn)定而平滑
從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，Smooth TCP平滑工具中心控制系統(tǒng)增強(qiáng)了5軸加工機(jī)床的工具中心點(diǎn)控制操作模式。對(duì)此，F(xiàn)anuc公司提供了如下解釋：在一臺(tái)配有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的5軸加工機(jī)床上，TCP工具中心控制系統(tǒng)可不斷地執(zhí)行刀具的長(zhǎng)度補(bǔ)償，即使在一個(gè)工件塊的中間，在其控制下刀具中心點(diǎn)沿著特定的編程路徑運(yùn)動(dòng)。即使該刀具的姿態(tài)發(fā)生了變化，采用TCP經(jīng)過(guò)編程的刀具中心點(diǎn)也會(huì)在指令規(guī)定的路徑上運(yùn)動(dòng)。
在某些情況下，一個(gè)加工程序還可能包括鋼塊間刀具姿態(tài)的不平度。在這種情況下，每一鋼塊控制點(diǎn)的位置與刀具中心點(diǎn)的位置會(huì)發(fā)生變化。因此，也會(huì)產(chǎn)生許多加速/減速的問(wèn)題，因而控制點(diǎn)不能夠平滑運(yùn)動(dòng)。其結(jié)果是：加工時(shí)間增加，加工表面的質(zhì)量下降。
Smooth TCP 平滑工具中心點(diǎn)具有一種可補(bǔ)償旋轉(zhuǎn)軸位置的功能，它的補(bǔ)償方式可減少刀具姿態(tài)的不平衡度。這種功能會(huì)使旋轉(zhuǎn)軸在使用TCP的加工程序中平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)。應(yīng)用Smooth TCP 平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)可減少加工時(shí)間，提高加工表面的質(zhì)量。
Witmer 先生指出，在觀察配有Smooth TCP 平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)的5軸加工操作與不帶該控制系統(tǒng)的操作時(shí)，其差距可以是很大的。“不管采用哪一種方式，雖然其刀具頂部的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是相似的，但當(dāng)其碰到某種幾何形狀時(shí)，你將能夠看到刀具主軸端所發(fā)生的真正變化。當(dāng)其隨著復(fù)雜外形輪廓運(yùn)行時(shí)，如采用TCP就以可使刀具端部發(fā)生較少的擺動(dòng)和波動(dòng)。
當(dāng)然，5軸加工不是一個(gè)旁觀者的運(yùn)動(dòng)，盡管在24h內(nèi)完成模具加工的比賽意味著這個(gè)模具加工車間必須時(shí)刻緊盯著計(jì)時(shí)器。基于這種原因，刀具中心點(diǎn)控制和 Smooth TCP工具中心點(diǎn)加強(qiáng)控制系統(tǒng)為5軸加工所節(jié)約的時(shí)間是相當(dāng)可觀的。按照這個(gè)加工車間的估計(jì)，采用刀具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)可使加工時(shí)間節(jié)約高達(dá)50%。而在適當(dāng)?shù)牡胤讲捎肧mooth TCP工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)則可使加工時(shí)間再降低25%。(根據(jù)Fanuc公司所進(jìn)行的試驗(yàn)，在一般的加工情況下，采用Smooth TCP工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)，可節(jié)約加工時(shí)間10%，而在極端的加工情況下，則可使加工時(shí)間節(jié)約44%。)
圖3 NMV5000DCG型5軸機(jī)床上的旋轉(zhuǎn)軸(B軸和C軸)是按照懸臂設(shè)計(jì)方式配置的，這種結(jié)構(gòu)可使工件傾斜和回轉(zhuǎn)擺動(dòng)，其所受到的干擾限制比某些耳軸設(shè)計(jì)的形式要少
Smooth TCP平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)以兩種方式來(lái)節(jié)約加工時(shí)間：第一種方式是避免因刀具方向變化而引起的軸位置過(guò)量的實(shí)質(zhì)性變化。這些運(yùn)動(dòng)會(huì)減緩對(duì)刀具路徑指令的執(zhí)行，并在工件的表面上遺留刀具的加工痕跡。刀具較平滑運(yùn)動(dòng)的另一種結(jié)果是，刀具頂端所產(chǎn)生的振動(dòng)較少，這將有利于提高工件表面的光潔度，尤其是在精加工切削過(guò)程中。總之，由這臺(tái)機(jī)床加工的模具，其表面只需很少的手工加工，甚至是無(wú)需要人工打磨。
Witmer先生說(shuō)，只有鞋類模具或夾板類的表面需要鏡面拋光加工，我們常常采用手工的方式進(jìn)行拋光打磨。在機(jī)床上完成模具加工任務(wù)意味著無(wú)人化生產(chǎn)操作方式對(duì)整體生產(chǎn)率所產(chǎn)生的最大影響。該加工車間采用24h不間斷的連續(xù)工作制，每天只有白班需要模具制作工在現(xiàn)場(chǎng)看管機(jī)床的操作。
然而，并非每個(gè)5軸加工操作都需激活Smooth TCP平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)進(jìn)行工作。該加工車間的經(jīng)驗(yàn)表明，它可以對(duì)某些幾何形狀的加工精度采取一些折衷的措施，例如某些陡壁型腔的加工。“是否采用 Smooth TCP平滑工具中心點(diǎn)控制系統(tǒng)取決于多種因素，其中包括用戶設(shè)定的公差尺寸帶作為一個(gè)參數(shù)。”Witmer先生說(shuō)。采用3度設(shè)置值可提供最快、最流暢的加工，而采用0.5度設(shè)置值可進(jìn)行速度較慢但更精確的切削加工。
保持基本的穩(wěn)定性
在Ellison Technologies公司，Smooth TCP平滑工具中心點(diǎn)控制對(duì)于5軸加工機(jī)床用戶而言是一項(xiàng)開放的技術(shù)，但就其潛在的加工能力而言，它確實(shí)能夠增強(qiáng)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，非常適合于實(shí)際應(yīng)用，十分有利于粗加工和精加工操作。Witmer先生說(shuō)：“NMV5000DCG型機(jī)床的設(shè)計(jì)為5軸加工提供了一個(gè)內(nèi)在穩(wěn)定的平臺(tái)。”
例如，該模型采用了懸臂式旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)配置，而不是采用一種耳軸設(shè)計(jì)的方式(圖4)。傾斜和擺動(dòng)的工件可使刀具深入到隱窩的底部，例如鞋底的成型夾板，出現(xiàn)間隙的情況較少。更重要的是，該設(shè)計(jì)允許在B軸和C旋轉(zhuǎn)軸中采用直接驅(qū)動(dòng)的分馬力電機(jī)。這些分馬力電機(jī)應(yīng)具有足夠大的功率，以便為其他主軸的驅(qū)動(dòng)能力提供適當(dāng)?shù)乃俣群团ぞ兀@些旋轉(zhuǎn)軸的質(zhì)量仍然在可控的管理范圍內(nèi)。Goes先生說(shuō)：“由于缺少反沖力，從而也提高了機(jī)床的剛性。”
