发展21世纪的柔性加工系统

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发展21世纪的柔性加工系统

    产品的改进已经驱动加工系统的发展数十年了，它现在仍然在驱动着。新产品的生产准备时间已经被削减，汽车购买者希望传动系统的选择范围如此之广，致使我们建造的生产系统必须年产高达30万件不同的零件。产品整个生命周期中的需求波动比以入任何时候都更加尖锐。要求为适合个性的市场年产为5万件，更进一步增加了对系统制造新商的压力。

' a, R' y  l- V6 x" \　　我们在今后10年的主要挑战是创造非传统工具的设计，涂层刀具，更可靠的主轴，灵巧的工具以及灵巧的夹具。系统必须具有健壮性（鲁棒性）、可靠性、柔性和快速性。传统方法不可能给我们所需要的系统，我们必须打破框框来考虑。
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　　在我们的片段型工业中，控制、工装和加工技术的进步很快，一个极好的例子是高速加工。用户常常诉苦说，机床制造商过去不支持高速。今天、滚珠丝杠技术和直线电机技术已使机床能以1g的加速度及36000r/min运行，而且控制能够保持步调。但是，用在高速加工中的刀具和刀夹则因可靠性问题而伤脑筋，而且主轴制造商还不能够为大批量生产提供牢固的、可靠的、价格低廉的高速主轴。

　　主轴

# N7 R$ L3 a/ W/ v! Y7 ~+ w　　采用陶瓷轴承和滚动体的主轴已把速度推到了18000r/min~20000r/min，超过了油脂润滑技术的能力。为消散滚动轴承在高速时产生的热量，必须另外增加一个轴承冷却系统，从而产生出另一价位和复杂性。

　　在达到高主轴速度的同时就意味着微量保证期是以小时计，而不是以年计了。用户现在问的问题不是有多快，而是什么型式的轴承能给出最高的可靠性和质量？在主轴本身内只有很少运动件的电磁主轴可能是最好的长期解决办法，但在工厂环境下如何防护它们还不清楚，而且环境的磁场危险也未弄明白。
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　　切削刀具
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! H. q$ h' R) ]" ^& C　　如果我们的目的是用同一刀具进行钻削、铣削、镗削和攻丝等多道工序加工，我们就需要有多直径的刀具，这样可以不用换刀并消除了附加的走刀。如果我们能用一把刀具完成小直径、大直径、倒角和端面的加工，代替以前用4把刀具和每次换刀要1或2秒时间，那么我们每个零件加工节省8秒钟，外加4把刀具的成本以及一次运动代替4次运动所产生的机床磨损的成本，这个节约是很大的。
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+ @4 X1 }6 ]$ i7 Q5 ~9 x& ?1 G! F　　硬度合金刀具和立方氮化硼对含铁材料以及金刚石对铝的复合材料的应用，曾使刀具性能发生了革命，而机床性能则落后了。现在机床和控制系统超过了刀具，用户埋怨可转位式的硬质合金涂层刀片的寿命太低，而且可转位刀片又不适用于加工象致密石墨那样有前途的复合材料。

　　当切削铝件时，刀具必须很光滑、光整一致，无凸起或凹坑，我们的刀具工程师还希望看到能足够光滑地加工铝件的金刚石涂层刀具。刀具制造商还没有提供用于高生产率加工的大型圆形金刚石涂层刀具。如果先进的涂层，包括金刚石和CBN涂层，可以有于圆形刀具，则高速系统可以采用。
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　　对涂层圆形刀具，如铰刀的另一选择是将金刚石片放在刀具上，这种方法可以改善精度和尺寸，也可以延长刀具寿命，但是成本较高。我们已在Mach I机床上使用过金刚石刀具速度达20000r/min，效果很好，这里的限制因素是主轴，没有一根主轴能够超过金刚石的速度能力。

% m' f: e4 k0 O  t. b3 X9 g　　刀具制造商的反映是：他们花不起对开发新型刀具技术的科技投资，但是用户希望减少刀具更换，以提高设备利用率和刀具制造商希望销售可置换刀片，他们在利益上有冲突也是事实。我们与我们的合作伙伴正在进行的研究类型将给刀具制造商带来专门的技巧，当设备制造商和用户看到这些新工艺的力量并对他们的供应商施加压力时，供应商将开始迎头赶上。

　　在和我们的一个汽车客户工作中，我们企图开发一种低阻力、高生产率和具有非传统的刀片几何形状和安装系统的旋转刀具。这种新的刀具用于加工难加工的材料就象加工墨铸铁一样，故至今为止，看起来就象是新的刀具可提高刀具寿命10倍。Wisconsin-Milwaukee大学的研究人员和工程师们在国家科学基金3年的资助下正在开发有于干铣的刀具。初步试验表明：新的钻削刀具与标准的钻头比将减少刀具磨损20%~25%。

　　干式加工

) C" J: o* \" P1 q2 D5 u  L　　用适当的涂层刀具进行干式加工在大批量的制造系统中将减少机床的台数或走刀的次数。例如，我们已经安装了用于干式加工铝件的专用的立式铣床和提供了多轴卧式加工中心用于进行铝制缸体的指定工序，通过工件在夹具中铸出的定位点上定位，高速铣削工序保证缸体当它们在发动机厂被加工之前具有相等的余量分布。从铣削工序中取消了冷却液可以将切屑直接用于铸造而无需进行冷却液分离。金刚石涂层消除了刀尖上的热，从而消除了切削刃上的刀瘤，但是那样的刀具现在还没有。
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8 ~# M+ c7 z: R) K4 l2 o9 s　　但是，干式加工铁质工件时出现的问题，在工艺采用之前必须加以解决。例如，切屑如何安全地排出？切削热怎么办？如何避免切削刃上的切屑瘤。对准干式生产加工，我们采用一个Orsco润滑系统，该系统使少量的专用润滑液原子化，它的一滴被气流散开后可以润滑整个切削的刀具，因为它不进入大气，所以冷却液不用收集，切屑在再生前也不用清洁。

# ]! w, g: }' `' o　　我们的工程师报告说，采用Orsco润滑系统铣削、钻削、镗削和铰削铝件和铸铁件，生产出的零件质量几乎与用正常的冷却液生产出来的一样好。

3 `6 j2 x; L. U9 E. b% D8 W    智能夹具
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5 j, q9 ^' m# q　　一个只能夹持一个工件的专用夹具，在任何地方都值30000美元至60000美元，一个有40至100个夹具的系统，很容易就使一个加工系统的成本增加数百万美元，我们需要一个能夹持很多个不同工件的夹具（那是真正的柔性夹具）它的刚度足以抵抗今天的重切削作用在工件上的力。

　　1988年1月，在美国国家标准与技术研究所的先进技术项目（ATP）基金的帮助下，我们开始开发一个智能夹具系统，该系统包括柔性夹紧，工件定位器，一个微定位器以及软件。对系统的研究工作将进行到2000年12月，我们的合作者是伊利诺斯大学、密执安大学、乔治亚大学，还有Daimler Chrysler、Ford和GM汽车公司。
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$ w; G7 ^2 _4 j0 Q+ D! ]5 J　　夹具的柔性取决于清除固定的机械定位器。在智能夹具系统中，工件定位系统确定工件并感知其位置。系统的核心是夹具的配置站，它包括一个机器人的机械手和一个夹具的接收器，机器人传送交换夹具，交换夹具带着工件进出加工站和夹具配置站。
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5 |6 L! @9 B2 R5 I/ s6 }$ x+ {; H　　进入站的工件将被夹紧，而压板被调整来夹持现在的工件。当夹紧时，工件的位置不需精确地知道，一旦工件被确定无疑后，工件的定位系统就精确地定位工件，位于柔性压板底下的工件微定位器便校正任何的不对中性，然后夹具才被送到机床上。

　　一个灵捷的夹具系统可以为一个汽车制造商的每一个加工系统节约基本投资达1800万美元，为每辆车节约加工费30~50美元。这个项目中的合作者——三大汽车制造厂和Cummins发动机厂将在他们自己的工厂获得该新系统的第一个试用。3~5年后，我们将为国外市场进行改装。

) e- G, X" a; S- H  I, w  A　　灵捷系列的镗削工作站

　　镗孔常常是比较难的，特别是镗凸轮和曲轴孔就更难，因为他们的长径比很大，尺寸精度和几何精度也很高。每个镗削工作站都要按在特定的缸体或缸盖上的特定镗孔工序的要求来进行工程化设计。工件或工艺过程的任何变动都要求额外的再工程化或甚至更换镗削工作站。
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　　一个专用的镗削工作站穿过托架镗一个光滑的孔，该托架将凸轮轴装在汽车发动机的顶上，孔的深度达889mm，在400mm×400mm的工作空间内任何位置上，孔的直径由25.4mm至76.2mm。具有多个切削刀具的长工具（镗杆）同时加工这些孔，但是调整很复杂，需要专门的主轴，镗杆必须两端支承，机床将很重。
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　　切削刀具将从距机床支承结构很远的地方去进行其工作。一般一个25mm的孔要求刀具的行程约762mm。整个工序中，22.5kg重的刀具必须保持与发动机完全平行，不管重力和惯性力有多大。一把很长的钻头，当其走完一个很长的孔时，将会抖动或偏离前进方向。

& r! d5 r) s$ ~* c8 E  }" x' G　　传统的解决办法是沿发动机缸体的长度上采用细心对中的支承以保持刀具对准目标，当然，这些支承要预先满足镗刀杆的快速更换的要求。当振动问题使精度降低至低于可接受的水平时，用替换整体硬质合金提高柔性或用合金钢的复合镗杆以提高刚性，或采用不同的拉紧系统的努力都告失败。
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　　柔性系列的镗削工作站可以精密加工至少6种不同的发动机型号，代替至少6台专用镗床。它可以削减每辆车的生产成本约50~85美元，每年为美国汽车制造商节省7亿至12亿美元。
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: o+ i4 z% [; i4 z9 f( \8 V/ i　　为将灵捷性引入镗削加工中，防止引起误差的振动和变形的支承套必须取消。我们需要有一种具有能快速消除镗杆振动影响的被偿机构和保持孔具有足够尺寸精度和几何特性的刀具。智能工具及其控制被视为是一种好的替代。

# y, P- x) `: O9 i* a& j　　我们在1995年便与密执安大学工程学院的一个研究小组一起开始研究此项目，并从国家标准和技术研究所的先进技术项目那里得到200万美元的资助，加上我们自己的70万美元基金。福特汽车公司、通用汽车公司和Chrysler汽车公司都参与了这个计划。
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　　垂直度、波浪型（pitch）、摇滚型（Roll）、蛇行（Yaw）误差要最小化和位移精度是最优先要考虑的。我们的研究小组曾用一系列的机床零件有限元模型，特别是整台机床结构的有限元模型进行分析，以便优化其固有频率和响应频率，分析了热传导，耐用度和疲劳强度，以保证机床的稳定性和可靠性。

　　一台“灵巧”机床要求有一个灵巧的控制。我们的合作伙伴Granfield Precision公司在它的开放式结构的控制器cu6400上增添了一个专门的几何补偿功能，它可以改变孔的直径从25mm至75mm，并能在250mm×250mm的工作区内改变孔的位置。现在具有不同孔径和孔位的零件加工就用不着更改工装或重新制造工装了。

' d' J: R  A& X; i　　现在我们需要有一台和CNC加工中心一样灵活的但又要精密和刚性好的机床，不过任务才完成了一半在镗削、工装设计中的挑战和机床设计一样大。机床进行几何补偿的能力使它变得“灵巧”，所以我们决定把刀具也做得灵巧。
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　　灵巧的刀具

　　在高速切削金属时，主动控制要求有刀具传感器和控制器，以便不断地监测和提供反馈。在传统的机床上，控制器板和刀具之间即使是3m~6m的距离也要引起不可接受的信号滞后。为此Lamb公司的工程师制造了一个含计算机的刀具，一个激光导引的系统和压电传感器放在刀具体内的刀具可以在5000r/min下旋转。切削刀具的调整是在主轴内计算好并发出信号，从而比传统的控制器能产生出更快和更精确的切削刀具的响应。

　　由于灵巧刀具必需包含有操作器和传感器以便实时控制镗杆，所以它是空心的。在刀具外径上的应变计提供更多的负载和位移的数据。刀具的里面是超精密的激光系统用于测量振动位移和操作器的位移，后者是较正切削刀片位置的。
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- C: D- M( I2 D9 }5 T4 f) G# t　　刀具上有两个刀片，一个用于孔的精加工，一个用于粗加工。精加工刀片安在空心刀具里面的一个挠性物件上，并与具有高频响应的压电操作器相连接。刀具控制器输出进给量到压电操作器中，压电操作器将进给量转移成线性脉冲并通过杠杆传给挠性物件，杠杆推动精加工刀片作径向移动刚好抵消掉镗杆、工件或机床的振动影响。

/ a1 J7 |# z) q; p- E" X8 S1 h　　我们把灵捷系列的镗削系统称为BOA，即具有最佳精度的镗削，三大汽车制造厂将第一个获得使用，这就使他们比外国汽车制造商占有优势，2000年9月在美国芝加哥国际制造技术展览会（IMTS）的Lamb展台上将展出该系统。
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　　下一步干什么
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　　2000年代将是系统供应商、刀具供应商和用户合作的时代。先进的产品开发集团必须与顾客一起工作以便确定和描述下一代的材料和加工。

8 @% B" [; t: o* L! I3 c. ?8 L3 Z　　我们必须鼓励刀具供应商开发低价位、高质量的涂层刀具。为了跳上一个台阶，提高可靠性和降低寿命周期成本的主轴和刀具技术必须发展。环境的趋势必须严格监视，干式加工的应用将增长，因为铝的应用变得较普及。先进的刀具材料可能被用于干加工含铁工作，而且干加工可能成为某些复合材料加工的选择。有一点是肯定的：当传统技术的固定目标遇到用户要求的不可抗拒的力量时，传统的知识将给人们一种打破框框的思维。