挑戰(zhàn)焊件機(jī)械加工

作為高級(jí)數(shù)控石材切割設(shè)備的制造商，Park公司知道用于銑銷、鉆孔焊件和其他機(jī)床部件應(yīng)具備的能力。

Park公司在1953年成立于Minnesota，僅服務(wù)北美市場(chǎng)(因此可以提供及時(shí)的客戶服務(wù)和支持)，制造了40種不同型號(hào)的石材切割機(jī)，用于臺(tái)面和建筑。包括數(shù)控五軸鋸、五軸鋸噴水機(jī)和刨槽機(jī)。也提供板條激光器布局和數(shù)字圖像采集技術(shù)，使客戶可以將自身的石材產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造流水線化。Park公司擁有一萬多臺(tái)機(jī)床，是北美最大的石材切割設(shè)備制造商。

Park公司石材切割機(jī)采用的軟鋼焊件，在單個(gè)薄板部件焊接成組件后仍需要多種機(jī)械加工操作。然而，有些需要機(jī)械加工的區(qū)域可能由于突出或干擾焊件特征而無法到達(dá)。這就是為什么多年來Park公司一直采用傳統(tǒng)的臥式鏜床，其W軸套筒主軸可以穿過這些障礙，保證所有必要的焊件加工均可以進(jìn)行。

圖1 Park公司并沒有選擇使用類似的較新的設(shè)備代替舊的臥式機(jī)械加工中心，而是采用了一個(gè)帶有W軸套管軸和雙托盤設(shè)計(jì)的臥式加工中心，用于加工制造多種型號(hào)的石材切割設(shè)備

最近，Park公司決定利用較新的技術(shù)更換用于加工中型焊件的數(shù)控臥式鏜床。Park公司的數(shù)控經(jīng)理Lyle Pedersen稱，原計(jì)劃是繼續(xù)使用已有的臥式鏜床平臺(tái)，同時(shí)利用新型號(hào)提供的改進(jìn)速度和切割性能。然而，在研究新型臥式鏜床時(shí)，他發(fā)現(xiàn)有一種機(jī)床更接近臥式加工中型機(jī)床(HMC)，同時(shí)可以提供臥式鏜床常用的W軸套筒主軸。Park公司的其他人也很快意識(shí)到，并且Pedersen在最近的一次訪問中解釋道，這種替代的加工平臺(tái)提供的優(yōu)勢(shì)不僅包括達(dá)到之前的切割性能，還會(huì)使中型焊件在石材切割機(jī)上的生產(chǎn)量提高多達(dá)60%。

混合機(jī)床設(shè)計(jì)

SNK美國的區(qū)域銷售經(jīng)理Michael Schlipf向Park公司推薦了臥式加工中心型機(jī)床。這種機(jī)床在美國地區(qū)通過SNK美國銷售，屬于Niigata HN1000-S BAR臥式加工中心，帶有雙托盤和一個(gè)W軸套筒主軸，是種混合體，集成了臥式鏜床的尺寸和硬度以及量產(chǎn)臥式加工中心的速度和性能。

圖2 Park公司石材切割設(shè)備的范例

圖3 Park公司另一個(gè)堅(jiān)硬焊件零件的范例

Park公司于2015年10月購買了此機(jī)床，于2016年2月安裝。Pedersen稱這種機(jī)床集成了多個(gè)設(shè)計(jì)元素，不僅可以更快地加工焊件，還可以促進(jìn)Park公司進(jìn)行進(jìn)一步的工藝改進(jìn)，更有效地制造焊件。功率、尺寸和速度。HN1000-S BAR具備一個(gè)齒輪驅(qū)動(dòng)的60?hp主軸，可產(chǎn)生972?lbf·ft(1?lbf·ft=1.36?N·m)扭矩以及79.92?in×59.0?in×47.24? in(1?in=0.0254?m)的X、Y、Z行程，有能力旋轉(zhuǎn)直徑為90?in的零件?？梢蕴峁┡c臥式鏜床可比的功率和尺寸，可以有效加工Park公司的臥中型焊件。據(jù)稱，這種機(jī)床還可以達(dá)到1575?in/min的快速橫向速度，即使面對(duì)重達(dá)11?000?lb(1?lb=0.46?kg)的工作臺(tái)負(fù)荷。

這種功率和速度更多得益于機(jī)床的混合式導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。X和Z軸采用THK的大型、重型和籠式滾軸線性導(dǎo)軌。X軸導(dǎo)軌的尺寸為65?mm，Z軸導(dǎo)軌的尺寸為85?mm。另外，Z軸采用柱體驅(qū)動(dòng)，據(jù)稱相比于二疊分的X軸和Z軸可以提供更大的硬度。相反，Y軸采用硬化的、Turcite涂層箱型導(dǎo)軌(四軸旋轉(zhuǎn)臺(tái)導(dǎo)軌面也采用Turcite)，可防滑和阻尼振動(dòng)。事實(shí)上，Pedersen稱，機(jī)床具備棱紋堅(jiān)固鑄的造底座和分叉柱，和焊接角板設(shè)計(jì)相比，質(zhì)量和穩(wěn)定性較高，是至今公司采用的機(jī)床中最堅(jiān)硬的。

W軸套筒主軸

Park公司的石材切割機(jī)采用的焊件面臨的加工挑戰(zhàn)是固有的，最大的一項(xiàng)挑戰(zhàn)是機(jī)床主軸無法到達(dá)需要加工的最遠(yuǎn)的區(qū)域。例如，可能需要從一個(gè)孔穿過加工另一個(gè)內(nèi)部孔。這就是為什么車間一般采用臥式鏜床，這種機(jī)床帶有W軸套筒主軸，可以穿過障礙物機(jī)械加工很難到達(dá)的特性類型。而帶有傳統(tǒng)主軸(無W軸套筒)的臥式加工中心若想做到這一點(diǎn)，需要使用延伸切割工具。然而，長刀具很容易產(chǎn)生振動(dòng)，也意味著表面粗糙度會(huì)受損，也無法進(jìn)行有效的加工，從而延長了整體周期。

這就彰顯了帶有套筒主軸的HN1000-S BAR的優(yōu)勢(shì)。這種主軸可以提供最大21?in的W軸行程。事實(shí)上，Park公司一般采用延伸8?in(1?in=0.0254?m)的主軸就可以完成大部分工作。例如，最適度的延伸會(huì)防止主軸在加工完靠近旋轉(zhuǎn)臺(tái)表面，機(jī)床的旋轉(zhuǎn)臺(tái)與主軸鼻端接觸。若進(jìn)行非常重的切整操作，可以將主軸回拉，以增加硬度。

圖4 還擁有一個(gè)大型平臺(tái)，有足夠的空間供員工在設(shè)置期間在托盤附近安全操作

全封閉式外殼

可能無法想象機(jī)床外殼會(huì)影響機(jī)械加工性能，但Pedersen稱事實(shí)正是如此。傳統(tǒng)的開放式設(shè)計(jì)的臥式鏜床會(huì)導(dǎo)致冷卻液和碎屑飛濺在工廠地板上，這會(huì)導(dǎo)致安全和清潔問題，同時(shí)進(jìn)料速度會(huì)下降，飛濺的碎屑也可能會(huì)使工人受傷。這導(dǎo)致無法減少工作周期，Park公司在某些作業(yè)中仍采用的臥式鏜床就存在這種情況。

而HN1000-S BAR就不具備這一問題，其作業(yè)區(qū)是完全封閉的。事實(shí)上，外殼(機(jī)床功率和硬度)使Park公司可以利用新型高速進(jìn)料刀具提高整體機(jī)械加工性能。Pedersen稱，工廠之前采用標(biāo)準(zhǔn)的45°平面銑刀進(jìn)行粗加工，切削深度一般為0.03?in，進(jìn)料速度為40?in/min。而在HN1000-S BAR 上，利用Walter的F2330系列高速進(jìn)料銑床，公司實(shí)現(xiàn)了0.07?in的切削深度，以及高達(dá)300?in/min的進(jìn)料速度。

這種切削技術(shù)使Park公司改變了焊件孔的加工方式。之前，一般采用多種適當(dāng)尺寸的鉆孔工具加工各種尺寸的孔。現(xiàn)在，可以通過單端銑床環(huán)形內(nèi)插法制孔，也就是說，可以采用一種刀具制多種直徑的孔，將一次作業(yè)中需要的工具數(shù)量最小化。

冷卻液的輸送也很重要

在215?psi(1?psi=0.068?MPa)條件下，穿過工具的冷卻液系統(tǒng)完全符合Park公司的要求，因?yàn)檫@對(duì)于有效移除碎屑非常重要，尤其是在鉆孔期間。Niigata可以提供高達(dá)1000?psi的壓力，供此款機(jī)床使用。在通過臥式鏜床上的多層焊件板(層合板)時(shí)通常需要進(jìn)行鑿掘，因?yàn)樵阢@機(jī)穿過一層板進(jìn)入另一層時(shí)，工具可能會(huì)損壞。使用新型臥式加工中心，穿過工具冷卻液輸送消除了鑿掘的必要，加快了周期時(shí)間。在同心度、平行度和其他公差方面，可以保持±0.001?in的精度，Park公司希望穿過工具的冷卻液、新型切割技術(shù)和整體機(jī)床硬度提高工具壽命。

托盤變更系統(tǒng)

Pedersen稱，HN1000-S BAR的雙托盤變更系統(tǒng)是選擇臥式加工中心類型機(jī)床而不是臥式鏜床的一個(gè)重要因素。與大多數(shù)工廠對(duì)此利用的方式類似，Park公司可以在位于開放式作業(yè)平臺(tái)上的封閉機(jī)械加工環(huán)境外的一個(gè)托盤上布置一項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)在另一個(gè)托盤上布置另一項(xiàng)任務(wù)。這提高了主軸正常運(yùn)行時(shí)間，而單托盤臥式銑床在新設(shè)置期間可能多耗時(shí)40?min。新型機(jī)床只在將完成的托盤更換為另一個(gè)托盤的期間停工。

然而，雙托盤還有一種利用方式。粗加工操作會(huì)給焊件施加應(yīng)力，那些工件在粗加工后將解除制動(dòng)，這樣就可以在重新夾住進(jìn)行修整操作前進(jìn)入放松狀態(tài)。在舊的臥式鏜床上完成此操作需要12?min，同時(shí)整個(gè)機(jī)床停工?，F(xiàn)在，使用雙托盤，Park公司可以粗加工一個(gè)焊件，將該零件移出，然后拿來另一個(gè)焊件加工。一旦被移出機(jī)床，第一個(gè)焊件可以解除制動(dòng)，然后再重新夾緊，準(zhǔn)備進(jìn)行最終機(jī)械加工。

提高主軸利用率并減少設(shè)置時(shí)間的另一個(gè)因素是專用夾具。臥式鏜床的目標(biāo)是在工作臺(tái)上設(shè)置多個(gè)零件，以實(shí)現(xiàn)更長的機(jī)床運(yùn)行時(shí)間。與將零件固定在專用夾具上不同，一般僅采用傳統(tǒng)的夾具將零件固定在工作臺(tái)上。因?yàn)闊o法實(shí)現(xiàn)重復(fù)定位，所以在每次加工前都需要對(duì)齊各零件。

使用HN1000-S BAR，Park公司對(duì)每個(gè)焊件使用一個(gè)特定夾具。這樣一旦夾具固定，在加工專用夾具的一批零件時(shí)，無需再進(jìn)行調(diào)整。另外，由于一個(gè)零件安裝在特定夾具上，夾具可以設(shè)計(jì)得較小，硬度就更大，適用于較高的進(jìn)料速度和工具壓力。Pedersen稱，這些因素抵消了額外的夾具的成本。

當(dāng)焊接焊件板部件時(shí)，可能會(huì)發(fā)生變形。一般來說，相對(duì)于構(gòu)成工件的各種板的位置，自動(dòng)機(jī)械焊接焊件比手動(dòng)焊接的焊件重復(fù)性更高。因此，利用雷尼紹 RMP 60探頭進(jìn)行探測(cè)，以確定有些焊件的真實(shí)位置。在關(guān)鍵特征(如鉆孔)的加工過程中測(cè)量時(shí)有時(shí)也采用探測(cè)的方式，以保證工序重復(fù)性。