Abstract摘要最近處于全球化競爭環(huán)境之中各家制造商愈來愈表現(xiàn)出投資多軸機床的需求，以期獲得高精高質(zhì)的加工和高投資回報（高利潤）。最受歡迎的多軸機床為5軸機，包括5軸聯(lián)動機床和“3+2軸”機床，因為5軸機可以滿足簡潔化/無人操作的要求。在此，我們將介紹通過集中加工實現(xiàn)節(jié)拍縮短的案例，以及我們的機床。
1. Introduction引言
目前對5軸機床的需求所呈現(xiàn)的趨勢為：在提高質(zhì)量、削減成本的基礎(chǔ)上，力爭實現(xiàn)縮短從研發(fā)設(shè)計到制造出成品這一環(huán)節(jié)的交貨期。有了高精度的機床，客戶期望可以省略或減少精整、拋[磨]光的工序 [1-2]。在此，我們以汽車變速器產(chǎn)品原型為例做些說明（見圖1）。加工此工件通常需要用到多種設(shè)備如：數(shù)控車床，E DM（放電加工機），電火花成型加工以及電極加工設(shè)備。此工件的形狀加工不需要聯(lián)動配合可傾及旋轉(zhuǎn)軸，或是深切斜倒區(qū)域(undercut)，所以無需使用5軸機。然而，北村公司的5軸機組合以車削功能，可以用一臺機床替代上述所需各種設(shè)備，因此可以成功實現(xiàn)精簡加工工序過程、減少裝夾時間，從而大大降低整體成本。結(jié)果加工節(jié)拍減少了約54小時，因為諸如數(shù)控車床、E DM（放電加工機），電火花成型加工以及電極加工設(shè)備，加工中心的倒角加工，手工打磨等加工工序都可以省去。見圖3，與傳統(tǒng)加工工藝的比較。北村公司推薦使用的機床為“Mytrunnion-1”,此機型為“M y t r u n n i o n”系列中最小型的5軸聯(lián)動立式加工中心。為了體現(xiàn)/實現(xiàn)真正的益處，機床還必須要有良好的吸震性能以保證刀具的使用壽命。北村公司的Mytrunnion-1的配置為：具備高吸震性能的硬軌結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的加速/減速性能，高速高剛性30,000min-1 主軸，和耳軸款式的旋轉(zhuǎn)工作臺/分度盤（由旋轉(zhuǎn)軸支撐其兩端，不同于僅是靠一端支撐的臺面安放款式atable on table style），并且硬軌為感應(yīng)處理硬化和精密研磨工藝，配合觸面為樹脂貼塑。因此在高速進(jìn)給切削時北村機床可提供高于其他機床7倍的抗震能力（圖2）。所有上述機床特點的總和，可令機床具備重切削的能力，不僅加工表面質(zhì)量好，且刀具壽命更長。就此案例，我們希望強調(diào)這樣一個事實： 將對稱工件裝夾于工作臺中心，北村機床可以實現(xiàn)連續(xù)高精度加工，而無需設(shè)定工件各個加工點的工件坐標(biāo)。
2 . K e y p o i n tf o r m a c h i n i n g ,machine functions加工及機床功能之關(guān)鍵點
該工件為產(chǎn)品原型，不是量產(chǎn)。量產(chǎn)時，該工件的加工分為多道不同工序，各個工序需要用到不同的工裝，而采用此種加工方式來加工產(chǎn)品原型則是非常低效率的。使用Mytrunnion-1各種功能，我們可以減少工序，提高效率，同時確保精度在公差范圍內(nèi)。在此，我們再來看一下加工工藝以及加工該工件所需要的機床功能。要保證使用多軸機床進(jìn)行量產(chǎn)時的高精度，經(jīng)常需要調(diào)整工件坐標(biāo)系統(tǒng)的參考點[3-4]。這個調(diào)整可以通過一個自動觸碰探針實現(xiàn)（圖3），但是產(chǎn)品原型的加工則無需這樣做。
2.1 Machining the outer circle andboring a hole by using the CNC turningfunction
利用CNC車削功能來加工外圓及鏜孔外圓以及安裝傳動軸的（鏜）孔的精度有圓度要求。北村的Mytrunnion-1利用直驅(qū)馬達(dá)來驅(qū)動旋轉(zhuǎn)工作臺，轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速高達(dá)1100min-1。該工作臺可以在主軸上裝有車刀時做旋轉(zhuǎn)操作。所以這樣子可以免去在不同工序設(shè)備（銑削機床-車床）加工時再次重新裝卸所造成的失誤。因此工件的加工精度得以提高。而且，我們還可以在工件處于傾斜位置時進(jìn)行工作臺旋轉(zhuǎn)操作，這樣我們可以進(jìn)行工件背面的倒角加工，因此可以省略另行二次加工。
2.2 Milling the Outside and inside with5-axis simultaneous control
利用5軸機床的聯(lián)軸控制功能進(jìn)行工件的內(nèi)部和外部銑削加工該工件外部有變速齒輪齒，各齒的內(nèi)面必須要有均勻的厚度以令其輕盈。長的端銑刀可以用來慢慢加工各齒間的溝槽（工件的形狀是沒有倒勾的）。而使用5軸加工中心可以允許我們使用短的端銑刀，從而可以改善切削加工的條件。如此可以縮短節(jié)拍。由于可以做到一次裝卡來同時加工工件的內(nèi)部和外部，除了省卻一次裝卡的時間，還可以避免工件任一面的錯配。
2.3 Relief hole on the periphery andprojection at the end
外緣和端部凸出處的排泄孔通常排泄孔是垂直于每個齒的表面的。盡管附圖照片無法清楚顯示,利用5軸聯(lián)動加工中心配合以Swarf cutting切削加工技術(shù)，就可以在短時間內(nèi)完成不相同錐形表面的加工。該工件本身是不能用倒角設(shè)備（刀具）加工的。將工件放入加工中心機床（Vs 車床），額外的行程可以允許實現(xiàn)加工該工件的三處凸出處，而無需重新裝卡。內(nèi)圓處的鍵槽可以直接加工，無需變動轉(zhuǎn)動軸的方向。相對于中心和垂直的定位精度得以大幅提高。
3. Tool Center Point Control,Tilted Work Plain Command刀具中心點控制 (TCP)，傾斜面加工指令 (TWP)
使用5軸加工中心（5軸聯(lián)動或3+2軸）加工時，如果利用TCP，TWP的功能，則可以另得您能夠使用各類5軸加工中心、多種多樣的刀具來加工各種不同形狀的工件。而且，即便加工切削條件有些變化，其加工程序的修改也相對簡單。利用了這些5軸控制功能，則需要用CAM來重新編輯程序的時間大幅減少，如此可以提高生產(chǎn)效率 [5]。TCP功能令圖形（輪廓）編程變得可能，傳統(tǒng)做法是必須分成細(xì)小線段，利用相同的概念即一根軸正交（獨立）于3軸，如直線插補，圓形插補，及其他。在此案例中，工件是裝卡在轉(zhuǎn)盤中心的，如果我們利用TCP，TWP,則即便工件是偏離中心的，我們?nèi)耘f可以實現(xiàn)加工（將計算出偏離于實際中心的數(shù)值設(shè)入?yún)?shù)中）。通過此方法，不論工件裝卡在何處，我們我們都可以用相同的程序。然而，如果因室溫變化或長時間連續(xù)加工導(dǎo)致參考點變化,則加工精度會明顯變差。在北村公司，即便是再小的機床，如在此介紹的機型，所有安裝結(jié)合接觸面都采用精湛的手工刮研工藝。所有北村的機床都可實現(xiàn)并保持長期的超高精度，這是基于手工刮研工藝所確保的垂直度和平行度(圖4)。北村機床還標(biāo)配有 “智能高級熱位移自動補償功能” (IAC,取得專利于2001年) (圖5, 6, 7)，機床內(nèi)部裝有溫感應(yīng)裝置，工廠環(huán)境溫度變化導(dǎo)致的熱位移會通過補償（基于經(jīng)驗）至工件原點從而將此影響減少。最新的版本在環(huán)境溫度變化為+/- 5 °C范圍內(nèi)時，幾乎可以完全補償消除此類影響。
4. Conclusion結(jié)論
我在此所介紹的工件是一個極好的案例，即可以通過將多次裝卡工藝精簡為僅一次裝卡，我們可以減少設(shè)備投資和相關(guān)人員的工作量。圖1所示的工件是從胚料開始加工的，加工為成品僅需一次裝卡。其結(jié)果，于傳統(tǒng)加工方式即E DM加工相比，可以節(jié)省54小時。總體來說，EDM加工方式一直都被視為加工硬質(zhì)材料（molybdenum,Inconel, 及其他硬化材質(zhì)）的最高效方法。盡管E DM加工方式在量產(chǎn)時被普遍采用，但是像今天這樣的產(chǎn)品原型加工案例確并不適用。相比較之下，加工中心的節(jié)拍時間大為節(jié)省，可以體現(xiàn)其成本效率方面的明顯優(yōu)勢. 但是利用5軸加工中心加工如此堅硬材質(zhì)，機床本身必須要有極好的抗振性能，因此北村的 “Mytrunnion”系列采用的是硬軌技術(shù)，這在長時間連續(xù)無人加工時其優(yōu)勢顯著。并且，如果能夠?qū)崿F(xiàn)用5軸加工中心僅一次裝夾來完成生產(chǎn)數(shù)量不多，且復(fù)雜，多面的工件，也便于生產(chǎn)、交期，工藝管理。且針對更長時間的無人加工，多樣化產(chǎn)品加工，該機床可以加裝7或 21面的工作托盤單元。所以說5軸加工中心必須要有剛性。 首先，北村的“Mytrunnion”系列為旋轉(zhuǎn)工作臺在可傾耳軸上的款式，如此在工件平行或傾斜時可以改變傳達(dá)至工作臺的重量分配。尤其在如今，機床的加速度（加速及減速時）通常超過1G。如果機床結(jié)構(gòu)不能承受此速度，則高精機床亦根本無從談起。 其次，如果工件可以被傾斜，則可以令刀具可以更加地接近工件，如此可以使用更短的刀具加工，更短的刀具意味著可以改善加工條件（實現(xiàn)高速高進(jìn)給的切削）。但是機床必須要具備高剛性和好的吸震性能，否則難以改善加工表面的質(zhì)量。第三點，可以使用更短的刀具可以提高粗加工時的效率。如果機床的剛性無法滿足重切削的要求,機床會產(chǎn)生震動，加速刀具的損耗。這樣子的話，你就無法縮短粗加工的時間。綜上所訴，機床本身的剛性好，對5軸加工中心來講，有利于其實現(xiàn)高速、高精度的加工。為了充分發(fā)揮客戶所使用機床的性能，北村公司一直以來在制造機床時都不會忘記考慮到機床的操作者。北村公司始終認(rèn)為‘親近用戶’應(yīng)該是被最優(yōu)先考慮的，所以在開發(fā)最新款5軸加工中心時，北村公司非常重視如何最大限度地發(fā)揮、提升機床操作員的潛能和工作表現(xiàn)（具體的講，比如如果可以減少裝卡次數(shù)）。將來會有更多利用5軸加工中心來制造產(chǎn)品開發(fā)原型的情形發(fā)生，因為這類復(fù)雜的工件愈來愈少會被量產(chǎn)。目前使用5軸機床最為普遍的例子（行業(yè)）是航空業(yè)，該行業(yè)的所謂量產(chǎn)概念明顯不同于汽造業(yè)，一般僅為600件左右。因此，現(xiàn)今的利用5軸加工中心來做產(chǎn)品原型制造加工的趨勢將變得愈發(fā)普遍。
References參考書目
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[2] A. Kitamura, M. Anzai, I. Takahashi, Y. Takeuchi:Development of Movable Machine Tool with Multi Spindle andAxis (Development of Control Software for Multi Spindles andAxes), Transactions of the Japan Society of Mechanical Engineers,Vol.72, No.721 C (2006) 354-359. (in Japanese)
[3] A. Kitamura, I. Takahashi, M. Anzai, Y. Takeuchi:Development of Movable Machine Tool with Multi Spindle andAxis (Development of Machining Accuracy in Simultaneous MultiSpidle Machining), Transactions of the Japan Society of MechanicalEngineers, Vol.74, No.740 C (2008) 239-244. (in Japanese)
[4] A. Kitamura, I. Takahashi, M. Anzai, Y. Takeuchi:Development of Die Mold Processing Machine with Multi-Spindleand Axes, Int. Journal of Automation Tech., Fuji Tech. Press, Vol.1,No.2 (2007.11) 94-102.
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