|
大多数加工车间先是设计一个零件，然后再找一台能够加工这一零件的机床。然而，Sikorsky公司在创建其新的精密元件加工技术中心的时候，它采用了与此相反的方式。
Sikorsky Aircraft飞机公司在最近的一个产品开发项目上采取了一种不寻常的不同方法。该公司首先在市场上物色现有机床的加工能力，而不是先确定零件的设计和加工工艺，然后根据相应的具体情况，再完成零件的设计。这种方法称为可生产性设计（DFM）概念上的一个新的转折点。
事实上，这种方法可确保所设计的零件可以顺利地加工处理。然而，要颠覆先设计零件、后匹配机床的次序是并不简单的。例如，Sikorsky公司不得不重新考虑如何与机床制造商合作的问题。在这种情况下，只有Mitsui Seiki（三井精机）愿意与其合作，与Sikorsky公司一起解决其技术上存在的任何局限性问题。
Sikorsky公司3台新型5轴三井精机加工中心中最大的一台机床现正用于生产其从未设计过的两个最大、最复杂的钛合金元件。一个是直径为66in（1in=25.4mm）的主转子中心体，其加工前的重量达2450lb（1lb=0.454kg）。再加上卡具，其总重量超过了10000lb。另一个是直径为78in的旋转斜盘，其加工前的重量为1450lb。加工这种尺寸的钛合金工件，高扭矩主轴是必不可少的。一种1900mm的工作台，是专门为这一应用领域而设计的，它在卡具的设计和刚性方面也有很大的不同。 （图片）
图1 这是直径为66in的主转子中心体的半成品，安装在其最大一台5轴加工中心托盘底板上的卡具上准备进一步加工 当该项目推出时，我们对所需的最佳机床已经有了大致的了解，但当我们获取了机床特点的详细信息以后，我们就能够使用最佳的刀具、开发正确的工件卡具和设计适当的设置程序，”Sikorsky公司的新产品开发部经理Brian DeBlasi先生说。
“同样，每一零件几何图形的设计，围绕着该零件如何在5轴加工中心上加工的问题进行考虑。这是在转子头设计最终完成之前的一种长远看法，这是在个别零件几何形状最终确定之前很久以前的事情。如果我们没有搞清这些机床能够加工什么零件，那么这些工程和加工步骤也不会有什么直观的效果” Brian DeBlasi经理说道。
Mark Tuscano先生是Sikorsky公司团队中的一名工艺工程师，他发表了另外一种观点：“我们购置了一种新的机床，但我们围绕该工艺制订的新方法是为了我们能够在将来其他的项目上复制使用。这种方法就是我们的特点，或是我们新精密元件加工技术中心的特点。”（图片）
图2 Sikorsky公司的精密元件加工技术中心实际上是一套柔性生产系统，目前由一台VTL立式转塔车床、一台2000mm的5轴加工中心、两台1200mm的5轴加工中心和一套自动托盘装卸系统组成 空中飞舞的几何图形
Sikorsky公司需要对初步的数据迅速地作出反应，因为它是新型飞机的独家开发商。设计团队不失时机地为几种主转子头概念制作了模型。“我想到的是一个巨大的油炸面包圈。”DeBlasi先生说。
DeBlasi先生与Tuscano先生开始进一步探讨该项目的发展前途。然而，他们却被告知，没有一台合适的机床具有理想的尺寸和能力来承担全系列转子头零件的生产任务。
尽管缺少几何图形的细节，但DeBlasi先生和他的团队知道他们需要一台配有高扭矩主轴的5轴机床，应具有加工复杂几何形状和坚硬材料的能力，应能承受巨大的重量和保持严格的公差尺寸。“我们对加工能力作了分析，所以我们知道最初我们需要3台机床，然后又添置了两台。”Tuscano先生说。
在这一点上，很显然对于DeBlasi先生、Tuscano先生和高级项目工程师Ken Catino先生来说，他们本质上需要的是一套柔性生产系统（FMS）。
“我们在这里所谈论的不再是一台机床，而是工厂内的一个真正的微型工厂，”Tuscano先生说，“我们将报过价的所有机床制造商放在一起，然后将范围缩小到两类加工设备—5轴加工中心和立式转塔车床”。
Tuscano先生说，对于5轴加工中心而言，Mitsui Seiki（三井精机）公司被列入到这一短短的名单之中，因为该公司的机床，在加工精度、钛合金的加工经验、其产品系列的加工能力及其机床制造中的独特工程设计方法等方面都很有名气。
动力和合作
当DeBlasi先生、Tuscano先生和Catino先生与制造商的工作组会面时，他们知道了更多有关机床的知识，例如，机床必须具有足够的刚性，才能始终如一地承受强力切削的负荷，从而保持批量生产的加工精度。此外，机床必须配置合适功率和扭矩的主轴以及驱动丝杠的大型伺服电机。
对于3台机床中最大一台机床的规格，随后由制造商提出建议，其中包括2000mm×1750mm×1400mm的X、Y、Z工作区，以适应旋转斜盘的加工；一个专用A轴托盘工作台，其可倾斜角度范围为20°～-110°，递增量为0.001°；以及一根以0.001°旋转递增的B轴；一套特定的50号锥度主轴，其转速范围为15～6000r/min，由一台37kW/30kW电机驱动。这一主轴的关键额定扭矩为3332Nm。为了提高刀柄和主轴头之间的连接刚性，该机床还将包括一个BigPlus双接触主轴接口。Sikorsky公司指定由制造商提供自动换刀系统，该系统可储存360把刀具，每把刀具重达30kg，刀具长度在650mm范围之内。
当Mitsui Seiki公司获悉，加工前的主转子中心体与卡具的总重接近10000lb时，制造商对工作台处于-90°位置时的一个0.006in轴承垂度同样表示关注。Mitsui Seiki公司的工程师们设计了特殊的、直径为1900mm的托盘工作台，它可用作卡具的底座，以满足两个主转子中心体粗加工操作的要求。“将卡具和工作台整合在一起是一个创举，它可使我们能够在那台机床上加工大型转子件。”Tuscano先生说。（图片）
图3 图中所示的主转子轴套正夹持在卡具上进行打毛刺操作，为了减轻其重量，该工件经过重新设计，成为现在的一个单体零件。即使是更复杂的配置，仍然可以在5轴加工中心上加工生产 DeBlasi先生指出，包括执行FMS系统任务的所有各方都愿意互相学习。Mitsui Seiki公司和VTL立式转塔车床供应商菲尼克斯公司，都成了工程风险合作体的一个部分。“我们所有的工具设计和计划安排工作都围绕5轴加工中心而开展。我们认为这就是该工艺及其获得成功的核心。”DeBlasi先生说。
精密元件加工技术中心的诞生
DeBlasi先生、Tuscano先生和Catino先生将该案例提交给了管理层作资本费用预算。最终，管理层批准了最初的一笔2000万美元投资，其中包括在工厂内重建一个20000ft2（1ft2=0.093m2）面积的厂房。他们将这一加工区域称作“精密元件加工技术中心”。
该中心的主要生产资源有以下各部分组成：一台由菲尼克斯公司提供的VTL立式转塔车床，配有第二套滑枕。它采用了一个90in的工作台、一套BigPlus 50-hp CAT50型铣削加工主轴和一套五工位托盘池；配置1900mm托盘的一台5轴加工中心；配置1200mm托盘的两台5轴加工中心；工件装卸站；两套Fastems公司的自动托盘搬运系统，为加工中心提供服务。为中型加工中心配置的42个托盘，以及为大型加工中心配置的24个托盘，这是迄今为止的第二大装置。
设计初步成型
当机床正在生产制造和工厂的老生产区正在改建翻新的时候，该工作团队最终确定了零件的几何形状；卡具的设计；工艺流程图；加工软件和自动化软件程序；以及材料的搬运处理程序。新元件的加工工艺一旦确立之后，其他生产制造方面的问题可以相应地作出微调。工艺工程师们审核了零件的CATIA实体模型，并研究了相应的加工操作，同时完成了零件几何形状相关的设计细节工作。
然而，根据对转子头零件初步设计的分析表明，整个组装件的毛重将会超量，除非作出必要的改变。该设计团队考虑到了如何减轻重量的方法。他们认识到，对于一个转子头这样的组装件，最简单的方法之一是：将多个元件组合成一个单一独立配置的结构件，并去除紧固件。
起初，某些所建议的独立组合件涉及到主转子轴套、阻尼器支架和俯仰角组件，由于它们太复杂而无法加工，因此被淘汰出局。然而，通过将这些元件组合在一起，Sikorsky公司的工程师们就可以去除零件的螺栓连接件，从而可减少大量的组装硬件并减轻重量。
幸运的是，采用加工中心的5轴加工能力，加工新的组合件就不存在任何问题了。“工艺—指南选项是一个如何了解机床能够做什么的很好例子，”DeBlasi先生说。“主转子中心体则是另一个很好的例子。我们能够去除隐窝中几个加工步骤，在这种情况下，可使其加工更加简单。”
所以问题就这样解决了。该团队系统地分析了每个零件的可制造性，并根据工艺知识调整了设计。同样，该团队也根据工艺来设计卡具，以避免其间隙问题，最大程度地提高卡具的夹紧效果。
随后，卡具设计人员根据演示图版来设计卡具，以适应工艺中的每一步骤。“他们的指令很简单，但任务非常复杂。我要求他们建造一套能够夹持工件的卡具，而且要使其表面易于接近，以便于加工。”Tuscano先生说。
零件在通过FMS柔性生产系统的加工过程中，其每项加工操作都需要不同的卡具，或需要在同一卡具中将零件翻转。除了达到必要的精度，卡具的设计将集成液压心轴组合在一起，以确保零件的位置处于每个后续操作的中心。在装载过程中，心轴可提高重复精度，并可提供额外的动力，从而充分利用较少的夹紧装置，为加工生产创造更大的可接近性。（图片）
The main rotor sleeve, shown here fixtured for a deburring operation, was redesigned as a monolithic part to reduce weight. The more complex configuration is still producible on a five-axis machine. 实际运行中的FMS柔性生产系统
主转子中心体的加工过程可作为FMS柔性生产系统如何操作运行的一个实例。对中心体锻件的第一个操作是在VTL立式转塔车床上执行的，其中该零件的两侧采用粗车削加工，而某些平面则采用铣削加工。铣削加工的平面是合格的，正如中心孔直径那样。这些加工步骤可使零件初步成形。下一步是将零件转移到大型加工中心上加工，它可铣削加工掉总计1053lp的材料，从而在零件上形成各种隐窝和臂形轮廓。然后工件返回到VTL立式转塔车床上，对其内径和臂部进行最后的车削加工。然后，它返回到加工中心进行精加工作业。
在这个阶段将会碰到最关键的公差尺寸问题。按照中心体NC数控编程员Doug Ventimiglia先生的说法，该车间可将其平行度保持在0.005in范围之内，直径公差达到0.002in，距离真实位置的误差为0.005in。“更重要的是我们还注意到广泛地应用可生产性设计技术，最大限度地减少对精密公差尺寸工件的要求。我们这样做的主要目的是为了减少对工作人员的压力，而不是对机床的压力。机床是可以日夜工作的。事实上，我们经常超过了规定的公差，因为这是生产工艺造成的结果。”Ventimiglia先生说。
所有的机床都具有复位功能，可通过与托盘传送站紧密连接在一起的专用零件装卸站，达到这一目的。这意味着卡具和零件在专用装卸站进行装卸作业的时候，机床仍然可以运行工作，从而可最大程度地提高其生产率。
展望未来
2011年2月，该中心生产了按照最终主转子中心体设计图运行的第一个样品。工作团队为这个精密元件加工技术中心而感到自豪，因为它代表了公司的未来。该团队的成员们确信，公司将更健康的发展，因为其专有技术和知识产权将得到永久性的保护。对维护关键专有技术的所有权再一次作出承诺，意味着他们从字面上完全理解这些零件的每一个细节，并对如何制造这些零件了如指掌。
5/24/2012
| 
