雷尼紹助力精密數(shù)控加工工廠將鋁制熔模鑄件的加工效率提高80%以上
2022-7-13 來(lái)源：雷尼紹 作者：-
幾年前，由于油氣行業(yè)不景氣，位于猶他州奧格登市的LeanWerks公司不得不向其他行業(yè)拓展業(yè)務(wù)，包括航空航天和高速自動(dòng)化行業(yè)，以建立更均衡的客戶(hù)群和更穩(wěn)定的工作流程。這家代工工廠現(xiàn)已獲得AS9100C航空航天標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證，同時(shí)也開(kāi)始對(duì)其現(xiàn)有的部分加工設(shè)備進(jìn)行改造，以更好地滿足新涉足行業(yè)的加工要求。
背景
LeanWerks總裁兼聯(lián)合創(chuàng)始人Reid Leland舉了一個(gè)例子：用于制造噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)燃油濾清器外殼的鋁制熔模鑄件。在LeanWerks最初接觸到這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，他們的客戶(hù)（一家航空航天零部件鑄造廠）的生產(chǎn)進(jìn)度已經(jīng)落后于交付計(jì)劃將近一年，原因是內(nèi)部加工過(guò)程太慢，導(dǎo)致生產(chǎn)效率很低。結(jié)果造成這家鑄造廠的客戶(hù)（即安裝這款外殼制造噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的OEM）對(duì)他們失去耐心，而且這項(xiàng)作業(yè)的延誤還導(dǎo)致其他訂單被迫積壓，令其他客戶(hù)頗有微詞。因此，為了減輕內(nèi)部加工資源的負(fù)擔(dān)，該鑄造廠找到LeanWerks，希望他們承接這種鑄件的加工作業(yè)。
挑戰(zhàn)
相比其他鑄造工藝，熔模鑄件具有形狀復(fù)雜但尺寸精度高的優(yōu)點(diǎn)，因此許多工程師在其工件設(shè)計(jì)中指定使用熔模鑄件；但是，這些鑄件仍需要經(jīng)過(guò)精加工才能實(shí)現(xiàn)精確的裝配，以達(dá)到產(chǎn)品功能的高性能要求。
然而，由于這類(lèi)毛胚鑄件復(fù)雜各異，而且相關(guān)的工件夾持要求比較棘手，因此有些工廠不愿承接此類(lèi)加工作業(yè)。
比如說(shuō)，燃油濾清器外殼需要多項(xiàng)加工操作，包括深孔銑削、鏜削、端面銑削、鉆孔、攻絲、內(nèi)徑開(kāi)槽和3D輪廓加工。起初，LeanWerks認(rèn)為可以先在三軸銑床上進(jìn)行幾次設(shè)定，然后在車(chē)削中心上進(jìn)行一次設(shè)定，通過(guò)這種方法完成這項(xiàng)作業(yè)。但是后來(lái)他們發(fā)現(xiàn)這種方法并不理想，因?yàn)樵诙啻卧O(shè)定之后，工件的復(fù)雜基準(zhǔn)設(shè)計(jì)的嚴(yán)苛位置公差要求將難以滿足。
LeanWerks轉(zhuǎn)而考慮如何充分利用現(xiàn)有的Mazak Integrex i200S車(chē)銑復(fù)合機(jī)床的銑削能力，以盡可能減少在加工過(guò)程中接觸工件的次數(shù)。該工廠過(guò)去主要使用這臺(tái)機(jī)床來(lái)生產(chǎn)用于石油和天然氣行業(yè)的高壓泵送作業(yè)的錐形旋塞閥鑲套閥芯，用于諸如水力壓裂和連續(xù)油管等應(yīng)用。Integrex機(jī)床既可以車(chē)削工件的錐形外徑，又可以銑削工件內(nèi)部的斜向（或橫向）流道孔，因此非常適合加工閥門(mén)的鑲套閥芯。這臺(tái)機(jī)床還可以銑削在裝配時(shí)需要接合O型圈的孔，由于這些孔是錐形面，因此需要進(jìn)行五軸輪廓加工。
也就是說(shuō)，在車(chē)銑復(fù)合機(jī)床上加工燃油濾清器外殼時(shí)，雖然不需要車(chē)削操作，但也存在多項(xiàng)挑戰(zhàn)。例如，A356.0航空級(jí)鑄鋁的二氧化硅含量很高，切削難度大。
此外，這種鑄件的幾何形狀復(fù)雜，在各個(gè)表面上具有多個(gè)角度各異的特征（包括鑄件內(nèi)部13英寸深的底部有一個(gè)關(guān)鍵裝配特征），而且薄壁部位在加工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)問(wèn)題。再加上，這種工件具有公差要求嚴(yán)苛的復(fù)雜基準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，例如：某些寬距特征的位置度公差為0.25 mm，而其他窄距特征的尺寸公差為0.01 mm，位置度公差為0.05 mm。
解決方案
因此，LeanWerks采取了三大步驟，實(shí)現(xiàn)了在車(chē)銑復(fù)合機(jī)床上通過(guò)一次設(shè)定對(duì)熔模鑄件的五個(gè)面進(jìn)行高效加工。第一步是設(shè)計(jì)一款?yuàn)A具來(lái)固定鑄件，以便對(duì)工件的五個(gè)面進(jìn)行加工。這款?yuàn)A具的一個(gè)關(guān)鍵部分是支架，它與鑄件的主體接合，同時(shí)允許接近支架腿之間和旁邊的工件特征。為了將鑄件固定在支架上，LeanWerks在支架腿之間安裝了鏈條和滑輪機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)均勻夾緊。
由于車(chē)銑復(fù)合機(jī)床沒(méi)有足夠的Y軸行程可接近所有特征，因此LeanWerks在夾具中加入了一個(gè)Setco燕尾滑塊，使支架和工件能夠滑動(dòng)并在可接近的位置重新夾緊，而無(wú)需完全重新固定工件。為確保剛性，支架被安裝在鋼制底板上，并通過(guò)定位銷(xiāo)和焊接進(jìn)行加固。底板安裝在在燕尾滑塊的鞍座上，而滑塊底座安裝在機(jī)床現(xiàn)有的三爪卡盤(pán)的主爪上。
第二步是，該工廠集成了一套觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)量系統(tǒng)。由于每個(gè)毛胚鑄件的形狀略有不同，而且用于解決Y軸行程問(wèn)題的滑動(dòng)夾具會(huì)改變工件的位置，因此必須進(jìn)行觸發(fā)式測(cè)頭測(cè)量。通過(guò)測(cè)頭測(cè)量可精確地確定工件移位后的新位置，從而使后續(xù)刀具路徑與實(shí)際工件位置實(shí)現(xiàn)最佳擬合。
事實(shí)上，該工廠意識(shí)到，除了標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的測(cè)頭之外，他們還需要一個(gè)測(cè)量范圍加大的測(cè)頭，用于測(cè)量工件內(nèi)部深處的特征。由于車(chē)銑復(fù)合機(jī)床只有一個(gè)測(cè)頭測(cè)量通道，LeanWerks使用雷尼紹RMI-Q無(wú)線電接口對(duì)機(jī)床進(jìn)行了改造，并在主機(jī)控制面板中安裝了可編程邏輯控制器 (PLC) 卡來(lái)處理第二個(gè)測(cè)頭的信號(hào)。短測(cè)頭使用長(zhǎng)度為25 mm的測(cè)針，長(zhǎng)測(cè)頭使用安裝在200 mm加長(zhǎng)桿上的長(zhǎng)度為50 mm的測(cè)針。兩款測(cè)頭均使用雷尼紹RMP60測(cè)頭本體。
使用雷尼紹的Inspection Plus（增強(qiáng)型工件測(cè)量軟件）對(duì)測(cè)頭測(cè)量程序進(jìn)行編程，并將生成的代碼添加到機(jī)床程序的適當(dāng)位置。初始測(cè)頭測(cè)量程序在外殼腔內(nèi)的底部端口及外殼正面的開(kāi)口上采點(diǎn)，以確定工件的中心軸。測(cè)量的其他特征包括靠近表面的其中一個(gè)小端口，以確定工件的旋轉(zhuǎn)方向；以及主側(cè)法蘭的一個(gè)內(nèi)壁，以確定工件的Z軸位置。Mazak的工件位置誤差補(bǔ)償 (WPEC) 軟件模塊能夠利用初始測(cè)頭測(cè)量位置進(jìn)行計(jì)算，以檢查工件隨主軸分度運(yùn)動(dòng)后的真實(shí)位置偏差。在初始測(cè)頭測(cè)量程序之后，再執(zhí)行后續(xù)測(cè)量，以確認(rèn)相關(guān)特征和加工后表面的位置。
最后一步是，該工廠采用先進(jìn)的切削刀具技術(shù)對(duì)該工件和研磨鋁材料進(jìn)行深加工操作。在這項(xiàng)作業(yè)中，該工廠使用Rego-Fix公司的powRgrip刀具夾持系統(tǒng)。作為熱縮配合的替代方案，powRgrip是一種機(jī)械壓合系統(tǒng)，由刀架、精密夾套，以及一個(gè)用于將夾套和刀具插入刀架的緊湊型臺(tái)式液壓夾緊裝置組成。Rego-Fix稱(chēng)，該系統(tǒng)能夠產(chǎn)生高夾緊力，同時(shí)將總指示器讀數(shù)保持在小于0.0001英寸。該系統(tǒng)的剛性有助于提高刀具使用壽命和切削精度。
用于這項(xiàng)作業(yè)的切削刀具必須具有大正前角，以極高的速度運(yùn)行，且切深較小。LeanWerks選用的是Garr Alumistar立銑刀，以及一把帶有無(wú)涂層、高拋光、大正前角刀片的小型面銑刀。
LeanWerks還使用機(jī)外對(duì)刀裝置為這項(xiàng)作業(yè)進(jìn)行對(duì)刀。這項(xiàng)操作不僅可對(duì)刀具進(jìn)行外部對(duì)刀，更重要的是，還可檢查切削刃、驗(yàn)證成型刀具的形狀和測(cè)量跳動(dòng)度，從而協(xié)助校驗(yàn)和故障排除。
結(jié)果
LeanWerks開(kāi)發(fā)出在車(chē)銑復(fù)合機(jī)床上加工熔模鑄件的制程，將每個(gè)工件的加工效率從每件10小時(shí)提升到不到2小時(shí)。在此基礎(chǔ)上，該工廠還在探索更多方法，以提高現(xiàn)有的生產(chǎn)加工能力，向更多行業(yè)拓展業(yè)務(wù)。
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