磨削代替车削的新工艺

　　压缩机制造商FS-Elliott公司的专用叶轮外形一直存在着一个棘手的加工问题。现在，这类部件再也不需要采用过去常用的石蜡填充式车削加工方法了。

　　中国制造的产品对位于匹兹堡地区的FS-Elliott公司的生产工厂产生了很大影响。由于海外生产的迅速增长，这里的工厂发生了很大的变化，很多制造商的业务都在蓬勃发展之中。FS-Elliott公司生产的产品大约有95%向外出口，其中的75%直接销往中国。

　　该公司制造工业用空压机，其中包括通过工厂范围内的系统向车间输送空气的大型压缩机。随着各种类型的新生产工厂在世界各地的开放，FS-Elliott公司的压缩机产品也开始被广为知晓。

　　这类压缩机很少有现货供应。提供一套复杂的压缩机系统，意味着需要在特定的电力条件下，保证客户能够获得多少压缩空气。为了实现这些承诺，FS-Elliott公司需要对系统实行用户化改造，一般来说，这意味着需要仔细地按照事先设计好的专用轮廓，来加工压缩机的叶轮。

图1 图示为所要加工的叶轮的范围大小，新的磨床用于这一范围内的叶片的定制化研磨

　　在过去，这些专用叶轮的轮廓需要通过车削的方法进行加工。采用这种方法加工，车刀会陆续撞击到叶轮的叶片上，可以想象，这种切削好像是最极端的中断式切削加工。即使这样，可编程运动和数控车床X-Z轴的较大行程还是为获得精密的外径形状提供了一种有效的方法。为了克服中断式切削现象，首先在叶轮中间充满石蜡，使它在车削加工时犹如一个实心的圆柱形工件。在加工完以后，再将石蜡从叶轮中熔化出去。这种工艺看起来不太干净，但加工十分有效。

　　为什么工厂最近采用了一种新的工艺，部分原因在于石蜡工艺不太干净。但石蜡对环境会产生影响只是FS-Elliott公司采用新工艺的部分原因，FS-Elliott公司主要是想在老方法的基础上，以更多的方式创造清洁的环境。这还要归功于Max-Tek Superabrasive Machines公司提供的一台具有与车床差不多的行程和编程功能的磨床。现在该工厂通过磨削工艺代替车削工艺来加工生产叶轮的轮廓，不再采用石蜡填充工艺进行加工，因此所需的加工时间也比较少。现在，这一工艺的加工速度很快，工厂已无法使这台新磨床保持繁忙的工作状态。

图2 以前采用石蜡填充和固定叶片以便于车削加工

　　虽然从车削加工转移到磨削加工使核心元件的制作方式发生了根本性的变化，但FS-Elliott公司采用新生产工艺的意义远远超越了这一变化。即使是工厂里的雇员，现在几乎全都是新面孔。2004年，该公司让其所有的生产人员离职，工厂重新雇佣了约110名新员工。

实现了自力更生

　　生产经理William Turek先生雇佣了一批新员工是由于FS-Elliott公司所有权的转变而造成的。由于劳资协议的关系，工厂的雇员仍依附于公司以前的老板。第一年，在新的所有制条件下，FS-Elliott公司从以前的老板那里租借了现有的这一批工人。这种安排是不可能持久的，最终，新的老板也在这个方面下决心做了一个果断的决定。对于Turek先生而言，他亲眼看到了工作人员的重大变迁，这确实是一个充满挑战的时代。他看到了很多有经验的老师傅走出了这一公司的大门，但新的开始也意味着一个巨大的机遇。他可以自由地实施全新的工艺和生产过程，再也不需要重新培训现有的雇员，也不需要进行逐步的改革。以磨削代替车削就是一个很好的例子。重大的变化涉及到工厂布局的重新配置，还得重新思考如何使用该公司的各种大型加工中心。此外，工厂开始承接原先由外协工厂加工的生产任务，即从叶轮的“毛坯件”开始加工。

图3 石蜡填充的加工方式使车床每隔四五周就要进行彻底检修和清洗

　　根据不同的尺寸，叶轮毛坯可以选择铸件或5轴加工的方式来进行制造。过去，这类机加工作业由宾西法尼亚州Export地区周围的一些专门从事5轴加工供货商承担。现在，大部分机加工作业由该工厂自己承担。这里最新购置的机床要数Hemle公司的5轴加工中心了。

　　Turek先生说，我们内部具备这一加工能力以后，使工厂更加灵活了。即使要在最后一分钟更改设计也要比过去容易得多了。

　　更好的是，通过自力更生、内部解决问题的方法使工厂抵御外部竞争的能力增强。他说：“如果一个竞争对手终止购买作为我们主要业务的5轴加工产品，我们将怎么办呢？”但具备了目前这样巨大的生产能力，情况就完全不一样了，这种能力谁都无法替代。

无石蜡加工

　　在这些零件中，定制化的外形轮廓加工是比较靠后的一个加工项目。现在，这一工件已采用磨削加工代替以前的车削加工，因此，过去因石蜡工艺所造成的许多问题已不复存在了。其中一个问题就是对环境的影响，这也是一个主要问题。车床必须每隔4~5周大修一次，进行全面清洗。而且，加工完的叶轮也必须进行彻底的清洗，因为单靠熔化石蜡还是不够的，无法将石蜡全面清除。如果在零件上遗留少量的石蜡，也会造成叶轮质量检测的失败，影响其荧光渗透试验，因为石蜡会显示出一种裂缝。由于需要仔细地清洁，因此石蜡加工工艺已成为一个非常耗时的复杂工艺。

　　采用磨削工艺就解决了所有这些问题。因为砂轮的体积较大，不用担心中断切削的现象，叶片之间不需要用石蜡填充支持。但在某种情况下，新的机床也会产生一个新的问题，不过Turek先生也已经将这个问题转化为一个新的机遇。

　　这个问题与检验有关。每个叶轮的叶片数量都是一个奇数。这也就是说，叶轮在其外形轮廓上没有实体“直径”。而填充石蜡以后的叶轮在加工完以后是一个光滑的圆柱体，因此车间可以很方便地用一个千分表测量加工后的零件外径。现在，没有石蜡作为填充料，那么工厂如何测量这类零件呢？

　　为了能够继续推动工厂现在所做的一切工作，Turek先生选择了一种特殊的解决方法。他购置了一台移动式坐标测量机，该机带有Faro测量臂。这不只是因为它可以直接测量不需要任何石蜡作为填充剂的零件（有了石蜡测量更为容易些），而是因为他想要为公司增添一台在室内使用的这种测量装置。他深知这种测量仪器具有很多不同的功能，测量效果极好，很容易收回成本。然而，他首先要使这台测量仪成为车间测量零件的标准工艺，迫使雇员们使用这一仪器，并逐渐养成他们使用该仪器的习惯。

　　现在，加工完的叶轮绝大部分细节都采用Faro测量臂检测，而不是用千分表之类的测量工具。此外，这一测量装置也被应用于零件的装卡调试，由此也加快了这一零件装卡工艺的速度。现在操作员应用这一测量臂可以快速地确定每一个工件是否已经在磨床上正确就位。

准备和等待

　　现在，叶轮外形轮廓的加工已成为一个非常快速的操作过程。其速度之快不只是因为不再使用石蜡而减少了工序，而是因为原始加工周期缩短。Turek先生说，零件过去采用车削加工可能需要长达7h或8h的时间，而现在采用磨削加工，只需要25min的时间。

　　加工速度如此明显的提高，导致这一繁忙的工厂再也看不到过去所常见的繁忙情景了——机床处于待工的状态。

　　事实上，磨床很多时间都处于待工待料的状态，好像它根本就不需要雇佣一名专职操作员。在本文页面照片上出现的那位操作员Matt Fulton先生，实际上将其大部分时间都花在了卧式加工中心的管理上。操作这一特殊的磨床像操作一台车床那样就足够了，不需要专门的培训和专业化的操作员。

　　一切情况都很理想，新的工艺可以快速地加工叶轮，没有足够的工作量可填补整个班次的工作。因此，该工厂在这台机床上采用了一种不同于其他机床所使用的工作流动战略。在这台机床上，允许工作堆积。

　　那就是说，为了有效地使用这台磨床，该工厂至少要等待三四个不同的叶轮累积在一起。操作员在这台机床前，很快地加工完这一批工件，然后离开这一机床，再回到其他机床上从事其他的工作。

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