高效率的单主轴机床

　　在生产车间普遍使用多主轴龙门式铣床加工，算是飞机制造业的一大特征,它能一次加工3-5个铝合金零件。有时，在零件成批量地按工艺进行机加、装配、验收和出厂或存库等自动流程生产线中，也用于在一个机床上进行粗加工，在另一个机床上进行精加工。精加工之后还要对零件进行大量手工操作等后工序加工。

　　但现在，大多数飞机制造厂再也不喜欢使用多主轴龙门式铣床了。 他们都愿意使用在密苏里州圣路易斯市GKN飞机制造厂看到的能在较高的主轴转速、大进给量条件下加工的大型单主轴机床。它将成为大型铝合金零件的主要加工设备。因为以后的发展是单个零件的生产已经很大程度上代替了批量生产，手工操作正逐步消失。

　　几年前，在Boeing 公司与McDonnell Douglas公司合并后，GKN飞机制造厂就变成了Boeing 公司的一部分。当时，他们都还使用多主轴龙门式铣床。价格昂贵的铝合金小批量生产的机身零件，需要经过多次长距离搬运到几个车间才能完成全部加工，一直如此，也没有觉得有什么不好。

　　2001年1月工厂购买了一台单主轴高速机床，使工厂出现了新的面貌。GKN飞机制造厂也成了GKN公司的一部分。GKN公司是一个能为全球的汽车厂商提供零部件和为航空公司提供先进复合材料、高性能耐热合金零部件的跨国公司。在这个公司里，GKN飞机制造厂成了对空中客车、Boeing、Lockheed-Martin
和几家喷气式发动机制造公司的主要承包商。在位于圣路易斯的工厂之后，GKN成为波音军用飞机和导弹系统集团的主要战略合作伙伴。 GKN飞机制造厂的总部同时也建立在了圣路易斯。

　　转变阶段

　　“在对新设备的使用和研究过程中，我们公司认识到工厂内的许多设备在技术上都已经过时了”在圣路易斯的COO和经理Mike Beck说，“我们经历了从一个来料加工的小厂转变成一个生产多品种小批量世界一流先进高技术公司的过渡阶段。”

　　这个转变是需要的，因为航空工业从总体上讲也在转变过渡中。 军用和民用飞机，都以小批量生产为主。从零件结构设计上也是由简单小零件趋向于大型和复杂结构的集成型发展，而取消小型零件的装配程序和昂贵的手工操作。零件的制造公差要求也越来越严，加工零件的几何形状精度和表面粗糙度也向更高精度要求。

　　这一切都促使飞机制造厂采用先进的精益制造技术。GKN飞机制造厂是一家使用精益制造技术比较好的典型企业。精益制造是一项通过使用各种先进技术，去除浪费时间、浪费运动(指零件搬运)和浪费材料的工作程序的生产策略。作为生产策略，精益生产强调生产过程中的优化工作流程和最小限度的工作量。
“我们希望能够以确切的数量和在准确的时间内完成生产任务，即进行短周期生产，无库存生产和零库存等的及时和经济生产。”公司副总裁和金属结构部经理Steve Pickett说。

　　就在我们推行精益生产的过程中，工厂还有50多台三主轴龙门式铣床在使用着。它们代表了铝合金加工的主体和实力的体现。但是很清楚的是这些机床不再适合于小批量多品种的生产策略。

　　根据Pickett先生介绍，公司为金属结构部启用资金现代化投资程序迅速对以上状态作出反应，计划在三年内投资$1700万。用以购买新机床，改进零散的旧生产方式为柔性制造单元。使零件能在一个工作场地加工成型。减少或取消零件的多次搬运、装夹、调试和等待时间。

　　这一现代化投资程序的核心是购买了三台由位于加拿大安大略湖畔的 Henri Linè 生产的Powermill系列高速5轴加工机床。 两台立式机床分别在2002年6月和11月安装，一台卧式机床在2004年初安装使用。

　　单主轴胜过三主轴

　　立式机床对加工过程的影响很大。 使用两台单主轴立式机床加工的产量相当于使用五台三主轴机床，Pickett先生说。 由于它具有大功率、高切削速度、五轴加工的高柔性和高效率装夹等优点，所以具有很强的市场竞争力。

　　机床的X和Y轴设计成由90 hp的直线电机驱动，能在加工铝合金时达到25.4m/min的最大进给速度。主轴最高转速为24,000 r/min。机床配备有HSK63-A型快换刀具夹头。

　　“我们现在使用单主轴机床，在相同的加工时间内加工铝合金零件，与使用三主轴机床相比，可四倍以上地提高生产效率。”Pickett先生说。 在加工时间上，据Pickett先生介绍，加工一个大型的飞机机身零件，在三主轴机床上需用72个小时，现在仅12个小时就能完成。

　　新的机床有宽为3657.6mm，长是18288mm的工作区域。 虽然三主轴机床也有这样大工作区域，但不如单主轴机床能更有效利用这一工作空间。例如，为了同时使用三个主轴，工作区域必须被分为三个比较狭窄的平行部分。这将使大型形状复杂零件的多次装夹受到影响，并使并排装夹着的零件因主轴达不到而无法加工。GKN航空制造厂通过采用在铝板上嵌置多个零件，采取在多位夹具上装夹多个零件和分左右侧面加工等方式，充足利用新机床床身整个长宽面积，给零件的高效率加工带来了方便。

　　刀具的使用方面也比三主轴机床高效、方便：(一)新机床装备有自动换刀系统，而三主轴机床还需由人工在三个主轴上装卸刀具。(二)单主轴机床只使用一把加工精良的刀具，而三主轴机床，为保证加工一致，需准备三把需经仔细匹配好的刀具。这样，单主轴机床的刀具费用减少，刀具准备程序简单。

　　当然，因为新机床是为高速加工设计的，所以必须将高精度硬质合金刀具装入平衡过的刀柄内使用。“这些刀具的同轴度很高，因而能加工出更好的零件表面粗糙度。”Pickett先生说。

　　零件的装夹次数的减少也是单主轴机床能实现高效率加工的一个最重要原因，这也是很好执行制造策略的最基本要求和进行精益生产的必须具备的条件。因为新机床所具有高速与大功率特点，通常要求粗、精加工在一次装夹中完成。机床的5轴加工能力表现在能使刀具倾斜20-25°，对零件中的斜孔和斜面进行加工的能力。这就取消了在三主轴机床上加工，需要进行多次装夹零件的麻烦。单主轴机床还设计了经齿轮传动的能从立式状态倾斜100°的可摆动式主轴。所以是加工飞机机身零件上扇状槽型轮廓和侧面立体空间(斜)孔的最佳解决方案。

　　单主轴机床装备有GE-Fanuc 150i CNC系统。 这些控制器是用以高速处理高速加工过程遇到的所有技术难题。“我们确实看见了刀具在高速进给加工中聪明地实行加/减速度，高精度加工过渡圆弧的精彩场面和从中获得利益。”Pickett先生说。

　　因为，在由铝合金制成的许多飞机零件中，包括有无数大小型腔的薄壁零件。能光滑地处理和加工出过渡圆弧半径是装备有GE-Fanuc 150i CNC系统的单主轴高速机床的最大优势。

　　据Pickett先生透露，GKN飞机制造厂与IMTA公司(位于伊利诺斯州的Rockford，Henri Linè公司的设计、销售与安装公司)一道，设计开发出具有独特风格的新的型腔结构技术。新的型腔结构零件避免了在高速切削中加工内圆弧，极大地延长刀具使用寿命。另一个更能发挥高速加工优势的独树一帜的技术是不需要放任何支撑材料，就能加工出壁厚为1mm的薄壁零件。两种新技术都具有能使零件加工中不用人工参与，不使零件产生变形和获得低的表面粗糙度等优点。

　　设备改造

　　除能进行高速切削之外，5轴加工也能在加工铝合金金零件中极大地减少加工时间，提高机床的加工能力。公司还改进了多台三主轴机床,主要用于加工钛合金，同时减轻了现有设备的工作压力。

　　2004年有4台三主轴机床将用大功率主轴、新型CNC系统和伺服系统进行改造。改造后机床虽然能在钛合金加工中提高生产效率，但还不能与单主轴机床的功率和速度相比。“这确实是一项需要认真处理的经济性决策。”Pickett先生解释，“这些机床的改造调用了一部份购买新设备的经费。”

　　根据新产品开发和正在生产中钛合金零件加工的批量大小，在明年将继续对其余的机床进行改造。将工厂从单主轴机床学习的经验运用于改造的三主轴机床上加工钛合金零件。例如，尽管这些机床的三主轴加工功能已不再占有优势，Pickett先生说，“如果有很多零件需要加工，而且零件形状不是很复杂，我们也可以象在单主轴机床上一样地使用三主轴机床。”

　　卧式加工中心

　　由Henri Linè公司生产的第三台Powermill系列高速5轴加工机床是一台卧式加工中心。 它装备两个可以卧式定位，可承重载的液压驱动工作台，用以加工大型零件。当工作台处于垂直的吊挂状态时，工作台就象一扇锁紧的大门，将机床封闭一处进行加工。

　　为提高加工效率，卧式加工中心配备有能防止高压冷却液喷溅的喷溅遏制器，因此能使用高压、大流量的冷却液，顺利排屑和降低切削温度。由于机床配置了好的切屑管理系统和冷却液系统，所以主要用于加工结构上有较深型腔的形状复杂的航空零件，并比立式加工中心提高20-30%的生产效率。

　　采用精益生产

　　当Pickett先生和金属结构部成员并没有把成功只局限于新的加工技术上。 为能保持高速、5轴加工始终具有较强的竞争优势，还必须将它应用到工厂更多的生产设备上去。

　　Pickett先生认为公司已取得的最明显的收获就是将以上新技术应用于到精益生产中。“你们可以使用柔性制造系统、kanban系统、单件生产流程和其它先进技术。精益生产的本质在于创造一个允许操作者和管理人员发表意见参加管理的环境。”

　　“对于精益生产，我们的方针是向操作者宣传如何使用这门新兴技术和接受他们提出的好建议。”Pickett先生说， 同时，我们对急于要看到精益生产效果的部分管理人员要有耐心，在这一转变可能给工厂和每个人带来好的经济效益同时，还要考虑在机床上安装应急传感器等，把具体工作做好，以保证高效率高质量地生产。

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