雷尼紹助力精密數控（kòng）加工工廠將鋁製熔模鑄件的加工（gōng）效率提高80%以上
2022-7-13 來源：雷（léi）尼紹 作者：-
幾年前，由於油氣行（háng）業不景氣，位於猶他州奧格登市的LeanWerks公司不得不向其他行業拓展（zhǎn）業務（wù），包括航（háng）空航天和高速自動（dòng）化行業，以建立更均衡的客戶群和更穩定的工作流程。這家代工工廠現已獲得AS9100C航空航天標準認證，同時也開（kāi）始對其現有的部分加工（gōng）設備（bèi）進行改造（zào），以更好地滿足新涉足行（háng）業的加工要（yào）求。
背景
LeanWerks總裁兼聯合創始人Reid Leland舉了一個例子：用（yòng）於（yú）製造噴氣式（shì）發動（dòng）機燃油濾清器外殼的鋁製熔模鑄件（jiàn）。在LeanWerks最初接觸到這個項目時，他們的客戶（一家航空航天（tiān）零部件鑄造廠）的生產進度已經落後於交付計劃將近一年，原因是內部加工過（guò）程（chéng）太慢，導致生產效率很低。結果造成（chéng）這家鑄造廠（chǎng）的客戶（即安裝這款外殼製造噴氣式發動機的OEM）對（duì）他們失去耐心，而且這項作業的延（yán）誤還導致其（qí）他訂單被迫積壓，令（lìng）其（qí）他（tā）客戶頗有微詞。因此，為了減輕內部加工資源（yuán）的負擔，該鑄造廠找到（dào）LeanWerks，希望他們承接這種鑄件的加工作業。
挑戰
相比其他鑄造（zào）工藝，熔模鑄件具有形狀複雜但尺寸精度高的優點，因此（cǐ）許（xǔ）多工程師（shī）在其（qí）工件設計中指定使用熔模鑄（zhù）件；但是，這些鑄件仍需要（yào）經過精加（jiā）工才能實現（xiàn）精確的裝配，以達到產品功（gōng）能的高性能要求。
然而，由於這類毛胚（pēi）鑄件複雜各異，而且相關的工件夾持要求比較棘手，因此有些工廠不願承（chéng）接此類加工作業。
比如說，燃油濾清器外殼需（xū）要多項加工操作，包括深孔銑削、鏜削、端麵銑削、鑽孔、攻絲、內徑開（kāi）槽和3D輪廓加工。起初，LeanWerks認為可以先在三（sān）軸銑床上（shàng）進行（háng）幾次設定，然（rán）後在車削中（zhōng）心上進行一次設（shè）定（dìng），通過（guò）這種方法完成這項作業。但是後來他們發現這種方法並不理想，因為在多次設（shè）定（dìng）之後，工（gōng）件（jiàn）的複雜基（jī）準設計的嚴苛位置公差（chà）要求將難以滿足。
LeanWerks轉而考慮如何充分利用現有的Mazak Integrex i200S車銑複合機床的銑削能力，以盡可能減少在加工過程中（zhōng）接觸（chù）工件的次數。該工廠過（guò）去主要使用這（zhè）台機（jī）床來生產用於石油和天然氣行業的高壓泵送作業的錐形旋塞閥鑲套閥芯，用於諸如水力壓裂和連續油管（guǎn）等應用。Integrex機床既可以車削工件的錐形外徑，又可以銑削工件內部的斜（xié）向（或（huò）橫向）流道孔，因此非常適合（hé）加工閥門的鑲套閥芯。這台機床還（hái）可以銑削在裝配時需要接合O型圈（quān）的孔，由於這些孔是錐形麵，因此需要進行五軸輪廓加工。
也就是（shì）說，在車（chē）銑複合機床上加工燃油濾清器外殼時，雖然不需要車削操作，但也存在多項挑戰。例如，A356.0航空級鑄鋁的二氧化矽含量很高，切削難度大。
此外，這種鑄件的幾何形狀複雜，在各個表麵上具（jù）有多個角度各異的特征（包括鑄件內部（bù）13英寸深的底部有一個（gè）關鍵裝配特征），而且（qiě）薄壁部位在加工過程中會產生振動問題。再加上，這種工件具有公差要求嚴苛的複雜（zá）基準結構，例如：某些（xiē）寬距特征的位置度公差為0.25 mm，而其他窄距特征（zhēng）的尺寸公差為（wéi）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，實現了在車銑複合（hé）機床上通（tōng）過一次設（shè）定對（duì）熔模（mó）鑄件的五個麵進行高（gāo）效加工。第一（yī）步是設計一款夾具來（lái）固定鑄件（jiàn），以便對工件的五個麵進行加工。這款（kuǎn）夾具的一個關鍵部分是支架，它與鑄件的主體接合，同時允許（xǔ）接近支架腿之（zhī）間和旁邊的（de）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構，以實（shí）現均勻夾緊。
由於車銑複（fù）合機床（chuáng）沒（méi）有（yǒu）足夠的Y軸行（háng）程可接近所有特征，因（yīn）此LeanWerks在夾具中加入了一個Setco燕尾滑塊，使支架和工（gōng）件能夠滑動並在可接近的位置重新夾（jiá）緊，而無需完全重新固定工件（jiàn）。為確保剛性，支架被安裝在鋼製底（dǐ）板上，並通過定位銷和（hé）焊（hàn）接進行加固。底板安裝在在燕尾滑塊的鞍座上，而滑塊底座（zuò）安裝在機床現（xiàn）有的三爪卡盤（pán）的主爪上。
第二步是，該工廠（chǎng）集成了一套觸發（fā）式測頭（tóu）測量（liàng）係統。由於每（měi）個毛胚鑄件的形狀（zhuàng）略有不同，而且用（yòng）於解決（jué）Y軸行程（chéng）問題的（de）滑動夾具會改變工件的位置，因此（cǐ）必須進行觸發（fā）式測頭（tóu）測量。通過測頭測量可精確地（dì）確定工件移位後的新位置，從而使後續刀（dāo）具路徑與實際工件位置實現最佳擬合。
事實上，該（gāi）工廠意識到，除了標準長度的測頭之（zhī）外，他們還需要一個測（cè）量範圍加大的測頭，用於測量工件內部深處的特征。由於車銑複合機床隻有一個測頭（tóu）測量通道，LeanWerks使用雷尼紹（shào）RMI-Q無線電接口對機床進行了改造，並在主（zhǔ）機控製麵板中安裝了可編程邏輯控製器 (PLC) 卡來處理第二個測（cè）頭的信號。短測（cè）頭使用（yòng）長度為25 mm的測針，長測頭使用安裝在200 mm加長杆上的長度為（wéi）50 mm的測針。兩款（kuǎn）測頭均使用雷尼紹RMP60測頭（tóu）本體。
使用雷尼紹的Inspection Plus（增強型工件測量軟件）對測頭測量程序進行編程，並將生成的代碼添加到機床程序的適當位置。初始測頭測量程（chéng）序在外殼腔內的底部端口及外殼正（zhèng）麵的開口上采點，以確定工件（jiàn）的（de）中心軸。測量的其他特征包括靠近表麵的其中一個小端口，以確定工件的旋轉方向；以及主側法蘭的一個內（nèi）壁，以確定工件的（de）Z軸（zhóu）位置。Mazak的工件位置誤差補償 (WPEC) 軟件模塊能夠（gòu）利用初始測頭測量位置進行計算，以檢查（chá）工件隨主軸分度運動（dòng）後的（de）真實位置偏差。在初始測頭測量程序之後，再執行後續測量，以確認相關特征（zhēng）和加工後表麵的位置。
最後一步是，該工廠采用（yòng）先進的切削刀具技術對該工件（jiàn）和研（yán）磨鋁材料進行深加工操作。在這項作業中，該工（gōng）廠使用Rego-Fix公司的powRgrip刀具夾持係統。作為熱縮配合的替代方案，powRgrip是一種機械（xiè）壓合係統，由刀架、精密夾套（tào），以及一個用於將夾套和刀具插入刀架的緊湊型台式（shì）液壓夾緊（jǐn）裝置組成。Rego-Fix稱，該係統能夠產生高夾緊力，同時將總指示器讀數保持在小於0.0001英寸。該係統的剛性（xìng）有助於（yú）提高刀具使用壽命和切削精度（dù）。
用（yòng）於這（zhè）項作業的切（qiē）削刀具必須具有（yǒu）大正前角（jiǎo），以極高的速度運行，且切深較小。LeanWerks選用的是Garr Alumistar立銑刀，以及一把帶有無塗層、高拋光、大正前角（jiǎo）刀片的小型麵銑刀。
LeanWerks還使用機外對刀裝置為（wéi）這項作業進行對（duì）刀。這項（xiàng）操（cāo）作不僅可對刀具進行（háng）外部對刀，更重要的（de）是，還可檢（jiǎn）查切削刃、驗證成型刀具的形狀和（hé）測量跳動度（dù），從而（ér）協助校驗和故障排除。
結果
LeanWerks開發出在車銑複合機床上加（jiā）工熔模鑄件的製程，將每個工件的加工效率從每件10小時提升到不到（dào）2小時。在此基礎上，該工廠還在探索更（gèng）多方法，以提高現有的生產加工能力，向更多行業（yè）拓展業務。
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