在过去10年中,不断上升的劳动力成本,以及在减少加工时间、加快周转时间和改善表面性能方面的要求,一直在推动机械加工行业取得重大进展。尤其是 HSM方面的技术进展,正在逐渐消除成本昂贵的钳工工艺,使主轴速度增加了一倍。而新型的机床/控制设备,则可使加工速度保持不变。以下内容,是一些主要 的机械加工商和供应商,关于HSM发展趋势的这一热点进行的讨论。
业界的变化
Okuma America Corporation 公司的总裁Larry Schwartz认为,机械加工方式的变化已经持续了10年甚至15年。众多模具制造商都在设法生产成本较低的模具,从而获得业界的支持。然而,采用现有 技术生产的合格模具,劳动力成本太高,而目前美国的技术水平却在下降。而与此同时,虽然也开发了大量基于EDM、电火花线切割以及电化学加工的机械加工技 术,但其成本仍很高。问题的症结在于,几乎所有模具都需要大量人工操作,才能达到产品脱模后,其轮廓需要达到的表面光洁度、形状和光滑性,从而满足模具制 造商的质量要求。
在过去10多年中,整个模具行业一直在通过引进技术从而尽量减少手工作业,满足生产成品模具的要求。为此要完善机床设计,并利用热稳定性或热亲 和概念去维持模具的表面光洁度,而这是消除手工抛光的必要措施,其目的在于完全取消手工作业。然而问题在于,采用目前的所能达到的金属切除水平,是否能取 消手工作业。尽管在这方面已有所进展,但要完全实现这一目标尚需时日。如果能将控制技术、伺服控制、整套机械设备的平衡性,以及在主轴设计及性能方面所取 得的进展结合在一起,就能创造出节省大量手工作业的机会,而且能不断取得进展。
GBI Cincinnati公司的Rich Ormrod也认为,由于来自亚洲和印度市场的威胁增大,各个模具公司都在努力巩固自己在市场上的地位。业界也因此开始将技术视为发展的动力,而医药和航 天等高技术产业以及知识产权都随之得到发展。在历经了经济萧条的洗礼后,模具公司为了使自身拥有更高的效率,开始寻求新技术和高新技术生产线。
面对国外市场带来的挑战,Haas Automation, Inc. 的Scott Rathburn认为,客户在改善产品质量、缩短周转时间和降低产品价格方面的要求越来越高。为了降低模具成本,已仍要继续将大量业务转移到劳动力成本较 低的国家,如中国和印度。而美国的模具制造商为了保持其竞争力,务必要提高生产效率,并使其工艺过程产生更多价值,例如缩短周转时间、改善定制设计和个性 化服务。另一个问题是原料成本上升,且这一问题存在于全球范围内,包括那些低收入国家。
从加工角度来看,模具制造商还在努力减少部件加工后所需的钳工作业,而这意味着其机床所加工的模具必须能生产出优质部件,且具有良好的表面光洁 度。过去10年内,在CAD/CAM 软件、模具和5轴加工取得的进展,使模具制造商能更加轻易而快速地生产较复杂的部件。从而尽快在机床上完成部件的加工过程。
Absolute机床的总裁Steve Ortner也赞成上述观点。他认为,美国模具制造商面临的难题其实都是一成不变的。模具工厂始终在设法降低其劳动力成本,并因此实行机械化生产。而采用 手工方式的模具制造商堪称凤毛麟角,从而凸现出快速加工方式的重要性。若将HSM用于加工部件的机床,就可以取消成本昂贵的钳工作业。如果说10年前,模 具工厂只是开始考虑HSM,那么现在这种加工方式已成为一种能使其具有竞争力的潮流。此外,机床的控制技术、主轴以及刀具方面也取得了重大进展。
Ortner将HSM的发展与CNC进行了对比。他认为,当初正是一些富有开拓精神的厂家率先购买和引进了CNC机床,才得以使该技术能在多年来 得到普遍应用。而快速加工方式如出一辙。10年前,只有少数厂家采用了HSM,而如今它早已变得大众化。很难想像哪个模具厂家不采用性能优异的机床。然 而,并非所有厂家都能最大限度地利用HSM,而常规的CNC机床亦是如此。但是,HSM的不同之处在于它不仅包括机床,厂家还必须要有合适的程度和模具才 能使之投入运行。在过去10年内,机床的主轴速度和控制速度变得更快,且功率更高。模具的质量得到改善,且CAM系统更加稳健。10年前,不会有人想到将 部件切成定制的尺寸或负库存概念。虽然目前很多人仍然做不到这一点,但这些观点正在被人们接受。
KERN Precision公司 也将HSM和硬铣削的技术创新作为重中之重。该公司总裁Gary Zurek认为,正是因为引进了主轴转速较快的机床,才推动了这两项技术的飞速发展。加速度为1G、转速为50K的机床已被广泛使用。早期的刀具行业,曾 努力为这种主动性的加工方式开发所需的涂层。如今,刀具制造商在涂层取得的重大进展,已经帮助一些制造商显著缩短了生产周期,并使刀具寿命延长。
Zurek强调,对编程工具的开发,是促使5轴加工技术得到发展的一个重要因素。目前,众多软件都重点开发能提高5轴机床生产效率所需的机械加工程序,并将模拟5轴机床操作的程序编入其软件。这样,就可在用机床对部件进行切割之前,对其操作程序进行设置。
在用于夹紧工件的标准化设备方面也同样取得了重要进展,这其中包括托盘和其它夹具。这些最初是为了服务EDM market的设备,用在铣床上可以减少安装时间和成本。而且将部件从一部机床转移至另一部时的步骤也大大简化了。
GF AgieCharmilles的Gisbert Ledvon对高速的5轴加工方式也发表了自己的看法。他认为,来自国外的竞争压力迫使模具制造商不断改善其制造工艺进行。他们将大多数公差较低的业务转 移到海外,从而将重点放到生产精度高且更加复杂的模具。此外,几种铣削技术的出现,使大多数模具工厂缩短了周转时间,从而满足其客户的要求。而开发出的高 速加工中心也为模具制造商带来了丰厚的利润。5轴机床的引进,进一步提高了铣床在行业内的利用价值。而采用上述技术的机床也受到模具制造商的青睐,并使其 获得明显的竞争优势。
生产线方面的变革
Haas Automation公司的机床,在尺寸变大的同时,其加工速度变得更快、且加工成本降低,从而为终端客户带来更高的利用价值。在过去几年内,由于模具尺 寸增大,因此也要相应地采用更大的机床进行加工。Haas公司目前采用的CNC机床具有较好的性能、主轴速度和加工速度均较快,可加工多种模具,并可广泛 采用提高生产能力的技术方案。该公司还在继续简化机床的操作过程,从而能更轻易地培训新操作员和程序员。
Ortner称,多年来其公司在机床的设计方面,得益于高速主轴和控制技术方面的开发。Absolute机床公司扩大了生产线,并添置了有C型 支架的VMC双柱机床,可专门用于HSM操作。性能得到改善后,主轴已能使机床设计和市场上的新型模具保持一致。目前高速主轴的转速已比1998年时提高 了一倍,机床的进给速度则提高了两倍。该公司目前还采用了HSK 模具,控制速度增至原先的4倍。1998年时机床的前瞻控制只能达到180个区块,而现在则能达到600~1000个区块,且伺服系统的性能也明显提高。
由于GBI Cincinnati公司将加工速度视为第一要素,因此该公司与MTI技术公司一道开发了一种可用于一系列加工机床的新型控制器,使加工速度保持不变,从 而使机床具有较快且恒定的进给速度。该控制器可使刀具切割部件时的平均速度变得更加精确且均匀,从而延长模具的寿命,缩短加工时间。这对于美国模具制造商 来说,是一次彻底的变革。
Okuma America重视生产过程中的热稳定性,并基于此而设计了稳定性和刚性很高的坚固的加工平台。该公司专有的热控制能力,使其可以根据热补偿原理,自动改变机床的加工位置。而且采用额外的Super NURBS 软件,可以改变加工速度。
Schwartz认为,大量需要处理的数据,是大多数模具厂家在生产具有特色的高级模具时所面临的问题。很多情况下,拖沓冗长的程序,使他们难 以通过多种控制方式将数据保存在加工平台中。因此,将数据输入机床的主机就会遗漏信息。如果传递信息流出现滞后,就会影响加工部件的几何形状。而新的控制 方式,可以使加工速度变快,并提高Super NURBS的能力,从而可以高速生产非常精细且几何形状独具特色的工件。随着热稳定性的改善,公司采用新型机床生产的产品,几乎不需要手动抛光或去毛刺。
GF AgieCharmilles公司所引进的高速铣削中心,是其近10年来所取得的重大的技术进展。该公司的Ledvon认为公司在铣削技术上所取得的一切 成就,就归功于创新技术。另外,为高速铣削加工开发的花岗岩基座,还展现出其潜力。由于刚性高、热稳定性好,因此可使加工部件具有极好的精度。
Ledvon还认为开发软件可以最大限度地发挥高速铣削工艺的效率。通过开发用户友好的CNC机床以及适当的操作界面,可以提高生产能力和效 率。而利用这一领域的技术革新,可轻易地使机械加工过程实现自动化,从而降低生产每个部件所需的劳动力成本。这样,就可以与外国模具制造商一较高低了。
该公司的智能化加工模块同样也是高速铣削工艺的影响因素。该系统在其径向上安装了一个加速度传感器,可在加工过程中将机床产生的振动以图像形式 绘制出来。若振动超过了已预先确定的可接受程度,则软件会自动停止切割过程,并向操作员发出信号。而为操作员设立的支持系统,可为用户提供一个界面,使其 可轻易地为加工速度、精度和表面光洁度设置优先权。而该系统中所安装的一个结合了复杂算法的智能化热控制器,可以测定主轴产生的热效应,并自动对其进行补 偿,从而保持高精度。总体来看,SMMs可显著改善高速铣床的性能。
对于模具制造商来说,5轴铣削工艺的引进重新改革了铣削操作过程。由于许多复杂部件的铣削操作均在一步内完成,因此该生产方法为模具制造商节省了成本。
KERN Precision公司在微加工技术方面取得的进展,在欧洲显得尤其明显。该项技术起始仅在小型机床上,用于加工小型部件。然而自1997年引进重量达 3000kg的、拥有C型支架的高速高精度切割机床后,就可以解决HSM工艺中存在的精度问题。机床基座可采用聚合物混凝土等新材料,从而尽量减小高进给 速度情况下产生的振动。
另外,将采用激光对模具进行自动测量的方法,以及采用机床的探针对工件进行自动测量的办法进行集成,就可以在无人看管的情况下让机床自动进行5 轴加工操作。2005年,该公司还通过在其加工中心中使用静压导轨和静液压传动设备,开发了全新的加工机床。该机床可避免金属工件在导轨和传动装置内部发 生碰撞。因此,不会产生摩擦和热量,且不会使部件造成磨损。产品的表面光洁度Ra可达到0.05,而采用硬质钢材可以进一步提高光洁度。此外,静液压传动 装置可使精度达到0.3微米。这一精度适用于追求产品最终精度的高新技术企业,以及需要公差较低的模具工厂。
未来的挑战
Okuma America公司的Schwartz认为,各个模具企业拥有光明的市场前景。通过改善机床的控制和加工速度、增强实体建模能力、采用CAD/CAM 软件生产模具,并在几乎不需要操作员干预的情况下将模具资料导入数控机床中,这样就可以将模具生产、模具的几何尺寸(基于收缩率)和原料用量的计算,以及 采用现有的SuperNurb软件驱动加工程序的这些过程实现流程化。因此,公司用新型机床生产模具成品的工艺堪称完美,并能100%地实现生产目标。
Schwartz相信在未来10年内,计算机技术、伺服控制和机载计算机所控制的加工机床,将共同提高机床生产成品的效率。该公司准备将高端芯 片用于减少工件与机床碰撞的技术,并提高加工速度,从而使模具成品具有更优异的几何形状,生产速度加快,并自始至终地形成完美的工艺过程。
Absolute 机床公司的Ortner认为,技术创新是市场的驱动因素。今后10年内的趋势将是采取能提高模具质量、改善模具主轴的技术,以及采用具有优异的刚性、可靠 性和强度的机床,从而能生产具有复杂轮廓和极好的表面光洁度的部件。模具制造商将实行多元化经营,将业务推广到航天等领域中。他们还将把已掌握的技术(如 加工模具的钢材)用于飞行器的铝和碳纤维材料的加工中。一些高端的模具工厂已经开始显露头角。一旦这些工厂将HSM技术投放到新的市场中,他们就会在机 床、模具和编程方面产生需求。因此,技术创新将推动模具制造商不断挑战HSM的极限,并在富有挑战性的全球市场内保持其竞争力。
Haas Automation公司的Rathburn认为,各模具公司将努力改善其生产工艺和产品,而自动化将成为减少劳动力成本和提高产量的重要手段。为了能在 全球市场上取得成就、保持竞争力,这些模具制造商还需要提高附加值更高的服务,从而在竞争中脱颖而出。而在中国和印度,生活水平的提高使其得以将大量资金 投入现代化设备和自动化技术中,使美国的模具制造商面临严峻的挑战。
KERN Precision公司的Zurek再次强调了美国国内新兴的微铣削技术和高公差部件生产技术所具有的重要性。它们和HSM及硬铣削技术一样,开始得到发 展并趋向成熟,并将在美国掀起下一轮技术热潮。设计者和工程师已开始利用现有技术开发新产品,力求推广微加工工艺、提高公差限值。目前正在兴起的产品“小 型化设计”热潮,是基于绿色环保理念之上而产生的。因此,所有模具生产部门都开始意识到微型模具制造技术正在迅速发展。尽管目前市场上有多种微加工技术, 但很多部件在生产时仍只能采用注塑成型或直接加工方式进行生产。
根据GF AgieCharmilles公司的Gisbert得出的结论,模具制造商的作用将更加类似项目经理,他们将协调包括EDM、铣削到磨削在内的工作流程。 这与以建模为起点,以加工成品模具为终点的传统模具生产体系大相径庭。简言之,美国的模具厂家在今后10年内,将以更快的生产速度保持其竞争力。而适时采 用新技术,则是满足这一要求的关键因素。 |