接近鏡面水平的平面珩磨工藝.docx

接近鏡面水平的平面珩磨工藝雖然有一部分平面珩磨工藝已經(jīng)應用了較長時間，但Stahli公司將砂輪和剛性支架組合在一起，很好地控制了砂輪的速度和零件加工速度，從而創(chuàng)造了一種新的珩磨工藝。其加工速度可以與媲美，而經(jīng)過珩磨后的工件表面質量幾乎達到了鏡面的水平。 航空軸承需要在極端的環(huán)境下長期工作。作為Emerson Power Transmission公司生產(chǎn)工程設計部的經(jīng)理，Erik Keim先生和他的工作團隊有責任選用最有效的方法，盡最快的速度制造最優(yōu)質的軸承。如果任務不能按計劃執(zhí)行，就需要召開會議，討論有關的交貨情況或質量問題。 向航空航天業(yè)客戶提供軸承和硬件的制造商們目前正處在一個大風暴之中。由于被批準的供貨商數(shù)量有限，再加上波音787“夢幻”飛機和空中客車A380飛機的推遲交貨，進一步加重了供貨商的負擔。使問題進一步惡化的是，為了繼續(xù)滿足操作要求，市場對軍工和商用替換軸承的需求在大幅度上漲。問題并不只是局限于軸承，實際上，生產(chǎn)、測試和檢驗軸承的技術也完全不是普通的技術知識。因此，還需要一定的時間才能使這一行業(yè)的嚴峻形勢得到緩解，即便新的供貨商能夠立即開始投入生產(chǎn)。目前，購置航空軸承所需的交貨時間，起碼在一年以上，有些供貨商在報價中所提到的交貨時間甚至超過了75周。 為了幫助緩解這個問題，Emerson Power Transmission公司在2008年3月采用了一種被稱為“平面珩磨”的新工藝，它可以提高生產(chǎn)能力和產(chǎn)量，從而使制造廠能夠滿足市場變化的需求。該公司表示，這種新的生產(chǎn)工藝將有利于縮短交貨周期，同時又可以為產(chǎn)品的質量帶來意想不到的優(yōu)越性，為進入新市場打開了大門。 平面珩磨工藝由Stahli公司研發(fā)成功，可用于類似于研磨或磨削類的加工。然而在現(xiàn)實中，其唯一的類似點在于工件與砂輪之間的關系。也就是說，實際上該工藝是利用研磨介質來加工金屬。支架的剛性、砂輪的結構和零件運動的獨特結合方式已經(jīng)在這一加工領域中應用了較長時間。這種聯(lián)合工作的方式降低了零件的調(diào)試裝卡時間，同時縮短了交貨期，為操作者提供了更強的對材料切削加工的能力（圖1）。 圖1 Emerson Power Transmission公司安裝了Stahli公司的DLM705珩磨系統(tǒng)，提高了加工能力并減輕了平面研磨工作中心的瓶頸問題取得成功的根源 從廠房觀察，你會發(fā)現(xiàn)Emerson Power Transmission公司與美國其他許多生產(chǎn)車間沒有任何區(qū)別。如果看到廠房內(nèi)的大型產(chǎn)品陳列室，參觀者就可以認識到，這家公司是如何通過技術創(chuàng)新和艱苦工作，在軸承生產(chǎn)方面取得很深造詣的。這家公司創(chuàng)建于100多年以前，其深厚的根基不但幫助該公司經(jīng)歷了暴風驟雨，而且在開辟新市場的道路上克服了種種障礙。 Emerson Power Transmission公司在印第安納州Valparaiso市的工廠中共有200多名雇員。多年以來，雖然其在這個地區(qū)的業(yè)務量占據(jù)了很大份額，但Emerson Power Transmission公司在最初破土動工時，就已經(jīng)有了生產(chǎn)航空用軸承的想法。該公司與其主要的航空和國防客戶合作，共同設計元件，促進產(chǎn)品精度的提高和零件的通用性或零件質量的一致性。這其中包括氣候控制、中央冷卻液的供給和集中以及隔離振動的檢驗中心。 大約在1900年，James H. McGill公司在芝加哥地區(qū)成立。在創(chuàng)業(yè)初期，對于航空航天領域的設想認為是遙不可及的。1905年，該公司的業(yè)務遷移到Valparaiso市。1928年，該公司已在汽車市場成為一家頗有名望的企業(yè)，為Duesenberg公司、Cord公司、Packard和Rolls-Royce公司等提供服務。1940年初，McGill 公司在汽車應用領域中的崇高聲譽吸引了軍工界工程師們的眼球，他們開始將McGill 公司生產(chǎn)的軸承應用于坦克之中。在坦克軸承取得成功之后，又研發(fā)了抗摩擦凸輪從動軸承一類的專利創(chuàng)新產(chǎn)品及相繼出現(xiàn)的懸臂式凸輪從動軸承，從而在固定翼飛機制造方面為McGill公司贏得了一席之地。事實上，在第二次世界大戰(zhàn)期間，McGill公司所有工廠的產(chǎn)品全部用來支持戰(zhàn)爭需要。當時的軸承市場，和現(xiàn)在的情況一樣，處于十分緊缺的狀態(tài)。McGill公司的軸承對軍工事業(yè)是如此的重要，以至于當時的美國政府允許該公司及其許多競爭對手制造相關元件。于是，McGill公司的凸輪從動軸承成為固定翼飛機設計生產(chǎn)中的基本組成部分。原先的一些產(chǎn)品系列至今仍在使用。 最近，Emerson Power Transmission公司將其Valparaiso工廠作為為航空、軍事和國防客戶提供服務的核心基地。隨著其業(yè)務擴大到旋轉翼產(chǎn)品應用領域，該公司利用這個基地開發(fā)、生產(chǎn)這類新產(chǎn)品。顯而易見，這類市場是為直升機制造商提供服務的，如Bell公司、Sikorsky公司和Agusta/Wetland公司。為了使舊的市場向新的市場過渡，并將這些市場建設成更新和更成熟的市場，這就要求該公司在過去成功的基礎上進一步建設，并為未來的發(fā)展，隨時準備克服新的障礙。走出這一步，需要解放思想銳意變革。 將新思想付諸現(xiàn)實 很多公司都在努力尋求成功之路，如果找到了這樣的路，就可以使其按目標繼續(xù)前進。但是今天的零件不可能像以前那樣被有效和精確地制造出來，因為以前專門為制造一個零件而設計的工藝已不復存在，也不再需要這樣的公差，也沒有人需要這樣的數(shù)量。Emerson Power Transmission公司為清除這些障礙已取得了一些成功，還增加了一些新的生產(chǎn)工藝。Keim先生說：“我們需要重新思考如何制造這些零件。問題是，新軸承需要達到更高的精度，但要求生產(chǎn)批量較小，生產(chǎn)成本較低。正是出于這個原因，公司必須不斷地考慮如何制造好每一件產(chǎn)品和如何開發(fā)新的戰(zhàn)略?！?為了尋求最新的技術，Keim先生及其生產(chǎn)團隊來到了附近一家生產(chǎn)越野汽車設備的工廠進行參觀。在參觀過程中，他們注意到該工廠在使用Stahli公司的平面珩磨工藝制造與他們類似的零件。將老式平面磨削工藝與新式平面珩磨工藝進行細致的比較以后，他們才了解到為什么這樣的過渡是如此的緊迫。 平面珩磨工藝可以使公差保持在亞微米級的精度水平，同時其研磨切削的速度可以與平面磨削工藝媲美，這對于Emerson公司客戶所需的小批量工件加工是比較理想的。然而，采用過去的老式磨削工藝加工，需要花費1.5?h的時間更換調(diào)試零件，而采用新工藝，只需5?min而已。調(diào)試時間的大幅度降低對解決磨削中心的瓶頸問題起到了很大的作用。 平面磨削的問題 在生產(chǎn)工藝流程中，平面磨削的操作加工最為嚴格，因為其后續(xù)的每一道磨削加工和珩磨加工都是以這個階段生成的平面作為參考基準。老式磨削工藝的加工精度可保持在5m（1?in=25.4?mm，下同），其表面粗糙度約為Ra 20m。要保持這個精度，往往需要經(jīng)過幾道額外的精加工，這必然會增加生產(chǎn)成本。這個單元的工作需要有一位很好的機械師來控制，以便盡可能達到最好的質量，因為整個過程需要集中精力，密切關注。即使對于最有經(jīng)驗的操作人員來說，從事這種緊張的腦力勞動也是非常辛苦的，往往需要重新返工。 為了滿足印刷規(guī)范，一旦當平面磨削達到軸承座的整體高度時，就有必要采用珩磨工藝來降低其表面粗糙度值。老式珩磨工藝看起來非常像研磨加工，采用帶有松散的泥漿及相應的混合材料。它適合于提高表面質量，滿足印刷要求，但它不能改善軸承座圈上下表面之間溝槽的關系。座圈溝槽是軸承元件運行的地方，主要是切削加工其內(nèi)圈的外徑和外圈的內(nèi)徑。內(nèi)圈和外圈需要保持同樣的高度，而溝槽應處于同一位置，使軸承達到最高工作性能，這一點是非常重要的（圖2）。公司需要采用一種合適的方法，從上下表面獲取不同的余量，盡可能使溝槽處于中心位置。 圖2 軸承座裝入機器時要使用飛輪表面進行類似行星運動學上的移動使其變得均勻什么使珩磨 達到如此鋒利快速？ 平面珩磨勝過平面磨削的關鍵，在于砂輪和機架使它們相互之間適當對齊。機床和砂輪在結構上都是非典型性的。砂輪通常是由某種粘結劑和某種磨料組合制成。由樹脂作為粘結劑研發(fā)的砂輪通常用于一般的磨削加工，在第二次世界大戰(zhàn)時期，這種砂輪幾乎壟斷了市場，因為它們的制造比較容易，而且價格也很便宜。相反，用于平面珩磨的砂輪，采用硬度很高的磨料，如立方氮化硼（CBN）和多晶體金剛砂（PCD）。采用超硬磨料制成的砂輪，可延長砂輪使用壽命和提高金屬切削速度。在某些應用領域，一套砂輪可以使用一年甚至更長的時間。堅硬的基質材料也有利于延長砂輪修整的間隔時間。相反，采用樹脂粘結劑制成的砂輪需要很多特別的關注，如防止金屬碎屑填滿砂輪中的氣孔，這種情況被稱之為增加了砂輪的“負荷”。然而，在過去，使用堅硬的磨料意味著容易增加熱量的積聚，從而降低切削速度。 平面珩磨工藝通過將砂輪安裝在一個結實的支架上，使其能夠在切削時產(chǎn)生高達450kg的力量，從而解決了這個問題。采用強大的力量，讓砂輪能夠快速磨削零件的多余部分，而其粗糙度則可考慮采用珩磨或甚至拋光的方式進一步加工處理。在Emerson Power Transmission公司，軸承座經(jīng)過第一道加工以后，其粗糙度一般低于Ra 3m。 Stahli公司的開發(fā)工作組特別考慮到了如何解決熱量聚積和負荷問題，因此在制造砂輪時，盡可能限制磨料的使用量。制造一個直徑0.61m的實心超級磨料砂輪，不但成本不能太高，而且硬度也不能太高，需要有足夠的切削力，保證快速的切削。目前的設計，采用金屬背面的砂輪，中間含有圓片（57 mm厚），磨料被巧妙地敷設在圓盤上。圓片采用超級水泥粘結，可以讓砂輪在工作時自由“呼吸”。圓片的密度、成分和敷設方式對切削性能都有很大的影響。 一般的磨削加工，零件在砂輪下前后運動，以磨削掉多余的材料。因此，砂輪的導向緣總是先被磨損，需要很快進行修整。但采用平面珩磨工藝時，上面砂輪的動作完全獨立于下面砂輪的動作，使零件在切削面之間旋轉，猶如行星的動態(tài)運行。即零件以橢圓形的軌跡在砂輪之間運動，同時利用砂輪的整個切削面，保證砂輪在修整之間均衡磨損。上面砂輪的編程旋轉速度也獨立于下面砂輪的速度。加快下面砂輪的速度可以從底面切削更多的材料。這種獨立的運動方式在確定軸承座圈的軌道中心時特別有用，可以提高零件的加工精度，并可以進行十分關鍵的調(diào)節(jié)，這一點在老系統(tǒng)上是不可能實現(xiàn)的。 加工訣竅 采用老式的磨削和珩磨工藝時，零件在機床上的運行是松動的。采用新的平面珩磨工藝以后，由于有一個零件載體伴隨著每一個零件一起運動，使其能夠在兩個旋轉速度彼此獨立的砂輪面之間產(chǎn)生旋轉動作。生產(chǎn)工程師Mike Baron先生早就預見到了珩磨工藝能夠對質量產(chǎn)生的深遠影響，他事先為這個加工單元上制造的幾乎每一種尺寸的軸承都準備了一個載體。他正在研發(fā)一種新的策略，可在同一載體內(nèi)，同時加工內(nèi)外軸承座圈。他憑借這種深刻的洞察力，提高了零件的加工質量，保證軸承內(nèi)外座圈的緊密配合，進一步縮短了軸承的組裝時間。 一旦經(jīng)過這樣的工藝開發(fā)，并經(jīng)過實踐證實而應用于實際生產(chǎn)，保持每個運行工序都達到同樣的要求是非常關鍵的。為了“牢記”這個工藝，Stahli公司開發(fā)了一種叫做“秘訣”的直接接口。所有機床操作所需的參數(shù)都被編成程序，并儲存到稱為“處方”的安裝文件之中。從本質上來說，這些處方都屬于安裝文件。使用一個處方就意味著它可以在5min內(nèi)完成安裝，這一時間足以更換處方、零件載體和軸承座圈。該加工單元的首席操作員是Kenneth Brook先生。Brook先生能夠為Stahli公司在最短的時間內(nèi)制造最好的產(chǎn)品而感到十分自豪，他一直在幫助該公司進一步完善這一機床的工作“秘訣”（圖3）。 圖3 操作員Kenneth Brook 檢查軸承外圈的尺寸和平行度。 自從用了此珩磨系統(tǒng)能夠使工藝更加精確一些意想不到的優(yōu)越性 設計生產(chǎn)工藝的目的是為了保持穩(wěn)定的零件公差，按照所要求的周期完成零件的加工，這就是人們所期望的。平面珩磨系統(tǒng)中一些意想不到的優(yōu)點，不但對零件有影響，而且對參與零件加工的人也有影響。例如，采用老系統(tǒng)加工時，0.000?2精度的指示表就足以觀察零件之間的尺寸變化。而新系統(tǒng)則要求采用精度更高的指示表（分辨率為0.2in）來觀察零件之間的尺寸變化?？傊?，現(xiàn)在的這一軸承加工單元需要采用分辨率高得多的工具來測量和記錄零件的特點，操作員不再是唯一被關注的對象了。 在過去的軸承生產(chǎn)中，隔振檢驗區(qū)可以按需要選用，而現(xiàn)在則是必須的，以便適當?shù)赜涗浌に嚨恼駝忧闆r。此外還要求采用更新、功能更強的檢驗工具和檢驗方法。Baron先生說：“經(jīng)驗使我們成為一個更加優(yōu)秀的公司，不只是通過它制造一個更好的零件或產(chǎn)品，還要通過它使我們不斷成長壯大。用平面珩磨工藝加工的某些零件，其平面度甚至比我們過去調(diào)試機床所使用的量塊還要好。”測量能力和工藝水平的顯著提高使公司能夠將業(yè)務范圍擴大到旋轉翼應用領域的高級軸承生產(chǎn)。雖然該公司在這一市場中已經(jīng)活躍了較長的時間，但若想要保持相當?shù)睦麧櫩臻g，采用額外的新工藝制造軸承以滿足更高的規(guī)格要求，恐怕還力所不及。平面珩磨工藝為