采用自動單元實現高效加工

齒輪加工業習慣于高標準，但有些行業卻聲稱可以滿足高得多的公差和標準。這種公認的常識，連同齒輪生產中的一些基本做法，已經受到機床制造商的挑戰，它就是Holroyd公司-Renold精密技術公司的一個分公司。

思想方面的轉變以及生產速度及精度的更高的期望從該公司英國北部Rochdale的制造廠的壓縮機螺桿生產線上得到了很好的體現。壓縮機螺桿生產線如何與齒輪制造關聯起來？答案存在于公司的兩臺機床中，即公司的帶有機載精密測量及自動修正裝置的2E高速螺桿銑床及其TG150螺紋磨床。

盡管它們正用來生產壓縮機螺桿，但兩臺機床都是設計用于生產帶有螺旋輪廓復雜零件的，同時還非常適合生產蝸輪軸等齒輪零件。


壓縮機螺桿具有螺旋形狀，與某些要求最高的齒輪制造應用場合不同

關于該單元

Holroyd的所謂的“Gemini”生產單元每年平均生產4萬個壓縮機螺桿。在去年的生產中，廢品非常少，滿足了生產目標要求。之所以能夠滿足要求，根本原因是采用了干銑削加工、在機測量及在機自動調節裝置等。以下是對此生產策略的簡單介紹。

釋放了應力的C1141級鋼以棒材形式發送，螺桿在兩端進行普通車削，毛坯裝在2E螺旋深溝槽銑床上。然后從毛坯上銑削5個螺旋溝槽，留出0.010英寸作為最終磨削加工的余量。
然后在Danobat數控車床上精加工心軸和螺桿兩端。盡管在加工的各個階段看起來有很大的差異，但仍通過彩色標碼的托盤在機床之間搬運螺桿以免發生混淆。然后將半精加工螺桿放到自動上料裝置上，準備在Holroyd TG150螺紋磨床上進行最終磨削加工。每個零件離開該機床時都為精加工好的狀態，通過了測量、檢查和確認等工序，所有這些都無須采用外部測量設備。

在此有必要指出，Holroyd在現場設計和制造機床。這些機床不僅銷售給其它齒輪制造商，同時還在公司內部使用，用于為那些將生產任務轉包給其它工廠的客戶生產成品零件。

用一刀銑削出全深的螺旋溝槽


由砂輪的兩個表面同時磨削螺旋的內、外側

機上測量和補償設備是保證精度和生產率的關鍵

毛坯進行螺旋輪廓的干式銑削

依次考察該過程的重要方面要從2E螺紋銑床開始。它在螺桿毛坯中切割1.0英寸深、1.25英寸寬的螺旋溝槽。在工件旋轉通過切削刀具的同時通過反向作用力穿過切割頭而進給，從而產生螺旋溝槽輪廓。

該機床在一刀操作中就可以形成全深的溝槽，并且只用幾秒鐘的時間(見圖1)。切割頭在一步中的材料去除率非常高，因為生成的熱被切屑帶走。然后切屑從機床床身內通過傳送帶帶走。由于傳給工件的熱很低甚至沒有，因此無須采用冷卻液。干加工是該單元的一個優勢，因為它不需要額外的液體過濾、泵及冷卻設備。

Paul Hannah是Holroyd的工程產品副總裁，他說 ：“切屑帶走了熱量，因此我們可以非常迅速地去除大量金屬而不會引起很大的溫度變化；在切削過程中工件溫度保持穩定，一直在大約超出室溫6°F的溫度上。通過快速將毛坯切削至留出成品千分之10的余量，我們可以確保精磨不需要去除太多金屬，我們可以在非常短的周期內獲得最終結果。”

螺紋磨削過程

在完成螺桿端部及軸的加工后，將螺桿移到螺紋磨床上。將螺桿傳遞給一個為螺紋磨床上料的自動上料器，后面要比較詳細地就這方面進行介紹。磨床自動上料，并通過液壓方式采用緊公差軸式卡盤夾緊工件，這種卡盤由液壓尾架在非傳動端進行支撐。該機床采用一個安裝在機床上的帶精密紅寶石探針的測頭來針對基準面檢查工件的位置。然后，砂輪產生第一個螺紋/槽，精度為最終尺寸的0.001英寸。

由砂輪生成陽或陰螺紋凸或凹的曲面輪廓-由砂輪兩表面同時在中心折痕處磨削，一側加工螺旋的內側，另一側加工外側。(見圖2)。然后由測頭掃描該輪廓以確認公差。如果輪廓正確，且在公差范圍內，則將下一個槽磨削到成品精度。然后當第二個槽還在機床上時對它進行檢查。如果通過了檢查，則磨削其余三個槽，第一個槽進行精加工，去除磨削第一刀留下的0.001英寸余量。

如果在磨削完第一個槽后零件不滿足公差要求，則TG150會依據砂輪形狀或軸位置來計算必要的調整量，然后用安裝在砂輪臂內側的兩個金剛石輪重新修整砂輪。在再次修整砂輪后，將另一個槽磨削到0.001英寸的公差，并進行檢查。如果現在滿足了公差要求，則將下一個槽磨削至成品尺寸，并加以檢查。這一步將確定所做的調節是正確的，然后磨削其余螺紋，包括已經進行精加工的最初的兩個在內。

Hannah先生說 ：“重新修整過程是由機床在磨削第一個螺紋之前自動完成的，在第一刀完成后一般機床很少需要進行進一步修正。如果確實需要，則修正是有效的，第二個螺紋會通過要求，然后磨削循環可以按正常方式繼續。該過程可靠性非常高，因此如果機床修正兩次以上后零件還沒有通過要求，則我們知道要么工件準備有問題，要么所用材料有問題，即砂輪或鋼有問題。”

在正常生產循環中在機床上進行測量和調節的主要好處是，每件產品都針對相同精度進行完全檢查，就像在CMM(坐標測量機)上一樣。此外，通過免去脫機測量，大大減少了裝夾時間。這種方法提高了整個過程的速度和重復精度。

在機測量

Hannah先生說，TG150機床是“按照與獨立CMM相同的規格及公差設計制造的”。該磨床采用與高檔CMM上所用掃描測頭一樣的測頭。磨床還采用帶有(與CMM上類似的)高精度編碼器和光柵的閉環伺服運動控制系統(見圖3)。然后將機床依據CMM相同的標準標定，以保證所需要的精度。Hannah先生說：“我們不再需要將產品取下來檢查并驗證加工公差。”

該機床回避了環境條件方面棘手的問題，這是為保證外部測量技術可靠性的關鍵。測頭安裝在內部，它的環境條件與機床相同，因此機床、工件和測量設備之間不存在溫度波動問題。如果環境條件發生變化，則機床會自動適應。

每次掃描循環開始時通過簡單的測頭校正過程可以為開始加工提供(得到)確認的基準點。Hannah先生指出，測量循環本身在不產生任何加工作用力的情況下發生，因此在動態上以及運動學角度上都是穩定的-當加工元件為靜止時，機床床身的重量、精度及穩定性可以與CMM相比。工件裝在與加工時所用夾具相同的夾具中，因此在修正性的再加工過程中位置不會丟失。

避免了在將零件卸下并運到別處安裝的CMM過程中必然發生的誤差。工件無須重新裝到機床中，然后重新磨削，再取下進行驗證修正過程。這里還存在明顯(而重大)的成本優勢 ：避免為檢查精度而中斷生產，生產率大大提高，螺紋磨削機床以其最高效率和生產率水平操作。

砂輪的機上修整

為了在一臺機床上完成加工-測試 -再加工過程，采用兩個機上金剛石盤來修整砂輪。圖4以黑色表示機床上這些部件在裝配中的情景。Hannah先生將該配置稱作是去除精密機床裝夾中“黑色藝術”的主要因素。他說：“操作員技巧水平在復雜的加工過程中始終是一個變量，精確調節通常需要多年的知識和經驗才可以完善。”

由金剛石修整輪來維持砂輪的形狀，在每兩個工件加工之間都要進行這種修整


為該磨床提供服務的自動上料器節省了地面空間，并保證了機床的連續操作


借助帶有觸摸式屏幕面板的機床控制單元，可以瀏覽車間數據，并對它們進行編程。單元的控制軟件基于Windows系統

Holroyd聲稱已經將這種知識和經驗的精華融合到了這種機床的操作智能中。利用來自機上測量系統的數據，它可以精確預測為實現所需要的結果而需要在砂輪輪廓上實施的微小變化，并在砂輪上實施這種變化。砂輪中常規的磨損也用這種方式解決，因為在磨削每個新工件之前都要實施修整過程。

砂輪的更換在很大程度上是可以預測的。機床具備的在機自適應功能也意味著新零件的裝夾時間縮短，因為大多數裝夾都是自動完成的。

自動上料器

相對于該單元所生產的工件數量而言，它的體積是非常緊湊的。這方面的一個主要原因應歸功于給TG150磨床上料的自動上料器(見圖5)。為了使機床的操作時間最大化，將準備進行最后加工的半成品零件放在傳送帶上。然后，機床用一個伺服驅動的吊車和龍門系統拾取每個零件，并且一旦機床準備好就上料。

這是該單元首次推出后唯一更新的方面。通過這種更新，每班可以多加工三個零件。

效果

聯鎖螺桿諸如Gemini單元所生產的螺桿用在空氣/氣體壓縮機、制冷系統、真空泵以及一般的精密流體泵中。這些設備所要求的精度在整個曲面上在0.00025英寸內，這代表著最精密的工業公差之一。某些齒輪生產無疑不需要這樣的精度，但它卻定義了齒輪生產如今可以實現的精度極限。在生產齒輪零件時，齒形可以變化，但精度卻保持不變。

Holroyd宣稱，總體而言，與比較傳統的加工、測量及調節方法相比，通過采用Gemini單元生產一批成品零件的時間降低了一半。該公司還宣稱該單元實現了較高的重復精度，這個數量級比需要類似投資的其它系統都高。這樣就使需要采用螺桿壓縮機的應用場合更加經濟可行，特別是在要發送易腐品的場合，諸如給遠程市場提供新鮮產品的場合。