近净形车削引领更简单的自动化之路

近终形 (NNS) 车削是一种趋势，在过去的二十年中逐渐成为制造业的主流。现在几乎每个制造业的人都理解这个想法。从根本上讲，NNS 车削仅意味着车削已成型或铸造的零件接近最终尺寸。随着机器、工具和流程融入新的发展和理念，这种方法的影响将继续显现。

大多数 NNS 车削涉及零件上极少数特征的加工。通常是一两个，很少超过三个。 NNS 车削通常会产生夹持困难，因为典型零件通常是薄截面的，或者是在没有夹具或测量基准的情况下铸造或成型的。由于典型的NNS车削工序是最后的精加工工序，我们可以补充一下，它通常属于高精度车削、镗削或端面加工的范畴。

然而，NNS 转向最重要的含义是它影响自动化趋势的方式。当芯片制造时间在总循环时间中所占的比例越来越小时，工作处理和工具更换就成为提高效率的主要障碍。 NNS 车削已经发展到与最简单的工作处理和刀具更换相得益彰，这一趋势在一定程度上超出了 NNS 车削本身，挑战了关于复杂程度对制造效率和整体成本效益有多大好处的传统观念。

快速进出零件

“我们的工作是尽可能快、尽可能一致地将零件进出机器，”Bearing Technologies, Inc. 事业部运营经理 Dan Kruse 说。 MB Mfg.（密歇根州本顿港）。他指的是他的公司制造的轴承座圈，这些轴承是由 4118 钢管的定长截面加工而成。虽然这项工作只是勉强接近最终形状的操作（因为多达 0.080 英寸的毛坯在切削刀具的多达 3 次走刀中被去除），但它采用了 NNS 车削所培养的自动化技术和整体工艺方法。

Bearing Technologies 正在使用两台四轴联动机床，通过线性龙门式传输系统连接到一个单元中。该单元中的机器反映了 NNS 车削对生产车床设计的影响。这些 Wasino SS-8 机床体积小、耦合紧密，并且在两个交叉滑动安装（“组”）工具块中的每一个上只能容纳一个或两个工具，专注于车削只需要加工少量的较小零件功能。

由于没有转塔可转位，因此换刀速度很快。同样，四轴、两把刀具同时切削可以最大限度地缩短切削时间。但只有 15% 的零件在 30 到 40 秒的短循环时间内涉及工作处理。在现有技术允许的范围内，装载和卸载时间已被压缩。

Bearing Technologies 正在使用快速简单的装卸的极端示例：重力进料溜槽系统以一条直线和一个搬运动作进料零件。它仅适用于环形或圆盘形零件，但它达到了 NNS 工作处理中提出的目标。溜槽系统使用尽可能少的机械运动，并以最短的实际路径加载。

该公司以前使用配备更传统装载机的两轴车床完成这项工作。他们的切割时间比新的四轴机床长 25%。但最大的区别在于工作处理。在他们改用重力式装载机之前，总循环时间大约长了三倍。

类似磨床的公差

许多 NNS 应用程序将机器精度推向了极致，通常取代磨削操作并在一个步骤中执行所有车削，或者在一次通过一个单元的过程中转动零件的两端。硬车削应用通常属于这一类。对于粉末金属 (PM) 齿轮、衬套和其他小零件，硬车削已成为磨削的重要竞争对手。这类工作可以看作是NNS车削的一个子类，它对工作处理的效率和准确性提出了同样的要求。

它还重视机器刚性和工具工程。尽管陶瓷用于轻载硬车削应用，但多晶立方氮化硼 (PCBN) 工具的引入使硬车削成为生产主流。只要仔细注意边缘准备，这些工具就可以长时间运行并产生出色的磨损一致性。

精密 NNS 车削，无论是硬的还是软的，通常都需要额外的应用程序开发。工具设置和工具材料对于较软的零件和较硬的零件都至关重要，在这些零件中，长期运行与高精度和精细的表面光洁度要求相结合。而且很多这样的零件都存在特殊的夹具或夹持要求。

加工草坪设备的小活塞很好地说明了 NNS 车削的特殊特性。精密压铸成薄截面，没有容易接近的基准，这些零件难以准确卡盘并且容易变形。即便如此，我们也经常可以将活塞裙转动到百万分之 50 (0.000050) 英寸。

轻量化是小型活塞的一个关键目标，它们一直是精密压铸的自然应用。但是铸造过程没有产生用于在零件内部夹紧的特征。它们必须沿其整个外径进行加工，主轴轴线方向的唯一基准是活塞圆顶或活塞顶的内部。

因此，车削是一项双端加工工作，其中在冠端精加工外径必须在裙部继续，而不会失去同心度。薄而容易变形的裙壁使这项任务更加困难。

答案是精致、精密的空气夹头和原位车削夹爪的组合——坚硬的夹爪，用于大批量生产。使用在 60 至 70 psi 最大管线压力下运行的空气卡盘，可以解决许多此类薄截面 NNS 卡盘问题。它们倾向于在很宽的气压范围内准确卡盘，从大约 30 psi 到最大 70。即使有光滑的钳口，如果转动力很低，它们也能很好地抓住零件，就像铝活塞一样。

尽管如此，保持薄截面零件的精度不仅仅是准确地夹住它们。活塞由于其薄的部分而存在另一个潜在问题：我们在同一机器单元的协调加工中心上铰削的活塞销孔位于薄壁凸台中。它们在第一个转动步骤中迅速升温，然后在冷却时闭合，使活塞外径膨胀和收缩 0.00015 到 0.00020 英寸。在某些 NNS 应用中，此类热变形极难处理。

NNS 零件的灵活性和热敏感性继续推动更好的卡盘解决方案的开发。在机器上精加工夹爪已成为标准做法。对这些钳口进行锥孔加工也很常见，以补偿它们在使用中可能发生的任何弯曲。建议将硬化钳口的根部加工成比其末端更大的直径，0.0005 英寸至 0.001 英寸。

当使用轻压时，有必要设计最大接触面积的钳口。即便如此，切削力也可能超过钳口的夹持力并导致零件滑动。普通的方尖锯齿在这方面没有太大帮助，但据报道，锋利的锯齿钳口取得了良好的成功，为每种应用定制加工。制作这些的最实用的方法是作为螺栓固定式刀片，沿主轴轴线转动并呈锯齿状，作为单个圆柱形零件，然后锯切以分离每个单独钳口的刀片。

锯齿实际上在零件上留下了很好的标记，因此它们并不能解决所有的夹紧问题。但是他们解决了一些非常困难的问题。在一个应用中，车削压铸件 390 级铝衬套，用光滑的钳口夹持，我们得到 0.0001 到 0.0003 英寸的圆度变化，这主要是由于防止滑动所需的钳口压力和外部分型线不一致压铸件的直径。使用锯齿钳口，可以增加压力，但仍能将不圆度提高到百万分之 30 到 50 英寸（0.000030 到 0.000050）。

硬化零件会带来更大的夹持困难。打滑是一个问题，因为切削力稍高。而且这些零件中的很多，尤其是齿轮，都不能卡在任何简单的几何表面上。

在齿轮的节线上卡盘是理论上的理想状态，因为如果它是一个正在加工的定位孔或衬套（通常是这样），您希望成品齿轮在其节线上运行以实现安静、平稳的运行。在锥齿轮上，甚至在平面齿轮上，节线几乎不是一个明显的夹紧面。事实上，你甚至看不到它。这是一个位于齿轮齿上某处的理论圆。

我们通过使用节距线夹具解决了这个令人头疼的问题。这些是经过硬化的电火花加工的“齿轮”面，安装在卡盘上并与工件配合，确保零件与其节线同心运行。当工件与夹具接触时，两个齿轮形状自然地在一个干涉最小的圆上配合，令人高兴的是，这就是节线本身。

Black &Decker 马里兰州伊斯顿工厂的大批量锥齿轮应用已经在大批量生产中运行了几年。使用 PCBN 工具，在组合工具车床上对硬化和渗铜的 PM 零件进行端面和钻孔。节线夹具需要在加载时对零件进行分度，以避免零件和夹具碰撞，齿尖对齿尖，这引发了自动 NNS 车削的下一个大问题：工件处理系统。

NNS 车削的工作处理

NNS 车削的工作处理必须快速，因为周期时间取决于它。齿轮加载应用表明它也必须是通用的，以适应像定位齿轮齿以与夹具配合这样棘手的事情。 NNS 车削最显着的发展之一是这些快速和多功能的装载/卸载系统，它们还具有简单、包含在机床中以及易于使用标准 CNC 控制的优点 - 理想情况下，运行的是相同的 CNC车床。

这是“独立的自动化”，它需要一个定义。这是典型的当代 NNS 车床的配置：它是成套工具的，因为只加工了几个特征。成组工具导致切削工具和机床床身之间的紧密机械耦合。这使得它具有刚性并且本质上更容易准确构建，无需转塔衬套或分度齿轮。

龙门式装载机安装在机器顶部，直接连接到机器床身上。工件夹具的路径严格沿着直线，从与机床本身集成的工作台旋转木马。夹头沿机床床身长度移动，两端直线上下移动，在转盘和卡盘处拾取和放置零件。

当前的龙门装载机使用可编程驱动器和带有软钳口的夹盘式夹具。因此，零件更换很快。因为装卸动作少，行程一次只涉及一个轴，所以它们的程序很短。它们可以存储在机床的CNC中并由其控制。

这是一种固有的精确、非常紧凑的封装，它是一种模块化的封装，可以轻松组装多台机器单元。龙门装载机可以为中间传输系统提供动力，该系统沿相同的简单直线路径线构建，以在机器之间交换零件。

回到那个齿轮应用：它需要对零件进行定向，但夹具是夹头状的，并且不分青红皂白地从转盘上拾取零件。它如何定位它们？通过在中间站暂停，它将零件放到旋转夹具上，该夹具使用光束来判断牙齿的位置，然后根据需要旋转齿轮以避免碰撞。然后夹具再次拾起零件并继续向卡盘前进。

因此，我们描述的龙门系统很简单，但并不简单；由于它的可编程性，它可以被详细说明，以便对部件做一些额外的事情。定位它就是这样一项任务。测量它是在线 SPC 应用程序的另一种方法。

由于典型 NNS 零件的性质，近终形车削非常注重准确性和快速性，并且允许简单的工具处理和工件处理。为满足这一市场需求而发展起来的自动车削中心既简单又不简单：它们可针对特殊任务进行编程，包括测量和零件定位。

实际上，这些自动化车削中心是预包装自动化。除了车削近净形状外，它们设置快速、能够产生极高的精度和用途广泛，为许多其他加工应用提供了更好的自动化。