完善罗尔斯·罗伊斯的机械加工——与罗尔斯·罗伊斯防务部门制造工程师Derek Anti 一席谈

　　工程师的能力在于分析制造优秀产品的过程，并找到成本更低的方法。保持竞争力意味着不断改进过程，这就是摆在Derek Anti 面前的挑战。他是一名制造工程技术专家，负责为印第安纳波利斯的罗尔斯·罗伊斯公司（以下简称罗·罗）防务部门优化CAM/CNC操作。

　　“在我们需要通过我们的加工中心提高吞吐量。由于加工中心的成本是一笔很大的开支，而且我们公司有数百台加工中心，因此即使是提高10% 的产量也是非常重要的。”第二个问题是作为消耗品的刀具成本太高。罗罗公司需要规划一种更有效的流程，既能缩短时间，又能延长刀具寿命。

　　Anti 采用了来自西门子NX 设计和制造软件中嵌入的Third Wave Systems 有限元驱动刀具轨迹分析模拟技术，显著改善了工艺。

　　“我们需要更好地了解刀具何时与金属接触，以前需要工程师60-80 个小时来解决刀具磨损、震颤这样问题，更不用说加工中心本身的损耗，”Anti 介绍说，“在今天的环境下，不再可能依赖经验丰富的机械师，而且这种技能正在迅速减少。我们需要一个更快、更敏捷的解决方案来解决这类问题。有时，验证一个机械加工过程需要数年时间。”

　　一种更好的了解方法是分析刀具作用在工件上的力，即使进给和速度不变，工件上的力也会迅速改变刀具路径。找到一种理解这些力并对其进行优化的方法意味着缩短切削时间并减少刀具磨损。“这就是CNC 力优化技术所做的，它使我们能够看到切向切削力的数值，因为它就是在模拟实际加工。”Anti 说道。

　　但是怎么做呢？据开发人员称，Third Wave Systems 的生产模块由经过实验验证的基于FEA 的材料模型驱动。Third Wave Systems 提供两个软件包AdvantEdge 和 Production Module。AdvantEdge是西门子公司的旗舰软件，常用于设计切削刀具。相比之下，Production Module 的目标客户是像Anti 这样使用他人设计的工具的制造工程师。他们既没有时间也没有兴趣学习有限元建模、网格划分或数值收敛的数学知识。

　　生产模块提供的是更新的加工策略，通过G 代码程序，尽可能多地减少力峰值和谷值。“力是进给率和刀具路径的直接结果，”Anti 解释说。还有刀具几何形状和工件材料。生产模块不会改变生产零件所需的刀具路径，而是沿刀具路径设置额外的约束。

　　“我的意思是，如果你的程序有一个起点和终点，并且在中间会给你一些奇怪的力，它将添加额外的(X, Y, Z) 位置来调整工具路径。”这些都是很小的变化，不会影响零件的几何形状，但足以使刀具对零件的切向力的突然达到峰值或突然消失。

　　它还对进给率进行微观管理，在刀具路径的微小变化内对其进行调整。这有点新颖，因为人类几乎不可能找出并应用对进给速度的如此微小变化的调整来优化力。

　　生产模块调整许多参数，包括这两个。它不影响主轴速度，因此提供最佳表面光洁度并避免震颤和谐波的主轴速度策略仍然必须由人工工程师完成。Anti 还指出了另一个关键点：切削刀具的螺旋角和前角对于确保从模拟中获得正确的力的输出至关重要。这些信息以前并不广泛需要，因此生产模块的任何用户都需要从他们的刀具供应商那里获取该信息。“技术切削刀具数据和初始切削刀具路径都将被输入生产模块。”他说。

　　罗·罗第一次在实际加工过程中测试这款生产模块是该公司向美国海军提供的用于DDG-51 阿利伯克级驱逐舰的可控螺距螺旋桨叶片。“在五轴PAMA 卧式铣床上，每个螺旋桨的加工循环时间为40-60 小时，”Anti 说。最初的目标是将周期时间缩短10%。该项目实际实现的是主轴时间减少20-25%。“如果你把0.25 乘以整个产品线需求，那么每年节省的费用将高达100 万美元。”

　　跟踪刀具节省成本则需要更多的努力。与许多公司一样，罗·罗会在自动售货机上跟踪其刀具成本，并在此过程中规定了刀具更换——例如需要每五个零件更换一次切削刀片的计划。“在一些传统工艺中，我们每两部分更换一次刀片，”他说，或者当操作员知道必须这样做时。在这次试验中，Anti 的团队在没有生产模块的情况下运行了基线操作，并跟踪了刀具的使用和磨损。

　　另一个问题突出了他与Third Wave Systems 的工作关系。对于任何模拟，正确的输入（例如材料属性）对于获得可信赖的结果至关重要。Anti 表示，虽然Third Wave Systems 拥有广泛的材料特性库，但Third Wave Systems 从未处理过任何船舶或海军产品。螺旋桨叶片由镍/ 铝/ 青铜合金制成。在这次试验中，Third Wave Systems 抽取了一个样本并测量了螺旋桨叶片的材料特性。

　　测试案例表明，除了控制作用零件上的力外，生产模块还减少了气隙——在工艺开始和切削金属之前，主轴在空气中运行。

　　使用刀具路径分析的最终将节省高达40% 的主轴时间。 Anti 还指出，它在切向力更大的粗加工操作中比在精加工操作中更有用。

　　Anti 表示，但罗·罗已经使用集成的西门子NX 超过15 年。该公司使用从CAD 到后处理的标准流程，并将程序存档到Teamcenter。“西门子的数字线程或数字孪生概念已经很成熟，”他说，“Third Wave Systems 的生产模块在西门子用户界面中显示为一个按钮。因此，作为制造工程师，我不必使用其他软件，然后导入几何图形并导出回来。我打开NX，在他们的UI 中有一个小启动图标，然后就可以看到 Third Wave Systems 生产模块。”

　　西门子数字工业软件公司NX CAM 产品开发总监Vynce Paradise 指出：“基于NX 模型的跨CAD、CAM、CMM 和其他构建数字线程的系统的强大功能之一是它的开放性，它使我们的合作伙伴能够紧密集成他们的专业解决方案。”他特别指出， Third Wave Systems 对加工过程进行基于材料的CAE 分析的应用程序形成了对NX CAM 自身的高级功能的补充。“很高兴看到我们的客户罗·罗实现了如此高的价值。”

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