图1 图示为Mitsui Seiki公司的一位应用工程师Wayne Wentworth正站在这台2000mm五轴机加工中心工作区内的情景。他正在触摸的工作台经过了专门的工程设计，用于容纳一个直径达78的旋转倾斜盘部件

许多机加工厂会先设计部件，然后去寻找能够加工这个部件的机床。但西科斯基（Sikorsky）飞机公司在建立自己的新精密部件技术中心时采用了另一种做法。

为了确保一款新型直升机的部件能够迅速投产，这家公司首先了解市场现有机床产品的加工能力，然后相应地对部件设计方案进行最终完善。这家公司创建了一个精密部件技术中心以便将这个概念以一种研发原型工作流程的形式来实现。这样就新创了一种可以复制到其它生产设施的柔性生产模式。

西科斯基飞机公司在最近进行的一项产品开发项目中采用了极为不同寻常的方法。这家公司没有采用先最终确定部件设计方案然后再对加工工艺进行工程设计以产生这些部件的方式，而是首先了解市场现有机床的加工能力，然后相应地做出部件设计。您可能会将之称为可制造性设计（DFM）概念的一种新实现方法。

这种方法确保了部件设计方案在事实上是可以加工制造出来的。而通常所采用方法的问题在于，预计将用于生产部件的机床有可能根本就不具备相应的加工能力。在这种情况下，部件设计方案就成为不可能加工的方案，在如今这种项目按进度表完成并且不超出预算已成为关键性要求的条件下，这种情况是人们所不愿见到的。但是，将这个先设计部件然后配套机床的次序颠倒过来并不那么容易。例如，Sikorsky公司不得不重新思考自己与机床制造商的配合方式。在本例当中，似乎只有一家五轴机加工中心制造商拥有这家公司所需要的能力。这家制造商Mitsui Seiki必须充分发挥自己非常乐于合作的精神和想要突破一切技术限制的意愿来与西科斯基飞机公司合作。从双方来说，这个项目所需要投入和支持水平也是极为非凡的。

早期成果已经确认了这项DFM实验的有效性。Sikorsky公司的3台新型五轴Mitsui Seiki机加工中心中最大型的一台，目前正在生产两种该公司之前从未设计过的最大型、最复杂的钛金属部件。其中一种是主旋翼毂部件，机加工之前的直径为66，重量为2450磅。加上夹具，部件重量超过了10000磅。另一个部件是一种旋转倾斜盘部件，机加工前的直径为78，重量为1450磅。要想机加工这种尺寸的钛金属工件，大扭矩主轴是一项必不可少的特色。而专门设计用于这一应用的1900mm工作台也在夹具设计和刚性上实现了显著的改良。

“当初这个项目启动时，我们对自己所需要的最优机床功能有一个大概的想法，但是当我们获得了机床特性方面的详细知识后，就能够使用最优化的切割刀具、开发出正确的部件夹具并规划出正确的夹装步骤，” 西科斯基公司新产品开发经理Brian DeBlasi这样表示。“类似地，每一个几何形状在工程设计时都围绕着这一部件将如何在这台五轴机加工中心上进行机加工而展开。这种构想在旋翼毂设计方案最终完成之前早就形成了，也远早于具体部件几何形状的最终确定。如果我们没有对这些机床加工能力的清晰了解，这些工程设计和加工步骤就不会如此直观。”他谈到。

悬而未决的几何外形

当DeBlasi先生在2005年第一次听说这个可能要进行的新型飞机项目时，还没有建立任何专门从事这一项目的团队。但是，西科斯基公司需要对初始数据做出迅速的反应，因为公司是这款新型飞机的唯一开发者。设计团队抓紧一切时间建立了若干种主旋翼毂概念设计的模型。因此，虽然DeBlasi不知道总体设计方案将是什么样子，但他确实至少粗略地知道设计方案的外观。西科斯基公司在制造同类部件方面拥有超过70年的经验。“想像一个庞大且华丽的炸面圈，”DeBlasi先生说。他知道这个部件将比公司所制造过的任何部件都大。他还知道这个部件极有可能采用钛金属制造，但他所知道的就这么多了。

DeBlasi先生和Tuscano先生共同进一步了解了此项目的各个开发环节。他们对工厂内的所有机床进行了评估以确保其中是否存在能够制造这种新型部件的机床。但他们被告知这些机床都不能供他们使用，因为目前的生产不允许打断。而且，这些传统机床中没有任何一台拥有制造整个旋翼毂产品系列所需要的理想加工能力，这一系列包括了主旋翼毂、静止倾斜盘、旋转倾斜盘、套筒和尾部旋翼毂。

因此，DeBlasi先生提交了一项E-CAR（电子资金拨款请求），这是一种该公司用于资本投入的标准成本和证明工具。尽管缺乏几何外形方面的详细信息，DeBlasi先生及其目前由10位成员组成的团队知道自己需要一台拥有大扭矩主轴的五轴机加工中心，而且此中心要具备加工复杂几何外形和坚硬材料的能力，能够容纳非常大的重量并保持紧公差。“我们进行了加工能力分析，所以我们知道自己在初期需要3台机床并随后很快需要另外2台机床，”Tuscano先生这样说。

当时，对于DeBlasi先生、Tuscano先生和高级项目工程师Ken Catino来说，很清楚地知道自己实质上需要一套柔性制造系统（FMS）。这3位工程师设想一套FMS不仅能够生产所有这些新型部件，而且还能作为未来开发计划的一个专用作业区域。这套FMS甚至有可能提供了执行常规生产作业的额外生产能力。

“我们当时在讨论的已经不再是单台机床，而是在工厂内建立上事实上的微型工厂，”Tuscano这样谈到。“我们将所有提供了报价的机床制造厂商汇集成表，然后针对我们的两种设备类别，即五轴机加工中心和立式转塔车床，将范围缩窄至每类别2家制造厂商。”

图2 Sikorsky公司的精密部件技术中心是一套柔性制造系统，目前该系统包括1台VTL、1台2000mm五轴机加工中心、2台1200mm五轴机加工中心以及1套自动托板输送系统

Tuscano行政主管说，Mitsui Seiki公司进入了五轴加工中心的短名单，因为该公司在精度方面的声誉、在机加工钛金属方面的经验、其产品阵营的机加工能力以及其针对机床制造的定制工程设计工作方式。除了其它认为必不可少的机床特性之外，还有一个能够容纳78直径旋转倾斜盘的工作台；一个带有螺栓连接底座的大扭矩主轴，能够安装用于切割钛金属的超大刀具；配备了可编程的主轴内流动冷却液供应方式，这种方式有助于分断切屑；以及一个Fanuc控制装置。Tuscano先生注意到控制装置选择的重要性，因为绝大多数操作员并不熟悉这一品牌，而维护部门需要贮存适当的备件。他还想要避免因为不同型号的控制装置要求采用不同的操作步骤（例如确定偏差的步骤）而有可能导致的失误。

强劲动力和伙伴合作

在DeBlasi先生、Tuscano先生和Catino先生与制造商团队见面之后，他们了解到更多有关可供应机床规格的信息。他们还十分赞赏这家制造商对钛金属部件机加工的理解水平。例如，机床必须具备足够的刚性才能持续性地耐受沉重的切削负荷，从而保持体积精度。而且，机床还必须拥有足够大的主轴马力和扭矩以及采用滚珠丝杠的大型伺服电机驱动装置。

针对3台机加工中心当中最大的那台，制造商随后提出了规格建议，其中包括用于容纳旋转倾斜盘部件的2000mm×1750mm×1400mm（78.7×68.9×55.1）的X-Y-Z工作区；一个倾斜范围从-20度至-110度，最小步进值为0.001度的定制A轴托板；以及能够以0.001度步进值旋转的B轴。规格中还规定了一个50号锥度的主轴，转速从15rpm至6000rpm，由一台交流37kW/30kW（50/40马力）电动机驱动。这个主轴的关键扭矩额定值为3332Nm（2457英尺磅）。为了增加刀具夹座与主轴鼻部之间连接刚性，这台机床将采用一种BigPlus双接触式主轴接口。自动换刀装置的规格由西科斯基公司提出并由制造商供应，这种换刀装置能够容纳360支刀具，每支刀具重量可高达30kg（66磅）且长度范围直至650mm（25.6）。

“我们双方都注意倾听对方的意见，传达了巨量的细节信息，特别是我们想要如何去夹装这些部件，”DeBlasi先生说。当Mitsui公司了解到主旋翼毂和夹具在机加工之前的重量将接受10000磅时，这家制造商表达了对工作台处于负90度位置时很有可能出现的0.006承载下弯现象的担忧。由于对机床制造商讨论其产品限制的不习惯，西科斯基公司的工程师们对这一问题的透露感到惊讶。但是，他们在听到解决方案也感到同等程度的高兴。Mitsui公司的工程师们设计了特殊的1900mm（74.8）直径托板工作台，这个工作台可以作为两种主旋翼毂粗加工作业的夹具底座。“将夹具和工作台结合成一体的方案具有创新性，让我们能够在这台机床上加工这个很大的旋翼部件，”Tuscano先生说。

DeBlasi先生指出，所有参与这套FMS系统实施的方面都很愿意相互学习。Mitsui Seiki公司和立式转塔车床（VTL）供应商Phoenix公司都成为了这次联合性工程设计冒险尝试的参与方。“我们围绕着这台五轴机加工中心这个基础开展了所有的工具设计和作业计划。我们认为这正是此项工艺及其成功的核心所在，“DeBlasi说。

精密部件技术中心的诞生

在确立了他们所想要达到的性能范围以及收到所有供应商的报价之后，DeBlasi先生、Tuscano先生和Catino先生将此方案提交给了资本支出管理层。最终，管理层批准了一项2000万美元的初期投资，其中包括重建工厂内一块20000平方英尺的区域。他们将此区域命名为“精密部件技术中心”。

该中心的主要制造资源包括：

一台Phoenix出品的立式转塔车床（VTL），定制配备了第2滑板。它的特色包括1个90的工作台、1个BigPlus 50马力CAT50铣削主轴和1个5站式托板库。

1台使用1900mm托板的五轴机加工中心。

2台使用1200mm托板的五轴机加工中心。

加载/卸载站。

2套为这些机加工中心服务的Fastems自动托板输送系统。这套系统能够容纳42个供中型机加工中心使用的托板和24个供大型机加工中心使用的托板，也是此类装置中至今为止第二大的容量。

在获得一笔额外资金拨款后，将在车间大厅对面设立一个内含1台大型Zeiss CMM设备的独立4500平方英尺作业室。这两个作业室均配备了空调系统。

图3 2台完全相同的1200mm五轴机加工中心用于生产一台新型飞机的棱柱状工件，而较大的2000mm机加工中心集中用于生产主旋翼毂和旋转倾斜盘

在得到标准后，DeBlasi先生编制了一份人员配备计划。这个方案的部署和实施对于这个项目的整体成功有着关键性的意义，可是对其进行详细解释已经超越了本文的范围。但是，DeBlasi先生的启动会议；他创建团队的方式；他的团队章程；他对协同工作的指导以及“共享空间”概念；他的计划表风险及风险减低流程图；以及其它内聚性的组织方法都被认为是该项目成效卓著的主要因素。“我们组建了来源多样化的15人小组，包括来自数控编程、夹具设计、刀具工程设计、工艺工程设计和质量控制专业的代表，”DeBlasi说。他将这个团队的良好成效归功于团队在协同工作时不必担心对抗现象或专业分工的问题。

部件和夹具初具规模

在机床正在制造而且工厂内的旧制造区域正在重新翻建的同时，这个团队最终确定了部件的几何外形；夹具设计方案；工艺流程图；机加工和自动化软件程序；以及物料输送程序。在新部件的加工工艺确立之后，制造过程的其它方面就能够相应地进行精调。工艺工程师们审查了部件的CATIA实体模型并研究了对应的机加工作业，同时设计同事完成了部件几何形状的详细设计工作。在这一时刻，在这个最终设计阶段预先掌握机床加工能力的优势就变得明显起来。

例如，主旋翼套筒设计方案的第一次设计迭代变得相当简单。但是，对旋翼毂初步设计的分析表明，如果不做出修改，整个组件将会严重超重。设计团队想出各种减少组件重量的方法。他们认识到，对于诸如旋翼毂这样的组件，加工它的最简单方法之一就是将多个组件整合成单一的单体部件方案。

起初，一些包括了主旋翼套筒、减震器支架和俯仰角柄部件整合方案的建议由于机加工过于复杂被放弃了。但是，通过将这些部件整合起来，西科斯基公司的设计工程师们就能消除螺栓接头处的部件磨耗，从而减少了大量的装配五金件和重量。

很幸运地，由于这些机加工中心拥有五轴加工能力，机加工这些新整合成的部件不成问题。“这就是在设计中掌握机床所具备的加工能力－工艺指导方案的良好范例，”DeBlasi先生说。“另一个出色的范例是主旋翼毂。我们能够将一个凹部的几个台阶取消掉，在这种情况下，机加工作业就变得简单多了。他补充说，其中的旋转倾斜盘是西科斯基公司之前从未制造过的最大直径钛金属部件，这个部件也经历了设计修改，去除了若干翼肋和闭合凹窝结构，因为加工这些结构所要求的刀具几何外形将使得机加工变得很困难。

这种方式颇具成效。团队系统化地分析了每个部件的可制造性并且基于工艺知识对设计方案做出微调改进。与此类似，团队在设计夹具方案时从加工工艺出发以避免出现间隙问题和尽力提高夹装效果。

在部件设计方案在研发环境下达到尽可能明确之后，Tuscano先生和他的团队使用CATIA模型创建了“加工过程故事板”，显示了机加工过程的每一个步骤。夹具设计人员随后依据这个故事板设计出过程中每一步所使用的夹具。“他们的指导简单，但任务复杂。我要求他们制作出能够夹紧工件而且还能接近部件表面进行机加工的夹具，Tuscano先生说。

在部件通过FMS系统加工时，每一项加工作业都要求采用不同的夹具，或者要求在同一夹具上对部件进行翻转。在具备必要精度的同时，夹具设计方案融合了一体化的液压心轴以确保部件的位置完美地处于每一个后续作业步骤的中心处。这些心轴提升了加载过程中的重复精度并且提供了额外的夹紧力，从而可以使用较少的夹紧装置并为机加工留出更大的接近能力。

投入使用的FMS

主旋翼毂的加工过程可作为FMS工作方式的一个范例。对旋翼毂锻件的第一项加工作业在立式转塔车床（VTL）上执行，对这个部件的两侧进行粗车削并对一些面进行粗铣削。铣削过的平面符合中心孔直径的要求。这些步骤将形成部件的初步外形。下一阶段，部件移送到大的机加工中心，并在此处铣削掉1053磅的材料，加工出各种凹窝和转动臂外形。工件随后返回VTL进行内直径和转动臂的最终车削。然后，部件返回机加工中心进行精加工。

那些最关键的公差就在这个阶段达到。据主旋翼毂数控编程员Doug Ventimiglia所述，公司要求平行度公差为0.005，直径公差为0.002，位置度公差为0.005。“重点在于注意到我们还广泛采用了可制造性设计技巧来尽量减少对紧公差加工的要求。我们这样做的主要目的是减少对人的压力，而不是对机器的压力。机器可以每天不厌倦地执行加工作业。事实上，我们通常情况下会超越所指定的公差要求，因为加工工艺就可以做到这点，”Ventimiglia先生这样表示。

通过采用与托板转运站密切结合的专用部件加载/卸载站，所有机床都具备了“零”设置能力。这意味着这些机床能够在夹具和部件一装到专用加载站上就开始运转，从而在最大程度上提升了生产率。

展望未来

2011年2月，这个中心生产了最终主旋翼毂设计方案的第一次试样。自然而然地，这个团队成为了精密部件技术中心的自豪特色并且代表了公司的未来前景。这个团队的成员相信公司的市场地位将会更加巩固，因为专有技术和知识产权绝对得到了充分的保护。对保有关键技术诀窍所有权这一保证的重申意味着踏实细致地理解有关这些部件的一切细节并精通部件制造工艺的奥妙所在。

“我们最初着手建立的是一个用于研发原型工作的过程，而成果却实际上是一种生产模式，这个模型具有足够的柔性，能够满足我们所能争取到的任何机会的要求。这种模式可以复制到我们的其它生产设施，”DeBlasi先生表示。