GCG工业公司销售和市场部副总监Van Gardner先生表示：“GCG是一家家族企业，经过多年的发展，公司情况经历了很大的变化。”为了增加自身的五轴加工能力，在几年前，公司购入了第一台带旋转工作台的Okuma数控立式加工中心(VMC)，为位于Indiana州的Fort Wayne加工车间拓展出了一条发展道路。而这一系列成功的背后，最大的功臣就是此款设备，以及各个部件和附加设备，如全新刀具、可快速更换工件的夹具、机床上的配套部件和刀具探针等，共同促使了其五轴加工能力的最大化。

Van Gardner先生说，引入五轴加工后，GCG公司能够承接的工作更加复杂和多样化，加工能力也大幅增长。只需简单设置，便可完成多项工作，产品功能更紧凑，并实现了位置度公差。随之而来的是公司产品总销量的增加，因此公司决定引入更多设备。目前公司已经配备了7台具备五轴加工能力的VMC，为未来自动化(通过托盘系统或机器人)奠定了坚实的基础，同时年销售量也有望超过2014年购入第一台五轴加工中心以来车间所实现的生产目标。

即便如此，车间发展还是在生产方面遇到了一些困难，因此吸取教训积累经验就非常重要。Van Gardner先生在参观车间的中西部车间时，分享了一些经验。

第一次看到五轴加工中心

30年前，Van Gardner先生的父亲Terry先生创建了GCG工业公司。目前公司拥有两栋建筑共计13000 ft2，且公司正在计划扩建3500 ft2。公司共有37名员工，包括Terry先生的妻子Tammy，她负责公司会计工作;儿子Justin负责质检工作;女儿Brooke担任客户服务工作。车间主要专注于小批量(约50～75件)生产小型部件(3 in的立方体通常会被认为体积偏大，不过这都取决于所使用的材料)，可用于医疗、航天、农业和RV等各种行业，主要机械加工材料包括铝、17-4不锈钢和铬镍铁合金。

大约在几年前，面对部分客户给出的订单不稳定的情况，GCG工业公司开始寻找各种途径扩大业务。为此，公司申请通过了AS9100认证，进军航空航天领域，缓解业务单一化所带来的风险(同时公司也通过了ISO 9001-2008认证)。GCG工业公司希望通过认证提高自身竞争优势，此外公司还在进一步建立专业化能力，如瑞士车床铣削能力。

为了满足当时唯一一家医疗客户的需求，公司引入了五轴加工设备。在此之前，公司一直选择的是三轴加工技术。Van Gardner先生坦言，客户要求的紧密功能容差所需设置过程繁琐，是三轴加工技术无法完成的。为此，GCG引入了第一台五轴加工设备，而这台设备也确实解决了公司当时面临的难题。Van Gardner先生表示：“我们所做的一切都是为了公司未来更好的发展。”

工作台操作的好处

在Gosiger(位于美国Ohio州Dayton市)的推荐下，GCG选择了Okuma Genos M560-V VMC和Lyndex-Nikken 5AX201旋转工作台，负责四轴和五轴的加工工作(图1)。公司的车间中原本配备了一些Okuma的设备，因此GCG依然选择了Okuma公司作为合作伙伴。

图1 GCG医疗客户表示，目前设置过程过于繁琐，为减少错误，需要使用五轴加工设备，因此该车间就引入了一款新设备Okuma Genos M560-V

引入设备后，GCG又增加了6台具有五轴加工能力的设备。在那之后不到一年的时间里，又再次引入4台。Van Gardner先生表示，通过这种方式，其好处显而易见(图2)。车间内的所有工作人员只需了解一款设备便可以按照使用规律逐渐开始操作其他设备，这就降低了出现错误的几率。采用相同类型的设备，工作人员可以在其中任何一台设备上使用相同的部件程序。

图2 几年前，GCG引入了第一台具备五轴加工能力的设备后，又陆续加购了6台。在这些机器的帮助下，车间能够处理更多复杂工作，生产出来的部件质量有了明显提高，且因为设置过程更加简单，车间能够对各个功能之间的偏差施行更严格的管控

根据Van Gardner先生的说法，对于GCG而言，工作台的应用能够带来很多优势。一方面，桌面应用给车间“带来了更多收益”，因为这个解决方案比专用五轴设备更符合GCG的实际情况。由于该车间专门生产小型部件，这台设备与旋转工作台的组合非常合适，主台面上还设置了两个台钳和一个刀具探头。在某些情况下，需要使用旋转工作台加工某一部件的5个面，然后快速翻转该部件，并将其放在台钳中，完成第六面的加工。鉴于其专业性，车间不需要将旋转工作台与设备分离开。Van Gardner先生表示，Lyndex-Nikken旋转工作台主要的优势在于采用液压驱动的夹紧方式，代替了原来压缩空气的方式，所以在切割过程中，其加持力和刚度得到了明显提高。

该解决方案还赋予了车间全五轴轮廓加工和五轴定位能力。Van Gardner先生表示，之所以选择Okuma的设备，主要原因是设备的控制功能支持同步的全五轴轮廓加工。虽然设备大部分时候用于“3+2”五轴定位，但是公司希望能够进一步提高生产的灵活性，使设备适用于全五轴加工。“耗费一些时间来研究这项功能，是有意义的。” Gardner先生说道。目前看似GCG的所有工作只用得到五轴定位功能，但是某些时候还是会需要全五轴刀具路径，这打开了未来探索轮廓加工工作的大门。

Van Gardner先生表示，由于GCG的主要工作是五轴定位，车间中替换大部分编程是有可能的。车间继续使用原有的CAD/CAM系统，即Mastercam对五轴零件进行离线编程。车间的部件编程主要分为两种方式，一种是将每边的三轴程序串联起来，另一种则是借助更复杂的编程技术，例如在中心线外编程，以考虑零件可能发生倾斜的各个位置。

最大限度发挥机器潜力

GCG注意到，车间所需的不只是五轴移动部件的能力，除了旋转工作台之外，这些机器还配备了各种功能和附加技术，帮助车间最大限度地使用设备。具体包括以下方面：

触控式探测设备。GCG在引入第一台Renishow的M560-V时，还购买了其触控式探测设备，但很少使用(这种情况持续了近两年)。因此，在购买第二台设备时，GCG没有再次购买该设备。结果，在随后的铸件作业过程中，工作人员看到了此款设备的价值所在。Van Gardner先生说到：“在一个孔的中心位置开另一个孔时，可以使用触控式探测设备对铸件进行探测，设置工装偏移量，然后按照固定方向钻孔。”实际使用经验证明，这款探测设备特别适用于形状奇怪和不规则的铸件，因此车间随后购入的M560-V都配备了探测设备，第二台设备也及时配备。

该车间也利用探测设备进行对准和机器角度检测，从而增加了可重复性，且使公差更严格。例如，探测设备可以在旋转移动之后探测旋转工作台，确保工作台位置正确。一旦发现位置错误，探测设备将发出警报。还可通过探测设备加快设置速度，因为它能确定机器上部件或夹具的实际位置，然后自动调整控制中的坐标系统，确保与该位置匹配。

刀具破损检测。第一台机器还配备了Renishow刀具破损检测探头(图3)。随后GCG发现了检测探头的使用价值后，便开始为其他设备配备。Van Gardner先生说道，在给第二台设备安装刀具破损检测探头前，此探头偶尔会闲置不用，由工作人员手动检查刀具是否有损坏，而其他机器则会一直运行，直至需要更换刀具。

图3 这些设备配备了Renishow刀具破损检测探头，探头和刀具破损检测系统成为车间自动化的早期形态，也为未来其他自动化系统的产生奠定了基础

探头和刀具破损检测系统成为该车间自动化的早期形式，通过执行和收集数据，为将来添加装载机器人或托盘系统奠定基础。例如，进行某一重复作业时，刀具探测可以显示刀具损坏的时间。车间据此作出更明智的决定，以预测刀具何时可能断裂(例如在100件后)，并在达到该数量之前安排刀具更换。

专业化工件夹持。在旋转工作台上，车间采用了一系列工件夹具，包括Kurt Dovelock虎钳。Dovelock虎钳适合安装在工作台的标准Kurt虎钳中，可夹持到工件毛坯底部的小型燕尾处。不仅夹紧力大，也方便刀具从五个面进入部件，将刀具或主轴与任何固定元件碰撞的概率降至最低。两种工件夹持方案都能够提供很高的夹持力，确保工件的每一个加工侧都能保持刚性。Van Gardner先生也补充说，车间正在考虑独立研发工件夹具。

高质量刀具夹持。Van Gardner先生表示，该车间使用了一系列的刀架，高质量刀架所带来的优势也逐渐显现。为此，他介绍了车间曾经使用0.01 in圆柱形端磨机进行雕刻作业的测试过程。改用Big Kaiser collet刀架后，车间的刀具更换频率降低至8～10个部件，而之前采用旧款刀架时，每生产1～2个部件就需要更换一次。高质量的刀架跳动低，刀具寿命明显延长，特别是小直径刀具(Big Kaiser保证，其collet刀架跳动范围不会超过3 μm)。此外，机器还配备了Big Plus心轴，与刀架的锥体及其表面接触，可提高Big-Plus刀架用于更激进的切削工作时的刚度(图4)。

图4 GCG在新机器上安装了各种刀架，最近开始着手提高刀架质量，投资收益日渐显现

高压冷却液。GCG在决定引入五轴加工技术时，也购买了高压冷却液，提高碎片排屑，确保工作人员能够更快推动刀具。Van Gardner先生说到，冷却液对三轴加工设备的好处和对五轴加工设备的优势是一样的，但是该车间是在引入了VMC和旋转工作台后才首次选择了高压冷却液。

据Van Gardner先生说，Master Fluid Solutions提供的新产品Trim MicroSol 585XT更加清洁。“它不会粘在墙上，因此，切屑不会粘附在冷却剂上，而是被排放出去。”新的冷却液持续时间更长，并且提高了刀具的使用寿命。但是，Van Gardner先生也表示，一旦客户认为一款冷却剂性能强，要想再引入新的冷却液绝非易事。

最终的成果

GCG具备了五轴加工能力后，便可承担不同的工作，制造出与之前相比精度和质量要求更高、更复杂的部件。GCG的一些客户正在应用这些新能力，促使车间的产品组合发生转变。

尽管GCG在这些设备上制造的多数部件使用三轴加工设备也能够完成，但产品精度以及安装和循环时间的增加常常使这种做法显得不切实际。不过对于只需要三轴技术加工的部件而言，虽然五轴加工可以减少循环时间，增加利润，但是在具有五轴加工能力的设备上，一般没有更多时间开展此类工作 。

此外，部件更复杂，造成了检查瓶颈。这些类型的部件放在坐标测量机(CMM)上检查要耗费更多时间，所以公司现在有三台CMM负责首件和成品检查。

图5 GCG具备五轴加工能力，因此可以制作更为复杂的部件，但所需的检查工作也很复杂，车间检查工作进入了瓶颈期。为及时解决这一问题，公司果断入手了一台三坐标测量机（CMM），用于首件和成品检测

Van Gardner先生表示，尽管存在这些问题，增加五轴能力是该车间销售额增长的根本原因。根据个人估测，从几年前GCG启用第一款M560-V以来，公司业务每年增长8%～10%。该车间还邀请客户参观车间，了解车间的五轴加工能力，以技术为亮点来拓展业务。