小型箱體零件的柔性線加工技術研究

李洪濤

（沈陽機床（集團）有限責任公司 設計研究院，沈陽 110041）

1 引言

隨著社會財富的積累，人們對商品質量與功能的要求不斷升高。制造企業(yè)為了自身的生存和發(fā)展，必須持續(xù)地進行技術創(chuàng)新，研發(fā)制造新產(chǎn)品，才能取得相對于競爭對手的產(chǎn)品優(yōu)勢，進而贏得市場。產(chǎn)品種類的不斷增加和生命周期的不斷縮短，使得制造企業(yè)原有的剛性生產(chǎn)線無法滿足生產(chǎn)需要，必須研究柔性制造技術。

1967 年，英國莫林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的FMS 基本概念，研制了“系統(tǒng)24”。其主要設備是六臺模塊化結構的多工序數(shù)控機床，目標是在無人看管條件下，實現(xiàn)晝夜24h 連續(xù)加工，但最終由于經(jīng)濟和技術上的困難而未全部建成。同年，美國的懷特·森斯特蘭公司建成Omniline I 系統(tǒng)，它由8 臺加工中心和2 臺多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機床間傳送和進行加工。這種柔性自動化設備適于在少品種、大批量生產(chǎn)中使用，在形式上與傳統(tǒng)的自動生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動線。1976 年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機器人組成的柔性制造單元（簡稱FMC）為發(fā)展FMS 提供了重要的設備形式。1982年，該公司建成自動化電機加工車間，由60個柔性制造單元（包括50個工業(yè)機器人）和一個立體倉庫組成。迄今為止，全世界有大量的柔性制造系統(tǒng)投入了應用，國際上以柔性制造系統(tǒng)生產(chǎn)的制成品已經(jīng)占到全部制成品生產(chǎn)的75%以上，而且比例還在增加。

本文以沈陽機床集團內(nèi)數(shù)控機床產(chǎn)品的典型小箱體零件作為柔性制造系統(tǒng)的制成品，分析了該類零件結構特征，設計了專用工藝裝備，制定了該類零件的柔性加工工藝，規(guī)劃了柔性加工生產(chǎn)線的布置方案。本文研究的柔性制造技術將作為沈陽機床集團的智能制造裝備發(fā)展專項的一項技術支撐。

2 加工特征分析

小型箱體零件的關鍵結構特征是自身的安裝基準和箱體孔系，也就是小型箱體的安裝底基面、安裝側基準面、前面、直口、軸承安裝孔、軸承安裝孔內(nèi)端面、軸承壓蓋安裝端面。在數(shù)控機床典型零件中，箱體零件的加工精度是很高的。一般來說，軸承安裝孔的尺寸精度為IT6級，關鍵特征的形位公差精度為4～5 級（如表1）。

表1 小型箱體的關鍵形位精度

3 柔性線加工工藝設計

通常情況下，小型箱體類零件的常規(guī)工藝方法是在臥式加工中心上先加工基準，再以基準裝夾找正銑鏜完成其他關鍵結構特征的加工，主要工序為：（1）第一次裝夾，以小型箱體背面為裝置面，按外輪廓找正，加工小型箱體的安裝底基面和側基面；（2）第二次裝夾，以加工完成的小型箱體安裝底基面為裝置面，按加工完成的側基面找正，加工前面、直口、軸承安裝孔、軸承安裝孔內(nèi)端面、軸承壓蓋安裝端面。

圖1 小型箱體示意圖

常規(guī)工藝第二次裝夾是以關鍵特征面（小型箱體的安裝底基面和小型箱體的安裝側基面）為裝置面和找正基準的，所以第二次裝夾過程中產(chǎn)生的誤差必然會影響小型箱體的形位精度。為了保證加工精度，需要設計在一次裝夾過程中完成全部關鍵特征加工的工藝方法，使得關鍵特征之間的形位精度只與加工設備有關，而與裝夾找正過程無關，依靠加工設備自身的幾何精度來保證加工件的形位精度。

圖2 隨行夾具示意圖

圖3 工步①加工內(nèi)容示意圖

圖4 工步②加工內(nèi)容示意圖

數(shù)控機床產(chǎn)品種類和規(guī)格不同，小型箱體必然是多種多樣的，對于混流生產(chǎn)線，若直接用小型箱體外輪廓作為生產(chǎn)線上下料機械手爪的夾持面和機床夾具的裝夾面，就需要配置若干種規(guī)格尺寸的上下料機械手爪和液壓夾具。為了減少生產(chǎn)線的建設費用，需要設計一批與生產(chǎn)線上下料機械手爪和機床夾具的接口尺寸相同的專用工藝裝備，作為各種規(guī)格尺寸小型箱體的隨行夾具。

小型箱體的頂面并非其關鍵特征面，而且與關鍵特征面也沒有相對位置關系，可以在生產(chǎn)線外完成加工，并在此面上加工4個工藝螺孔，以其作為小型箱體類零件與隨行夾具結合的通用工藝面。根據(jù)臥式加工中心的特點、上下料機械手爪的特點、機床夾具的特點以及小型箱體工藝面的特點，設計隨行夾具，如圖2。

按隨行夾具裝夾找正，在臥式加工中心上加工除頂面外的所有加工特征。具體工步為：①粗精銑小型箱體底基準面；粗精銑小型箱體側基準面（如圖3）。②粗精銑削前面；粗精鏜削直口；鉆攻前面上的螺紋孔。粗精銑削軸承壓蓋安裝面；粗精鏜削軸承孔及其內(nèi)端面；鉆攻軸承壓蓋安裝面上的螺紋孔（如圖4）。

根據(jù)臥式加工中心的主軸功率及扭矩、伺服電機進給速度及功率和所用切削刀具的推薦切削速度、切削深度，設計詳細的加工工序表，如表2。

表2 工序表

表3 刀具表

表4 加工節(jié)拍表

4 柔性生產(chǎn)線規(guī)劃

生產(chǎn)線除了加工設備外，還需要清洗機、在線檢測裝置和打標機。經(jīng)過市場調查，通過式清洗機的節(jié)拍≤120s/件，在線檢測裝置的節(jié)拍≤30s/件，打標機的節(jié)拍≤15s/件，而經(jīng)過計算可知，單臺加工設備的節(jié)拍是896s，如表4。為了平衡節(jié)拍，需要并行布置8 臺臥式加工中心作為數(shù)字化車間混流生產(chǎn)線的加工設備。根據(jù)混流成線加工工藝，本文規(guī)劃了生產(chǎn)線的布局，如圖5。

柔性生產(chǎn)線的具體流程為：①自動倉庫通過料道將待加工件送上生產(chǎn)線。②在隨行夾具安裝工位，夾具機械手從夾具緩沖區(qū)取來隨行夾具，裝配機械手將待加工件與隨行夾具結合。③夾具機械手將待加工件隨同夾具送至上下工件緩沖區(qū)。④帶直線運動單元的關節(jié)機械手將物料隨同夾具依次送至加工設備和清洗、檢測、打標工位，最后送回上下工件緩沖區(qū)。⑤夾具機械手將加工成品隨同夾具從上下工件緩沖區(qū)送至隨行夾具拆卸工位，拆卸機械手將隨行夾具卸下，夾具機械手將隨行夾具送回夾具緩沖區(qū)。⑥加工成品經(jīng)料道送回自動倉庫。

圖5 生產(chǎn)線布局圖

5 結語

本文根據(jù)沈陽機床集團混流成線加工小型箱體類零件的需要，通過分析該類零件的結構特征，以專用工藝裝備作為隨行夾具，詳細設計了該類零件的柔性線加工工藝，并且以加工工藝為基礎規(guī)劃了柔性生產(chǎn)線。在后續(xù)工作中，將以本文研究的柔性線加工技術為技術支撐，繼續(xù)細化數(shù)字化車間的建設方案。

［1］吳平.高速加工中心組成的敏捷柔性生產(chǎn)線的研制和應用［J］.組合機床與自動化加工技術，2009（5）：78-81.

［2］張亞明.柔性制造技術及應用［J］.煤炭技術，2008（3）：9-10.

［3］吳建華，姚振強.敏捷可重組制造系統(tǒng)的研究［J］.淮陰工學院學報，2003（3）：1-5.

［4］盧道華，等.一種簡易實用型FMC的構成研究［J］.華東船舶工業(yè)學院學報，1997（4）：25-29.