液壓支架主閥體零件柔性生產(chǎn)工藝規(guī)劃研究

肖元昭 曾 強

（1.河南理工大學工商管理學院，河南 焦作 454000；2.鄭州輕工業(yè)大學工程訓練中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

近年來，國產(chǎn)液壓支架電液控制系統(tǒng)快速發(fā)展，電液控制系統(tǒng)是煤礦實現(xiàn)智能化、無人化開采的核心，而主閥體零件又是電液控制系統(tǒng)核心零部件之一［1］。生產(chǎn)主閥體零件采用的是多品種、小批量生產(chǎn)方式，而傳統(tǒng)的單機單件生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品切換頻繁、工藝復雜、加工調(diào)試過程復雜、調(diào)機時間長，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證，生產(chǎn)成本較高。隨著國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，單機生產(chǎn)難以滿足日益增長的市場需求，單機生產(chǎn)方式嚴重制約著國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)的快速發(fā)展。通過對不同種類主閥體零件的結(jié)構(gòu)特征分析后得知，主閥體零件的品種雖然較多，但其加工工藝特征基本一致，具有同族零件的特點，研究主閥體零件生產(chǎn)單元柔性化生產(chǎn)工藝對提高主閥體零件的生產(chǎn)效率及企業(yè)競爭力具有重要意義［2］。

1 主閥體零件特征及工藝分析

主閥零件結(jié)構(gòu)特征如圖1 所示。閥體零件主要以孔系和螺紋為主，經(jīng)過三道工序來完成加工。①主閥體四周側(cè)面由若干階梯式主孔及螺紋組成，四周側(cè)面由主孔和閥芯配合，側(cè)面主孔精度及形位公差要求較高，主孔加工質(zhì)量是主閥體加工的重要工序，其加工工藝復雜，對每個孔的密封性能要求較高，是主閥零件加工最難實現(xiàn)、工時最長、使用刀具最多、生產(chǎn)管理最復雜的工序。為保證加工質(zhì)量，需要在臥式加工中心一次裝夾完成加工［3］。②主閥體端面兩個貫通的Φ3 mm小孔，主要由數(shù)控深孔鉆加工完成。③主閥體上表面孔口所在的平面需要與先導閥進行平面裝配，對平面密封性要求較高，因此，對平面度及粗糙度要求較高。閥體上表面分布若干Φ3 mm 的小孔及M10 的螺紋孔，上表面小孔與主孔貫通，因此，形位公差要求較高，此工序由立式加工中心完成加工［4］。

圖1 主閥體零件結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)單機生產(chǎn)工藝模式下，臥式加工中心加工時長較長，深孔鉆及立式加工中心加工時長較短，導致立式加工中心待機時間較長，生產(chǎn)節(jié)拍不平衡。且不同工藝人員根據(jù)自身經(jīng)驗獨自完成零件工藝設(shè)計方案，導致數(shù)控程序、刀具、夾具選用及工藝參數(shù)因人而異，工作量大，工序煩瑣，沒有固定的作業(yè)流程，產(chǎn)品規(guī)格的多樣化，造成調(diào)機頻繁、產(chǎn)品切換效率較低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品合格率低。基于成組技術(shù)工藝，劃分主閥體零件族，分析主閥體零件特征及結(jié)構(gòu)，提出構(gòu)建柔性化生產(chǎn)單元，通過設(shè)計成組化專用夾具，實現(xiàn)零件快速定位裝夾。制定標準化工藝流程，建立主閥體零件數(shù)據(jù)工藝庫，實現(xiàn)不同規(guī)格零件快速換產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實現(xiàn)主閥體零件單元柔性化生產(chǎn)管理［5］。

2 主閥體零件柔性生產(chǎn)單元的布局及工序

單元化生產(chǎn)是現(xiàn)代制造最有效的生產(chǎn)布局設(shè)置方式之一，單元化生產(chǎn)可將生產(chǎn)線按照其生產(chǎn)流程布局成一個完整的作業(yè)單元，生產(chǎn)單元實現(xiàn)“一個流”作業(yè)標準。單元化生產(chǎn)方式是一種基于多品種、小批量的生產(chǎn)方式，這種在一條生產(chǎn)線或一組機器設(shè)備單元內(nèi)，由單元的操作人員生產(chǎn)多種產(chǎn)品或零件的生產(chǎn)制造技術(shù)，是實現(xiàn)多品種、小批量產(chǎn)品柔性生產(chǎn)需求的有效方式［6］。

2.1 柔性生產(chǎn)單元布局

通過主閥體零件的特征分析可知，單元柔性化生產(chǎn)是提高主閥體零件生產(chǎn)效率的有效方式，可有效滿足主閥體零件多品種、小批量的柔性生產(chǎn)需求，減少制品庫存量，縮短生產(chǎn)周期，減少物流轉(zhuǎn)運時間，能使生產(chǎn)節(jié)拍趨于平衡，減少對設(shè)備、工裝、刀具等的投資，能有效解決主閥體零件的生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本問題。主閥體零件的柔性生產(chǎn)單元布局如圖2 所示，生產(chǎn)單元由四臺四軸臥式加工中心組成的柔性生產(chǎn)線、兩臺數(shù)控深孔鉆、兩臺四軸立式加工中心組成。

圖2 柔性生產(chǎn)單元布局

2.2 柔性生產(chǎn)單元的生產(chǎn)工序

主閥體零件在柔性生產(chǎn)單元的生產(chǎn)工序見表1。主閥體毛坯料先進入臥式加工中心工位1 及工位2，由專用夾具固定裝夾后，再由AGV 小車送入托盤庫等待加工，待機床加工完成后，由AGV 小車把加工好的零件送入工位1 或工位2，把托盤庫的待加工的毛坯料送入四軸臥式加工中心，完成四周側(cè)面主孔的加工。臥式加工中心加工后的半成品轉(zhuǎn)到數(shù)控深孔鉆，鉆端面Φ3 mm 的通孔，轉(zhuǎn)入立式加工中心完成上表面的加工，再轉(zhuǎn)入產(chǎn)品待轉(zhuǎn)區(qū)轉(zhuǎn)至下道工序。通過設(shè)計專用夾具，此生產(chǎn)工序能實現(xiàn)多品種主閥體零件的快速換產(chǎn)，有效提升主閥體零件的生產(chǎn)效率。

3 成組專用夾具設(shè)計

3.1 主閥體零件定位基準分析

在機械加工工藝設(shè)計中，正確選用定位基準，對保證零件加工要求、合理安排工藝順序有著重要影響。定位基準的選擇在零件加工工藝中非常重要，不僅會影響零件的位置尺寸和位置精度，還會對整個工藝過程的安排和加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。一般來說，零件的定位基準一旦選定，零件的定位方案也基本上確定。定位方案是否合理，直接關(guān)系到零件的加工精度能否得到保證。本研究定位基準采用一面兩銷的定位方法，即以下表面兩個銷孔作為工藝基準，采用四個螺栓孔裝夾固定工件，裝夾安全穩(wěn)定、高效便捷。主閥體零件規(guī)格不同，其定位基準位置也有所不同，可根據(jù)其族群類劃分，完成其不同規(guī)格零件定位基準的分類［7］。

3.2 成組專用夾具設(shè)計及應用

成組夾具設(shè)計是成組技術(shù)在機械加工中的關(guān)鍵之處。夾具設(shè)計應滿足零件加工要求，減少輔助時間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。設(shè)計的專用夾具還可擴大機床使用范圍，實現(xiàn)一機多能。同族零件具有工藝相似的特點，根據(jù)其工藝特征的共性，設(shè)計該類型產(chǎn)品的成組化夾具，以實現(xiàn)對零件生產(chǎn)中的快速定位安裝，并實現(xiàn)零件的快速切換，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。根據(jù)主閥體零件的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計成組化夾具，對提高主閥體零件的加工效率、提升產(chǎn)品品質(zhì)具有重要意義［8］。

主閥體零件品種繁多，零件加工特征復雜，零件特征之間的形位關(guān)系要求較高，重復定位裝夾會影響零件加工質(zhì)量，且影響加工效率。通過分析該系列主閥體零件所使用的加工設(shè)備特點，結(jié)合主閥體加工特征，不同規(guī)格主閥體零件的裝夾具有相似性。主閥體屬族群類零件，其零件規(guī)格不同，但零件的加工工藝基本一致。根據(jù)主閥體零件的族群化特點及定位基準特征，設(shè)計的夾具如圖3 所示。將夾具固定在臥式加工中心交換工作臺上，工件定位采用“一面兩銷”的方式，四個螺釘反拉夾緊工件。采用這樣的裝夾方式，工序相對集中、裝夾安全可靠，工件在臥式加工中心一次裝夾，可同時完成四個面的加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。在加工過程中，由柔性生產(chǎn)線的AGV 小車進行搬運，提前進入加工等待區(qū)，降低加工準備時間，提高加工效率。且不同規(guī)格的主閥體的夾具模塊可實現(xiàn)隨時切換及互換，降低了不同規(guī)格主閥體零件工裝夾具的設(shè)計、制造及調(diào)試時間。通過對工裝夾具進行編號，不同品種的主閥體零件對應其所使用的工裝夾具，對工裝夾具進行歸類整理，實現(xiàn)夾具在線數(shù)據(jù)管理，保證主閥體零件生產(chǎn)實現(xiàn)快速換產(chǎn)。該夾具是主閥體零件生產(chǎn)單元實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的關(guān)鍵零部件之一。

圖3 夾具

4 主閥體零件單元柔性化生產(chǎn)工藝應用效果

通過上述主閥體零件加工工藝進行分析，根據(jù)成組技術(shù)工藝，合理布局柔性生產(chǎn)單元，通過成組化專用夾具設(shè)計及應用，完成對主閥體零件的單元柔性化生產(chǎn)工藝規(guī)劃，與單機單件生產(chǎn)工藝相比，單元柔性化生產(chǎn)工藝有以下三個優(yōu)點。

①與傳統(tǒng)單機化生產(chǎn)相比，現(xiàn)有的單元柔性化生產(chǎn)工藝可實現(xiàn)主閥體零件從生產(chǎn)計劃調(diào)度、夾具選用、數(shù)控程序、刀具選用、生產(chǎn)工藝全過程的標準化作業(yè)。將不同規(guī)格的零件進行整理分類管理，形成標準化生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，建立工藝數(shù)據(jù)庫、結(jié)合生產(chǎn)管理執(zhí)行系統(tǒng)，實現(xiàn)對不同規(guī)格主閥體零件快速換產(chǎn)，提升共線共產(chǎn)能力，減少因市場產(chǎn)生的庫存積壓，實現(xiàn)主閥體的柔性化、自動化生產(chǎn)管理，解決主閥體零件多品種、小批量的生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高的難題，滿足市場個性化的需求。

②自動化、柔性化程度的提升，極大降低了對操作者的技能要求，也減少了不同操作者對產(chǎn)品質(zhì)量的影響。操作人員嚴格按照工藝過程卡片和標準化工藝流程進行操作，既可保證加工質(zhì)量，又能使產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性及產(chǎn)品品質(zhì)大幅度提高。

③通過現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比，和傳統(tǒng)單機化生產(chǎn)相比，采用優(yōu)化后的主閥體零件的柔性生產(chǎn)工藝，不同規(guī)格產(chǎn)品可實現(xiàn)快速換產(chǎn)，節(jié)省調(diào)試機床時間（節(jié)省48 h）。單件生產(chǎn)所用時間由原來的4 h 減少至2 h，生產(chǎn)效率提升一倍，產(chǎn)品一次合格率由原來的95.5%提高至99.8%以上，大大降低主閥體的生產(chǎn)成本，極大提高了國產(chǎn)電液控制系統(tǒng)企業(yè)的市場競爭力。

5 結(jié)語

通過對主閥體零件的特征及生產(chǎn)工藝過程的分析研究，構(gòu)建柔性生產(chǎn)單元，設(shè)計成組化專用夾具，通過生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)主閥零件的單元化、柔性化生產(chǎn)及管理，提高主閥體零件生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。后續(xù)研究還需在此研究的基礎(chǔ)上不斷改善，持續(xù)優(yōu)化主閥零件生產(chǎn)加工工藝流程，不斷提高主閥零件單元柔性化生產(chǎn)效能和產(chǎn)品質(zhì)量，為主閥體零件生產(chǎn)企業(yè)實現(xiàn)數(shù)字化、智能化生產(chǎn)作出貢獻。