简易数控机床专机化使用

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数控机床能否作专机用于大批量生产?一般设计、工艺手册等资料大多是否定的，例如《机械加工工艺手册》对有关各类机床加工范围的划分如图1所示。
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图1

图2

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由图1可见，数控机床一般适用于加工复杂程度高而批量不大的场合：专用机床适用于大批量生产而复杂程度不很高的场合。

有关资料中还介绍了利用“数控加工适宜性评分表”来决策是否选用数控机床的方法，其中，当工件批量大于100件时，评分明显下降，可见其批量局限性之大。

然而，当我们注意到简易型数控机床与数控机床存在较大差异，而专用机床与普通机床、数控机床并无不可逾越之界线时，结论与上述图表可能大相径庭。我厂前轮毂生产线简易数控机床专机化使用7年来的实践，充分证明了简易数控机床完全可以用于大批量生产，并且不失为使简易数控机床获取较高经济效益的重要途径之一。前轮毂生产线于1993年7月利用原有普通车床作了数控改造后，生产能力并未因此提高，废品率与普通车床相当甚至更高，仅仅只降低了劳动强度，效果远不如人意。其原因可以原第10工序为例分析如下。工序示意如图2。 ; i: I/ c, Q3 k l

由于受数控机床适用范围理论影响，该工序内容高度集中，包含诸多阶梯内外圆粗、精车和多处内、外圆倒角以及轴向深槽和径向切槽等工步。理论上认为这样的工序使用数控机床可以显著提高效率，提高精度和精度一致性，能实现多台机床一人看管，降低操作者的技术等级要求。但实际情况几乎恰恰相反: # z; g9 Q% {- n. S

1. 实际切削时间586s，比原来普通车床手工操作约慢120s： 0 C; S0 C+ j+ o: ^3 I( ~7 c
2. 精车孔径实际误差可达0.06mm，而公差为0.03mm，废品率<2.5%：
3. 切削圆周深槽(宽×深=6.5mm×15mm)经常失步，严重阻碍了正常生产。由于失步改变了坐标位置，尺寸很不稳定，常需返工。
4. 工序复杂导致刀具多且形状复杂，难于刃磨和装调，每班需4名经验丰富、技术水平较高的操作者开4台机床，才能满足生产流通速度，而班组实际情况不能适应。

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理论与实际的巨大差异，其原因主要在于简易数控机床与一般数控机床的差异。简易数控机床大多是利用原普通机床改装，除了加装机床数控系统和少许改装进给系统外，其余并无改变，因此原机床的机械性能基本不变，切削用量亦不能加大，单一工步并不能提高效率。此外，当时的简易数控机床所配置的步进电动机负载能力偏小，切削阻力稍大即频繁失步，因此不得不降低进给速度。如切槽工步进给速度被迫降到原普通机床的1/3，尽管工步间自动转换比普通机床快，但仍入不敷出，总的效率较低。 1 K0 E" w C1 n9 s9 z [

简易数控机床一般选配开环控制系统，实际进给量无反馈亦无动态调整，对失步毫无察觉，其进给精度与采用闭环控制的数控机床比较，存在着质的差异。此外，用普通机床改装的简易数控机床进给系统刚性远不如数控机床，因此，对于材料硬度差异、毛坯余量大小、刀具锋利程度等因素比较敏感，尺寸离散程度较大。对于较小公差带，其实际工序能力往往不足，故不能简单地使用于精度要求高的场合。 : x+ n/ Q$ o, I& s& h

简易数控机床因其简陋或改装质量差、工作环境差等因素影响，故障率高于一般数控机床。若工序内容过于集中，任何一工步发生故障停机处理，都使整道工序受阻，对生产线流通影响较大。在质量方面影响亦大，例如上工步只要失步一两个脉冲当量，后续精车就难免报废。一般来说，需控制的动作转换次数与故障率成正比。例如回转刀架使用4个转位比仅使用一个转位的故障高约4倍。因此，简易数控机床并不适用于工序内容复杂的场合。 # a: J6 Y$ y$ q, o

认识到简易数控机床与数控机床的较大差异，为我们在观念上突破其适用范围提供了依据。怎样才能使简易数控机床获取较高的经济效率?最基本的办法之一是扬其长，避其短，而简易数控机床专机化使用恰能比较有效地做到这一点。 Z6 x2 e5 f' D7 V. R0 j8 y

首先，简易数控机床的价格不但远远低于一般数控机床，甚至还远低于专用机床。利用原有普通机床改装，一台机床的追加投资仅约2万元。因此，简易数控机床作专机使用具有很好的经济性和性能价格比。 3 c! @3 r/ X8 {' l

其次，专机生产线往往只能生产一种产品，若要改换产品，要么须对原机床的夹具和动力部分作较大改动，要么另搞一条专机生产线，其转换周期长，成本高，很难适应当今以销定产的市场要求。而简易数控机床组成的生产线，工艺柔性与数控机床几乎相同，可以随需应变。例如前轮毂生产线，数控系统中同时储存了两种型号的前轮毂、后轮壳的加工程序，零件品种转换时，只需调出相应加工程序，换少许刀具即可。对于试制产品的小批量生产，只要补输入加工程序，亦能很快地实现。7年来，这条生产线不仅很好地完成了原定的任务，还在外协件(相同零件或不同零件如后轮壳)配套缺口大的关键时刻发挥了重要作用。由此可见，简易数控机床作专机使用具有一般专用机床无法比拟的工艺柔性，能较好地适应市场要求。

简易数控机床专机化使用对于避其短也很有好处。 1 [+ H8 b& ?! b6 ?* e7 _7 j

专机化使用的具体特点之一是各工序加工内容比较单一，切削时间大致相等，使每一台机床闲置等待时间较少，从而充分发挥全线的生产能力。这就意味着原来过于集中的工序内容需要化整为零，使每道工序都比较简单。这与现有理论几乎背道而驰，但正因为如此，可以有效地避免简易数控机床的许多短处:

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1. 粗车、半精车与精车分离后，尺寸公差一下就扩大了几倍或十几倍，对于简易数控机床，毫不费力即可达到尺寸精度和精度一致性要求。此外，因刀具少且装调方便，操作者省去了用显微镜对刀的麻烦和时间。由于操作简易，质量稳定，一人看管2台机床轻松自如，一举提高功效近一倍。
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   粗精车分离前后Ø52-0.051-0.023mm孔径质量比较

   	标准偏差 (mm)	工序能力指数	实际废品率 (%)	附注
   改进前			2.5
   第一次改进	0.0595	0.84	0.8	精车未完全独立
   第二次改进 + Q! q! s, H1 j8 Y8 K8 ^7 K	0.0287	1.74	0.1	精车完全独立

   而精车工序独立后，机床进给系统受力轻微，精度一致性显著提高。由于不转刀架以及动作转换极少从而减少了误差源，离散程度下降，工序能力指数提高。在此以该工序精车Ø52mm孔径质量为例，参见右表。
   由此可见，尽管简易数控机床精度不如一般数控机床，但通过一些特殊措施改善它的工作条件后，其精度水平是可以满足一般精加工要求的。这一特点具有很大的经济意义:如果为精车工序配置一台数控机床的话，其精度也只能大致如此，而成本却要高出20倍以上。
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2. 由于工序内容简单，需控制的动作转换数大大减少，故障率明显降低，保证了生产线得以正常运行。同时，专机化有效地加快了零件流通，对机床布置、现场管理和安全文明生产十分有利。过去因各工序不平衡，某些工序经常发生工件大量堆积，对畅通道路、清扫铁屑、质量检验、均衡生产等均有影响。专机化后，现场阻滞现象明显减少。
   简易数控机床专机化使用对于前轮毂生产线最显著的好处是大幅度提高了生产效率，获得了很好的经济效益。专机化改进后，实际布置了两条并行的前轮毂生产线(便于操作者一人看管2台相同工序的机床并提高生产流通的稳定性)，实际月产量从原来3700件上升到5700件，目前已达到了7000件。设生产线为独立核算经济实体，以零件加工费为其收入。由于人力、物力和管理费用近似于不变(实际上操作人员减少而机床略有增加，费用大体相抵消)，而生产能力提高，净增产品的加工费可视为直接经济效益。7年来，实际年产量平均约70000件(受计划限制)。改进前月产3700件，年产为3700×12=44400(件)，由此得实际年增产为70000-44400=25600(件)。每件加工费为20.63元，年增收加工费为20.63×25600=528128.00(元)。此外，因两道工序实际废品率合计下降了1.1%，每年可减少废品70000×1.1%=770(件)，每件价值72.63元，年减少废品损失72.63×770=55925.1(元)。合计年增收入58.4万元。扣除追加投资52万元，实际效益累计已达350万元。

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实践充分证明，简易数控机床专机化使用在提高生产效率、产品质量和经济效益等方面效果显著。因此，简易数控机床完全可以作专机用于大批量生产。以此反思，专用机床设计是否也可以运用数控技术提高其工艺柔性从而提高其使用性能?

【MechNet】