组合机床和组合机床自动线的技术性(上)

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　　组合机床和组合机床自动线是一种专用高效自动化技术装备，目前，由于它仍是大批量机械产品实现高效、高质量和经济性生产的关键装备，因而被广泛应用于汽车、拖拉机、内燃机和压缩机等许多工业生产领域。其中，特别是汽车工业，是组合机床和自动线最大的用户。如德国大众汽车厂在Salzgitter的发动机工厂，90年代初所采用的金属切削机床主要是自动线(60%)、组合机床(20%)和加工中心(20%)。显然，在大批量生产的机械工业部门，大量采用的设备是组合机床和自动线。因此，组合机床及其自动线的技术性能和综合自动化水平，在很大程度上决定了这些工业部门产品的生产效率、产品质量和企业生产组织的结构，也在很大程度上决定了企业产品的竞争力。
　　现代组合机床和自动线作为机电一体化产品，它是控制、驱动、测量、监控、刀具和机械组件等技术的综合反映。近20年来，这些技术有长足进步，同时作为组合机床主要用户的汽车和内燃机等行业也有很大的变化，其产品市场寿命不断缩短，品种日益增多且质量不断提高。这些因素有力地推动和激励了组合机床和自动线技术的不断发展。
　　1组合机床品种的发展重点
  |# E) y5 c+ ^3 m　　在组合机床这类专用机床中，回转式多工位组合机床和自动线占有很重要的地位。因为这两类机床可以把工件的许多加工工序分配到多个加工工位上，并同时能从多个方向对工件的几个面进行加工，此外，还可以通过转位夹具(在回转工作台机床上)或通过转位、翻转装置(在自动线上)实现工件的五面加工或全部加工，因而具有很高的自动化程度和生产效率，被汽车、摩托车和压缩机等工业部门所采用。
　　根据有关统计资料，德国在1990～1992年期间，回转式多工位组合机床和自动线的产量约各占组合机床总数的50%左右。
　　应指出，回转式多工位组合机床实际上是一种特殊型式的小型自动线，适合于加工轮廓尺寸≤250mm的中小件。与自动线相比，在加工同一种工件的情况下，回转式多工位组合机床所占作业面积要比自动线约小2/3。
　　2自动线节拍时间进一步缩短
　　目前，以大批量生产为特征的轿车和轻型载货车，其发动机的年产量通常为60万台左右，实现这样大的批量生产，回转式多工位组合机床和自动线在三班运行的情况下，其节拍时间一般为20～30秒，当零件生产批量更大时，机床的节拍时间还要更短些。在70年代，自动线要实现这样短的节拍，往往要采用并列的双工位或设置双线的办法，即对决定自动线节拍的、工序时间最长的加工工序要通过并联两个相同的加工工位，如果限制性工序较多时，则通过采用两条相同的自动线来平衡自动线系统的加工节拍。显然，这样就要增加设备投资和作业面积。
+ U% P" D) r' M2 C5 ]+ z6 q, y　　缩短基本时间的主要途径是采用新的刀具材料和新颖刀具，以通过提高切削速度和进给速度来缩短基本时间。例如，德国大众汽车厂在加工铝合金缸盖燃烧室侧面时，采用PCD铣刀，铣削速度高达3075m/min，进给速度达3600mm/min；又如，在镗削灰铸铁缸体的缸孔时，采用装有三个可转位CBN刀片的新颖镗刀头，切削速度达800m/min，进给速度为1500mm/min，加工深度为146mm的缸孔，其实际加工时间仅为5.8s，比传统加工工艺可缩短2/3的加工时间。
　　缩短辅助时间主要是缩短包括工件输送、加工模块快速引进以及加工模块由快进转换为工进后至刀具切入工件所花的时间。为缩短这部分空行程时间，普遍采用提高工件(工件直接输送)或随行夹具的输送速度和加工模块的快速移动速度。目前，随行夹具的输送速度可达60m/min或更高些，加工模块快速移动速度达40m/min。目前，随行夹具高速输送装置常用的有电液比例阀控制的或摆线驱动的输送装置。70年代末，Honsberg公司在其加工变速箱体的自动线上就采用了电液比例阀控制的输送装置。该自动线长18.2m，有12个加工工位，输送步距为1400mm，输送重量为7000kg，输送速度达45.6m/min，一个步距的输送时间仅为2.5s。
　　为该输送装置的运动特性曲线。由于电液比例阀控制系统具有良好的启动和制动性能，且系统结构简单，至今，这种输送装置仍被许多自动线所采用。
　　3组合机床柔性化进展迅速
% R. k( ?6 i5 y( n  G, k% p/ p7 W　　十多年来，作为组合机床重要用户的汽车工业，为迎合人们个性化需求，汽车变型品种日益增多，以多品种展开竞争已成为汽车市场竞争的特点之一，这使组合机床制造业面临着变型多品种生产的挑战。为适应多品种生产，传统以加工单一品种的刚性组合机床和自动线必须提高其柔性。在70年代，数控系统的可靠性有了很大的提高，故到70年代末和80年代初，像Alfing、Hüller-Hille和Ex-cell-o等公司相继开发出数控加工模块和柔性自动线(FTL)，从此数控组合机床和柔性自动线逐年增多。在1988年至1992年间，日本组合机床和自动线(包括部分其它形式的专用机床)产量的数控化率已达32%～39%，产值数控比率达35%～51%；德国组合机床和自动线产量的数控化率为18%～62%，产值数控化率达45%～66%(表2)。这些数字表明，近十年来，组合机床的数控化发展是十分迅速的。应指出，进入90年代以来，汽车市场竞争更趋激烈，产品市场寿命进一步缩短，新车型的开发周期日益缩短(目前一般为35个月)，汽车品种不断增多，因而汽车工业对柔性自动化技术装备的需求量日益增多。如日本丰田汽车公司，在本世纪末的目标是公司下属工厂的柔性化加工系统的普及率达到100%。很显然，组合机床及其自动线在保持其高生产效率的条件下，进一步提高其柔性就愈来愈具有重要意义。
　　表2日本和德国数控组合机床和数控自动线(1988～1992年)产量、产值 产量 产值 年份 1988 1989 1990 1991 1992 1988 1989 1990 1991 1992 日本 组合机床和自动线 5074 5138 5653 5970 4260 808.2 954.9 1106.2 1590.1 1193.1 其中：数控组合机床和数控自动线 1640 1640 2087 2326 1626 283.7 335.0 539.9 767.6 607.2 数控化率(%) 32.3 31.9 36.9 39.0 38.2 35.1 35.1 48.8 48.3 50.9 德国 组合机床和自动线 1655 837 886 813 644 565.2 429.8 712.2 746.7 896.9 其中：数控组合机床和数控自动线 1028 149 196 236 274 302.0 196.0 378.3 490.6 590.5 数控化率(%) 62.1 17.8 22.0 29.0 42.5 53.5 45.6 53.1 65.7 65.8 摘自《1993～1994 Economic Handbook of the Machine Tool Industry》AMT
. Y! P; ?9 D3 J" Q　　1.输送装置2.操纵台3.液压站4.备料站5.夹紧工位6.龙门式空架机器人7.清洗工位8.CNC三坐标加工模块9.输送带10.转塔式多轴加工模块11.NC二坐标铣削模块12.有轨输送小车13.储料站14.手动夹紧站
; R" w6 O- @* _2 q　　组合机床的柔性化主要是通过采用数控技术来实现的。开发柔性组合机床和柔性自动线的重要前提是开发数控加工模块，而有着较长发展历史的加工中心技术为开发数控加工模块提供了成熟的经验。由数控加工模块组成的柔性组合机床和柔性自动线，可通过应用和改变数控程序来实现自动换刀、自动更换多轴箱和改变加工行程、工作循环、切削参数以及加工位置等，以适应变型品种的加工。柔性组合机床和柔性自动线用的数控加工模块，按其数控坐标(轴)数，主要有单坐标(Z)、双坐标(X-Z、Y-Z、Z-U和Z-B等)和三坐标(X-Y-Z)加工模块；按其主轴数，有单轴和多轴加工模块，也有单轴和多轴复合加工模块。
1 G" s- P  ^2 O- ?9 p, G% d; ]　　单坐标加工模块由数控滑台和主轴部件(或多轴箱，包括可换多轴箱)组成。双坐标加工模块由数控十字滑台和主轴部件组成，例如数控双坐标铣削模块。立柱移动式数控三坐标加工模块(图6)，其刀具能在三个坐标上实现运动，可根据加工工件的品种和加工任务配备刀库、换刀机械手以及所需的刀具，具有很高的柔性。这种加工模块是柔性自动线实现多品种加工最重要的模块之一。
  r& m1 j; H/ Q! M. z# \9 b. h　　立柱移动式CNC三坐标加工模块可利用X轴和Y轴的联动来实现周边铣削工艺，特别是在铣削象变速箱体这类刚性较差的工件时，可采用较小直径的铣刀，实现高速(切削速度达2500m/min)周边铣削，由此减小加工时的切削力和工件的变形。这比采用双坐标铣削加工模块用大直径铣刀进行铣削要优越得多。多轴加工模块是又一种重要模块，主要用于加工箱体和盘类工件的柔性组合机床和柔性自动线。这类模块有多种不同的结构形式，但基本上可分为自动换箱式多轴加工模块、转塔式多轴加工模块和回转工作台式多轴加工模块。自动换箱式模块由于可在专门设置的多轴箱库中储存较多的多轴箱，故可用来加工较多不同品种的工件。而转塔式和回转工作台式多轴加工模块，由于在转塔头和回转工作台上允许装的多轴箱数量有限(一般为4～6个)，所以这种加工模块只能实现有限品种的加工。
　　在自动线上采用CNC三坐标加工模块和转塔式多轴加工模块，不仅可实现不同品种工件的加工，而且在自动线节拍时间内(如果节拍时间允许的话)，这类加工模块还可以在同一个加工工位上通过其自动换刀或换箱，依次实现多道加工工序(粗镗、半精镗和精镗；钻孔、扩孔和攻丝)，从而减少自动线的加工工位数，缩短自动线的长度。
　　单轴和多轴复合加工模块是一种三坐标数控加工模块，可通过自动换刀或自动更换多轴箱而实现单轴加工或多轴加工。值得提及的是，在80年代中期德国Honsberg公司推出的CNCMACH模块化系统是很有特色的一种模块化系统，该系统充分应用模块化结构原理，在作为系统基础模块的CNC三坐标模块上，通过增减各种不同的功能模块，拼装成各种不同坐标或不用工艺用途的加工模块。具体地说，从坐标看，除三坐标外，还可组成双坐标和单坐标加工模块；从刀库看，可装设刀具库和多轴箱库，可单独实现刀具或多轴箱的自动更换，也可依次实现刀具和多轴箱的更换。
+ w- L: T' P# S9 p' l　　CNC MACH系统，不仅在机械结构方面，而且在控制和软件等方面也是模块化的。因此，利用该系统模块，可以很方便地拼装成柔性自动线(FTL)、柔性加工单元(FMC)或柔性制造系统(FMS)。除上述各种CNC加工模块外，机器人和伺服驱动的夹具也是柔性组合机床和柔性自动线的重要部件。特别在柔性自动线上，目前已较普遍地采用龙门式空架机器人进行工件的自动上下料，用于工件的转位或翻转。为搬运不同的工件，可在自动线旁设置手爪库，以实现手爪的自动更换。夹具配备伺服驱动装置，以适应工件族内不同工件的自动夹紧。
　　该线采用的数控加工模块有四个双坐标数控铣削模块、六个数控转塔式多轴加工模块和六个数控三坐标加工模块。辅助工位有清洗工位和采用机器人进行操作的装夹工作站。由于组成自动线的加工模块都是数控的，当由一种工件的加工变换为另一种工件的加工时，只需通过改变数控程序就行了，而无需进行机械等方面的调整和改装。
8 S8 r0 _! w# C7 {2 D# P! A  @9 l　　4加工精度日益提高 表3轿车发动机关键件的精度工件名称项目数值 气缸体顶底面的平面度0.02mm/1000mm 缸孔孔径精度IT6 主轴孔同轴度f0.01mm 缸体止口深度0.01～0.02mm 气缸盖进排气阀座与导管孔的同轴度f0.02mm 导管孔孔径精度IT6 气缸体和气缸盖等箱体件 工艺定位销孔孔径精度IT5 孔距精度+0.01mm 变速箱体传动轴孔孔距精度+0.02mm 孔径精度IT6 连杆大小头孔孔径精度IT6(大头孔) IT5(小头孔) 孔距精度+0.01mm 螺栓定位孔孔径精度IT6 孔距精度+0.03mm
　　1.镗杆2.精车缸孔止口用的滑板3.空心锥柄(HSK) 4.装有三个切削刃和三个金刚石导向条的刀头5.车止口用拉杆 缸孔精镗刀具
　　1.自动上下料系统2.加工基准面和定位销孔的回转工作台式组合机床3～6、8～10、13～17、21.切削加工柔性自动线7.试漏机11.清洗机12.导管和阀座自动装配机18.去毛刺机19.清洗机20.凸轮轴轴承盖自动装配机 缸盖综合生产系统
　　特别自80年代中期以来，汽车制造业为增强其汽车的竞争力，不断地加严其发动机关键件的制造公差，并通过计算机辅助测量和分析方法，以及通过设备能力检验来提高其产品的质量。目前，在验收组合机床和自动线时，已普遍要求设备的工序能力系数要大于1.33，有的甚至要求工序能力系数要大于1.67，以便确保稳定的加工精度。应指出，采用Cp≥1.33来验收设备，这实际上是加严了工件的制造公差，即工件的实际加工公差仅为工件给定公差的1/3～1/2，这无疑是对组合机床和自动线提出了更高的要求。组合机床制造厂为了满足用户对工件加工精度的高要求，除了进一步提高主轴部件、镗杆、夹具(包括镗模)的精度，采用新的专用刀具，优化切削工艺过程，采用刀具尺寸测量控制系统和控制机床及工件的热变形等一系列措施外，目前，空心工具锥柄(HSK)和过程统计质量控制(SPC)的应用已成为自动线提高和监控加工精度的新的重要技术手段。
　　空心工具锥柄是一种采用径向(锥面)和轴向(端面)双向定位的新颖工具，其优点是具有较高的抗弯刚度、扭转刚度和很高的重复精度。在机床上采用空心锥柄的镗刀，就可使用预调的刀具加工出IT7/IT6精密孔。所示是空心工具锥柄在缸孔精镗刀具上的应用实例。
　　SPC是基于工序能力的用于监控工件加工质量的一种方法。目前，在自动线上这种质量保证系统愈来愈多地被用来对整个生产过程中的加工质量进行连续监控。表4是缸盖气门导管底孔和阀座底孔在采用SPC监控时的实际加工公差。表4采用SPC监控时缸盖气门导管底孔和阀座底孔的实际加工公差(mm)加工部位孔径公差SPC监控下的实际加工公差 (临界工序能力系数Cpk＝2) 导管底孔12 H7+0.018 +0.009 阀座底孔30 H8+0.033 +0.016
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