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。制造企業為了自身的生存和發展，必須持續地進行技術創新，研發制造新產品，才能取得相對于競爭對手的產品優勢，進而贏得市場。產品種類的不斷增加和生命周期的不斷縮短，使得制造企業原有的剛性生產線無法滿足生產需要，必須研究柔性制造技術。

1967 年，英國莫林斯公司首次根據威廉森提出的FMS 基本概念，研制了“系統24”。其主要設備是六臺模塊化結構的多工序數控機床，目標是在無人看管條件下，實現晝夜24h 連續加工，但最終由于經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，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、大批量生產中使用，在形式上與傳統的自動生產線相似，所以也叫柔性自動線。1976 年，日本發那科公司展出了由加工中心和工業機器人組成的柔性制造單元（簡稱FMC）為發展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投入了應用，國際上以柔性制造系統生產的制成品已經占到全部制成品生產的75%以上，而且比例還在增加。

本文以沈陽機床集團內數控機床產品的典型小箱體零件作為柔性制造系統的制成品，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，規劃了柔性加工生產線的布置方案。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、軸承安裝孔內端面、軸承壓蓋安裝端面。在數控機床典型零件中，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、軸承安裝孔內端面、軸承壓蓋安裝端面。

圖1 小型箱體示意圖

常規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加工內容示意圖

圖4 工步②加工內容示意圖

數控機床產品種類和規格不同，小型箱體必然是多種多樣的，對于混流生產線，若直接用小型箱體外輪廓作為生產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格尺寸的上下料機械手爪和液壓夾具。為了減少生產線的建設費用，需要設計一批與生產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端面；鉆攻軸承壓蓋安裝面上的螺紋孔（如圖4）。

根據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 加工節拍表

4 柔性生產線規劃

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

柔性生產線的具體流程為：①自動倉庫通過料道將待加工件送上生產線。②在隨行夾具安裝工位，夾具機械手從夾具緩沖區取來隨行夾具，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。④帶直線運動單元的關節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。⑤夾具機械手將加工成品隨同夾具從上下工件緩沖區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。⑥加工成品經料道送回自動倉庫。

圖5 生產線布局圖

5 結語

本文根據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劃了柔性生產線。在后續工作中，將以本文研究的柔性線加工技術為技術支撐，繼續細化數字化車間的建設方案。

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