“大、薄、重、不規則”機械零件的柔性制造系統研究

常熟天地煤機裝備有限公司 (江蘇 215500) 彭澤軍

生產素質與效率的提高是產業升級的重要內容，是提高企業競爭力的有效手段。主要表現為生產要素的優化組合、技術水平、管理水平以及產品質量的提高。本文探討的是研究構成“大、薄、重、不規則”機械零件柔性制造系統 (FMS)的加工子系統、物流子系統和信息子系統，以便組織高效高質量柔性生產，促進生產素質與效率的提高，促進產業升級。

一、傳統加工設備與方法的弊端

在傳統的機械加工方法中，對“大、薄、重、不規則”零件的生產而言，一個零件的加工，需要幾道、十幾道甚至幾十道工序，需要經過多臺、多種類型設備的加工來完成，還要準備各種工裝夾具。主要存在以下弊端：

(1)費時費力，生產周期長，嚴重影響產品及時交貨。由此間接影響貼近用戶的個性化設計制造周期、整機設備的銷售機遇、產品的市場占有率乃至戰略機遇。

(2)零件的多次裝夾和基準的多次轉換，造成零件的加工精度難以提高。

(3)設備占地面積大，廠房折舊和土地成本高。

(4)對不規則復雜形面的加工，物流和在物流過程中對零部件的保護問題多。

(5)需要的操作工人的工種多、人數多，人工成本大。

(6)現場管理和6S的實施難度大。

(7)產業不能轉型升級，生產方式停步不前，在行業中存在失去持續競爭力的風險。

二、柔性制造系統的組成

柔性制造系統是由統一的信息控制系統、物料儲運系統和一組數字控制加工設備組成，能適應加工對象變換的自動化機械制造系統。主要構成部分為：加工子系統、物流子系統 (包括輸送系統、儲存系統、操作系統)和信息子系統。

1.加工子系統

加工子系統包括數控機床、編程軟件、刀具等，本文僅就數控機床、編程軟件做簡單介紹。

數控機床選用立式五軸車銑復合加工中心，對“大、薄、重、不規則”零件而言，傳統的加工設備主要有立式車床、銑床、鉆床、鏜床等。但從20世紀90年代發展起來的復合加工技術，在傳統機械設計技術和精密制造技術基礎上，集成了現代先進控制技術、精密測量技術和CAD/CAM應用技術，帶來了“革命性”的工藝創新。其引發的相關產業工藝進步和產品質量提升，方興未艾，前途無量。車銑加工中心正是這種復合加工技術的最具代表性的載體之一。

(1)契合“大、薄、重、不規則”零件的加工特點，“立式”設備較之“臥式”設備更具優勢。立式五軸車銑復合加工中心所擁有的優勢居多，使其成為建立高效高質量柔性生產線的首選設備。

優勢一：高集成。相對于傳統的加工設備和工藝方法，立式五軸車銑加工中心具有“高集成”的優勢。立式五軸車銑加工中心是一種以車削功能為主，并集成了銑削、鏜削、鉆削等功能，至少具有三個直線進給軸 (X、Y、Z軸)和二個圓周進給軸(A或B、C軸)，且配有自動換刀系統的機床;它是在三軸車削中心基礎上發展起來的，相當于一臺車削中心和一臺加工中心的復合。可以經過一次裝夾，完成全部車、銑、鉆、鏜、攻螺紋等加工，加工范圍廣、工藝能力強。

優勢二：高速度、高精度。五軸車銑加工中心主軸速度和刀具具有非常高的刀尖線速率，是常規切削速度的5～10倍;相當于傳統的加工設備和工藝方法具有“高速度、高精度”的優勢。

加工時間短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規的3～5倍。刀具切削狀況好，切削力小，主軸軸承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切變形區窄，變形系數ξ減小，切削力降低大概30%～90%。同時，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質量。刀具和工件受熱影響小。切削產生的熱量大部分被高速流出的切屑所帶走，故工件和刀具熱變形小，有效地提高了加工精度。

工件表面質量好。首先ap與ae小，工件表面質量好;其次切削線速度高，機床激振頻率遠高于工藝系統的固有頻率，因而工藝系統振動很小，容易獲得較好的表面質量。

可完成高硬度材料和硬度高達40～62HRC淬硬鋼的加工。比如，采用帶有特殊涂層的硬質合金刀具，在高速、大進給和小切削量的條件下，完成高硬度材料和淬硬鋼的加工，不僅效率高出電加工的3～6倍，而且獲得十分高的表面質量 (Ra=0.4 μm)，基本上不用鉗工拋光。

優勢三：高柔性。五軸車銑加工中心相對于普通加工中心 (X、Y、Z軸)增加了2個旋轉軸 (A或B、C軸)，相于三軸車銑加工中心 (X、Z、C軸)增加了一個直線進給軸 (Y軸)和一個圓周進給軸 (A或B軸);因而具備“高柔性”優勢。

圖1 刀軸矢量可根據要求而改變

通過控制路徑軸X、Y、Z控制旋轉軸 A(B)、C，使整個切削路徑過程刀軸矢量可根據要求而改變 (見圖1)。

一次裝夾完成三軸加工多次裝夾才能完成的加工內容，如斜面、曲面等 (見圖2)。

用更短的刀具伸長加工陡峭側面，提高加工的表面質量和效率 (見圖3)。

圖2 一次裝夾完成不規則面

圖3 用更短的刀具伸長加工陡峭側面

直紋面或斜平面可充分利用刀具側刃和平刀底面進行加工，加工的效率和質量更高 (見圖4)。

圖4 充分利用刀具側刃和平刀底面

兩個旋轉軸分別放在主軸和工作臺上，工作臺旋轉，可裝夾較大的工件;主軸擺動，改變刀軸方向靈活 (見圖5)。

(2)設備選型與對比。在立式五軸車銑加工中心機床生產方面，我國起步較晚，但目前已能自行開發生產，產品技術水平和質量可靠性與發達國家相比還有一定差距 (見表1)。

圖5 裝夾較大的工件、刀軸方向靈活

表1 國內主要生產廠家與型號

國外在立式五軸車銑加工中心機床生產方面，起步較早，產品技術水平和質量可靠性，比較成熟(見表2)。值得一提的是，MAZAK公司生產的INTEGREX i-630/800v不僅具有極高的加工效率 (其三軸的最大進給速度可以達到52 m/min，ATC換刀切削對切削為7.8 s)，還采用了雙交換工作臺，工作臺托盤分度90°時間只需1.8 s，托盤交換時間僅11 s，將零件加工之間的“準終”時間壓縮到了極致。這些卓越的綜合性能指標，為配備具有自動化功能的輸送、儲存和操作系統，進而組建成“大、薄、重、不規則”零件的柔性制造系統創造了良好的條件。

表2 德國、日本主要生產廠家與型號

(3)立式五軸車銑加工中心典型編程軟件：能為立式五軸車銑加工中心編制程序的CAM軟件較多，本文僅就典型二款軟件做介紹。

GibbsCAM軟件的高級多任務車銑復合加工(MTM)功能是市場上最佳解決方案之一，功能強大，可對多主軸多刀塔的多任務車銑復合加工機床進行完美編程。高級GibbsCAM仿真器可確保安全加工，無干涉，且與機床不會發生碰撞。GibbsCAM是極少數可充分利用最新機床生產力進行滿負荷生產的CAM解決方案之一，已成為機床商不可或缺的輔助性工具。

MasterCAM軟件可為車銑床復合加工提供C軸加工編程功能。該功能除了車床應有的加工系統外，更有C軸加工銑削功能：可銑端面 (Face)或截面(Cross)上的輪廓;可在端面或截面鉆孔，并可沿順時針或逆時針方向分度鉆孔位置;在銑端面輪廓(Face Countor)和截面輪廓 (Cross Countor)或鉆端面孔和截面孔時，系統能自動設定刀具平面(TPlane)和工作平面 (CPlane)。

2.物流和信息子系統

物流和信息二大子系統是復雜的系統工程。目前，能提供與立式五軸車銑復合加工中心相匹配，共同組建“大、薄、重、不規則”機械零件FMS的這二大子系統的成熟產品，并不多見。本文簡要介紹其中的二款產品及其供應商。

(1)法斯頓的多層物流子系統和信息子系統是世界領先的工廠自動化系統供應商，能提供多層物流子系統 (MLS)和信息子系統。

MLS物流系統最大的特征在于靈活性：能適用于集成各種不同型號和不同年份的機器并且可以傳送坯料棧板或者其他工藝材料棧板，具有標準型號選擇范圍廣的特點，可以按照特殊的要求量身定做;法斯頓還提供MLS的小型化系統：FPC系統 (一種經濟實惠的棧板共用系統)。

法斯頓信息系統的特點在于：可以按照生產訂單安排生產、管理和傳輸NC程序，并運行無人操作的全自動生產。其用戶界面是Microsoft Windows。

(2)MAZAK的模塊物流子系統和信息子系統。MAZAK是世界領先的FMS成套供應商，能提供加工子系統、PALLETECH模塊技術生產單元物流子系統和信息子系統。

PALLETECH物流系統最大的特征在于擴張性：根據客戶的需求，從小規模開始到大規模FMS為止，通過追加模塊的方式，簡單地對系統功能進行擴張，構筑成最佳的系統。

MAZAK信息系統的特點在于：通過網絡瀏覽器與PMC-WEB服務器計算機連接，進行加工子系統、物流子系統等之間的信息處理。PMC-WEB網絡通信使用NetCom軟件。

三、結語

生產中，根據實際情況，對FMS的三個子系統進行合適的配備組合，可形成“大、薄、重、不規則”零件FMS的三種類型：柔性制造單元 (主要由加工子系統組成)、柔性制造系統 (主要由加工子系統、物流子系統組成，圖6為MAZAK柔性制造系統現場)、柔性自動生產線 (由加工子系統、物流子系統、信息子系統)。

圖6 MAZAK柔性制造系統現場

無論哪種配備，相對傳統制造方法，至少有如下直接的好處：

(1)縮短產品研發周期。

(2)減少基準轉換，提高加工精度。

(3)減少工裝夾具數量和占地面積。

(4)縮減生產過程鏈和減少在制品數量，減少了運輸和物流，有利于對不規則復雜形面的保護。

(5)需要的操作工人數工種少，人工成本相對小。

(6)現場管理和6S的實施難度小。

(7)有利于產業轉型升級，保持在行業中持續的競爭力。