中機匣產能提升方案分析與實施

殷明偉，劉奎豐，李鳳權，趙文波

哈爾濱東安汽車動力股份有限公司 黑龍江哈爾濱 150066

1 序言

T29R中機匣為我公司機匣工段加工的新產品，原加工節拍為189s/件，日產能為428件，由于需求量不斷提高，急需提高其產能，而中機匣所有產品特性中，避讓槽為加工最難點，且加工節拍最長，因此工藝優化是產能提升的關鍵。

2 中機匣加工工藝流程及節拍

T29R中機匣的加工工藝流程：毛坯→OP10打號→OP20數控加工→OP30數控加工→OP40數控加工→OP50數控加工→OP60數控加工→OP70洗滌→OP80檢驗→成品。其中OP20～OP60為數控加工工序，節拍較長，為限制產能提高的主要原因。

對中機匣OP20～OP60的加工內容與加工時間進行分解，分解后各工序加工步驟及節拍見表1。

利用工位平衡分析工具對表1內容進行分析對比，得出如下結論。

表1 中機匣各工序加工步驟及節拍 （單位：s）

（續）

1）節拍最慢的瓶頸工序為OP20、OP60，其次為OP30。

2）各工序加工步驟中，節拍最長的步驟為OP20中的步驟7：銑避讓槽；OP40節拍最短，為加工內容轉移重點。

3 工藝優化方案

從產品加工的角度和加工精度等方面，對OP20、OP60和OP30加工內容轉移的可行性進行分析，結果如下。

3.1 OP20工序

從加工角度分析：對OP20的加工內容和加工節拍進行分解，其加工內容均為大面系角度加工，整個生產線中只有OP60工序可加工大面系角度的部分內容，故OP20步驟2、4的7個M8螺紋孔中，2處M8螺紋孔可在OP60加工，但另2處M8螺紋孔加工內容只能調整到OP60后，其加工節怕更慢。所以此方案不可行。

3.2 OP60工序

對OP60的加工內容和加工節拍進行分析，OP60加工內容為大面系、小面系及側面系3種角度加工。

從加工角度本身分析，可將部分內容調整到OP30、OP40和OP50加工，如其中OP60中，大面2處φ13mm銷孔可在OP20加工。

從產品特性和加工精度分析，可分解到其他工序的加工內容為φ84mm孔的加工，φ52mm和φ72mm孔的粗加工，φ22mm倒擋軸孔的粗加工，銑2處φ14mm槽，M18和2個M10孔銑面、鉆孔和攻螺紋。其中M18及M10螺紋孔的加工按照加工角度只可實現在OP50加工。

綜合各步驟加工節拍，可行的分解方案的加工節拍對比見表2。

表2 可行的分解方案的加工節拍對比 （單位：s）

按照表2分析，對三種方案進行試驗后，如將方案一、二綜合兩項內容均調整到OP40加工，則OP40加工節拍增加77s，為191s（非最慢節拍），同時OP60加工節拍下降77s，為301s，方案可行。

3.3 OP30工序

同理，OP30中相應加工內容按照加工角度分析，可將M10及M8螺紋孔的加工內容部分調整到OP40，從而實現OP30加工節拍降低。

3.4 小結

經過優化，OP60和OP30的加工節拍已降低，為降低中機匣加工節拍，現只需將OP20節拍降低即可。從OP20加工步驟可以看出，所有加工內容中避讓槽的加工節拍最長，所以避讓槽的加工為主要攻關對象。由于OP20中各項內容無法轉移調整，故只能在本工序進行加工優化，或增加工序，將部分加工內容（如避讓槽加工）單獨摘出來，進行獨立加工。

4 避讓槽加工優化

4.1 優化前工藝分析

圖1為中機匣避讓槽大面角度視圖，即在中機匣殼體內腔有2處R5mm半圓槽結構。

圖1 中機匣避讓槽大面角度視圖

由于受產品結構限制，避讓槽深度距離大端面98mm，且緊貼內壁，空間極小，故刀具直徑受限，只能使用φ10mm銑刀，循環銑削加工4遍，完成產品加工，所以加工時刀具懸伸較長，剛性較差，無法有效提高加工效率。避讓槽加工優化前刀具加工軌跡如圖2所示。

圖2 避讓槽加工優化前刀具加工軌跡

4.2 工序內工藝優化

根據產品加工狀況，利用頭腦風暴法對避讓槽加工工藝進行優化，優化后刀具加工軌跡如圖3所示。

圖3 避讓槽加工優化后刀具加工軌跡

加工工藝工序內調整優化如下。

1）根據銑刀選擇原則“當粗銑不重要的加工表面時，可使用能在大切削深度工作的粗齒銑刀用于加工所需表面[1]”，設計φ32mm銑刀進行預加工粗銑。由于刀具直徑大、剛性好，加工時深度尺寸可一刀加工到位，從左到右加工一遍即可完成深度尺寸的加工。

2）使用φ10mm刀具只循環銑削一遍，完成避讓槽深度及最終尺寸加工。

工藝優化后，避讓槽加工節拍由99s減少到86s，效率提高13%。但是此時中機匣產品產能仍然無法滿足生產要求。綜合上述分析，決定增加一個工序用以單獨加工避讓槽。

由于數控加工中心通用性較強，且避讓槽的精度相對不高，所以選擇現有閑置的加工精度可以滿足要求的機床，用于加工避讓槽，但需自主設計與制作專用夾具用于避讓槽的分解加工。

5 夾具的設計

夾具為我公司完全自主設計與制造，由工藝人員獨立完成，涉及夾具設計中的形式選擇，裝夾方案確定，零部件（底板、壓板）、液壓缸、夾具與機床定位；夾具制造中的加工方案、加工刀具、加工程序和加工設備等因素；以及夾具的組合安裝。由于涉及內容較多，鑒于篇幅限制，本文以點代面重點介紹夾具的形式選擇、裝夾方案確定等內容。

5.1 夾具形式選擇

夾具形式備選方案主要有3個，分別是自主設計并制造液壓夾具、自主設計并制造手動夾具以及外購液壓夾具。3個方案的優缺點如下。

（1）自主設計并制造液壓夾具 優點是制造成本低（約1萬元），制造周期短（約20天），能夠實現自動化生產，加工效率高；缺點是根據現有條件，只能采用外接油路形式，夾具外接相對不美觀。

（2）自主設計手動夾具 優點是結構簡單；缺點是不能實現自動化生產，勞動強度大，效率低，且因操作人員原因，使得裝夾定位有局限性，加工質量不能達到最合理狀態。

（3）外購液壓夾具 優點是油路內置，外形美觀；缺點是夾具成本高（約6.5萬元），制造周期長（約3個月）。

根據生產條件及加工周期限制，最終選擇自主設計并制造液壓夾具。

5.2 裝夾方案的確定

從產品特性角度分析，避讓槽加工內容在殼體內腔，如圖1所示，為一獨立存在的產品特性，不需先銑削完成大平面等即可實現其加工，且根據使用要求，只要產品裝配時不干涉即可。由于中機匣整體呈類圓形，所以選擇3處定位夾緊。

夾具裝夾方案設計為：使用毛坯定位孔進行定位定向，使用毛坯基準點進行高度定位，夾緊點選擇在不需加工的產品大平面（防止選擇在毛坯定位點背面，造成毛坯夾緊變形而產生質量隱患）。中機匣避讓槽加工夾具及其具體夾緊定位點如圖4所示。

夾具設計方案優點如下。

1）3處壓緊點中1處在支撐點上方，2處在兩定位支撐點中間，3處定位點均布，定位支撐可滿足剛性要求。

2）夾具夾緊力作用點選擇位于工件剛性較好的部位，靠近加工表面，以提高切削部分的剛性和抗振性[2]，所以避讓槽加工部位兩側均有壓緊點，可保證其裝夾加工穩定性。

3）夾具設計有兩處裝夾引導裝置，便于操作人員裝夾，提高產品裝夾加工穩定性。

4）由于夾具設計理念是操作人員在裝夾過程中從夾具支撐塊上略抬高裝卸，而不是抬起超過壓板高度來增加操作力，從而降低勞動強度，所以外側空間2處壓緊點中間沒有設計壓緊裝置。

之后再經過夾具底板設計、液壓缸選擇、液壓缸底座設計和壓板設計等，最終夾具壓緊、支撐機構設計如圖4所示。

圖4 中機匣避讓槽加工夾具及其具體夾緊定位點示意

5.3 夾具的加工

夾具設計完成后，夾具加工方案確定、加工刀具選擇、加工程序編制及加工機床選擇等，在此不詳述。

5.4 夾具的組裝

（1）夾具零部件安裝、找正 夾具零部件安裝時，為保證定位精度準確，需將各部件的定位面進行二次修理磨平，以去除高點、毛刺。螺釘安裝時，為保證鎖緊力平衡，需將各零部件上的螺釘首先進行預緊，后均勻擰靠，以免受力不均、夾緊不嚴。同時，通過自由旋轉型的防松方法，為防止各部件上的螺釘松動，使用彈簧墊圈，依靠彈簧墊圈在壓平后產生的彈力，及其切口尖角嵌入被聯接件及緊固件支撐面，起到防松作用，結構簡單，成本低，使用簡便[3]。

夾具組裝后，需對夾具體（定位銷位置）進行再次找正確認，同時對定位塊高度精度進行找正確認。對找正后不滿足要求的定位支撐裝置，需進行微修理加工，最終保證定位支撐裝置間的高度誤差在0.02mm以內，從而可進一步保證產品裝夾加工精度。

（2）油路安裝 除了要保證油路暢通、不泄漏及外觀排布規整外，還要注意以下問題。

1）油路排布時，不能對產品加工造成干涉現象，即油管不突出到夾具體外，同時要高于機床工作臺，以免油管在工作臺上發生拖拽而造成損毀，同時不能高于定位支撐裝置，防止加工裝夾時發生干涉，磕碰油管。

2）油管進出油口方向與機床上油管進出油口方向相同，以方便油路進出，減少油路長度，保證油壓穩定。

5.5 小結

夾具部件組裝及油管安裝完成后的實物裝夾如圖5所示。

圖5 避讓槽加工用夾具裝夾效果

自主設計制造的夾具采用液壓自動夾緊方式，實現了中機匣避讓槽獨立加工的自動化生產，所加工的避讓槽相關尺寸精度滿足圖樣要求，解決了車間的生產難題，提高了產品產能。與外購夾具相比，自主設計夾具的優點如下。

1）縮短了制造周期。夾具采用自主設計及制造，縮短了項目周期，從避讓槽加工方案確定到第一件成品加工完成，僅用了20天，不到外購夾具周期的1/4（外購夾具周期最短約3個月）。

2）降低了制造成本。自主設計及制造的液壓夾具成本約1.0萬元，不到外購夾具成本的1/6（外購1套液壓自動夾緊夾具成本約6.5萬元）。

6 結束語

上述優化措施實施以后，通過使用工位平衡工具進行分析，瓶頸工序的節拍為267s，原瓶頸工序節拍為378s，中機匣生產線的工位平衡率提高13%，生產線產能提高29%，同時操作人員可兼職加工此項避讓槽內容。生產線優化及分析、解決問題的思路和方法均具有較強的理論和實際應用價值，研究成果具有積極的指導意義。