缸體線節拍提升

王其龍，薛飛，李贏麗，王劍，戈光福

上汽大眾汽車有限公司 上海 201100

上汽大眾汽車有限公司發動機廠缸體生產線使用的是由德國GROB公司設計制造的生產線。缸體三線是由加工中心和專機混線布置的一條機加生產線。規劃分為兩期：一期于2013年投產，生產節拍41s；二期計劃于2024年投產，生產節拍30s。由于專機工序柔性較差不便于后期改造，所以一期投產時專機已經達到了30s的節拍。每道加工中心工序一期投入機床6臺，還預留了增加產能的2臺機床空位，實際加工中心工序節拍41s，這就造成了整條生產線節拍不平衡的現狀。

加工中心是缸體三線的瓶頸工序，因此加工中心的節拍（見圖1）對整線的節拍有著決定性的影響。節拍優化不是簡單地增加進給速度，而是從整個加工工藝角度出發，利用加工中心柔性化、自動化的特點系統性地改進。加工中心的加工時間可分兩類：一類是刀具切除材料的機動時間；一類是裝卸工件、進退刀、換刀等輔助時間。

圖1 規劃的各工序節拍

其中輔助時間是不直接產生經濟效益的，可通過多個輔助動作同時進行，如輪廓控制指令的優化、減少換刀次數等方法縮短。但縮短機動時間往往導致切削力增大，可能引起加工精度下降，甚至引起設備使用壽命縮短。因此，如何在不超負載使用機床的前提下縮短機動時間是關鍵。

輔助時間縮短的措施

1.刀具合并減少換刀時間

發動機缸體上設計有很多悶蓋孔和水道孔。通常直徑在20～26mm，尺寸精度H9。原工藝采用鉆-鉸的工藝路線：先采用直槽鉆對毛坯預鑄孔粗加工，留0.5mm余量再鉸至圖樣最終要求；優化后采用三刃鉆（見圖2）擴孔的加工方式直接加工至圖樣最終要求。三刃鉆具有鉆芯厚、剛性好的優點，在孔壁上能獲得三條刃帶支撐，用于擴孔加工能保證經濟精度到達H8級的要求。但由于三刃鉆橫刃是3條刃匯合而成，和兩刃鉆橫刃相比，直接用于鉆孔橫刃處的軸向力很大。當需要加工盲孔時可先用加工其他孔的鉆頭（如螺紋底孔鉆）鉆出一個工藝孔，再用三刃鉆擴孔。同時針對加工鑄鐵缸體，還在鉆肩增加了雙重鋒角。提高了鉆肩的強度和散熱面積，同時改善了加工表面的質量[1]。

圖2 原工藝采用的鉸刀、直槽鉆和三刃鉆對比

發動機缸體上與鏈輪面罩殼和支架連接通常設計采用M6的螺紋孔，但孔口結構各不相同，有的是C1的倒角，有的是φ6.6mm的沉頭孔，如圖3所示，原工藝分別用兩把直槽鉆加工螺紋底孔。優化后設計成左側的多階梯鉆合并成一把鉆頭。通過程序控制鉆孔深度，實現一把刀具代替原本兩把刀具，在機動時間相同的前提下節省了一次換刀時間。

圖3 優化前后的M6底孔鉆與工序

2.軌跡優化

（1）銑刀軌跡優化 根據不同的產品要求合理選擇銑削軌跡。缸體屬于大批量生產，采用鑄造毛坯，各加工面約有3mm余量。AF210工序原本所有加工面都采用粗、精銑分層加工。分析圖樣后，將有密封要求、精度要求高的面保留粗、精銑，將諸如發動機鋼印打標面等精度要求低的面直接粗銑至圖樣要求。這樣既可減少節拍又能減少刀具磨損。銑削軌跡盡量采用順銑，以提高刀具壽命，還能保證較好的表面質量[2]。在銑刀切入工件和軌跡換向時盡量采用圓弧切入，因為在高速切削情況下這樣既能減少對刀具的沖擊，提高面銑刀的壽命，還能縮短運動的響應時間。原程序軌跡采用直線插補，只需使用西門子倒圓角命令RND=“圓弧半徑”，就能很方便在直線或者圓弧輪廓中插入相切的過渡圓弧（見圖4）。

圖4 拐角圓弧過度指令

（2）鉆頭軌跡優化 減少快速定位過程中不必要的定位點，原先鉆頭從刀庫換刀后快速定位到加工孔位正上方的一個安全距離，再快速運行到R平面開始工作。在確保沒有干涉的情況下，優化后鉆頭直接運動到孔位上方R平面處。不僅縮短運行距離還能減少一次定位停頓。鉆孔循環時將R平面和安全平面設置成同一高度也可減少停頓次數（見圖5）。

圖5 R平面和安全平面不同設置對比

3.輪廓控制指令的優化

西門子控制系統的輪廓控制方式主要有兩類（見圖6）：一類是準停功能，主要用于加工有一定精度要求的場合，通過命令G60、G09開啟；另一類是連續控制功能，主要用于銑刀等要求運動軌跡順滑和沒有準確定位要求的場合，通過模態命令G64、G641～G645開啟。準停精度越高對機床運動的機械沖擊越大，響應速度越慢。應根據實際加工要求合理選用輪廓控制方式。

圖6 輪廓控制指令優化

4.輔助動作順序的優化

多個輔助動作盡量同時進行，最好能和機動時間重合。例如主軸的起動-停止、冷卻液開啟-關閉命令不要單獨程序段執行。GROB加工中心為防止刀柄粘鐵屑，在刀庫中有一個刷刀柄裝置（見圖7），在每次執行M6換刀命令時先從刀庫中取刀然后刷刀柄再換刀，合理安排刷刀程序，將刀庫清潔刀柄的動作穿插在切削加工中進行，使清潔刀柄時間與切削時間同時進行，從而縮短換刀等待時間。

圖7 換刀機械手與刀庫毛刷

以下是部分輔助時間重合的程序舉例說明：

5.加工工藝優化

缸體加工噴油器安裝平面屬于深腔加工（見圖8），原工藝采用機夾式立銑刀側刃銑削，由于刀具長徑比大，粗加工毛坯余量厚。銑削振動嚴重，加工效率很低。常常把刀片的緊固螺栓振松，甚至造成刀片崩刃。優化為插銑的工藝（見圖9），使得原本大懸伸刀桿的受力方向由徑向轉變為軸向。由于工藝系統的剛性提高，金屬去除率也大為提升。

圖8 深腔銑削

圖9 端銑刀與插銑刀對比

缸蓋用于和隨行夾具連接的螺栓分別是M12×1.5和M10×1.5，原工藝采用鉆孔后攻絲的加工方式。用絲錐加工螺紋，轉速受到主軸正反轉換向限制不能太高，因此加工效率較低。同時，這兩個螺紋孔雖然公稱直徑不同但螺距相同，采用銑螺紋的加工方式（見圖10），提高了螺紋的加工效率。由于螺紋銑刀可以將螺紋孔的小徑一同銑出，將預鉆螺紋底孔的鉆頭也合并成同一把鉆頭，節省了2次換刀時間。

圖10 螺旋銑加工M12×1.5和M10×1.5螺紋

切削參數優化的措施

1.銑削參數優化

原程序銑削加工采用恒定進給速度。由于缸體切削寬度的變化造成切削負載也持續變化。通過Vericut軟件的“力—切厚”優化功能。模擬出各個切削位置的切削力/扭矩大小。在負載低時加大進給，負載高時降低進給（見圖11）。在切削負載不超過原有加工程序最大負載的情況下，將恒定進給速度的原程序優化為多段與切削負載匹配進給參數的程序（見圖12），最大可能地提升金屬去除率[3]。

圖11 優化前后切削力/進給量對比

圖12 自動優化程序對比

2.鉆頭分段進給

鉆頭在鉆通孔時可分為定心、正常加工、鉆穿三個階段。其中定心階段鉆頭相當于懸臂梁，尤其是鉆頭長徑比較大的情況下存在失穩的風險。而當鉆頭鉆穿工件時容易產生扎刀，這是由于麻花鉆的主切削刃在鉆芯部分由負前角逐漸向鉆肩處的正前角過渡。當鉆尖鉆穿工件后軸向力迅速減小，整個工藝系統產生彈性釋放。因此鉆頭在定心階段和鉆穿階段都應該維持原來的進給速度，而正常加工階段則可以增加一定的進給速度。

結語

這是對一條投產運行數年的生產線進行的系統性優化。目前缸體線加工中心的平均節拍都由41s下降到36s以內。每個工位6臺加工中心實現相當于過去7臺加工中心的產能（見圖13）。

圖13 優化后各工序節拍