常熟天地煤機(jī)裝備有限公司 (江蘇 215500) 彭澤軍

生產(chǎn)素質(zhì)與效率的提高是產(chǎn)業(yè)升級(jí)的重要內(nèi)容，是提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。主要表現(xiàn)為生產(chǎn)要素的優(yōu)化組合、技術(shù)水平、管理水平以及產(chǎn)品質(zhì)量的提高。本文探討的是研究構(gòu)成“大、薄、重、不規(guī)則”機(jī)械零件柔性制造系統(tǒng) (FMS)的加工子系統(tǒng)、物流子系統(tǒng)和信息子系統(tǒng)，以便組織高效高質(zhì)量柔性生產(chǎn)，促進(jìn)生產(chǎn)素質(zhì)與效率的提高，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。

一、傳統(tǒng)加工設(shè)備與方法的弊端

在傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法中，對(duì)“大、薄、重、不規(guī)則”零件的生產(chǎn)而言，一個(gè)零件的加工，需要幾道、十幾道甚至幾十道工序，需要經(jīng)過多臺(tái)、多種類型設(shè)備的加工來完成，還要準(zhǔn)備各種工裝夾具。主要存在以下弊端：

(1)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品及時(shí)交貨。由此間接影響貼近用戶的個(gè)性化設(shè)計(jì)制造周期、整機(jī)設(shè)備的銷售機(jī)遇、產(chǎn)品的市場(chǎng)占有率乃至戰(zhàn)略機(jī)遇。

(2)零件的多次裝夾和基準(zhǔn)的多次轉(zhuǎn)換，造成零件的加工精度難以提高。

(3)設(shè)備占地面積大，廠房折舊和土地成本高。

(4)對(duì)不規(guī)則復(fù)雜形面的加工，物流和在物流過程中對(duì)零部件的保護(hù)問題多。

(5)需要的操作工人的工種多、人數(shù)多，人工成本大。

(6)現(xiàn)場(chǎng)管理和6S的實(shí)施難度大。

(7)產(chǎn)業(yè)不能轉(zhuǎn)型升級(jí)，生產(chǎn)方式停步不前，在行業(yè)中存在失去持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力的風(fēng)險(xiǎn)。

二、柔性制造系統(tǒng)的組成

柔性制造系統(tǒng)是由統(tǒng)一的信息控制系統(tǒng)、物料儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)和一組數(shù)字控制加工設(shè)備組成，能適應(yīng)加工對(duì)象變換的自動(dòng)化機(jī)械制造系統(tǒng)。主要構(gòu)成部分為：加工子系統(tǒng)、物流子系統(tǒng) (包括輸送系統(tǒng)、儲(chǔ)存系統(tǒng)、操作系統(tǒng))和信息子系統(tǒng)。

1.加工子系統(tǒng)

加工子系統(tǒng)包括數(shù)控機(jī)床、編程軟件、刀具等，本文僅就數(shù)控機(jī)床、編程軟件做簡(jiǎn)單介紹。

數(shù)控機(jī)床選用立式五軸車銑復(fù)合加工中心，對(duì)“大、薄、重、不規(guī)則”零件而言，傳統(tǒng)的加工設(shè)備主要有立式車床、銑床、鉆床、鏜床等。但從20世紀(jì)90年代發(fā)展起來的復(fù)合加工技術(shù)，在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)和精密制造技術(shù)基礎(chǔ)上，集成了現(xiàn)代先進(jìn)控制技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)和CAD/CAM應(yīng)用技術(shù)，帶來了“革命性”的工藝創(chuàng)新。其引發(fā)的相關(guān)產(chǎn)業(yè)工藝進(jìn)步和產(chǎn)品質(zhì)量提升，方興未艾，前途無量。車銑加工中心正是這種復(fù)合加工技術(shù)的最具代表性的載體之一。

(1)契合“大、薄、重、不規(guī)則”零件的加工特點(diǎn)，“立式”設(shè)備較之“臥式”設(shè)備更具優(yōu)勢(shì)。立式五軸車銑復(fù)合加工中心所擁有的優(yōu)勢(shì)居多，使其成為建立高效高質(zhì)量柔性生產(chǎn)線的首選設(shè)備。

優(yōu)勢(shì)一：高集成。相對(duì)于傳統(tǒng)的加工設(shè)備和工藝方法，立式五軸車銑加工中心具有“高集成”的優(yōu)勢(shì)。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(gè)直線進(jìn)給軸 (X、Y、Z軸)和二個(gè)圓周進(jìn)給軸(A或B、C軸)，且配有自動(dòng)換刀系統(tǒng)的機(jī)床;它是在三軸車削中心基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，相當(dāng)于一臺(tái)車削中心和一臺(tái)加工中心的復(fù)合?？梢越?jīng)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(qiáng)。

優(yōu)勢(shì)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(guī)切削速度的5～10倍;相當(dāng)于傳統(tǒng)的加工設(shè)備和工藝方法具有“高速度、高精度”的優(yōu)勢(shì)。

加工時(shí)間短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常規(guī)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(qū)窄，變形系數(shù)ξ減小，切削力降低大概30%～90%。同時(shí)，由于切削力小，讓刀也小，提高了加工質(zhì)量。刀具和工件受熱影響小。切削產(chǎn)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(zhì)量好。首先ap與ae小，工件表面質(zhì)量好;其次切削線速度高，機(jī)床激振頻率遠(yuǎn)高于工藝系統(tǒng)的固有頻率，因而工藝系統(tǒng)振動(dòng)很小，容易獲得較好的表面質(zhì)量。

可完成高硬度材料和硬度高達(dá)40～62HRC淬硬鋼的加工。比如，采用帶有特殊涂層的硬質(zhì)合金刀具，在高速、大進(jìn)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(zhì)量 (Ra=0.4 μm)，基本上不用鉗工拋光。

優(yōu)勢(shì)三：高柔性。五軸車銑加工中心相對(duì)于普通加工中心 (X、Y、Z軸)增加了2個(gè)旋轉(zhuǎn)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(gè)直線進(jìn)給軸 (Y軸)和一個(gè)圓周進(jìn)給軸 (A或B軸);因而具備“高柔性”優(yōu)勢(shì)。

圖1 刀軸矢量可根據(jù)要求而改變

通過控制路徑軸X、Y、Z控制旋轉(zhuǎn)軸 A(B)、C，使整個(gè)切削路徑過程刀軸矢量可根據(jù)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(nèi)容，如斜面、曲面等 (見圖2)。

用更短的刀具伸長(zhǎng)加工陡峭側(cè)面，提高加工的表面質(zhì)量和效率 (見圖3)。

圖2 一次裝夾完成不規(guī)則面

圖3 用更短的刀具伸長(zhǎng)加工陡峭側(cè)面

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

圖4 充分利用刀具側(cè)刃和平刀底面

兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸分別放在主軸和工作臺(tái)上，工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)，可裝夾較大的工件;主軸擺動(dòng)，改變刀軸方向靈活 (見圖5)。

(2)設(shè)備選型與對(duì)比。在立式五軸車銑加工中心機(jī)床生產(chǎn)方面，我國(guó)起步較晚，但目前已能自行開發(fā)生產(chǎn)，產(chǎn)品技術(shù)水平和質(zhì)量可靠性與發(fā)達(dá)國(guó)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(guó)內(nèi)主要生產(chǎn)廠家與型號(hào)

國(guó)外在立式五軸車銑加工中心機(jī)床生產(chǎn)方面，起步較早，產(chǎn)品技術(shù)水平和質(zhì)量可靠性，比較成熟(見表2)。值得一提的是，MAZAK公司生產(chǎn)的INTEGREX i-630/800v不僅具有極高的加工效率 (其三軸的最大進(jìn)給速度可以達(dá)到52 m/min，ATC換刀切削對(duì)切削為7.8 s)，還采用了雙交換工作臺(tái)，工作臺(tái)托盤分度90°時(shí)間只需1.8 s，托盤交換時(shí)間僅11 s，將零件加工之間的“準(zhǔn)終”時(shí)間壓縮到了極致。這些卓越的綜合性能指標(biāo)，為配備具有自動(dòng)化功能的輸送、儲(chǔ)存和操作系統(tǒng)，進(jìn)而組建成“大、薄、重、不規(guī)則”零件的柔性制造系統(tǒng)創(chuàng)造了良好的條件。

表2 德國(guó)、日本主要生產(chǎn)廠家與型號(hào)

(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(jí)多任務(wù)車銑復(fù)合加工(MTM)功能是市場(chǎng)上最佳解決方案之一，功能強(qiáng)大，可對(duì)多主軸多刀塔的多任務(wù)車銑復(fù)合加工機(jī)床進(jìn)行完美編程。高級(jí)GibbsCAM仿真器可確保安全加工，無干涉，且與機(jī)床不會(huì)發(fā)生碰撞。GibbsCAM是極少數(shù)可充分利用最新機(jī)床生產(chǎn)力進(jìn)行滿負(fù)荷生產(chǎn)的CAM解決方案之一，已成為機(jī)床商不可或缺的輔助性工具。

MasterCAM軟件可為車銑床復(fù)合加工提供C軸加工編程功能。該功能除了車床應(yīng)有的加工系統(tǒng)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(shí)針或逆時(shí)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(shí)，系統(tǒng)能自動(dòng)設(shè)定刀具平面(TPlane)和工作平面 (CPlane)。

2.物流和信息子系統(tǒng)

物流和信息二大子系統(tǒng)是復(fù)雜的系統(tǒng)工程。目前，能提供與立式五軸車銑復(fù)合加工中心相匹配，共同組建“大、薄、重、不規(guī)則”機(jī)械零件FMS的這二大子系統(tǒng)的成熟產(chǎn)品，并不多見。本文簡(jiǎn)要介紹其中的二款產(chǎn)品及其供應(yīng)商。

(1)法斯頓的多層物流子系統(tǒng)和信息子系統(tǒng)是世界領(lǐng)先的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)供應(yīng)商，能提供多層物流子系統(tǒng) (MLS)和信息子系統(tǒng)。

MLS物流系統(tǒng)最大的特征在于靈活性：能適用于集成各種不同型號(hào)和不同年份的機(jī)器并且可以傳送坯料棧板或者其他工藝材料棧板，具有標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)選擇范圍廣的特點(diǎn)，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(tǒng)：FPC系統(tǒng) (一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的棧板共用系統(tǒng))。

法斯頓信息系統(tǒng)的特點(diǎn)在于：可以按照生產(chǎn)訂單安排生產(chǎn)、管理和傳輸NC程序，并運(yùn)行無人操作的全自動(dòng)生產(chǎn)。其用戶界面是Microsoft Windows。

(2)MAZAK的模塊物流子系統(tǒng)和信息子系統(tǒng)。MAZAK是世界領(lǐng)先的FMS成套供應(yīng)商，能提供加工子系統(tǒng)、PALLETECH模塊技術(shù)生產(chǎn)單元物流子系統(tǒng)和信息子系統(tǒng)。

PALLETECH物流系統(tǒng)最大的特征在于擴(kuò)張性：根據(jù)客戶的需求，從小規(guī)模開始到大規(guī)模FMS為止，通過追加模塊的方式，簡(jiǎn)單地對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行擴(kuò)張，構(gòu)筑成最佳的系統(tǒng)。

MAZAK信息系統(tǒng)的特點(diǎn)在于：通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器與PMC-WEB服務(wù)器計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行加工子系統(tǒng)、物流子系統(tǒng)等之間的信息處理。PMC-WEB網(wǎng)絡(luò)通信使用NetCom軟件。

三、結(jié)語

生產(chǎn)中，根據(jù)實(shí)際情況，對(duì)FMS的三個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行合適的配備組合，可形成“大、薄、重、不規(guī)則”零件FMS的三種類型：柔性制造單元 (主要由加工子系統(tǒng)組成)、柔性制造系統(tǒng) (主要由加工子系統(tǒng)、物流子系統(tǒng)組成，圖6為MAZAK柔性制造系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng))、柔性自動(dòng)生產(chǎn)線 (由加工子系統(tǒng)、物流子系統(tǒng)、信息子系統(tǒng))。

圖6 MAZAK柔性制造系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)

無論哪種配備，相對(duì)傳統(tǒng)制造方法，至少有如下直接的好處：

(1)縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。

(2)減少基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，提高加工精度。

(3)減少工裝夾具數(shù)量和占地面積。

(4)縮減生產(chǎn)過程鏈和減少在制品數(shù)量，減少了運(yùn)輸和物流，有利于對(duì)不規(guī)則復(fù)雜形面的保護(hù)。

(5)需要的操作工人數(shù)工種少，人工成本相對(duì)小。

(6)現(xiàn)場(chǎng)管理和6S的實(shí)施難度小。

(7)有利于產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，保持在行業(yè)中持續(xù)的競(jìng)爭(zhēng)力。