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陜西天寰機(jī)械制造有限公司
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十多年來，作為組合機(jī)床重要用戶的汽車工業(yè)，為迎合人們個性化需求，汽車變型品種日益增多，以多品種展開競爭已成為汽車市場競爭的特點之一，這使組合機(jī)床制造業(yè)面臨著變型多品種生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)多品種生產(chǎn)，傳統(tǒng)以加工單一品種的剛性組合機(jī)床和自動線必須提高其柔性。在70年代，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了很大的提高，故到70年代末和80年代初，像Alfing、Hüller-Hille和Ex-cell-o等公司相繼開發(fā)出數(shù)控加工模塊和柔性自動線（FTL），從此數(shù)控組合機(jī)床和柔性自動線逐年增多。在1988年至1992年間，日本組合機(jī)床和自動線（包括部分其它形式的機(jī)床）產(chǎn)量的數(shù)控化率已達(dá)32%～39%，產(chǎn)值數(shù)控比率達(dá)35%～51%；德國組合機(jī)床和自動線產(chǎn)量的數(shù)控化率為18%～62%，產(chǎn)值數(shù)控化率達(dá)45%～66%（表2）。這些數(shù)字表明，近十年來，組合機(jī)床的數(shù)控化發(fā)展是十分迅速的。應(yīng)指出，進(jìn)入90年代以來，汽車市場競爭更趨激烈，產(chǎn)品市場壽命進(jìn)一步縮短，新車型的開發(fā)周期日益縮短（目前一般為35個月），汽車品種不斷增多，因而汽車工業(yè)對柔性自動化技術(shù)裝備的需求量日益增多。如日本豐田汽車公司，在本世紀(jì)末的目標(biāo)是公司下屬工廠的柔性化加工系統(tǒng)的普及率達(dá)到100%。很顯然，組合機(jī)床及其自動線在保持其高生產(chǎn)效率的條件下，進(jìn)一步提高其柔性就愈來愈具有重要意義。
表2日本和德國數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動線（1988～1992年）產(chǎn)量、產(chǎn)值產(chǎn)量產(chǎn)值年份1988198919901991199219881989199019911992日本組合機(jī)床和自動線50745138565359704260808.2954.91106.21590.11193.1其中：數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動線16401640208723261626283.7335.0539.9767.6607.2數(shù)控化率（%）32.331.936.939.038.235.135.148.848.350.9德國組合機(jī)床和自動線1655837886813644565.2429.8712.2746.7896.9其中：數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動線1028149196236274302.0196.0378.3490.6590.5數(shù)控化率（%）62.117.822.029.042.553.545.653.165.765.8摘自《1993～1994EconomicHandbookoftheMachineToolIndustry》AMT
C三坐標(biāo)加工模塊9.輸送帶10.轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊11.NC二坐標(biāo)銑削模塊12.有軌輸送小車13.儲料站14.手動夾緊站
組合機(jī)床的柔性化主要是通過采用數(shù)控技術(shù)來實現(xiàn)的。開發(fā)柔性組合機(jī)床和柔性自動線的重要前提是開發(fā)數(shù)控加工模塊，而有著較長發(fā)展歷史的加工中心技術(shù)為開發(fā)數(shù)控加工模塊提供了成熟的經(jīng)驗。由數(shù)控加工模塊組成的柔性組合機(jī)床和柔性自動線，可通過應(yīng)用和改變數(shù)控程序來實現(xiàn)自動換刀、自動更換多軸箱和改變加工行程、工作循環(huán)、切削參數(shù)以及加工位置等，以適應(yīng)變型品種的加工。柔性組合機(jī)床和柔性自動線用的數(shù)控加工模塊，按其數(shù)控坐標(biāo)（軸）數(shù)，主要有單坐標(biāo)（Z）、雙坐標(biāo)（X-Z、Y-Z、Z-U和Z-B等）和三坐標(biāo)（X-Y-Z）加工模塊；按其主軸數(shù)，有單軸和多軸加工模塊，也有單軸和多軸復(fù)合加工模塊。
單坐標(biāo)加工模塊由數(shù)控滑臺和主軸部件（或多軸箱，包括可換多軸箱）組成。雙坐標(biāo)加工模塊由數(shù)控十字滑臺和主軸部件組成，例如數(shù)控雙坐標(biāo)銑削模塊。立柱移動式數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊（圖6），其刀具能在三個坐標(biāo)上實現(xiàn)運動，可根據(jù)加工工件的品種和加工任務(wù)配備刀庫、換刀機(jī)械手以及所需的刀具，具有很高的柔性。這種加工模塊是柔性自動線實現(xiàn)多品種加工zui重要的模塊之一。
立柱移動式CNC三坐標(biāo)加工模塊可利用X軸和Y軸的聯(lián)動來實現(xiàn)周邊銑削工藝，特別是在銑削象變速箱體這類剛性較差的工件時，可采用較小直徑的銑刀，實現(xiàn)高速（切削速度達(dá)2500m/min）周邊銑削，由此減小加工時的切削力和工件的變形。這比采用雙坐標(biāo)銑削加工模塊用大直徑銑刀進(jìn)行銑削要*得多。多軸加工模塊是又一種重要模塊，主要用于加工箱體和盤類工件的柔性組合機(jī)床和柔性自動線。這類模塊有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，但基本上可分為自動換箱式多軸加工模塊、轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和回轉(zhuǎn)工作臺式多軸加工模塊。自動換箱式模塊由于可在專門設(shè)置的多軸箱庫中儲存較多的多軸箱，故可用來加工較多不同品種的工件。而轉(zhuǎn)塔式和回轉(zhuǎn)工作臺式多軸加工模塊，由于在轉(zhuǎn)塔頭和回轉(zhuǎn)工作臺上允許裝的多軸箱數(shù)量有限（一般為4～6個），所以這種加工模塊只能實現(xiàn)有限品種的加工。
在自動線上采用CNC三坐標(biāo)加工模塊和轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊，不僅可實現(xiàn)不同品種工件的加工，而且在自動線節(jié)拍時間內(nèi)（如果節(jié)拍時間允許的話），這類加工模塊還可以在同一個加工工位上通過其自動換刀或換箱，依次實現(xiàn)多道加工工序（粗鏜、半精鏜和精鏜；鉆孔、擴(kuò)孔和攻絲），從而減少自動線的加工工位數(shù)，縮短自動線的長度。
單軸和多軸復(fù)合加工模塊是一種三坐標(biāo)數(shù)控加工模塊，可通過自動換刀或自動更換多軸箱而實現(xiàn)單軸加工或多軸加工。值得提及的是，在80年代中期德國Honsberg公司推出的CNCMACH模塊化系統(tǒng)是很有特色的一種模塊化系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)原理，在作為系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊的CNC三坐標(biāo)模塊上，通過增減各種不同的功能模塊，拼裝成各種不同坐標(biāo)或不用工藝用途的加工模塊。具體地說，從坐標(biāo)看，除三坐標(biāo)外，還可組成雙坐標(biāo)和單坐標(biāo)加工模塊；從刀庫看，可裝設(shè)刀具庫和多軸箱庫，可單獨實現(xiàn)刀具或多軸箱的自動更換，也可依次實現(xiàn)刀具和多軸箱的更換。
CNCMACH系統(tǒng)，不僅在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，而且在控制和軟件等方面也是模塊化的。因此，利用該系統(tǒng)模塊，可以很方便地拼裝成柔性自動線（FTL）、柔性加工單元（FMC）或柔性制造系統(tǒng)（FMS）。除上述各種CNC加工模塊外，機(jī)器人和伺服驅(qū)動的夾具也是柔性組合機(jī)床和柔性自動線的重要部件。特別在柔性自動線上，目前已較普遍地采用龍門式空架機(jī)器人進(jìn)行工件的自動上下料，用于工件的轉(zhuǎn)位或翻轉(zhuǎn)。為搬運不同的工件，可在自動線旁設(shè)置手爪庫，以實現(xiàn)手爪的自動更換。夾具配備伺服驅(qū)動裝置，以適應(yīng)工件族內(nèi)不同工件的自動夾緊。
該線采用的數(shù)控加工模塊有四個雙坐標(biāo)數(shù)控銑削模塊、六個數(shù)控轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和六個數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊。輔助工位有清洗工位和采用機(jī)器人進(jìn)行操作的裝夾工作站。由于組成自動線的加工模塊都是數(shù)控的，當(dāng)由一種工件的加工變換為另一種工件的加工時，只需通過改變數(shù)控程序就行了，而無需進(jìn)行機(jī)械等方面的調(diào)整和改裝。
4加工精度日益提高表3轎車發(fā)動機(jī)關(guān)鍵件的精度工件名稱項目數(shù)值氣缸體頂?shù)酌娴钠矫娑?.02mm/1000mm缸孔孔徑精度IT6主軸孔同軸度f0.01mm缸體止口深度0.01～0.02mm氣缸蓋進(jìn)排氣閥座與導(dǎo)管孔的同軸度f0.02mm導(dǎo)管孔孔徑精度IT6氣缸體和氣缸蓋等箱體件工藝定位銷孔孔徑精度IT5孔距精度+0.01mm變速箱體傳動軸孔孔距精度+0.02mm孔徑精度IT6連桿大小頭孔孔徑精度IT6（大頭孔）IT5（小頭孔）孔距精度+0.01mm螺栓定位孔孔徑精度IT6孔距精度+0.03mm
1.鏜桿2.精車缸孔止口用的滑板3.空心錐柄（HSK）4.裝有三個切削刃和三個金剛石導(dǎo)向條的刀頭5.車止口用拉桿缸孔精鏜刀具
1.自動上下料系統(tǒng)2.加工基準(zhǔn)面和定位銷孔的回轉(zhuǎn)工作臺式組合機(jī)床3～6、8～10、13～17、21.切削加工柔性自動線7.試漏機(jī)11.清洗機(jī)12.導(dǎo)管和閥座自動裝配機(jī)18.去毛刺機(jī)19.清洗機(jī)20.凸輪軸軸承蓋自動裝配機(jī)缸蓋綜合生產(chǎn)系統(tǒng)
特別自80年代中期以來，汽車制造業(yè)為增強其汽車的競爭力，不斷地加嚴(yán)其發(fā)動機(jī)關(guān)鍵件的制造公差，并通過計算機(jī)輔助測量和分析方法，以及通過設(shè)備能力檢驗來提高其產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，在驗收組合機(jī)床和自動線時，已普遍要求設(shè)備的工序能力系數(shù)要大于1.33，有的甚至要求工序能力系數(shù)要大于1.67，以便確保穩(wěn)定的加工精度。應(yīng)指出，采用Cp≥1.33來驗收設(shè)備，這實際上是加嚴(yán)了工件的制造公差，即工件的實際加工公差僅為工件給定公差的1/3～1/2，這無疑是對組合機(jī)床和自動線提出了更高的要求。組合機(jī)床制造廠為了滿足用戶對工件加工精度的高要求，除了進(jìn)一步提高主軸部件、鏜桿、夾具（包括鏜模）的精度，采用新的刀具，優(yōu)化切削工藝過程，采用刀具尺寸測量控制系統(tǒng)和控制機(jī)床及工件的熱變形等一系列措施外，目前，空心工具錐柄（HSK）和過程統(tǒng)計質(zhì)量控制（SPC）的應(yīng)用已成為自動線提高和監(jiān)控加工精度的新的重要技術(shù)手段。
空心工具錐柄是一種采用徑向（錐面）和軸向（端面）雙向定位的新穎工具，其優(yōu)點是具有較高的抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和很高的重復(fù)精度。在機(jī)床上采用空心錐柄的鏜刀，就可使用預(yù)調(diào)的刀具加工出IT7/IT6精密孔。所示是空心工具錐柄在缸孔精鏜刀具上的應(yīng)用實例。
SPC是基于工序能力的用于監(jiān)控工件加工質(zhì)量的一種方法。目前，在自動線上這種質(zhì)量保證系統(tǒng)愈來愈多地被用來對整個生產(chǎn)過程中的加工質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。表4是缸蓋氣門導(dǎo)管底孔和閥座底孔在采用SPC監(jiān)控時的實際加工公差。表4采用SPC監(jiān)控時缸蓋氣門導(dǎo)管底孔和閥座底孔的實際加工公差（mm）加工部位孔徑公差SPC監(jiān)控下的實際加工公差（臨界工序能力系數(shù)Cpk＝2）導(dǎo)管底孔12H7+0.018+0.009閥座底孔30H8+0.033+0.016
表2日本和德國數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動線（1988～1992年）產(chǎn)量、產(chǎn)值產(chǎn)量產(chǎn)值年份1988198919901991199219881989199019911992日本組合機(jī)床和自動線50745138565359704260808.2954.91106.21590.11193.1其中：數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動線16401640208723261626283.7335.0539.9767.6607.2數(shù)控化率（%）32.331.936.939.038.235.135.148.848.350.9德國組合機(jī)床和自動線1655837886813644565.2429.8712.2746.7896.9其中：數(shù)控組合機(jī)床和數(shù)控自動線1028149196236274302.0196.0378.3490.6590.5數(shù)控化率（%）62.117.822.029.042.553.545.653.165.765.8摘自《1993～1994EconomicHandbookoftheMachineToolIndustry》AMT
C三坐標(biāo)加工模塊9.輸送帶10.轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊11.NC二坐標(biāo)銑削模塊12.有軌輸送小車13.儲料站14.手動夾緊站
組合機(jī)床的柔性化主要是通過采用數(shù)控技術(shù)來實現(xiàn)的。開發(fā)柔性組合機(jī)床和柔性自動線的重要前提是開發(fā)數(shù)控加工模塊，而有著較長發(fā)展歷史的加工中心技術(shù)為開發(fā)數(shù)控加工模塊提供了成熟的經(jīng)驗。由數(shù)控加工模塊組成的柔性組合機(jī)床和柔性自動線，可通過應(yīng)用和改變數(shù)控程序來實現(xiàn)自動換刀、自動更換多軸箱和改變加工行程、工作循環(huán)、切削參數(shù)以及加工位置等，以適應(yīng)變型品種的加工。柔性組合機(jī)床和柔性自動線用的數(shù)控加工模塊，按其數(shù)控坐標(biāo)（軸）數(shù)，主要有單坐標(biāo)（Z）、雙坐標(biāo)（X-Z、Y-Z、Z-U和Z-B等）和三坐標(biāo)（X-Y-Z）加工模塊；按其主軸數(shù)，有單軸和多軸加工模塊，也有單軸和多軸復(fù)合加工模塊。
單坐標(biāo)加工模塊由數(shù)控滑臺和主軸部件（或多軸箱，包括可換多軸箱）組成。雙坐標(biāo)加工模塊由數(shù)控十字滑臺和主軸部件組成，例如數(shù)控雙坐標(biāo)銑削模塊。立柱移動式數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊（圖6），其刀具能在三個坐標(biāo)上實現(xiàn)運動，可根據(jù)加工工件的品種和加工任務(wù)配備刀庫、換刀機(jī)械手以及所需的刀具，具有很高的柔性。這種加工模塊是柔性自動線實現(xiàn)多品種加工zui重要的模塊之一。
立柱移動式CNC三坐標(biāo)加工模塊可利用X軸和Y軸的聯(lián)動來實現(xiàn)周邊銑削工藝，特別是在銑削象變速箱體這類剛性較差的工件時，可采用較小直徑的銑刀，實現(xiàn)高速（切削速度達(dá)2500m/min）周邊銑削，由此減小加工時的切削力和工件的變形。這比采用雙坐標(biāo)銑削加工模塊用大直徑銑刀進(jìn)行銑削要*得多。多軸加工模塊是又一種重要模塊，主要用于加工箱體和盤類工件的柔性組合機(jī)床和柔性自動線。這類模塊有多種不同的結(jié)構(gòu)形式，但基本上可分為自動換箱式多軸加工模塊、轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和回轉(zhuǎn)工作臺式多軸加工模塊。自動換箱式模塊由于可在專門設(shè)置的多軸箱庫中儲存較多的多軸箱，故可用來加工較多不同品種的工件。而轉(zhuǎn)塔式和回轉(zhuǎn)工作臺式多軸加工模塊，由于在轉(zhuǎn)塔頭和回轉(zhuǎn)工作臺上允許裝的多軸箱數(shù)量有限（一般為4～6個），所以這種加工模塊只能實現(xiàn)有限品種的加工。
在自動線上采用CNC三坐標(biāo)加工模塊和轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊，不僅可實現(xiàn)不同品種工件的加工，而且在自動線節(jié)拍時間內(nèi)（如果節(jié)拍時間允許的話），這類加工模塊還可以在同一個加工工位上通過其自動換刀或換箱，依次實現(xiàn)多道加工工序（粗鏜、半精鏜和精鏜；鉆孔、擴(kuò)孔和攻絲），從而減少自動線的加工工位數(shù)，縮短自動線的長度。
單軸和多軸復(fù)合加工模塊是一種三坐標(biāo)數(shù)控加工模塊，可通過自動換刀或自動更換多軸箱而實現(xiàn)單軸加工或多軸加工。值得提及的是，在80年代中期德國Honsberg公司推出的CNCMACH模塊化系統(tǒng)是很有特色的一種模塊化系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分應(yīng)用模塊化結(jié)構(gòu)原理，在作為系統(tǒng)基礎(chǔ)模塊的CNC三坐標(biāo)模塊上，通過增減各種不同的功能模塊，拼裝成各種不同坐標(biāo)或不用工藝用途的加工模塊。具體地說，從坐標(biāo)看，除三坐標(biāo)外，還可組成雙坐標(biāo)和單坐標(biāo)加工模塊；從刀庫看，可裝設(shè)刀具庫和多軸箱庫，可單獨實現(xiàn)刀具或多軸箱的自動更換，也可依次實現(xiàn)刀具和多軸箱的更換。
CNCMACH系統(tǒng)，不僅在機(jī)械結(jié)構(gòu)方面，而且在控制和軟件等方面也是模塊化的。因此，利用該系統(tǒng)模塊，可以很方便地拼裝成柔性自動線（FTL）、柔性加工單元（FMC）或柔性制造系統(tǒng)（FMS）。除上述各種CNC加工模塊外，機(jī)器人和伺服驅(qū)動的夾具也是柔性組合機(jī)床和柔性自動線的重要部件。特別在柔性自動線上，目前已較普遍地采用龍門式空架機(jī)器人進(jìn)行工件的自動上下料，用于工件的轉(zhuǎn)位或翻轉(zhuǎn)。為搬運不同的工件，可在自動線旁設(shè)置手爪庫，以實現(xiàn)手爪的自動更換。夾具配備伺服驅(qū)動裝置，以適應(yīng)工件族內(nèi)不同工件的自動夾緊。
該線采用的數(shù)控加工模塊有四個雙坐標(biāo)數(shù)控銑削模塊、六個數(shù)控轉(zhuǎn)塔式多軸加工模塊和六個數(shù)控三坐標(biāo)加工模塊。輔助工位有清洗工位和采用機(jī)器人進(jìn)行操作的裝夾工作站。由于組成自動線的加工模塊都是數(shù)控的，當(dāng)由一種工件的加工變換為另一種工件的加工時，只需通過改變數(shù)控程序就行了，而無需進(jìn)行機(jī)械等方面的調(diào)整和改裝。
4加工精度日益提高表3轎車發(fā)動機(jī)關(guān)鍵件的精度工件名稱項目數(shù)值氣缸體頂?shù)酌娴钠矫娑?.02mm/1000mm缸孔孔徑精度IT6主軸孔同軸度f0.01mm缸體止口深度0.01～0.02mm氣缸蓋進(jìn)排氣閥座與導(dǎo)管孔的同軸度f0.02mm導(dǎo)管孔孔徑精度IT6氣缸體和氣缸蓋等箱體件工藝定位銷孔孔徑精度IT5孔距精度+0.01mm變速箱體傳動軸孔孔距精度+0.02mm孔徑精度IT6連桿大小頭孔孔徑精度IT6（大頭孔）IT5（小頭孔）孔距精度+0.01mm螺栓定位孔孔徑精度IT6孔距精度+0.03mm
1.鏜桿2.精車缸孔止口用的滑板3.空心錐柄（HSK）4.裝有三個切削刃和三個金剛石導(dǎo)向條的刀頭5.車止口用拉桿缸孔精鏜刀具
1.自動上下料系統(tǒng)2.加工基準(zhǔn)面和定位銷孔的回轉(zhuǎn)工作臺式組合機(jī)床3～6、8～10、13～17、21.切削加工柔性自動線7.試漏機(jī)11.清洗機(jī)12.導(dǎo)管和閥座自動裝配機(jī)18.去毛刺機(jī)19.清洗機(jī)20.凸輪軸軸承蓋自動裝配機(jī)缸蓋綜合生產(chǎn)系統(tǒng)
特別自80年代中期以來，汽車制造業(yè)為增強其汽車的競爭力，不斷地加嚴(yán)其發(fā)動機(jī)關(guān)鍵件的制造公差，并通過計算機(jī)輔助測量和分析方法，以及通過設(shè)備能力檢驗來提高其產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，在驗收組合機(jī)床和自動線時，已普遍要求設(shè)備的工序能力系數(shù)要大于1.33，有的甚至要求工序能力系數(shù)要大于1.67，以便確保穩(wěn)定的加工精度。應(yīng)指出，采用Cp≥1.33來驗收設(shè)備，這實際上是加嚴(yán)了工件的制造公差，即工件的實際加工公差僅為工件給定公差的1/3～1/2，這無疑是對組合機(jī)床和自動線提出了更高的要求。組合機(jī)床制造廠為了滿足用戶對工件加工精度的高要求，除了進(jìn)一步提高主軸部件、鏜桿、夾具（包括鏜模）的精度，采用新的刀具，優(yōu)化切削工藝過程，采用刀具尺寸測量控制系統(tǒng)和控制機(jī)床及工件的熱變形等一系列措施外，目前，空心工具錐柄（HSK）和過程統(tǒng)計質(zhì)量控制（SPC）的應(yīng)用已成為自動線提高和監(jiān)控加工精度的新的重要技術(shù)手段。
空心工具錐柄是一種采用徑向（錐面）和軸向（端面）雙向定位的新穎工具，其優(yōu)點是具有較高的抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和很高的重復(fù)精度。在機(jī)床上采用空心錐柄的鏜刀，就可使用預(yù)調(diào)的刀具加工出IT7/IT6精密孔。所示是空心工具錐柄在缸孔精鏜刀具上的應(yīng)用實例。
SPC是基于工序能力的用于監(jiān)控工件加工質(zhì)量的一種方法。目前，在自動線上這種質(zhì)量保證系統(tǒng)愈來愈多地被用來對整個生產(chǎn)過程中的加工質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。表4是缸蓋氣門導(dǎo)管底孔和閥座底孔在采用SPC監(jiān)控時的實際加工公差。表4采用SPC監(jiān)控時缸蓋氣門導(dǎo)管底孔和閥座底孔的實際加工公差（mm）加工部位孔徑公差SPC監(jiān)控下的實際加工公差（臨界工序能力系數(shù)Cpk＝2）導(dǎo)管底孔12H7+0.018+0.009閥座底孔30H8+0.033+0.016
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