高效柔性加工中心異軍突起

現(xiàn)在汽車用戶對汽車多樣化、個性化的要求，迫使汽車企業(yè)的產品換型越來越快，產品品種紛繁多樣，原來單一工件的大批量生產變成了多種工件各自的較小批量迭加成的大批量生產。因此，生產多品種零件的柔性設備的使用越來越多，20世紀以來在汽車制造行業(yè)占統(tǒng)治地位的組合機床（專機）生產線已無法滿足汽車行業(yè)快速更新的現(xiàn)實需要。

在21世紀初期，由于一系列技術難點得到解決，出現(xiàn)了高速、高效且高柔性的新一代加工中心——高速加工中心，很好地解決了加工柔性和產量、投資與更新的矛盾，滿足了汽車行業(yè)目前多品種、大批量和少投資的要求。如今，在汽車發(fā)動機缸蓋、缸體和變速箱總成殼體類零件等鋁合金件的加工中，由高速加工中心組成的柔性生產線已大部分替代了自動線和專機，成為動力總成零部件加工的主力軍。

BE變速箱鋁合金殼體類零件

神龍公司BE變速箱總成上有4種鋁合金殼體（見圖1），分別為：變速箱殼體、離合器殼體、橋殼及差速器半殼。

圖1  BE變速箱總成

BE變速箱總成分別需要適配TU和EW系列的發(fā)動機，BE變速箱總成目前有BE-5L和BE-5N兩大系列6個品種，與BE變速箱總成對應的變速箱殼體有4種，離合器殼體有4種，橋殼有4種，差速器半殼1種，累計13種鋁合金殼體。

這四大類殼體是形狀復雜、剛性差且工藝性差的薄壁殼體零件，以平面和孔系加工為主，產品的平面及孔系中心距都有很高的精度要求，因此對加工設備本身來說，其制造質量要保持很高的精度。以離合器殼體總成加工為例，圖2中離合器殼體87#孔對79#孔的位置度公差只有0.05mm，為了避免離合器殼體和變速箱殼體之間連接發(fā)生泄漏,工藝的技術要求離合器殼體與變速箱殼體的連接面的表面粗糙度R2 W4/ES，相當于國標的Ra0.8，兩孔間的平面度要求小于0.03mm。為了避免變速箱殼體與后蓋之間發(fā)生泄漏，圖3中變速箱殼體后端面的平面度要求小于0.03mm，為了避免二軸軸承損壞或變形，對圖3所示的φ75.01的孔，公差只有0.019mm。

圖2  離合器殼體截面

圖3  變速箱殼體截面

MA殼體類零件的直線式自動生產線

1. MA殼體直線式自動生產線

20世紀90年代神龍公司一期項目MA變速箱殼體類零件的加工是由不同專機組成的兩條自動生產線（見圖4），即MA離合器殼體總成和變速箱殼體自動生產線，分別只能完成MA變速箱殼體和MA離合器殼體+中間板的加工。其中，MA離合器殼體總成生產線有10個加工單元，10套完全不同的夾具系統(tǒng)，變速箱殼體有5加工單元，5套完全不同的夾具系統(tǒng)，分別在機床兩側呈一字排開。自動線中間是一條貫穿全線的輸送帶，完成零件的輸送，其動作流程為抬起→輸送→落下→返回。自動線兩側的各工位，都以輸送帶為指揮棒，分別完成各自的加工內容。動作流程大致為快進→工進→加工完成→返回原位。

圖4  MA變速箱殼體機床自動生產線

2. MA殼體直線式自動生產線的特點

MA變速箱殼體類零件自動生產線的突出特點是，加工工序簡單，機床維修方便，同時多工位同時加工，故加工節(jié)拍短。但機床占地面積達到2039m2，機床的機械維修成本較高，如每個工位都需要1～2個電機、絲杠、滑臺、導軌、減速箱（數(shù)控工位除外）及1套夾具等。目前，這兩條自動線只能完成3種基本類似的離合器殼體和1種變速箱殼體的加工，兩條自動線的節(jié)拍分別為1.10min，但是設備的固定時間（TIM）卻分別高達37.58min和13.98min。雖然整線節(jié)拍時間短，但是設備的固定時間較長，單機的加工效率低，并且限制了加工的柔性。

3. 滾動發(fā)展的需要

上述兩條MA自動線的產能達到了22萬輛，這種自動線適用于單一品種大批量的加工，不適合多品種的柔性加工。從2005年開始，神龍公司采用了滾動發(fā)展的模式，新增的BE變速箱殼體類零件的品種數(shù)多達13種，并且零件間的差異大，產能需求不到十萬。采用自動線投資的方式，勢必導致要投資多條自動線，占地面積大、投資成本高且產能過剩，不適合神龍公司滾動發(fā)展的需要。

隨著自動化技術的不斷發(fā)展，高速加工中心很快成為汽車行業(yè)技術裝備中“價廉物美”的搶手貨。目前，汽車行業(yè)競爭格局使人們更傾向柔性生產系統(tǒng)，高速加工中心軟硬件的構成使其加工換型快、柔性強；分段投資、滾動發(fā)展，可適應產能和品種變化；一次投資，長期受益，從而突破了汽車生產中“經濟規(guī)模”的傳統(tǒng)觀念，實現(xiàn)多品種、中小批量、高效生產。

為了適應BE殼體4種類型13種零件的加工，神龍公司采用了高速加工中心，很好地解決了BE殼體類零件加工的柔性和產量、投資與更新的矛盾，滿足了神龍公司目前多品種、產能適中及少投資滾動發(fā)展的要求。

BE鋁合金殼體加工工藝

1. BE鋁合金殼體的加工生產線

在滿足生產綱領的前提下，對13種鋁合金殼體的加工，從生產線的占地面積、人員的配置、設備的投資、物流、生產組織以及將來的產品規(guī)劃等方面進行綜合分析，最終結論是采用柔性生產線更經濟、高效。

神龍公司在2005年與法國COMAU公司聯(lián)合設計，采用了3臺臥式加工中心、1臺清洗機、1臺打標機和1臺擰緊機，完成BE變速箱總成上四大類鋁合金共計13個品種零件的加工，工序間的物流采用重力輥道。該工藝方案簡單可靠，在國內，是高速加工中心應用到變速箱殼體零件高效柔性加工的典范。BE殼體類零件的加工陣地的占地面積只有768m2，生產線的平面布置見圖5。

圖5  BE變速箱殼體類零件加工平面布置

目前這條線變速箱殼體+橋殼的節(jié)拍為2.795min，設備的固定時間只有2.795min；離合器殼體總成+差速器半殼的節(jié)拍是3.25 min，固定（TIM）時間只有6.5 min。整線的節(jié)拍能滿足產能的需求，比單機的加工效率提高了6～7倍，由于其高的切削速度、進給速度及短的換刀等輔助時間，使生產效率較高。該生產線由同一種機型構成，易于掌握，便于維修及備件準備，可保持高的設備完好率。

2. BE鋁合金殼體的加工工藝流程

神龍BE四大類變速箱殼體零件的工藝流程見圖6：離合器殼體+差速器殼體半殼共用兩臺加工中心（DX1251/DX1252），變速箱殼體和BE橋殼共用一臺加工中心（DX1254），分別完成平面的銑削、孔系的鉆孔、鏜孔和攻絲。

圖6   BE鋁合金殼體的加工工藝流程

3. 高效的工藝參數(shù)

在神龍公司BE殼體線上，金剛石(PCD)、立方氮化硼(CBN)、硬質合金等刀具材料已占98%以上。銑削的切削速度為3768m/min，進給速度為12000mm/min；鉆削的切削速度500m/min，進給速度為4743mm/min。在自動線上，MA殼體銑削切削速度只有864m/min，進給速度為1500mm/min；鉆削的切削速度為80m/min，進給速度為400mm/min。

從表中可以發(fā)現(xiàn)，加工同樣材料的鋁合金殼體，高速加工中心和普通機床相比效率更高，切削速度是普通機床的2～8倍，進給速度是普通機床的4～10倍。高效的加工參數(shù)需要高的切削液壓力，從表可以看出普通機床的切削液壓力只有0.4MPa，而高速加工中心的切削液壓力高達7MPa。

設備的選型

1. 法國COMAU高速加工中心的特性參數(shù)

URANE25高速臥式加工中心是從法國原裝進口的設備，該線選用了URANE 25三臺臥式高速加工中心，機床的最高轉速達24000r/min，X、Y、Z三軸的快移速度可達到100m/min，定位精度0.004mm，重復精度0.002mm，加速度達到10m/s2；換刀時間（屑對屑）為3.7s （到15000r/min），X、Y、Z軸的工作行程為800mm×700mm×400mm。加工中心采用液壓夾具，自動夾緊，每個夾具配備探測頭用于探測夾具上表面的幾何尺寸（基準面）。機床頂部兩側配備兩個高速旋轉刀庫（共48把刀位），另配有Watt Pilote System 作為刀具監(jiān)測裝置，可隨時對正在加工的鉆頭及絲錐類刀具的磨損及非正常破損狀態(tài)進行監(jiān)測，還有RENISHAW檢具在線檢查毛坯加工余量及補償?shù)裙δ堋?/p>

2. BE4變速箱殼體類零件的設備選型

該項目采用的URANE25臥式加工中心選用了高性能的電主軸、高速的進給系統(tǒng)；配置了速度快、穩(wěn)定性高的控制系統(tǒng)；采用了精確的刀具編程，高速、高剛性且同心度高的刀具系統(tǒng)，以及快速、精準的裝夾系統(tǒng)，保證了神龍BE變速箱總成薄壁殼體類零件的高精度要求。

高速加工中心在BE4變速箱殼體零件加工中的應用

1. 高速主軸的應用

高速加工中心主軸轉速一般定在16000～46000r/min之間。最佳的結構方案為內裝直驅動式電主軸（見圖7），在應用中無需拆卸、保養(yǎng)和調正。主軸轉子安裝在復合陶瓷滾珠軸承上，采用三點支承方式來保證較高的動態(tài)剛性和精度。在定子和轉子軸承四周有專門水冷系統(tǒng)以吸收發(fā)熱。

圖7  電主軸結構示意

高速加工中心由于其高的主軸轉速、進給速度及進給加速度，因此要求其結構設計具有高的靜態(tài)剛性和動態(tài)剛性。為此，將液壓裝置與主軸分離放置，設備結構完全是熱對稱的，避免了因熱變形使主軸與工件的位置偏移。為防止作為重要熱源的切屑引起熱不平衡，通過高達7MPa的切削液和設備獨特的結構設計使切屑不在被加工工件及托盤上停留，并且通過在Z軸罩兩側的螺旋式排屑輸送器將切屑快速排到切削液箱，從而使切屑引起的熱影響最小。各軸測量都在推力中心進行，以得到精確的測量結果及位置重復精度最大的穩(wěn)定性。

URANE25采用了德國KeSSler公司的電主軸，保證了高速加工中心的剛性和熱穩(wěn)定性，實現(xiàn)了無中間環(huán)節(jié)的直接傳動，傳動部件減少，可靠性更高，主軸功率為20kW(S6-60%)。

2. 高剛性三點支撐床身

該高速加工中心采用坐標鏜床式的三點支撐床身，通過有限元分析方法（FEM）進行高剛性的結構設計，保持高剛性及穩(wěn)定性，以在最大移動速度甚至需要進行強力切削和多次定位移動的加工中，都能達到剛性的最優(yōu)狀態(tài)。

3. 高速進給系統(tǒng)

URANE25采用了西門子直線驅動電機，海德漢全密封式可做速度和絕對位置檢測反饋的直線光柵尺，直線電機的成熟應用使高速加工中心在效率、精度和實用性方面翻開了新的一頁。直線電機為非接觸直接驅動方式，移動部件少，無扭曲變形問題。直線電機具有高加速度和減速特性，加速度可達10m/s2，進給速度是傳統(tǒng)的4～10倍。

4. 高速穩(wěn)定的CNC控制系統(tǒng)

URANE25的數(shù)控系統(tǒng)采用了西門子PCU50單元，WinXP軟件環(huán)境。為保證高精度和高光潔度，在CAM計算機輔助設計中，用點逼進法來加工圓弧，這樣產生的NC程序多達十幾兆到幾十兆，這就需要控制系統(tǒng)要有1s內處理5 000～10 000條數(shù)據(jù)的能力，否則機床會在加工到尖角位或轉彎位停頓，甚至死機。

5. 高速的切削刀具系統(tǒng)

目前，神龍BE4變速箱殼體生產線90%的刀片采用聚晶金剛石材料（PCD）。由于刀具切削部分的幾何參數(shù)對切削效率的高低和加工質量有很大影響，我們采用的刀具前角比普通切削時小10°，后角大5～8°，主要是防止刀尖處的熱磨損。主、副切削刃連接處應采用修圓刀尖或倒角刀尖，以增大局部刀尖角。增大刀尖附近切削刃的長度和刀具材料體積，以提高刀具剛性和減少刀具破損率。

對于鏜刀片采用聚晶金剛石(PCD)刀片，鋁合金變速箱殼體類零件的進給速度可達12000mm/min，轉速可以達到23800r/min,

高速切削要求刀具要有很好的剛性、動平衡性、安全性、適配性及操作性，對刀具材料、刀具-機床接口及刀具-刀柄接口提出了更高要求。在刀具-機床接口方面，傳統(tǒng)的7:24錐度如BT、ISO刀柄只有錐面定位，高速切削時暴露出剛性不足、受離心力影響大、重復精度不穩(wěn)定、動平衡不好及快速換刀不便等缺點，逐漸被HSK所取代（見圖8）。由德國阿亨大學開發(fā)的HSK短錐刀柄(1:10)，是刀具-機床接口的一次飛躍，其采用錐面+端面雙重定位，軸向定位精度比7:24刀柄提高3倍，徑向跳動精度提高2～3倍，HSK的靜態(tài)和動態(tài)剛性都非常強并且能夠安全、高效地傳送扭矩。BE4殼體線采用的刀具與機床的接口就是HSK63。在刀具-刀柄接口即刀具夾頭方面，熱縮夾頭已在BE4殼體線的鉆孔、鏜孔和鉸孔刀具中使用。

圖8  刀柄的接口

6. 高效換刀及交換工作臺

在加工中心的一個切削循環(huán)中，換刀時間及交換工作臺時間往往占的比重較大。在傳統(tǒng)的非高速加工中心上，換刀時間（屑到屑）達14～20s左右，交換工作臺時間則需3min，甚至更長時間。而高速加工中心的換刀時間（屑到屑）可達到3.5s左右，交換工作臺時間則可減少到7s，且每個工作臺具有精密鼠壓盤分度機構，以確保精確的360°等分分度。

7. 高速加工中心溫控系統(tǒng)

為了改善高速加工中心的熱特性，URANE25采用了溫控循環(huán)水來冷卻電主軸、主軸軸承和直線電機，空調分別冷卻液壓油箱和電氣柜。此外，還采用了低膨脹系數(shù)的鑄鐵來作高速加工中心的主軸箱體，以減少主軸的熱伸長和部件的熱變形。為了盡量減少外部熱源的影響，對夾具、工件等采用恒溫切削液進行沖洗、冷卻，對刀柄、刀具采用高壓內冷結構。

由于四季變化，廠房環(huán)境和機床的溫度會出現(xiàn)一定差異，從而導致殼體類零件的位置尺寸漂移。為此，URANE25機床內部配置了一個溫度補償系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場測量出的溫度補償孔系的位置精度，但該溫度需要人為設定。

8. 高效的夾具系統(tǒng)

剛性好、穩(wěn)定的夾具對于高速加工的精度和刀具壽命非常關鍵，如果工件夾不緊，加工時就會崩刃、打刀，如果夾具剛性不夠，加工時則會震顫，產生劃痕，影響表面質量。為此，3臺高速加工中心上所有工件的夾具一方面設計了檢測零件是否夾緊的氣密檢測系統(tǒng)，另一方面合理規(guī)劃了夾具的結構，局部地方增加了夾具的剛性。所有夾具均為液壓夾具，為保證夾緊力的均衡和穩(wěn)定，液壓站配置了空調，以確保零件的質量。

采用高效的液壓夾具安裝定位后，可以快速準確地確定工件與機床、刀具之間的相互位置，工件的位置精度由夾具保證，不受工人技術水平的影響，其加工精度高而且穩(wěn)定。同時，顯著減少了輔助工時（裝卸工件的時間），提高了工件的剛性，使切削用量加大。在3臺高速加工中心上，我們使用多工位夾具裝夾不同狀態(tài)的工件，并采用高效夾緊機構，這些均有利于提高勞動生產率與安全性。

9. 較高的設備利用率和通用性

傳統(tǒng)自動線綜合利用率一般都不超過0.7，當其中某工位發(fā)生故障時會造成全線停頓。高速加工中心可在每個“加工島”上并聯(lián)安排同類設備，當某臺出現(xiàn)故障時，另幾臺仍可繼續(xù)加工。標致-雪鐵龍集團的有關資料顯示，這種柔性生產線的綜合利用率可達0.82以上。此外，高速加工中心具備高速加工和通用機床合二為一的優(yōu)越性，實現(xiàn)了通用化、系列化和模塊化，使得項目準備周期短，正常運營后維護方便，投資相對節(jié)省。

結語

不少人認為高速機床就是高速加工，實則不然，高速加工中心是否高速取決于刀具直徑、刃齒數(shù)及零件表面狀況等。其優(yōu)點是高速、高效、高精度、高柔性、高利用率和通用性好；高速加工中心的關鍵技術是高速主軸系統(tǒng)、高速進給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)和先進的溫控系統(tǒng)。神龍公司針對變速箱殼體專機剛性生產線柔性較差的弱點，采用了3臺高速加工中心組成柔性生產線，實現(xiàn)了變速箱總成鋁合金殼體類零件的高效柔性加工。