高效柔性加工中心異軍突起

現(xiàn)在汽車用戶對(duì)汽車多樣化、個(gè)性化的要求，迫使汽車企業(yè)的產(chǎn)品換型越來(lái)越快，產(chǎn)品品種紛繁多樣，原來(lái)單一工件的大批量生產(chǎn)變成了多種工件各自的較小批量迭加成的大批量生產(chǎn)。因此，生產(chǎn)多品種零件的柔性設(shè)備的使用越來(lái)越多，20世紀(jì)以來(lái)在汽車制造行業(yè)占統(tǒng)治地位的組合機(jī)床（專機(jī)）生產(chǎn)線已無(wú)法滿足汽車行業(yè)快速更新的現(xiàn)實(shí)需要。

在21世紀(jì)初期，由于一系列技術(shù)難點(diǎn)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(chǎn)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(dòng)機(jī)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(chǎn)線已大部分替代了自動(dòng)線和專機(jī)，成為動(dòng)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(jiàn)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(dòng)機(jī)，BE變速箱總成目前有BE-5L和BE-5N兩大系列6個(gè)品種，與BE變速箱總成對(duì)應(yīng)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(jì)13種鋁合金殼體。

這四大類殼體是形狀復(fù)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(chǎn)品的平面及孔系中心距都有很高的精度要求，因此對(duì)加工設(shè)備本身來(lái)說(shuō)，其制造質(zhì)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(duì)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(shù)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(dāng)于國(guó)標(biāo)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(duì)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(dòng)生產(chǎn)線

1. MA殼體直線式自動(dòng)生產(chǎn)線

20世紀(jì)90年代神龍公司一期項(xiàng)目MA變速箱殼體類零件的加工是由不同專機(jī)組成的兩條自動(dòng)生產(chǎn)線（見(jiàn)圖4），即MA離合器殼體總成和變速箱殼體自動(dòng)生產(chǎn)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(chǎn)線有10個(gè)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(jī)床兩側(cè)呈一字排開(kāi)。自動(dòng)線中間是一條貫穿全線的輸送帶，完成零件的輸送，其動(dòng)作流程為抬起→輸送→落下→返回。自動(dòng)線兩側(cè)的各工位，都以輸送帶為指揮棒，分別完成各自的加工內(nèi)容。動(dòng)作流程大致為快進(jìn)→工進(jìn)→加工完成→返回原位。

圖4  MA變速箱殼體機(jī)床自動(dòng)生產(chǎn)線

2. MA殼體直線式自動(dòng)生產(chǎn)線的特點(diǎn)

MA變速箱殼體類零件自動(dòng)生產(chǎn)線的突出特點(diǎn)是，加工工序簡(jiǎn)單，機(jī)床維修方便，同時(shí)多工位同時(shí)加工，故加工節(jié)拍短。但機(jī)床占地面積達(dá)到2039m2，機(jī)床的機(jī)械維修成本較高，如每個(gè)工位都需要1～2個(gè)電機(jī)、絲杠、滑臺(tái)、導(dǎo)軌、減速箱（數(shù)控工位除外）及1套夾具等。目前，這兩條自動(dòng)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(dòng)線的節(jié)拍分別為1.10min，但是設(shè)備的固定時(shí)間（TIM）卻分別高達(dá)37.58min和13.98min。雖然整線節(jié)拍時(shí)間短，但是設(shè)備的固定時(shí)間較長(zhǎng)，單機(jī)的加工效率低，并且限制了加工的柔性。

3. 滾動(dòng)發(fā)展的需要

上述兩條MA自動(dòng)線的產(chǎn)能達(dá)到了22萬(wàn)輛，這種自動(dòng)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(kāi)始，神龍公司采用了滾動(dòng)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(dá)13種，并且零件間的差異大，產(chǎn)能需求不到十萬(wàn)。采用自動(dòng)線投資的方式，勢(shì)必導(dǎo)致要投資多條自動(dòng)線，占地面積大、投資成本高且產(chǎn)能過(guò)剩，不適合神龍公司滾動(dòng)發(fā)展的需要。

隨著自動(dòng)化技術(shù)的不斷發(fā)展，高速加工中心很快成為汽車行業(yè)技術(shù)裝備中“價(jià)廉物美”的搶手貨。目前，汽車行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)格局使人們更傾向柔性生產(chǎn)系統(tǒng)，高速加工中心軟硬件的構(gòu)成使其加工換型快、柔性強(qiáng)；分段投資、滾動(dòng)發(fā)展，可適應(yīng)產(chǎn)能和品種變化；一次投資，長(zhǎng)期受益，從而突破了汽車生產(chǎn)中“經(jīng)濟(jì)規(guī)模”的傳統(tǒng)觀念，實(shí)現(xiàn)多品種、中小批量、高效生產(chǎn)。

為了適應(yīng)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(chǎn)量、投資與更新的矛盾，滿足了神龍公司目前多品種、產(chǎn)能適中及少投資滾動(dòng)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(chǎn)線

在滿足生產(chǎn)綱領(lǐng)的前提下，對(duì)13種鋁合金殼體的加工，從生產(chǎn)線的占地面積、人員的配置、設(shè)備的投資、物流、生產(chǎn)組織以及將來(lái)的產(chǎn)品規(guī)劃等方面進(jìn)行綜合分析，最終結(jié)論是采用柔性生產(chǎn)線更經(jīng)濟(jì)、高效。

神龍公司在2005年與法國(guó)COMAU公司聯(lián)合設(shè)計(jì)，采用了3臺(tái)臥式加工中心、1臺(tái)清洗機(jī)、1臺(tái)打標(biāo)機(jī)和1臺(tái)擰緊機(jī)，完成BE變速箱總成上四大類鋁合金共計(jì)13個(gè)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(jiǎn)單可靠，在國(guó)內(nèi)，是高速加工中心應(yīng)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(chǎn)線的平面布置見(jiàn)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(shè)備的固定時(shí)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(shí)間只有6.5 min。整線的節(jié)拍能滿足產(chǎn)能的需求，比單機(jī)的加工效率提高了6～7倍，由于其高的切削速度、進(jìn)給速度及短的換刀等輔助時(shí)間，使生產(chǎn)效率較高。該生產(chǎn)線由同一種機(jī)型構(gòu)成，易于掌握，便于維修及備件準(zhǔn)備，可保持高的設(shè)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(jiàn)圖6：離合器殼體+差速器殼體半殼共用兩臺(tái)加工中心（DX1251/DX1252），變速箱殼體和BE橋殼共用一臺(tái)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(zhì)合金等刀具材料已占98%以上。銑削的切削速度為3768m/min，進(jìn)給速度為12000mm/min；鉆削的切削速度500m/min，進(jìn)給速度為4743mm/min。在自動(dòng)線上，MA殼體銑削切削速度只有864m/min，進(jìn)給速度為1500mm/min；鉆削的切削速度為80m/min，進(jìn)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(jī)床相比效率更高，切削速度是普通機(jī)床的2～8倍，進(jìn)給速度是普通機(jī)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(jī)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(dá)7MPa。

設(shè)備的選型

1. 法國(guó)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(guó)原裝進(jìn)口的設(shè)備，該線選用了URANE 25三臺(tái)臥式高速加工中心，機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速達(dá)24000r/min，X、Y、Z三軸的快移速度可達(dá)到100m/min，定位精度0.004mm，重復(fù)精度0.002mm，加速度達(dá)到10m/s2；換刀時(shí)間（屑對(duì)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(dòng)夾緊，每個(gè)夾具配備探測(cè)頭用于探測(cè)夾具上表面的幾何尺寸（基準(zhǔn)面）。機(jī)床頂部?jī)蓚?cè)配備兩個(gè)高速旋轉(zhuǎn)刀庫(kù)（共48把刀位），另配有Watt Pilote System 作為刀具監(jiān)測(cè)裝置，可隨時(shí)對(duì)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(jìn)行監(jiān)測(cè)，還有RENISHAW檢具在線檢查毛坯加工余量及補(bǔ)償?shù)裙δ堋?/p>

2. BE4變速箱殼體類零件的設(shè)備選型

該項(xiàng)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(jìn)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(zhǔn)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(yīng)用

1. 高速主軸的應(yīng)用

高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般定在16000～46000r/min之間。最佳的結(jié)構(gòu)方案為內(nèi)裝直驅(qū)動(dòng)式電主軸（見(jiàn)圖7），在應(yīng)用中無(wú)需拆卸、保養(yǎng)和調(diào)正。主軸轉(zhuǎn)子安裝在復(fù)合陶瓷滾珠軸承上，采用三點(diǎn)支承方式來(lái)保證較高的動(dòng)態(tài)剛性和精度。在定子和轉(zhuǎn)子軸承四周有專門(mén)水冷系統(tǒng)以吸收發(fā)熱。

圖7  電主軸結(jié)構(gòu)示意

高速加工中心由于其高的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度及進(jìn)給加速度，因此要求其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有高的靜態(tài)剛性和動(dòng)態(tài)剛性。為此，將液壓裝置與主軸分離放置，設(shè)備結(jié)構(gòu)完全是熱對(duì)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(guò)高達(dá)7MPa的切削液和設(shè)備獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使切屑不在被加工工件及托盤(pán)上停留，并且通過(guò)在Z軸罩兩側(cè)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(cè)量都在推力中心進(jìn)行，以得到精確的測(cè)量結(jié)果及位置重復(fù)精度最大的穩(wěn)定性。

URANE25采用了德國(guó)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(shí)現(xiàn)了無(wú)中間環(huán)節(jié)的直接傳動(dòng)，傳動(dòng)部件減少，可靠性更高，主軸功率為20kW(S6-60%)。

2. 高剛性三點(diǎn)支撐床身

該高速加工中心采用坐標(biāo)鏜床式的三點(diǎn)支撐床身，通過(guò)有限元分析方法（FEM）進(jìn)行高剛性的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保持高剛性及穩(wěn)定性，以在最大移動(dòng)速度甚至需要進(jìn)行強(qiáng)力切削和多次定位移動(dòng)的加工中，都能達(dá)到剛性的最優(yōu)狀態(tài)。

3. 高速進(jìn)給系統(tǒng)

URANE25采用了西門(mén)子直線驅(qū)動(dòng)電機(jī)，海德漢全密封式可做速度和絕對(duì)位置檢測(cè)反饋的直線光柵尺，直線電機(jī)的成熟應(yīng)用使高速加工中心在效率、精度和實(shí)用性方面翻開(kāi)了新的一頁(yè)。直線電機(jī)為非接觸直接驅(qū)動(dòng)方式，移動(dòng)部件少，無(wú)扭曲變形問(wèn)題。直線電機(jī)具有高加速度和減速特性，加速度可達(dá)10m/s2，進(jìn)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(mén)子PCU50單元，WinXP軟件環(huán)境。為保證高精度和高光潔度，在CAM計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，用點(diǎn)逼進(jìn)法來(lái)加工圓弧，這樣產(chǎn)生的NC程序多達(dá)十幾兆到幾十兆，這就需要控制系統(tǒng)要有1s內(nèi)處理5 000～10 000條數(shù)據(jù)的能力，否則機(jī)床會(huì)在加工到尖角位或轉(zhuǎn)彎位停頓，甚至死機(jī)。

5. 高速的切削刀具系統(tǒng)

目前，神龍BE4變速箱殼體生產(chǎn)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(duì)切削效率的高低和加工質(zhì)量有很大影響，我們采用的刀具前角比普通切削時(shí)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(yīng)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(zhǎng)度和刀具材料體積，以提高刀具剛性和減少刀具破損率。

對(duì)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(jìn)給速度可達(dá)12000mm/min，轉(zhuǎn)速可以達(dá)到23800r/min,

高速切削要求刀具要有很好的剛性、動(dòng)平衡性、安全性、適配性及操作性，對(duì)刀具材料、刀具-機(jī)床接口及刀具-刀柄接口提出了更高要求。在刀具-機(jī)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(shí)暴露出剛性不足、受離心力影響大、重復(fù)精度不穩(wěn)定、動(dòng)平衡不好及快速換刀不便等缺點(diǎn)，逐漸被HSK所取代（見(jiàn)圖8）。由德國(guó)阿亨大學(xué)開(kāi)發(fā)的HSK短錐刀柄(1:10)，是刀具-機(jī)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(dòng)精度提高2～3倍，HSK的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)剛性都非常強(qiáng)并且能夠安全、高效地傳送扭矩。BE4殼體線采用的刀具與機(jī)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(tái)

在加工中心的一個(gè)切削循環(huán)中，換刀時(shí)間及交換工作臺(tái)時(shí)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(shí)間（屑到屑）達(dá)14～20s左右，交換工作臺(tái)時(shí)間則需3min，甚至更長(zhǎng)時(shí)間。而高速加工中心的換刀時(shí)間（屑到屑）可達(dá)到3.5s左右，交換工作臺(tái)時(shí)間則可減少到7s，且每個(gè)工作臺(tái)具有精密鼠壓盤(pán)分度機(jī)構(gòu)，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(lái)冷卻電主軸、主軸軸承和直線電機(jī)，空調(diào)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(lái)作高速加工中心的主軸箱體，以減少主軸的熱伸長(zhǎng)和部件的熱變形。為了盡量減少外部熱源的影響，對(duì)夾具、工件等采用恒溫切削液進(jìn)行沖洗、冷卻，對(duì)刀柄、刀具采用高壓內(nèi)冷結(jié)構(gòu)。

由于四季變化，廠房環(huán)境和機(jī)床的溫度會(huì)出現(xiàn)一定差異，從而導(dǎo)致殼體類零件的位置尺寸漂移。為此，URANE25機(jī)床內(nèi)部配置了一個(gè)溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量出的溫度補(bǔ)償孔系的位置精度，但該溫度需要人為設(shè)定。

8. 高效的夾具系統(tǒng)

剛性好、穩(wěn)定的夾具對(duì)于高速加工的精度和刀具壽命非常關(guān)鍵，如果工件夾不緊，加工時(shí)就會(huì)崩刃、打刀，如果夾具剛性不夠，加工時(shí)則會(huì)震顫，產(chǎn)生劃痕，影響表面質(zhì)量。為此，3臺(tái)高速加工中心上所有工件的夾具一方面設(shè)計(jì)了檢測(cè)零件是否夾緊的氣密檢測(cè)系統(tǒng)，另一方面合理規(guī)劃了夾具的結(jié)構(gòu)，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(diào)，以確保零件的質(zhì)量。

采用高效的液壓夾具安裝定位后，可以快速準(zhǔn)確地確定工件與機(jī)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(shù)水平的影響，其加工精度高而且穩(wěn)定。同時(shí)，顯著減少了輔助工時(shí)（裝卸工件的時(shí)間），提高了工件的剛性，使切削用量加大。在3臺(tái)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(jī)構(gòu)，這些均有利于提高勞動(dòng)生產(chǎn)率與安全性。

9. 較高的設(shè)備利用率和通用性

傳統(tǒng)自動(dòng)線綜合利用率一般都不超過(guò)0.7，當(dāng)其中某工位發(fā)生故障時(shí)會(huì)造成全線停頓。高速加工中心可在每個(gè)“加工島”上并聯(lián)安排同類設(shè)備，當(dāng)某臺(tái)出現(xiàn)故障時(shí)，另幾臺(tái)仍可繼續(xù)加工。標(biāo)致-雪鐵龍集團(tuán)的有關(guān)資料顯示，這種柔性生產(chǎn)線的綜合利用率可達(dá)0.82以上。此外，高速加工中心具備高速加工和通用機(jī)床合二為一的優(yōu)越性，實(shí)現(xiàn)了通用化、系列化和模塊化，使得項(xiàng)目準(zhǔn)備周期短，正常運(yùn)營(yíng)后維護(hù)方便，投資相對(duì)節(jié)省。

結(jié)語(yǔ)

不少人認(rèn)為高速機(jī)床就是高速加工，實(shí)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(diǎn)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(guān)鍵技術(shù)是高速主軸系統(tǒng)、高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)和先進(jìn)的溫控系統(tǒng)。神龍公司針對(duì)變速箱殼體專機(jī)剛性生產(chǎn)線柔性較差的弱點(diǎn)，采用了3臺(tái)高速加工中心組成柔性生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了變速箱總成鋁合金殼體類零件的高效柔性加工。