“大、薄、重、不规则”机械零件的柔性制造系统研究

常熟天地煤机装备有限公司 (江苏 215500) 彭泽军

生产素质与效率的提高是产业升级的重要内容，是提高企业竞争力的有效手段。主要表现为生产要素的优化组合、技术水平、管理水平以及产品质量的提高。本文探讨的是研究构成“大、薄、重、不规则”机械零件柔性制造系统 (FMS)的加工子系统、物流子系统和信息子系统，以便组织高效高质量柔性生产，促进生产素质与效率的提高，促进产业升级。

一、传统加工设备与方法的弊端

在传统的机械加工方法中，对“大、薄、重、不规则”零件的生产而言，一个零件的加工，需要几道、十几道甚至几十道工序，需要经过多台、多种类型设备的加工来完成，还要准备各种工装夹具。主要存在以下弊端：

(1)费时费力，生产周期长，严重影响产品及时交货。由此间接影响贴近用户的个性化设计制造周期、整机设备的销售机遇、产品的市场占有率乃至战略机遇。

(2)零件的多次装夹和基准的多次转换，造成零件的加工精度难以提高。

(3)设备占地面积大，厂房折旧和土地成本高。

(4)对不规则复杂形面的加工，物流和在物流过程中对零部件的保护问题多。

(5)需要的操作工人的工种多、人数多，人工成本大。

(6)现场管理和6S的实施难度大。

(7)产业不能转型升级，生产方式停步不前，在行业中存在失去持续竞争力的风险。

二、柔性制造系统的组成

柔性制造系统是由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制加工设备组成，能适应加工对象变换的自动化机械制造系统。主要构成部分为：加工子系统、物流子系统 (包括输送系统、储存系统、操作系统)和信息子系统。

1.加工子系统

加工子系统包括数控机床、编程软件、刀具等，本文仅就数控机床、编程软件做简单介绍。

数控机床选用立式五轴车铣复合加工中心，对“大、薄、重、不规则”零件而言，传统的加工设备主要有立式车床、铣床、钻床、镗床等。但从20世纪90年代发展起来的复合加工技术，在传统机械设计技术和精密制造技术基础上，集成了现代先进控制技术、精密测量技术和CAD/CAM应用技术，带来了“革命性”的工艺创新。其引发的相关产业工艺进步和产品质量提升，方兴未艾，前途无量。车铣加工中心正是这种复合加工技术的最具代表性的载体之一。

(1)契合“大、薄、重、不规则”零件的加工特点，“立式”设备较之“卧式”设备更具优势。立式五轴车铣复合加工中心所拥有的优势居多，使其成为建立高效高质量柔性生产线的首选设备。

优势一：高集成。相对于传统的加工设备和工艺方法，立式五轴车铣加工中心具有“高集成”的优势。立式五轴车铣加工中心是一种以车削功能为主，并集成了铣削、镗削、钻削等功能，至少具有三个直线进给轴 (X、Y、Z轴)和二个圆周进给轴(A或B、C轴)，且配有自动换刀系统的机床;它是在三轴车削中心基础上发展起来的，相当于一台车削中心和一台加工中心的复合。可以经过一次装夹，完成全部车、铣、钻、镗、攻螺纹等加工，加工范围广、工艺能力强。

优势二：高速度、高精度。五轴车铣加工中心主轴速度和刀具具有非常高的刀尖线速率，是常规切削速度的5～10倍;相当于传统的加工设备和工艺方法具有“高速度、高精度”的优势。

加工时间短，效率高。高速切削的材料去除率通常是常规的3～5倍。刀具切削状况好，切削力小，主轴轴承、刀具和工件受力均小。由于切削速度高，吃刀量很小，剪切变形区窄，变形系数ξ减小，切削力降低大概30%～90%。同时，由于切削力小，让刀也小，提高了加工质量。刀具和工件受热影响小。切削产生的热量大部分被高速流出的切屑所带走，故工件和刀具热变形小，有效地提高了加工精度。

工件表面质量好。首先ap与ae小，工件表面质量好;其次切削线速度高，机床激振频率远高于工艺系统的固有频率，因而工艺系统振动很小，容易获得较好的表面质量。

可完成高硬度材料和硬度高达40～62HRC淬硬钢的加工。比如，采用带有特殊涂层的硬质合金刀具，在高速、大进给和小切削量的条件下，完成高硬度材料和淬硬钢的加工，不仅效率高出电加工的3～6倍，而且获得十分高的表面质量 (Ra=0.4 μm)，基本上不用钳工抛光。

优势三：高柔性。五轴车铣加工中心相对于普通加工中心 (X、Y、Z轴)增加了2个旋转轴 (A或B、C轴)，相于三轴车铣加工中心 (X、Z、C轴)增加了一个直线进给轴 (Y轴)和一个圆周进给轴 (A或B轴);因而具备“高柔性”优势。

图1 刀轴矢量可根据要求而改变

通过控制路径轴X、Y、Z控制旋转轴 A(B)、C，使整个切削路径过程刀轴矢量可根据要求而改变 (见图1)。

一次装夹完成三轴加工多次装夹才能完成的加工内容，如斜面、曲面等 (见图2)。

用更短的刀具伸长加工陡峭侧面，提高加工的表面质量和效率 (见图3)。

图2 一次装夹完成不规则面

图3 用更短的刀具伸长加工陡峭侧面

直纹面或斜平面可充分利用刀具侧刃和平刀底面进行加工，加工的效率和质量更高 (见图4)。

图4 充分利用刀具侧刃和平刀底面

两个旋转轴分别放在主轴和工作台上，工作台旋转，可装夹较大的工件;主轴摆动，改变刀轴方向灵活 (见图5)。

(2)设备选型与对比。在立式五轴车铣加工中心机床生产方面，我国起步较晚，但目前已能自行开发生产，产品技术水平和质量可靠性与发达国家相比还有一定差距 (见表1)。

图5 装夹较大的工件、刀轴方向灵活

表1 国内主要生产厂家与型号

国外在立式五轴车铣加工中心机床生产方面，起步较早，产品技术水平和质量可靠性，比较成熟(见表2)。值得一提的是，MAZAK公司生产的INTEGREX i-630/800v不仅具有极高的加工效率 (其三轴的最大进给速度可以达到52 m/min，ATC换刀切削对切削为7.8 s)，还采用了双交换工作台，工作台托盘分度90°时间只需1.8 s，托盘交换时间仅11 s，将零件加工之间的“准终”时间压缩到了极致。这些卓越的综合性能指标，为配备具有自动化功能的输送、储存和操作系统，进而组建成“大、薄、重、不规则”零件的柔性制造系统创造了良好的条件。

表2 德国、日本主要生产厂家与型号

(3)立式五轴车铣加工中心典型编程软件：能为立式五轴车铣加工中心编制程序的CAM软件较多，本文仅就典型二款软件做介绍。

GibbsCAM软件的高级多任务车铣复合加工(MTM)功能是市场上最佳解决方案之一，功能强大，可对多主轴多刀塔的多任务车铣复合加工机床进行完美编程。高级GibbsCAM仿真器可确保安全加工，无干涉，且与机床不会发生碰撞。GibbsCAM是极少数可充分利用最新机床生产力进行满负荷生产的CAM解决方案之一，已成为机床商不可或缺的辅助性工具。

MasterCAM软件可为车铣床复合加工提供C轴加工编程功能。该功能除了车床应有的加工系统外，更有C轴加工铣削功能：可铣端面 (Face)或截面(Cross)上的轮廓;可在端面或截面钻孔，并可沿顺时针或逆时针方向分度钻孔位置;在铣端面轮廓(Face Countor)和截面轮廓 (Cross Countor)或钻端面孔和截面孔时，系统能自动设定刀具平面(TPlane)和工作平面 (CPlane)。

2.物流和信息子系统

物流和信息二大子系统是复杂的系统工程。目前，能提供与立式五轴车铣复合加工中心相匹配，共同组建“大、薄、重、不规则”机械零件FMS的这二大子系统的成熟产品，并不多见。本文简要介绍其中的二款产品及其供应商。

(1)法斯顿的多层物流子系统和信息子系统是世界领先的工厂自动化系统供应商，能提供多层物流子系统 (MLS)和信息子系统。

MLS物流系统最大的特征在于灵活性：能适用于集成各种不同型号和不同年份的机器并且可以传送坯料栈板或者其他工艺材料栈板，具有标准型号选择范围广的特点，可以按照特殊的要求量身定做;法斯顿还提供MLS的小型化系统：FPC系统 (一种经济实惠的栈板共用系统)。

法斯顿信息系统的特点在于：可以按照生产订单安排生产、管理和传输NC程序，并运行无人操作的全自动生产。其用户界面是Microsoft Windows。

(2)MAZAK的模块物流子系统和信息子系统。MAZAK是世界领先的FMS成套供应商，能提供加工子系统、PALLETECH模块技术生产单元物流子系统和信息子系统。

PALLETECH物流系统最大的特征在于扩张性：根据客户的需求，从小规模开始到大规模FMS为止，通过追加模块的方式，简单地对系统功能进行扩张，构筑成最佳的系统。

MAZAK信息系统的特点在于：通过网络浏览器与PMC-WEB服务器计算机连接，进行加工子系统、物流子系统等之间的信息处理。PMC-WEB网络通信使用NetCom软件。

三、结语

生产中，根据实际情况，对FMS的三个子系统进行合适的配备组合，可形成“大、薄、重、不规则”零件FMS的三种类型：柔性制造单元 (主要由加工子系统组成)、柔性制造系统 (主要由加工子系统、物流子系统组成，图6为MAZAK柔性制造系统现场)、柔性自动生产线 (由加工子系统、物流子系统、信息子系统)。

图6 MAZAK柔性制造系统现场

无论哪种配备，相对传统制造方法，至少有如下直接的好处：

(1)缩短产品研发周期。

(2)减少基准转换，提高加工精度。

(3)减少工装夹具数量和占地面积。

(4)缩减生产过程链和减少在制品数量，减少了运输和物流，有利于对不规则复杂形面的保护。

(5)需要的操作工人数工种少，人工成本相对小。

(6)现场管理和6S的实施难度小。

(7)有利于产业转型升级，保持在行业中持续的竞争力。