（机械工程专业论文）建立r和xr型缸体共用柔性加工线的工艺方案.pdf

四川大学硕士学位论文 r7 7 9 2 5 4 建立r 和x r 型缸体共用柔性加工线的 工艺方案 专业机械工程 研究生许斌指导老师胡晓兵蒋吉贵 发动机缸体是发动机的主要部件之一。作为发动机生产企 业，保持和拥有主要零部件( 包括发动机缸体) 的开发能力、生产 能力、技术手段，有利于企业稳步发展和提高。在市场竞争日益激 烈的今天，保证公司正在批量生产、未来几年趵主导产品r 及x r 型汽油机( 己通过欧i i 认证和标定) 的缸体质量，最终提高整机 性能，非常必要。r 及x r 型两种发动机是公司目前在线生产的产 品，本文主要探讨建立这两种发动机缸体共用柔性生产线的工艺方 案。 本文主要从国内发动机技术水平、生产能力、市场需求，以 及r 及x r 型两种发动机缸体工艺特点、公司的发展规划、经济效 益预测等方面，分析和论述了建立r 和x r 型共用生产线的可行性 和必要性，完成了r 和x r 型共用柔性生产线的工艺方案设计。主 要成果如下： 1 、分析了r 和x r 型缸体的工艺特点。探讨了利用现有加工 技术实现共线加工的可行性。 2 、分析了公司原有大批量生产线存在的弊端。结合近几年加 工设各技术的发展情况，根据企业目前产品生产的实际需求，提出 采用柔性生产线替代传统刚性生产线的技术改造方案。 四川大学硕士学位论文 3 、根据公司的总体规划，编制了工艺方案。从定位、设备、 夹具、刀具等方面，深入探讨了新建r 和x r 型缸体共用柔性生产 线的关键技术。 4 、根据公司近几年的规划，对比目前外购r 和x r 型缸体成 本，预测了建立r 和x r 型缸体共用柔性加工生产线后的经济效 益。 关键词缸体柔性工艺方案 婴型查兰堡主兰垡堡兰 t e c h n i q u ep r e c e p to fs e t t i n gu pc o m m o n f l e x i b l e m a c h i n i n gl i n ef o rr a n dx rb l o c k m a j o r ：m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g r a d u a t es t u d e n t ：x ub i n s u p e r v i s o r ：f ux i a o b i n ，j i a n gj i g u i e n g i n eb l o c ki s o n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fe n g i n e i ti s b e n e f i tt ot h ee n t e r p r i s ei ft h ee n t e r p r i s ep o s s e s s e sd e v e l o p i n g c a p a b i l i t y ，p r o d u c t i o nc a p a b i l i t ya n dt e c h n i c a lm e t h o d so fm a i n p a r t si t s e l f w i t hc o m p e t i n gm o r ea n dm o r es h a r p l y ，i t sn e c e s s a r y t oe n s u r et h eb l o c kq u a l i t yo fra n dx rg a s o l i n ee n g i n e ( h a s p a s s e dt h ec e r t i f i c a t i o na n dc a l i b r a t i o no fe u ri i ) i no r d e rt o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e ，w h i c ha r ei nm a s s - p r o d u c e a n dw i l lb et h ed o m i n a n tp r o d u c t si nt h en e x ty e a r s re n g i n ea n d x re n g i n ea r et h ep r o d u c t sp r o d u c e db yo u rc o m p a n ya tp r e s e n t t h ep a p e rm a i n l yd i s c u s s e dt h et e c h n i q u es c h e m eo fs e t t i n gu pa c o m m o nf l e x i b l em a c h i n i n gl i n ef o rra n dx rb l o c k i nt h ep a p e r ，t h ep o s s i b i l i t ya n dn e c e s s i t yo fs e t t i n gu pt h e c o m m o nl i n ef o rra n dx re n g i n eb l o c ki s a n a l y z e da n d d e m o n s t r a t e da n dt h et e c h n i q u es c h e m eo fc o m m o nf l e x i b l el i n e f o rra n dx rh a sb e e n d e s i g n e d b a s e do nt e c h n i c a ll e v e l ， p r o d u c t i o nc a p a b i l i t ya n dm a r k e td e m a n d so f n a t i o n a le n g i n e t e c h n i q u ef e a t u r e so fr a n dx re n g i n eb l o c k ，p l a no ft h ec o m p a n y a n de c o n o m i cb e n e f i tp r e d i c a t i o n t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t sa s f o l l o w i n g ： 1 、a n a l y z e dt h et e c h n i q u ef e a t u r e so fra n dx rb l o c ka n d l l i 四川大学硕士学位论文 d i s c u s s e st h ep o s s i b i l i t yt or e a l i z ec o m m o nl i n e w i t hc u r r e n t m a c h i n i n gt e c h n o l o g y 2 、t h r o u g hi l l u m i n a t i n gt h ea b u s eo ft h ee x i s t i n gp r o d u c t l i n ei nm a s s p r o d u c e ，b r i n g sf o r w a r dt e c h n i c a lr e c o n s t r u c t i o np l a n o fb u i l d i n gaf l e x i b l ep r o d u c t i o nl i n et or e p l a c et h ee x i s t i n gr i g i d p r o d u c t i o nl i n eb a s e do n t h es t a t e so fm a c h i n i n gt e c h n o l o g yi n c u r r e n ta n dp r a c t i c a ld e m a n d so fe n t e r p r i s ea tp r e s e n t 3 、e s t a b l i s h e dt h et e c h n i q u es c h e m e a c c o r d i n gt ot h ew h o l e l a y o u t so ft h ec o m p a n y d i s c u s s e dt h ek e yt e c h n o l o g yo fs e t t i n gu p c o m m o nf l e x i b l em a c h i n i n gl i n ef o rra n dx rb l o c ki nd e t a i l ，i n t h ea s p e c to fl o c a t i o n ，e q u i p m e n t ，f i x t u r ea n dr e a m e r 4 、a n a l y z e dt h eo u t s o u r c i n g c o s to fra n dx rb l o c k a c c o r d i n gt ot h ep l a no ft h ec o m p a n yi nr e c e n ty e a r s p r e d i c a t e d t h ea t t a i n a b l ee c o n o m i cb e n e f i ta f t e rb u i l d i n gu pc o m m o nf l e x i b l e m a c h i n i n gl i n ef o rr a n dx rb l o c k k e yw o r d s ：b l o c k ，f l e x i b l e ，t e c h n i q u ep r e c e p t 四川大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1发动机生产技术的现状 汽车的动力来源于发动机，有汽车心脏之称的发动机是汽车最主 要的组成部分，其性能的好坏将直接影响汽车整车的使用性能和寿 命。而缸体是汽车发动机的基础零部件，通过缸体将发动机的曲柄连 杆机构( 活塞、连杆、曲轴、飞轮等) 和配气机构( 缸盖、凸轮轴、 迸气歧管、排气歧管、挺杆、正时齿轮等) 以及供油、润滑、冷却等 机构联接为一个整体。 由于发动机的地位和功用决定了缸体必须具有高强度、良好的刚 度、抗震性、耐磨性、耐热性和气密性，以保证内燃机正常工作。它 的工作条件是发动机所有配合副中最苛刻的一一高温、高压，它同时 支撑飞速运转的曲轴、活塞、平衡轴等部件，直接影响拉缸、拉瓦、 异响等质量问题。缸体质量对发动机整机的性能影响，一直占有主要 地位。 在市场竞争日益激烈的今天，发动机生产技术迅速提高，国内发 动机生产能力飞速提升。合资企业迅速增多，技术引进力度迅猛，市 场对发动机整机的质量要求跟前几年不可同日而语，市场需要高性能 的发动机。同时，汽车整车质量三包中，也都将发动机缸体质量列入 主要三包承诺项次之一。因此，目前国内主要的发动机生产企业，都 将缸体质量纳入主要的技术攻关、质量控制范围。 1 2 课题提出的背景 我们公司具有成功开发、生产四缸发动机的经验。我们正是从一 开始批量生产4 9 1 q 系列汽油机起，就将技术含量高，加工难度较大 的4 9 1 q 气缸体、缸盖列入了自主开发和生产的零部件，从而为公司 取得恢宏的业绩作出了巨大的贡献：公司自1 9 9 8 年至今共实现利润 婴型查兰堡主兰篁笙三 7 个多亿元，其中包括大批量自主生产4 9 1 q 气缸体、缸盖，为公司 创造的巨额利润。 公司原有大批量生产线以专用机床、组合机床为主生产线加工 产品单一。这种生产线建线周期长，适宜大批量生产，其主要生产设 备在产品转型时，无利用价值。 利用现有工艺加工技术，可以实现r 和x r 型缸体共线生产。 1 3 课题来源 r 和x r 型汽油机是公司正在批量生产，也是未来几年公司的主 导产品。目前，r 和x r 型汽油机缸体属于外购零部件，质量不稳 定，采购成本高。如r 和x r 型缸孔和主轴孔等的加工项次合格率 较低、清洁度超差等；又如r 型缸体，其加工难度与我们自主加工 的4 9 l q 缸体一样，但外购价格是4 9 l q 缸体成本的两倍多a 因此， 公司提出了建立r 和x r 型缸体共用柔性生产线的建线方案，以实 现r 和x r 型缸体共线加工：并可根据生产需要，及时切换r 和x r 型两种缸体产品。 1 4 技术路线 发动机产品的改进已经驱动加工系统发展了十多年，它现在仍然 在驱动着。新产品的生产准备时间已经被削减，要求我们新建造的生 产系统必须生产不同的零件。随着近几年加工设备的技术不断提高， 各种发动机产品的批量不断变化，国内主要的发动机生产公司现在新 建生产线逐渐以采用柔性生产线为主。今后1 0 年，发动机零部件加 工的主要挑战，是非传统设备、工具的运用，包括可重复使用的设 备、涂层刀具、更可靠的主轴、灵巧的工具以及灵巧的夹具，以及生 产系统必须具有可靠性、柔性和快速性。 我们探讨新建立r 和x r 型缸体共用柔性生产线工艺方案，要遵 循以下技术路线： 1 、实现r 和x r 型缸体共线加工。 四川大学硕士学位论文 2 、采用r 和xr i 型缸体柔性生产线替代传统刚性生产线的技术改 造方案。 1 5本课题主要解决的问题 r 和x r 型缸体分别是r 和x r 型汽油机的关键零部件。它们的质 量直接影响整机的性能。本文从r 和x r 型缸体工艺技术特点、目前 国内工艺技术水平出发，结合公司的实际情况，主要进行以下研究和 探讨： l 、 分析r 和x r 型缸体的工艺特点和现有加工技术： 2 、 探讨r 和x r 型缸体实现柔性共线加工的可行性； 3 、 编制r 和x r 型缸体共用柔性生产线的工艺技术方案。 4 、 进行经济效益分析。 四j i 大学硕士学位论文 第二章r 和x r 型缸体工艺技术分析 2 1r 和x r 型缸体的工艺特点 r 和x r 型缸体属于同一系列产品，产品图样主要尺寸均相同或 相近，如缸孔直径、主轴承孔直径、总长、总宽、以及缸体底面工艺 销孔等都相同；主油道、水套结构等尺寸相异的不多。总高尺寸、平 衡轴孔结构等不同。具体如下： 1 、相同或相近之处： ( 1 ) r 和x r 型缸体缸孔直径均为：中9 5 ( 一0 0 1 8 一+ 0 0 1 2 ) ： ( 2 ) r 和x r 型缸体主轴承孔直径均为：中6 4 ( + 0 0 0 4 一 + o 0 2 2 ) ： ( 3 ) r 和x r 型缸体底面工艺销孔：尺寸和位置均一样； ( 4 ) r 和x r 型缸体曲轴止推面与主轴孔的垂直度要求： 0 0 2 5 。 ( 5 ) 缸体清洁度：油道内杂质不得大于6 毫克；除油道外缸体 整机杂质不得大于3 0 0 毫克。 ( 6 ) r 和x r 型缸体长、宽分别为：4 4 4 5 、3 5 9 ，5 和4 4 4 5 、 3 5 9 5 ： ( 7 ) 工件材料h t 2 5 0 铸铁。 2 、不同之处： ( 1 ) r 和x r 型缸体主油道孔，均贯穿缸体，高度位置不一样。 ( 2 ) r 和x r 型缸体高分别为：2 7 7 5 和2 9 6 ； ( 3 ) x r 型缸体有两条平衡轴孔，直径o4 1 、o4 1 5 和m 4 2 ，贯 穿缸体深2 4 0 ；r 型缸体无平衡轴孔， 2 2 r 和x r 型缸体共线加工的可行性分析 l 、考虑到这两种缸体的区别，设备以加工中心为主。便于加工 4 四川大学硕士学位论文 产品切换，实现生产线柔性加工。 2 、为缩短切换加工这两种发动机缸体的准备时间，生产线使用 了瑞典s y s t e m3 r 工艺基准定位系统、可换液压夹紧机构、共用夹 具托盘，来实现快速、准确、可靠夹压工件。 3 、加工主轴承孔、平衡轴孔及主轴承孔止推面的设备，可采用 高性能进口加工中心( 通过咨询，上海通用公司一条缸体柔性生产线 的对应工序采用了日本牧野高性能加工中心) 。 4 、珩磨缸孔采用双轴珩磨机( 使用s y s t e m3 r 工艺基准定位 系统夹具设计采用可快换夹压油缸) 。 5 、清洗缸体采用共用定点定位终端清洗机( 已有) 。 6 、清洗缸体采用共用定点定位终端清洗机( 已有) 。 7 、采用滚道线人工输送工件，人工上下料。辅助空中吊运缸体 设施。 8 、r 和x r 型缸体材料相同，可共用排屑系统。 9 、基本外形尺寸相同。可共用辅助设旌( 存放架、量捡具 等) 。 如上，针对r 和x r 型缸体之间存在的不同之处，通过以下方式 来保证实现r 和x r 型缸体共线加工： l 、预先库存刀具，并通过切换加工程序，来对r 和x r 型缸体 的主油道孔、及x r 型缸体两条平衡轴孔进行加工。 2 、针对r 和x r 型缸体高度不一致，通过切换快换夹压油缸， 来保证准确可靠夹压工件。等 辅助设施如滚道线、空中吊运设施、存放架、量检具等，可以共 用。所以，利用目前工艺技术手段，可以实现r 和x r 型缸体共线加 工。 2 3r 和x r 型缸体共线加工的总体方案设计 公司内现有双班年产2 万台r 型缸盖加工生产线一条、双班年 产4 万台x r 型型缸盖加工生产线一条、双班年产6 万台r 和x r 型 汽浊机共用装配生产线及测试生产线一条、双班年产r 和x r 型缸盖 5 堕型奎兰里主兰垡堡苎 毛坯分别为2 万台和4 万台的铸造生产设备各一套。 总体方案：建立r 和x r 型缸体共用柔性生产线一条，双班年产 分别为2 万台和4 万台。 2 4r 1 和r 2 型缸体生产线工艺流程设计 r 1 和r 2 型缸体生产线工艺流程( 详见表一) 2 5构建r 和x r 型缸体柔性生产线的需求分析 l 、r 和x r 型汽油机是公司新的利润增长点。 公司坚持以国际主流技术研制一流绿色动力，先后与美国 d e l p h i 、德国f e v 、意大利m m 、奥地利a v l 等国际一流技术公司建 立了长期稳定的合作关系。在j m 4 9 1 q 系列汽油机的基础上，又成功 开发了填补国内空白的r 型、x r 型汽油机。j m 4 9 1 q 系列汽油机先后 被评定为国家技术创新优秀新产品、国家重点新产品；r 型汽油机被 评定为四川省优秀新产品；x r 型汽油机被评定为国家级新产品。 公司迄今已形成了功率覆盖7 0 1 3 0 k w 的宽系列产品平台，全 部具有完整自主知识产权，具备1 2 万台4 9 l q 系列、6 万台r 和x r 型系列汽油机生产能力，与华晨金杯等国内领先汽车品牌形成了稳定 的配套合作关系，配套车型横跨轻型客车、轻型货车、客货两用车、 越野车、中巴车等。作为我国4 9 l q 汽油机的主要发源地，新晨动力 j m 4 9 1 q 系列汽油机自1 9 9 1 年批量投放市场以来，已连续十三年产 销量全国第一，市场保有量近4 0 万台，市场占有率达5 0 以上。r 和x r 型系列汽油机是绵阳新华内燃机集团有限公司正在生产的新产 品，是未来几年公司主要的发动机产品，并已通过欧1 i 认证和标定。 技术参数如下： r 型汽油机主要技术参数：总排量( l ) ：2 4 3 8 ，总功率转速 ( k w r m i n ) ：9 0 4 4 0 0 一4 8 0 0 ，满足排放法规：g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 l ( e u r o i i ) ，适用车型：高档轻型客车高档越野车。 x r 型汽油机主要技术参数：总排量( l ) ：2 6 9 3 ，总功率转速 6 四川大学硕士学位论文 ( k w r m i n ) ：1 1 0 4 4 0 0 4 8 0 0 ，满足排放法规：g b l 8 3 5 2 2 2 0 0 1 ( e u r o i i ) ，适用车型：高档中型客车高档轻型客车高档越野 车。 同时，如果市场需求，可及时通过技术改进，这两种发动机的排 放可迅速满足e o r o i 排放标准。 2 、目前r 和x r 型的缸体存在一定质量问题，外协公司生产能力 尚显不足。 作为r 和x r 型汽油机关键零部件之一的缸体，目前委托成都正 恒动力配件有限公司( 下称正恒配件) 为我们生产，该公司年生产r 和x r 型缸体能力为3 万台左右，与公司配套的技改能力相比尚显不 足。且存在以下主要质量问题：a 、缸孔珩磨后的t p 2 值合格率在 5 0 左右，个别网纹沟槽明显较深：b 、主轴承孔的同轴度、粗糙度 常常达不到要求；c 、x r 型缸体的平衡轴孔的同轴度、粗糙度常常 达不到要求；d 、压装凸轮轴轴瓦使用的设备原始，质量不能保 证； e 、质量保证体系不足，经常出现漏加工要素。 3 、目前r 和x r 型缸体采购成本明显偏高。 公司购买单套r 和x r 型缸体费用分别为2 0 0 0 元和2 4 0 0 元( 不 含税) ，与公司目前生产4 9 1 缸体生产成本8 0 0 元以下相比( 不含 税) 相比，购买费用明显偏高。同时也制约了单台r 系列发动机的 成本下降幅度，直接削弱了公司生产r 系列发动机的盈利能力。 4 、构建r 和x r 型缸体柔性生产线，有利于发挥公司的技术优 势。 公司从2 0 世纪8 0 年代末，就开始开发、生产4 9 l q 缸体，逐渐 掌握了缸体生产技术，特别是对4 9 l q 缸体曲轴孔、凸轮轴孔、分电 器孔的加工，以及保证它们之间的尺寸关系；对深油道孔的加工，如 中8 6 、o1 2 主油道孔、深4 5 0 ：钻扩铰加工8 个挺柱孔：粗镗、半 精镗、精镗、珩磨缸体缸孔等，有诸多成熟的工艺技术保证方法，对 关键要素的较易把握。 四川大学硕士学位论文 2 6r 和x r 型缸体柔性生产线的技术优势 1 、采用该柔性生产线便于企业产品转型生产。 拥有先进的设备，还需要合适的工艺操作平台，才能实现敏捷制 造。在各种机床和工件上建立满足特定要求的统一的工艺基准定位系 统，以提高整体加工精度、将单机改造成柔性制造单元。 该生产线设备主要以加工中心为主；夹具考虑采用s y s t e m 3 r 夹具系统：夹压工具采用可快换结构；液压夹紧技术、及旋转油缸 和支撑油缸的组合夹紧工件等，通过切换加工程序和快速更换工艺装 备，来实现柔性加工。这些工艺装备，在市场需要时可重新整合，能 方便快捷的实现产品转行， 2 、促进通用工艺制造平台的建立。 在中国加入w t o 之际，公司确立了公司确立了开发柴油机、发 展零部件战略的规划。作为中国轻型汽车发动机行业的领跑者，将积 极介入轿车发动机( 特别是柴油机) 领域。通过发挥比较优势，实施 零部件战略，努力成为世界知名汽车公司全球采购体系的重要组成部 分。在公司开发柴油机时，可以在该柔性生产上制造相关零部件( 包 括缸体等) 样件，有利于缩短开发周期。 四川大学硕士学位论文 第三章r 和x r 型缸体柔性生产线工艺实施方案 3 1生产纲领 与公司总体规划相协调，双班年产r 和m r 型缸体分别为2 万台 和4 万台，新建生产线生产节拍为3 3 0 ”。 ( 以每年2 5 0 天，每 天两班，每班7 小时计算) 3 2 工艺技术设计 我国机械制造工艺虽然取得了长足进步，但与发达国家先进工艺 技术相比，在技术方面还存在着相当大的差距，主要表现在“两 低”、“两高”： l 。产品零件精度低，如铸件毛坯尺寸、金属切削精度要比国外低1 级2 级精度； 2 生产效率低，以汽车制造为倒，我国生产效率相当于日本的1 1 0 、美国的1 5 、德国的1 4 ，车、磨、铣、削速度分别比国外低2 倍3 倍； 3 工艺消耗高，铸铁、铸钢、模锻、大型锻件的能耗要比国外高 出一倍左右： 4 环境污染大，例如我国锻件生产多为燃煤( 油) 加热，国外已 广泛采用电加热，排放的“三废”约为我国的l l o 。 造成上述差距的原因很多，例如全社会缺乏工艺意识，工艺地位 不清。工艺功能未能充分发挥；在工艺人才的培养使用上。缺乏合 理、有效的政策措施；在工艺技术发展和业务安排上，缺乏科学规 划、系统组织和协调配套等。 针对如何抓住机遇快速发展，核心问题是产业结构的调整。以前 如重主机、轻基础功能部件的研究，没有形成较完整的专业化生产社 9 四川大学硕士学位论文 会分工体系，产业结构矛盾非常突出。某些地区受利益的驱动，进行 低水平的重复建设，导致竞相压价、恶性竞争等诸多问题。 科学完善工艺技术水平，是提高产品质量、降低产品成本的重要 途径。工艺是人、机、料等软、硬要素集成的一项基础工程，它覆盖 所有产品，贯穿于生产的全部过程。有些企业，虽然全套引进技术， 但做出来的产品就不如人家原装货好，问题就出在工艺和管理上。 我国已进入工业化中后期，正值全球经济一体化进程加速、世界 产业结构调整转移、中国将建设世界先进制造业基地的时期，我国的 工艺工作需要与时俱进，不断创新，吸纳、融入当代先进的理念、技 术、方法和手段，把工艺水平提升到一个新阶段。因此，公司新建的 生产线，要提高工艺快速反应能力；同时，在c a d 己较普遍应用的情况 下，企业要积极推广应用c a p p ，加快工艺信息化进程；另外，要应用 现代物流技术、精益生产理念，对企业生产工艺实施革命性的流程再 造工程，以达到降低成本、提高效率、增加效益的目的。 当前，国内外一些机床和数控系统制造企业，针对企业e r p 、p d m 和c a d c a p p c a m 的信息集成，进而通过与客户关系管理( c r m ) 和供 应链管理( s c m ) 的联系作出智能决策，实施并行工程、可视化监控等 以提高机床利用率，实现高效的柔性生产。在可重构制造 ( r e a o n f i g u r a b l em a n u f a c t l l r i n g ) 技术支持下，构建具有适应大 批量高效生产的柔性化制造系统是一个值得我们关注的发展方向。 以数控机床为核心的制造技术正向高效化、柔性化和高精化的发 展，并在高速化、高效高精化、复合化、可重构化和网络化等五个主 要方向有了新的进展。数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造 传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受关 注。数控机床以卓越的柔性自动化性能、优异而稳定的精度、灵捷而 多样化的功能引人瞩目，开创了机械产品向机电一体化发展的先河， 因此数控技术成为先进制造技术中的核心技术之一。 成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场 竞争能力的4 个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定阀值的 大批量规模生产才能取得上述4 个方面的统一。但在当前激烈的市场竞 l o 婴型查兰婴主兰堡笙奎 争环境下，以生产为中心、企业为主导的卖方市场，已转向以市场需 求为中心、用户为主导的买方市场，产品需求呈现多样化和个性化， 且产品经济寿命大大缩短，这首先将形成以多品种变批量的生产方式 为主流的生产环境；其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为 交货期。 为此，发展柔性结构体系的制造技术装备及制造系统，是实现在 快速多变的市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的 关键。所谓制造装备及制造系统的柔性化。是指当产品的品种需求发 生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适 应能力。同时，持续地提高经济加工精度也是适应市场竞争的另一个 主要目标。作为评定制造设备及系统效能的基本指标，也将由传统的 工作精度和切自4 能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量。 虽然传统的非数控机床也具有一定的柔性，但它不能获得高的效 能和稳定的精度，更不适应复杂型面的加工。因此，基于数控技术的 高效柔性化制造装备及其制造系统需兼具下列特征： 高效的生产能力，包括：高生产率一借助于高速化和提高金属切 除率等途径；高稳定性设备，着重要求其降低故障率，提高可靠性， 以提高制造装备及系统的开动率( 利用率) 。 高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下 两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量的持续提 高。 产品零件的精度直接影响到其工作性能、寿命、能耗和噪声等， 因此制造装备及系统的高精化是市场需求和技术发展的必然结果。分 析汽车某些关键件的精度要求，如发动机的缸体、缸盖、曲轴、凸轮 轴、连杆、制动器、减振器的阀体、泵体、盘类零部件等，在近十几 年内有明显的提高。 统计自上世纪8 0 年代至2 0 0 2 年国内外先进水平数控机床的工作精 度提高的过程，平均每年提升l o ，即每隔8 年误差约减少一半。对 此，欧美日等国的一些着名机床公司致力于科技创新和新产品的研 发，引导着数控机床技术的发展，如美国的英格索尔公司和德国惠勒 四川大学硕士学位论文 喜乐公司对于汽车工业和航空工业高速数控铣床的发展，日本牧野公 司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五 面加工铣床方面的开发，以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效 复合加工的推进等。数控机床的高速化是提高其高效柔性和高精化的 重要措施。它既可以提高机床的切削能力和缩短辅助时间，又能改善 切屑成形过程，减少刀齿每转进给量和降低切削力，有助提高加工精 度。分析中型加工中心的高速化与高精化的发展历程，可以得出作为 表征其切削运动高速化的主轴最高转速和最大进给速度，大致持续地 以每1 0 年增长一倍的比率上升，而表征压缩机床辅助时间的快移速度 ( 指以滚珠丝梗和旋转伺服电机驱动) 和自动换刀工作台转位速度，基 本上以每1 2 1 5 年翻一番的速度增长，1 9 9 3 年后逐步推广用直线电动 机直接驱动的新技术。使加工中心的快移速度比用滚珠丝梗副驱动时 又提高了一倍。但主轴转速和进给速度的提高也会引起一些负面影 响，使机床结构和测量系统的热变形和位置控制的跟踪误差随之增 大。为此，应用信息技术发展诸如热误差补偿、自动跟踪滤波和抑制 驱动系统共振、进给速度前瞻控制、加速平稳控制等一系列先进控制 技术，使在高速控制条件下仍能保证加工精度不断改善。 如上，高速化是目前设备的发展方向，但我们进行技术改造，不 能单纯地追求转速的提高，必须考虑改善各项制约因素，才不致事倍 功半。公司新建r 和x r 型缸体柔性生产线，会有意提高制造装备及系统 以上技术能力。生产线加工和质量控制系统中，定位、设备、刀具、 夹具、量检具等是实现共线柔性加工的关键工艺技术，它们及工件之 间的关系见图一。 四川大学硕士学位论文 图一 下面分别从这几个方面，来阐述新建柔性生产线采用的技术方法 和原则，如下： 3 2 1定位设计 拥有先进的设备，并不能保证生产出高质量的产品，需要合适 的工艺操作平台。 现代的机床，需要配备现代工艺装备，才能实现敏捷制造。敏 捷制造是先进制造模式。其内涵是“以柔性生产技术和动态组织结构 为特点，以高素质人员为核心，通过网络实现企业闻的虚拟集成， 形成快速响应市场的社会化制造体系”。工艺基准定位系统应用于敏 捷制造的概念，以便达到：1 ) 全新企业概念，建立虚拟企业实现全 球制造。2 ) 全新组织管理概念，基于统观全局的管理模式：3 ) 全新的 产品概念一一全解产品：4 ) 全新的生产概念产品成本与批量无关：5 ) 全新的制造概念，可重组的制造系统。在各种机床和工件上建立满 足特定要求的统一的工艺基准定位系统! 一提高机床实动率一提 高加工的柔性一提高整体加工精度一将单机改造成柔性制造单 元。 在该柔性生产线上各序的定位方式为：第1 0t 序以毛坯基准 面定位；第2 0 工序采用一面两销定位原理定位；第3 0 、7 0 工序采 四j i i 大学硕士学位论文 用顶面及项面2 定位销孔定位；第1 5 0 工序，以缸体两侧面及前端 面定位；其余从第4 0 工序开始，各序均以底面及底面2 定位销孔定 位，定位深度：粗加工为l o m m ，精加工为t 5 m m 。从2 0 序起加工 定位基准，均采用s y s t e n l3 r 标准的工艺基准定位系统。即对工艺 基准定位系统的要求是：所有机床工作台都要标准化。能够使用在 任何机床上，并且为机床和工件同时提供统一的、固定的、己知的 基准。系统的重复定位精度在l 微米以内。工件能够轻易而精确 地在各种机床之间交换，系统简单易用并具有柔性，能够机外预 装。 s y s t e m3 r 标准的工艺基准定位系统简介，见附录l 。 3 2 2设备选型 现今的汽车生产，新产品的开发周期不断缩短，成本也不断降 低，有资料显示，十年前需要四年开发周期的汽车产品；今天只需要 两年就可以完成。除了汽车制造商采用了先进的新产品开发方法，虚 拟制造，同步工程等先进开发技术外，很重要的一点是得益于为汽车 制造提供制造装备的设备供应商的努力，尤其是这些设备供应商提供 了各种数控机床，这些数控机床允许汽车制造商以最快的速度提供满 足市场需求的产品。 目前。欧美汽车生产大多采用由高速加工中心组成的敏捷生产系 统，这种系统可以1 0 0 的柔性混流多品种生产，由多个称作岛式的 柔性加工单元组成，每个岛由多台同类机床及将机床连接起来的机械 手组成，采用带电子贮存器的随托盘与机床进行信息交换。值得注意 的是这些设备供应商不仅掌握了设备制造的专有技术，而且都非常重 视汽车制造工艺流程的开发，他们能够向用户提供交钥匙工程，拥有 自己的系统开发能力。机床的可靠性指标极为先进，单机开动率达9 8 以上。采用这种生产系统，汽车制造厂家的新产品的工业化投放周 期大大缩短。 经过二十多年的改革开放，在国内汽车零部件制造领域，数控机 床的使用越来越广泛。但大多是从欧，美，日进口机床；欧美目规床 1 4 堕型奎兰堡主兰垡笙茎 的特点是：可靠性好，故障率低；人机界面的设计重视人性化；带有 主动测量及补偿系统：可以提供带自动上下料装置加工单元；机床设 计模块化。而国产数控机床厂家虽然不少，但从品种看，仍然是低层 次的通用数控车床较多，对于适合大批量汽车发动机，变速箱，底盘 主要零部件的多轴数控加工中心，品种少，并且大多没有经受大批量 生产考验。 近二十年，我国的机床设计造型取得了较大的发展，如果静态的 看机床外形，与国外同类产品看不出多大差异，但是，要适应大批量 的汽车零部件生产，需要机床有高的可靠性。影响机床可靠性主要有 两个方面，一个是机床的设计质量；另一个是机床部件及总成的加工 及装配的过程质量：从某种意义上讲，过程质量对机床的可靠性影响 更大。而国内机床制造商都比较重视产品设计质量，一般采取合资或 者采取模仿国外产品。但对于机床可靠性影响更大的制造过程质量则 忽视掉了。结果是我们有些厂家的样机完成了多年，销售出的机床小 问题不断。故障率高，或精度达不到合同要求，服务又差，用户满意 度非常低。 8 0 年代初，我国引进了许勒惠勒公司的专机制造部分标准，通过 消化吸收，产生了如东风设备制造厂，大连机床厂等国内比较优秀的 组合专机及自动线生产企业。但是，在引进技术的同时，我们没有即 时推动技术创新。没有通过引进建立完整的技术标准，并保持同步发 展。结果西方国家在九十年代初进行设备换代向数控柔性化设备发展 时，我们还在为提高专机制造水平而花费人力和物力。目前国产数控 机床厂商大多采取的战略是与国外合资或合作引进某一种或某几种机 型，不能形成系列产品，使汽车零部件生产厂家缺乏选择性；今天的 汽车制造者为了降低成本，缩短开发期限。对工业化实施交钥匙工 程，而国产供应商缺乏汽车零部件制造工艺开发能力，他们大多缺乏 提供重要汽车发动机零部件敏捷制造系统如缸体，缸盖；曲轴，连 杠；凸轮轴的零件整线的经验，缺乏辅机开发配套能力及系统联线设 计能力。 四川大学硕士学位论文 汽车产品及其零部件更新变化越来越快。为适应市场变化的需 求，过去大量采用的专机或刚性自动线，由于其不能更换生产品种或 改造费用昂贵，己不能适应这种快速变化的市场需求，所以现在汽车 零部件加工的生产线己越来越多地采用柔性生产线，或柔性加工设备 与专机结合组成的加工生产线，特别是在新的项目中更是倾向于采用 柔性加工线，大量采用加工中心，在一条生产线上可生产不同规格的 零件以满足不同的产品生产的需要。可适当增加部分设备，就可完成 二期技术改造。提高批量生产产量：而且在产品更新换代时仅需改变 加工程序及相关的刀具、夹具就可很方便地转换为新的生产线，工序 的调整和改进、刀具的增加和减少也很方便。在车间平面布置方面， 尽量使车间地面保持完整，已很少开挖为集中冷却而设置的地沟，机 床等设备可很方便地安装及根据需要移动到新的位置，组成新的生产 线。如上海通用汽车有限公司在建厂以来的几年中已根据需要多次移 动机床，减少能力高的生产线的设备，用于新项目的生产，或增加能 力相对薄弱的生产线的设备，以最大限度地利用设备能力，以极高的 柔性快速地满足市场的需要。 由于汽车及其零部件的生产量大、品种多，节拍时问短，尽管采 用了柔性生产线，但节拍要求仍需满足，故提高切削参数，采用高速 切削就成为必然，而加工中心设备的采用也为同时实现柔性和高效率 生产提供了可能。汽车及其零部件制造特别是新工厂、新项目的制造 过程正向着高速加工的方向发展，越来越多地采用数控高速加工中 心，很多加工中心机床的主轴转速已可达数万转，如钻镗铝质汽缸盖 的进排气导管底孔、座圈底孔的刀具转速不少在一万转以上。 柔性加工线能减少故障停机和调试时间，降低人力成本，提高生 产率和产品质量。柔性线系列的突出之处在于它的高系统产出性以及 与传统的生产线或专机机床相比，存在着巨大的优势。在柔性加工系 统中，高性能的加工中心得到广泛使用，其中有适合小工件加工的高 速加工中心、紧凑加强型铣削加工中心、适合低工件成本的加工中 心、适合大中批量生产的快速铣钻削加工中心、适合高速加工和重型 切削加工中心等等。如捷克艾柯达( a i c t a ) 有限公司的p r i m a 、 1 6 四川大学硕士学位论文 o p t i m a 和v a r i a 加工中心是t o s te s 机床的典范，是加工中心和卧式 铣镗床的组合。产品几乎含盖了所有从中型尺寸到重大型件的标准切 削加工。 为了使生产线设备满足大规模汽车制造业，不仅要重视朕线设备 的运用，还要高度重视构成现代敏捷柔性单元的各要素的运用和组 合，如定位、夹紧、刀具、输送装置、自动化信息系统设计等，因为 这些装置的可靠性影响了生产线的开动率，以便最大限度满足汽车零 部件制造需要。 第九届中国国际机床展览会在北京中国国际展览中心隆重举办。 德国、美国、日本、中国等2 6 个国家和地区的1 0 0 0 多家机床制造商 展示了批代表当今世界机床最高水平的精品机床，高速、高效、复 合、智能是今后世界机床发展趋势： 1 、高速。这次参展的加工中心主轴转速一般都在l 万r m in 以 上。美国哈挺公司参展的加工中心主轴转速达到4 万r m in 。快速移 动一般都在4 0 6 0 m m i n ，最高的达到9 0 m m i n ，加速度2 9 。记者在 德国德马吉展台看到一台卧式加工中心正在演示，刀架切削完毕后， 一眨眼工夫就快速移动到几米之外进行换刀，换刀之后又快速移动到 工件前进行加工。工作台的1 8 0 度换位也十分迅速，每换一个角度也 就几秒的时间。经询问，正在演示的这台卧式加工中心的快速移动达 到6 0 m m i n 。另外，参展的加工中心的精度普遍提高，卧式加工中心 的轴定位精度普遍在0 0 0 8 m m 以内。 2 、高效。上海机床厂有限公司展出的h 4 0 5 一a a 数控凸轮轴磨床 上，挂出了”6 0 秒磨一根。的标语，十分醒目。该机床是他们研发的高 效加工凸轮轴凸轮的机床。该机床可用多个砂轮一次磨削一根轴上的 多个凸轮，打破了过去传统方法必须跳挡磨削的缺点，大大提高了生 产效率。该公司展出的这台机床达到了世界先进水平，目前已获得5 项专利。德马吉展出的d m c v 系列铣床由于采用了线性驱动和1 8 万 r m i n 的电主轴，实现了超高速加工，可比普通加工方法节省2 0 的 加工时间。 四川大学硕士学位论文 3 、复合。机床复合化是当今提高数控机床精度和效率的主要措 施。用复合机床加工工件，可在一次装卡的情况下，完成全部加工部 位，消除了装卡位置误差，大大减少了零件工序间运输和等待时间， 提高了工作效率。 从c i m t 2 0 0 5 看，参展的复合加工机床明显增多。有专家认为，当 前世界机床技术发展的潮流是复合加工技术。复合加工机床已成为各 国机床制造商争相开发的热门产品。这次参展的复合机床大多为双主 轴、双刀架，可实现4 5 轴联动，机床可在一次装卡下完成车、铣、 钻、镗、攻丝等工序的加工。 沈阳数控机床有限责任公司展出的c k z 8 0 5 车铣加工中心就是一 台复合机床。该机床代表了我国同类机床的最高水平。该机床五轴中 x 、y 、z 、b 轴采用直线光栅尺或圆度光栅尺检测，可实现闭环控制。 该加工中心备有4 8 9 6 工位刀库可实现自动换刀，一次装卡可进行 车、铣、钻、镗等的加工。美国哈挺公司展出的精益制造单元，有4 个 独特的加工区域，能完成多种机床加工作业，也是一台复合加工机 床。该机床能实现快速双向换刀，换刀间隔时间为0 3 5 秒。该机床丰 富的刀具和主轴可满足用户各种加工方案。另外，南京数控机床公司 还展出了双面车双面磨复合机床等。 4 、智能。这次参展的外国企业，展出了多条柔性生产线，实现了 智能化生产。如意大利康茂胜控股公司利雅路上海生产系统公司展出 了由6 台m c x 9 0 0 机床组成的柔性生产线。该生产线适合批量加工大型 柴油机的缸体等零件。桂林机床股份有限公司展出的x k 7 1 6 2 5 x 五轴 联动数控床身铣床实现了计算机联网。该机床可实现远程诊断和远程 服务等，是一台智能化的机床。 在市场经济引进技术设备的带动下，我国高速机床技术有了长足 进步。进入2 l 世纪，我们新建零部件生产线，应面向未来，面向世 界，尽可能采用可实现柔性化和高速加工的工艺技术装备和制造系 统。 1 8 四川大学硕士学位论文 参考当今国内外设备的工艺技术水平，结合公司目前的实力和总 体规划，以及所加工产品r 和x r 型缸体的工艺特点，新建缸体柔性生产 线计划采用的设备配置原则如下： 1 、 侧面、前后端面，及其面上螺栓孔、销孔等；加工底面及其 面上螺栓孔、销孔等，采用卧式加工中心。 2 、 粗、精镗缸孔；粗、精铣顶面及其面上其余加工要素，由立 式加工中心完成。 3 、 精镗主轴承孔、