《机械制造工艺》-项目九

任务一成组工艺和CAPP一、成组技术在机械制造业中，中小批量生产历来占有较大的比重。随着国内外市场竞争日益激烈和现代科学技术的发展，更加速了产品更新换代的周期，使品种多而批量小这一特点表现得更加突出。传统的小批生产方式，存在着下列问题:生产的组织管理复杂，生产过程控制较难;零件的生产周期较长;生产准备工作量大;限制了先进生产技术的推广使用。成组技术就是为了解决这些问题而产生的一门新的生产技术。下一页返回任务一成组工艺和CAPP1.成组技术的基本原理不同的机械产品虽然功能、外形、结构等方面有着巨大的差异，但是据统计，组成产品的基本零件大约70%左右都是相似件，例如轴、轴套、齿轮等。在相似件中，同种零件之间在形状(复杂程度)、结构(特征)和尺寸等方面的这种相似，必然导致其工艺方法的相似性。成组技术是一门涉及多种学科的综合性技术，其理论基础是相似性准则，成组工艺是其在机械制造领域中的应用。成组工艺把尺寸、形状、工艺相似的零件组成一个个零件族(组)，按各零件族的工艺要求配备相应的工装设备，采用适当的布置形式组织成组加工，从而达到扩大批量的目的。使得多品种小批量生产也能获得近似于大批大量生产的效果。其基本原理如图9-1所示。成组技术已广泛应用于设计、制造和管理等各个方面。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP零件在几何形状、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性为基本相似性。以基本相似性为基础，在制造、装配等生产、经营、管理等方面所导出的相似性，称为二次相似性。因此，二次相似性是基本相似性的发展，具有重要的理论意义和实用价值。成组技术与数控加工技术相组合，大大推动了中小批量生产的自动化进程。成组技术成了进一步发展计算机辅助设计(CDM)、计算机辅助工艺规程编制(CAPP)、计算机辅助制造(CAM)和柔性制造系统(FMS)等方面的重要基础。在实施成组工艺时，首先要把产品零件按零件分类编码系统进行分类成组;然后制定零件的成组加工工艺，设计工艺装备，建造成组加工生产线以及有关辅助装置。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP2.零件分类编码系统零件分类编码是实施成组技术的重要手段。零件的分类码反映零件固有的名称、功能、结构、形状和工艺特征等信息。分类码对于每种零件而言不是唯一的，即不同的零件可以拥有相同的或接近的分类码，因此就能据此划分出结构相似或工艺相似的零件组来。目前，国内外的分类编码系统很多，常用的有德国的奥匹兹(OPITZ)零件分类编码系统和我国制定的“机械工业成组技术零件分类编码系统”(JLBM-1)。图9-2是分类编码系统的结构形式。JLBM-1是由我国机械工业部组织制定并批准实施的分类编码系统，它是我国机械工了实施成组技术的一项指导性技术文件。它由15个码位组成，其结构形式如图9-3所示。该系统上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPPⅠ、Ⅱ码位表示零件的名称类别，它采用零件的功能和名称作为标志，以矩阵表的形式表示出来，不仅容量大，而且便于设计部门检索。但由于零件的名称不规范，可能会造成混乱，因此在分类前必须先对企业的所有零件名称进行统一并使其标准化。Ⅲ~Ⅸ码位是形状及加工码，分别表示回转体零件和非回转体零件的外部形状、内部形状、平面、孔及其加工的种类。Ⅹ~ⅩⅤ码位是辅助码，表示零件的材料、毛坯、热处理、主要尺寸和精度的特征。尺寸码规定了大型、中型和小型三个尺寸组，分别供仪表机械、一般通用机械和重型机械等三种类型的企业参照使用。精度码规定了低精度、中等精度、高精度和超高精度四个等级。在中等精度和高精度两个等级中，再按有精度要求的不同加工表面而细分为几个类型，以不同的特征码来表示。图9-4是两个零件的编码示例。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP3.零件分类成组的方法施行成组技术时，首先必须按零件的相似特征将零件分类成组。然后才能以成组的方式进行工艺设计和组织生产。目前将零件分类成组常用的方法有视检法、生产流程分析法和编码分类法。编码分类法是一种比较科学和有效的分类成组方法。其具体做法是首先根据具体情况选用合适的编码系统，然后对零件进行编码，根据零件的代码按照一定的准则将零件分类归并成组。常用的编码分类方法有以下几种:上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP(1)特征码位法

就是从零件代码中选择其中反映零件工艺特性的部分代码作为分组依据，就可以得到一系列具体相似工艺特性的零件族，这几个码位称为特征位。如表9-1所示，规定1,2,6,7四个码位相同的零件划分为一组。可以看出这组零件的特征为轴类零件L/d>3,具有双向阶梯的外圆柱面，直径d>20~50mm，材料为优质钢。所以这组零件可以在相同的机床上用相同的装夹方法进行加工。零件4虽然第Ⅱ位代码是6而不是4，但是它与上面三个零件相比仅仅多了一个功能槽，故也可归并在这一类。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP(2)码域法

码域法是指适当放宽每一码位相似特征方面的范围，凡零件编码后的各位代码在这些数字范围内的零件就可以组成一个零件族。在表9-2所示的零件族特征矩阵表上，横向数字表示码位，纵向数字表示各个码位上的代码，表中“×”表示的范围称为码域。表9-2(a)是根据大量统计资料和生产经验而制定的零件相似特征矩阵表。凡零件各码位上的编码落在该码域内，即划分为同一零件组，如表9-2(b)中所示三个零件即为一组，或称为一个零件族。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP4.成组工艺过程设计成组工艺设计是为一组零件设计的，因此该工艺过程就具有高质量和高覆盖性。目前常用的成组工艺设计方法有以下两种。(1)复合零件法

利用一种所谓的复合零件设计成组工艺的方法。复合零件既可以是一个零件组中实际存在的某个具体零件，也可以是一个实际上并不存在而纯属人为虚拟的假想零件。不论它是实有的代表零件，还是虚拟的假想零件，作为复合零件都必须拥有同组零件的全部待加工的表面要素。同一组内其他零件所具有的待加工表面要素都比复合零件的少，所以按复合零件设计的成组工艺，能加工零件组内所有的零件。只需要从成组工艺中删除某一零件不需用的工序或工上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP步内容，便形成该零件的加工工艺。复合零件法一般适用于回转体零件，而对非回转体零件，来说，因其形状极不规则，复合零件很难建立，常采用复合工艺路线法。图9-5是复合零件的产生过程示意。(2)复合工艺路线法

在零件分类成组的基础上，把同组零件的工艺过程卜收集在一起。然后从中先选出组内最复杂，即最长的工艺路线作为代表，再将此代表路线与组内其零件的工艺路线相比较，将其他零件有的而此代表路线没有的工序一一添入。这样便可最终得出能满足全组零件要求的工艺。图9-6是复合工艺路线示例。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP5.成组生产的组织形式(1)单机成组生产单元

是把一些工序相同或相似的零件组集中在一台机床上进行加工。它的特点是从毛坯到成品多数可以在同一类型的设备上完成，也可仅完成其几道工序的加工。例如:在转塔车床、自动车床上加工中小零件。(2)多机成组生产单元

指一组或几组工艺上相似零件的工艺过程由相应的一组机床完成。该组织形式与传统“机群式”排列相比，缩短工序间的运输距离，从而减少了在制品库存量;缩短了生产周期、提高了设备利用率，加工质量稳定，效率较高。所以为各企业广泛采用。(3)流水成组生产单元

是成组技术的较高级组织形式。它与一般流水线的主要区别在于生产线上流动的不是一种零件，而是多种相似零件。在流水线上各工序的节拍基本一致，每台机床，因此它的工艺适应性比较大。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP二、计算机辅助工艺规程设计计算机辅助工艺规程设计(CAPP)就是在成组技术的基础上，通过向计算机输入被加工零件的几何信息和加工工艺信息，由计算机自动地输出零件的工艺路线和工序内容等工艺文件的过程。有些较完善的CAPP系统还能进行动态仿真，加工过程进行模拟显示，以便检查工艺规程的正确性。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP计算机辅助工艺规程设计可以使工艺人员避免查阅冗长的资料、数值计算，填写表格等繁重重复的工作。大幅度地提高工艺人员的工作效率，提高生产工艺水平和产品质量。它还可以考虑多方面的因素进行优化设计，以高效率、低成本、合格的质量和规定的标准化程度来拟订一个最佳的制造方案，从而把产品的设计信息转为制造信息。它是计算机辅助制造的重要环节，是连接CAD和CAM的纽带，因此在现代机械制造业中CAD/CAPP/CAM相结合构成了计算机集成制造系统(CIMS)的重要组成部分。CAPP系统一般由若干程序模块所组成:输入输出模块、工艺过程设计模块、工序决策模块、工步决策模块、NC指令生成模块以及控制模块、动态仿真模块等。视系统的规模大小和完善程度而存在一定的差异。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP根据CAPP系统的工作原理，可以将它分成如下五种类型。(1)派生型

它是建立在成组技术基础上CAPP系统。即利用成组技术的原理将零件分类成组，设计成组典型工艺，并将其存入计算机数据库中。设计一个新的零件工艺规程时只要输入零件的有关信息，计算机对零件进行编码(或直接输入零件代码)，按此代码检索出的相应的零件组成典型工艺，根据零件结构及工艺要求，进行适当的修改编辑，从而派生出所需要的工艺规程。这类系统针对性很强，一般只适用于特定的企业，移植不方便。但系统结构简单，开发周期短，投资少，易于在生产中取得实效。早期开发系统大多属这一类型。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP(2)创成形这种系统是采用决策逻辑的方法开发的，在系统中不存储复合工艺或典型工艺，只存储了若干逻辑算法程序。创成形系统基本上排除了人的干预，保证了工艺规程的客观性和科学性，从理论上讲是一种比较理想的方法。但是由于生产环境复杂多变，使系统十分大而复杂，开发工作量大、费用高，目前完全创成式的系统还处于研究阶段，在生产中实用的尚不多见。上述两种类型是最基本的CAPP类型。上一页下一页返回任务一成组工艺和CAPP(3)综合型(又称半创成形)它将变异型和创成式结合起来(如工序设计用变异性，工步设计用创成性)，它具有两种类型系统的优点，部分克服了它们的缺点，效果较好，所以应用十分广泛。我国自行设计开发的CAPP系统大多属这种类型。(4)检索型

针对标准工艺，将设计好的零件标准工艺进行编码存储在计算机中，制定零件工艺时可根据零件的信息进行搜索，查找合适的标准工艺。(5)智能型

它是将人工智能技术应用在CAPP系统中形成的CAPP专家系统。它与创成形系统的不同性在于:创成性CAPP是以逻辑算术进行决策，而智能型则是以推理加知识的专家系统技术来解决工艺设计中经验性强的、模糊和不确定的若干问题。它更加完善和方便，是CAPP的发展方向，也是当今国内研究的热点之一。上一页返回任务二柔性自动化加工一、柔性自动化加工的概念和特点柔性自动化加工是在现代机械制造技术、自动控制技术和计算机技术等的基础上为适应产品多变、环境多变及高质量的要求而发展起来的现代加工方法。它是以数控机床为基本加工设备，由计算机统一控制加工系统各部分的运动。至今已相继开发出了适应于不同加工要求，不同规格和功能的柔性加工方法和设备。下一页返回任务二柔性自动化加工其特点是:(1)柔性

主要表现在加工对象的灵活可变性，即它具有可以很容易地在一定范围内从对一种工件加工更换为对另一种工件的加工的功能。柔性自动化加工是通过软件(工件加工程序)来控制机床工作的。(2)自动化

各种柔性自动化设备都可实现机床操纵和加工过程的自动化，而不同的系统则自动化程度也有所不同。例如一些较复杂和功能完善的系统可以实现工件及其他材料的自动搬运、存储和交换，以及加工过程的自动监控，误差自动补偿、故障自动诊断、自动适应控制和自动化调度等功能。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工二、柔性自动化加工方法简介(一)单机数控加工1.单机数控加工的种类(1)单机数控机床

在更换加工对象时，数控机床只需变更或重新编制程序，机床调整简单，明显减少了准备终结时间和辅助时间，缩短了生产周期。因此非常适宜于批量小，周期短，改型频繁，形状复杂以及精度要求高的中小型工件的加工。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工(2)加工中心(MachineCenter，简称MC)这类机床，例如图9-7所示的多工序可自动换刀的立式镜铣床。它有坐标控制系统，可实现点位控制进行钻、镜、铰或连续控制进行铣削，各种刀具装在一个刀库中，可由计算机发出指令进行换刀。这样加工中心机床边可完成钻、扩、铰、镜、铣和攻螺纹等复杂零件所有各面(除底面外)的加工。它改变了过去小批生产中一人、一机、一刀和一个工件的落后局面，而把许多相关工序集中在一起，形成了以一个工件为中心的多工序自动加工机床，它本身就相当于一条自动线。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工2.单机数控加工的特点数控机床加工有广泛的适应性和较大的灵活性。①“产品多样化”和产品更新快是当前机械制造业的明显特点，而且机械行业中多品种、中小批量生产的工件所占的比重越来越大。由于单机数控机床只需通过变更所编制程序就可以加工新品种的工件，因此单机数控机床最适合于加工批量小而多次生产的零件。同时，单机数控机床可以加工普通机床难以加工的、几何形状复杂的零件。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工②单机数控机床与普通机床相比增加了功能，提高了性能，简化了机械结构。因此，采用数控机床加工零件能提高生产率。由于数控加工机床通常不需要专用的工具，因而可省去工夹具搬运时间，而且采用自动换刀，从而减少了辅助时间。由于数控机床可采用最佳的切削参数和最佳走刀路线，从而减少了基本时间。③消除了人为误差，提高了加工精度。数控机床加工是由数字化信息或者说用记录在媒体上的数字信息对机床运动及其加工过程进行控制的，操作者的技术水平和工作熟练程度将不影响工件的质量和加工时间。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工④一批工件的一致性好，可减少检查工时和废品。⑤不需要专用工夹具，通用标准夹具定位通常能够满足数控加工的要求，因而可省去设计、制造、存放专用工夹具的费用。⑥提高了刀具使用寿命，由于切削过程是在程序控制下进行的，因而避免了误操作，刀具可在较佳的切削用量下进行工作，有利于刀具寿命的增长。⑦精确的成本计算和生产进度安排。在数控机床上，加工时间是可以预计的，并且每个工件是一致的，因而工时和工时费可估算得很精确，这将有助于精确地编制生产进度表，有利于均衡生产和更准确地预计产品的数量。⑧数控机床是计算机辅助制造(CAM)的基础。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工(二)柔性制造系统(FMS)1.柔性制造系统的定义FMS是由数控加工设备、物料运输装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个柔性制造制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，运用于多品种、中小批量生产。2.柔性制造系统的组成柔性制造系统从硬件的形式看有以下三部分组成:两台以上的数控机床或加工中心以及其他的外围包括测量机、清洗机、动平衡机、各种特种加工设备等;一套能自动装卸的运储系统包括刀具的运储和工件原材料的运储;一套计算机控制系统。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工如图9-8是一个典型的制造业FMS的平面图。图中4为四台加工中心，是FMS的主机。3是四个刀具交换站，每台主机对应一个。需要补充的刀具从刀具装卸站7用自动有轨小车(三辆)运到刀具交换站;已使用过的刀具由小车自动运回刀具装卸站;在运输途中还有三个刀具缓冲站11，供小车临时存取刀具用。2是小车保养站。8是四个零件装卸站，需要加工的零件在装卸站装上托板后，由小车自动运到相应的主机去进行加工，或者送到自动的托板缓冲站13(可容纳10个托板)等待加工。零件完成加工后，由小车自动运到零件清洗站1进行清洗，清洗完毕后由小车运到卧式坐标测量机12进行自动质量检验，然后送到零件装卸站卸下成品零件。g是托板和夹具安装站。6是铁屑和切削液回收站。10是整个FMS的计算机控制中心，对FMS实行集中管理。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工(三)计算机集成制造系统(CIMS)CIMS是在自动化技术、信息技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将制造工了全部生产活动所需的各种分散的自动化系统有机的集成起来，是适合于多品种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的智能制造系统，如图9-9所示。它的主要特点是:①具有CAD/CAM系统，可以实现从设计到加工的连续信息处理。②庞大的计算机网络进行全方位分级管理，按照规定的程序，控制和指挥整个工厂的生产。③产品的加工情况、质量情况自动反馈，形成生闭环控制，使生产和管理实现最优化。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工三、柔性自动化加工零件的工艺处理在选用数控加工机床或其他柔性自动化加工方法及设备加工工件时，编程人员应对该工件进行工艺分析，并且必须认真地阅读该机床或该系统的操作说明书、程序编制指南、切削用量、标准工夹具手册以及有关技术参考资料。(一)数控加工的工艺特点(1)工艺内容十分具体

在数控加工工艺中必须对工步划分、走刀路线、对刀点、换刀点、切削用量等具体的工艺问题作出确定和正确的选择。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工(2)工艺设计非常严密数

控加工工艺的设计必须注意加工过程中的每一个细节，如冷却状况、排屑情况等。在对工件图形进行数学处理和编程时，都要准确无误。(3)注重加工的适应性

要根据数控加工工艺的特点正确地选择加工方法和加工对象。由于数控机床的特点，适合采用数控加工的零件主要是:形状复杂、加工精度要求高，用普通机床无法完成或难以完成的零件;用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件;难于测量、控制尺寸的内型腔零件;必须在一次装夹中完成多工序加工内容的零件。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工(二)柔性自动化加工对零件工艺性的要求为了发挥数控加工优势，根据数控加工的工艺特点，对被加工工件的工艺性进行审查、分析，并向设计人员提出改进建议。①编程是否方便是衡量一个工件数控加工工艺性好坏的一个指标。由于零件图样上的尺寸标注方法对工艺性影响较大，为此，对零件的设计图样应指出不同的要求，凡采用数控加工的零件，图样上尺寸数据的标注以方便编程为原则。②零件的外形、内腔最好采用统一的几何形状或尺寸，对一些主要的数控加工零件推荐规范化设计结构及尺寸，如空刀槽等。这样可以减少刀具数目，从而减少换刀次数，还有可能应用控制程序或专用程序以缩短程序长度。③改进加工面的形状，以改善加工条件，提高加工精度。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工(三)确定数控加工工艺时应注意的问题(1)确定走刀路线和工步顺序

走刀路线应尽量选择最短路线，以减少空行程;轮廓的最后精加工应在一次走刀中连续完成;刀具的切入和切出要尽量避免划伤工件表面，还要尽量使工件在加工后变形最小。因此，应根据被加工零件的加工精度和表面粗糙度要求，以及机床、刀具等的具体情况加以考虑。例如图9-10所示，在铣削凸轮时刀具的切入方向与工件轮廓表面相切，实现切入切出的平滑过渡，避免在工件上留下刀痕。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工(2)定位与夹紧方案

尽量做到基准统一，减少装夹次数，避免采用占机人工调整方案。夹具结构力求简单，尽可能采用组合夹具、可调夹具等标准化通用化夹具，避免设计、制造夹具，以节省费用和缩短生产周期;加工部位要敞开，不致因夹紧机构或其他元件而影响刀具进给;夹具在机床上安装要准确可靠，以保证工件在正确位置上按程序操作。(3)刀具的选择

与普通机床相比，数控机床对刀具的要求要严格得多。一般来讲，数控机床使用的刀具必须精度高，刚性好，耐用度高，同时安装调整方便。在编程时，都要规定刀具的结构尺寸和调整尺寸，刀具安装到机床上之前，应根据编程时确定的尺寸和参数，在对刀仪上调整好，如图9-11所示。上一页下一页返回任务二柔性自动化加工(4)对刀点与换刀点的确定

对刀点是在数控机床上加工零件时，刀具相对工件运动的起点，又称为程序起点。对刀点可以设在被加工零件上，也可以设在夹具上，但必须与零件的定位基准有一定的关系。为了提高零件的加工精度，对刀点尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，例如，以孔定