柔性生產(chǎn)線是為了迎合多品種、小批量生產(chǎn)任務(wù)而產(chǎn)生的獨(dú)特制造方式?；趯?duì)航空、航天等典型離散型行業(yè)的零件結(jié)構(gòu)特征、零件工藝性、生產(chǎn)任務(wù)特點(diǎn)的分析和研究，提出通過(guò)工藝標(biāo)準(zhǔn)化工作結(jié)合對(duì)關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)物驗(yàn)證設(shè)計(jì)滿足多品種、小批量生產(chǎn)任務(wù)特點(diǎn)的柔性生產(chǎn)線，解決零件產(chǎn)出過(guò)程中效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、周期不可控等問(wèn)題，以期為離散型制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。本文根據(jù)工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹一種離散型生產(chǎn)模式下內(nèi)齒殼體類零件柔性生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案。

　　在航空、航天行業(yè)中，由于零件的自身結(jié)構(gòu)特征及科研生產(chǎn)任務(wù)性質(zhì)，決定其零件制造呈現(xiàn)品種多、批量小的離散型生產(chǎn)模式特性，這種模式下零件生產(chǎn)工藝成組性差，對(duì)專用工裝的依賴性大，生產(chǎn)過(guò)程中人為干預(yù)多，產(chǎn)出效率低，并且無(wú)法通過(guò)建設(shè)傳統(tǒng)的自動(dòng)線解決產(chǎn)能問(wèn)題。為此，可以通過(guò)建設(shè)滿足離散型生產(chǎn)模式的柔性生產(chǎn)線提高人均產(chǎn)出效率，解決產(chǎn)能不足的問(wèn)題。本文根據(jù)工廠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，介紹一種離散型生產(chǎn)模式下內(nèi)齒殼體類零件柔性生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)方案。

　　一、柔性生產(chǎn)線方案設(shè)計(jì)

　　完成一條柔性生產(chǎn)線的整體設(shè)計(jì)主要包括兩部分工作：方案設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)論證。方案設(shè)計(jì)的前提是完成建線的需求定義。需求定義是產(chǎn)線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵。需求定義的內(nèi)容包含以下幾個(gè)部分：產(chǎn)線需要實(shí)現(xiàn)的效果、進(jìn)線零件的選型、產(chǎn)線指標(biāo)定義。

　　產(chǎn)線需要實(shí)現(xiàn)的效果

　　航空、航天企業(yè)所呈現(xiàn)的離散型生產(chǎn)模式，其零件生產(chǎn)的特點(diǎn)是品種太多、批量太小，導(dǎo)致人均產(chǎn)出效率低，同時(shí)，零件的制造成熟度低導(dǎo)致質(zhì)量穩(wěn)定性不高，這是兩大核心問(wèn)題。通過(guò)產(chǎn)線的建設(shè)需要能夠幫助企業(yè)改善這兩個(gè)核心問(wèn)題，基于此，將建線效果定義為：提高人均產(chǎn)出量以及提升制造過(guò)程的質(zhì)量穩(wěn)定性。

　　進(jìn)線零件的選型

　　要通過(guò)建設(shè)柔性生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)提高人均產(chǎn)出量以及提升質(zhì)量穩(wěn)定性的效果目標(biāo)，選擇合適的進(jìn)線零件至關(guān)重要，因?yàn)楫a(chǎn)線的生產(chǎn)畢竟不是人工環(huán)境，設(shè)計(jì)好的硬件設(shè)備不可能適應(yīng)所有種類的零件，然而，批量有限的條件下要實(shí)現(xiàn)提高人均產(chǎn)出量的目標(biāo)則必須增加進(jìn)線零件的種類。這是一個(gè)矛盾的問(wèn)題，柔性生產(chǎn)線的核心技術(shù)就是解決這個(gè)問(wèn)題的方法，目前主流的方法要素包括：標(biāo)準(zhǔn)化工裝托板、工藝成組、中央刀庫(kù)、自適應(yīng)加工、智能排產(chǎn)等。

　　根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，工藝成組是擴(kuò)展進(jìn)線零件種類的有效手段之一：在工廠的零件序列中篩選結(jié)構(gòu)、材料、功能、工藝相近的零件組成一個(gè)零件族，按照零件族制定工藝流程、設(shè)計(jì)夾具及調(diào)整方式、設(shè)計(jì)加工參數(shù)，以此作為產(chǎn)線設(shè)計(jì)的頂層參數(shù)，設(shè)計(jì)滿足這些參數(shù)的軟硬件設(shè)備。

　　通過(guò)實(shí)物分析，選擇工廠已經(jīng)生產(chǎn)數(shù)年的 42 種齒殼體作為首批進(jìn)線的零件，其具備顯著的成組性特點(diǎn)，這些帶齒殼體具有相似的結(jié)構(gòu)、功能和工藝，整體產(chǎn)量需求巨大，通過(guò)統(tǒng)一工藝流程、設(shè)計(jì)兼容性?shī)A具實(shí)現(xiàn)工藝成組性規(guī)劃，便能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線對(duì)這一族群零件的全部兼容，進(jìn)線之后能夠顯著提高產(chǎn)能。根據(jù)產(chǎn)線規(guī)模的限制，完成零件的選型之后還要分析生產(chǎn)流程節(jié)選進(jìn)線工序，選定的帶齒殼體整體的制造流程較為復(fù)雜，并不是每道工序都存在產(chǎn)能瓶頸，通過(guò)工序時(shí)間寫實(shí)，分析工序時(shí)間，節(jié)選出瓶頸工序進(jìn)線加工。

　　由于零件外形所有表面都需要加工(如圖1 零件加工位置示意圖)，在多道加工中心工序之間存在多次零件翻面的工步，每次翻面都需要操作工人重新裝夾、找正再開始加工，加工中心工序的人工調(diào)整時(shí)間占到了60%以上，因此也導(dǎo)致機(jī)床利用率只有30%左右，形成了零件積壓，產(chǎn)生瓶頸。因此，產(chǎn)線能夠解決這部分工序瓶頸，就可以提高這42種零件產(chǎn)量。所以，選擇這部分工序進(jìn)線是必要的。

　　選定了零件族群，節(jié)選了進(jìn)線工序，之后便需要根據(jù)族群及工序制定統(tǒng)一的工藝流程、設(shè)計(jì)具備兼容性的夾具系統(tǒng)、設(shè)計(jì)加工參數(shù)等，其中，最重要的工作是設(shè)計(jì)具備兼容性的夾具系統(tǒng)。

　　整體方案設(shè)計(jì)

　　在清晰的需求及指標(biāo)的約束下，進(jìn)行產(chǎn)線整體的方案設(shè)計(jì)。首先，確定機(jī)加設(shè)備種類及規(guī)模，根據(jù)需求形成多種設(shè)備組成方案，計(jì)算各自的全年產(chǎn)能，分析優(yōu)劣，擇優(yōu)選擇(表1)。

　　綜上所述，方案4為最優(yōu)的機(jī)加設(shè)備配置方案。在機(jī)加設(shè)備基礎(chǔ)上再進(jìn)行產(chǎn)線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

　　二、關(guān)鍵技術(shù)論證

　　夾具系統(tǒng)技術(shù)論證

　　夾具系統(tǒng)是產(chǎn)線設(shè)計(jì)傳統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，在本項(xiàng)目中尤其如此。本項(xiàng)目中夾具系統(tǒng)需要滿足的要求：①進(jìn)線的42種零件全部要兼容;②要能夠滿足在線內(nèi)對(duì)零件所有外形表面的加工要求，不能存在干涉;③產(chǎn)線運(yùn)行周期(120小時(shí))內(nèi)必須保障從零件安裝好進(jìn)線開始到最后加工完成出線整個(gè)過(guò)程中，不能有人工二次安裝和干預(yù)的過(guò)程。

　　選擇進(jìn)線的42種零件具有功能和結(jié)構(gòu)上的相似性，所有零件的內(nèi)齒圈齒輪參數(shù)僅有六種，如果設(shè)計(jì)通過(guò)內(nèi)齒定位的夾具，僅需6種夾具便可以滿足42種零件的兼容性要求。由于進(jìn)線加工的內(nèi)容包括除了內(nèi)齒圈以外的所有外形，所以加工時(shí)需要翻轉(zhuǎn)零件，并且不能有人工參與。為此所設(shè)計(jì)的工裝就必須要可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻面。綜上所述，工裝的設(shè)計(jì)標(biāo)注為：可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)翻面的以內(nèi)齒圈定位的6組夾具。

　　基于這個(gè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開始了夾具系統(tǒng)的原理設(shè)計(jì)，其中最大的難點(diǎn)就是“定角向”問(wèn)題，即如果僅使用齒圈定位零件，就相當(dāng)于 “一面兩銷”少了“一銷”，有一個(gè)自由度沒(méi)有被限制。為此采取了兩種不同的方式分別進(jìn)行了驗(yàn)證：①在齒圈定位之外增加一個(gè)定位基準(zhǔn)，限制自由度;②通過(guò)漲套漲緊齒圈并且加大漲緊力，增大漲套與齒圈的靜摩擦力來(lái)限制自由度。

　　液壓夾具方案：通過(guò)內(nèi)脹工件內(nèi)齒頂圓的方式進(jìn)行工件夾緊定位(圖2)，具體實(shí)現(xiàn)方式為：通過(guò)控制液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓拉緊缸的控制，液壓拉緊缸下拉丁使?jié)q套外撐，從而給工件一個(gè)水平外撐和向下拉緊的分力，實(shí)現(xiàn)工件夾緊操作。此方案6種齒圈需要制作3種規(guī)格夾具(一種漲套可以兼容兩種齒圈)，不同規(guī)格的夾具通過(guò)液壓油自動(dòng)連接裝置(保壓閥門)與夾具底板相連，實(shí)現(xiàn)工裝夾具上油路的自動(dòng)連接。

　　模塊化組合夾具方案：夾具由底座、心軸、模塊化壓板組成。心軸的壓力僅用于定位基準(zhǔn)，定位強(qiáng)度主要通過(guò)模塊化壓板壓緊零件筋板實(shí)現(xiàn)，即在齒圈定位之外增加一個(gè)壓緊的定位方式限制自由度。如圖3 所示。

　　切換不同的零件加工時(shí)，需要專用設(shè)備在線內(nèi)進(jìn)行底板和模塊化壓板的全自動(dòng)切換，由于42 種零件的筋板位置、尺寸各異，線內(nèi)需要配置的底板和模塊化壓板種類繁多。

　　隨行工裝方案：夾具包含兩部分：隨行零件的手動(dòng)漲套+零點(diǎn)定位底座，手動(dòng)漲套上下兩個(gè)面上都有定位銷，這兩個(gè)面的定位要求同心，這樣就能讓零件加工完第一個(gè)面后由機(jī)械手翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行另一個(gè)面的加工。

　　機(jī)械漲心方案：此方案夾具的定位方式與第一種方案一樣，通過(guò)漲力心軸漲緊齒頂圓，漲緊力所產(chǎn)生的靜摩擦力抵消銑削外形時(shí)產(chǎn)生的扭矩。與第一種不同的是漲緊力的來(lái)源方式，本方案采用機(jī)械傳動(dòng)的方式為漲套提供漲緊力，通過(guò)夾具上的六方接口傳遞扭矩漲緊零件。同時(shí)，此夾具可以采購(gòu)市場(chǎng)上的成熟工裝產(chǎn)品，相比非標(biāo)定制的夾具更穩(wěn)定、可靠。6種齒頂圓配套6種夾具，夾具底部通過(guò)零點(diǎn)定位系統(tǒng)與機(jī)床相連，切換不同夾具僅需通過(guò)機(jī)器手將夾具從零點(diǎn)定位器上取下并安裝其他夾具。

　　刻字方案論證

　　此零件的加工內(nèi)容中存在一項(xiàng)刻字工序，前期的加工方式是利用機(jī)床的高轉(zhuǎn)速使用刻字刀刻字，由于刀具半徑很小，機(jī)床自身的轉(zhuǎn)速不高，刻字時(shí)的刀具線速度很低，刀具磨損非常快，刀具壽命很短。在產(chǎn)線環(huán)境中，刀具壽命太短會(huì)導(dǎo)致機(jī)床頻繁換刀，需要準(zhǔn)備大量的備用刀預(yù)存在產(chǎn)線中。

　　為解決此問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了氣動(dòng)增速刀柄+直徑0.5mm銑刀的刀具壽命試驗(yàn)(圖4)，采用氣動(dòng)增速刀柄將轉(zhuǎn)速增加到58000r/min，驗(yàn)證直徑 0.5mm銑刀的刻字壽命為：一把刀可以加工250 件零件。這完全滿足了產(chǎn)線的需要。

　　三、結(jié)語(yǔ)

　　生產(chǎn)線要能夠適應(yīng)多品種、小批量的離散型任務(wù)要求，最重要的工作不僅是建設(shè)適合的產(chǎn)線，更需要建成后持續(xù)高效地利用。需要配置團(tuán)隊(duì)持續(xù)擴(kuò)展進(jìn)線零件的種類，研究適應(yīng)性更好的標(biāo)準(zhǔn)化工裝，提高中央刀庫(kù)的利用效率，研究提高設(shè)備利用率的動(dòng)作執(zhí)行方案，研究滿足自動(dòng)化加工的質(zhì)量控制方案。要實(shí)現(xiàn)高度的柔性化需要靠技術(shù)團(tuán)隊(duì)結(jié)合操作、工藝、設(shè)計(jì)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化操作、成組化工藝、族群化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)線的高效運(yùn)作。

　　本文通過(guò)分析典型零件族的工藝成組性、結(jié)構(gòu)特征、任務(wù)特點(diǎn)，提出通過(guò)建設(shè)柔性生產(chǎn)線系統(tǒng)解決離散型零件研制生產(chǎn)過(guò)程存在的效率低、周期長(zhǎng)、成本高等共性問(wèn)題，以期為離散型制造業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展提供借鑒經(jīng)驗(yàn)。

　　參考文獻(xiàn)略.