金属加工|从CIMES看设备与工艺的关系
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针对如何选择合适的制造方式 ， 提出规模决定设备、设备决定工艺的观点 ， 以阶梯轴类零件加工为例 ， 分别介绍基于小批量和大批量生产工艺的自动化生产线及其工艺流程 。 结合历年CIMES展会上展品的总体情况 ， 指出目前存在的问题 ， 并对前景进行了展望 。
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高级工程师王汉翼
近几年来 ， 中国国际机床工具展览会（CIMES）在自动化柔性化制造、数字化和信息化等领域展出了许多精品案例 ， 但是 ， 对于具体的制造企业来说 ， 应该怎样选择适合自己企业的制造方式？这种制造方式 ， 怎样既能照顾到自己的产品特点 ， 又能匹配企业规模？这些问题比选择一台加工设备要复杂得多 。 本文就这些问题 ， 以及在智能制造案例设计及应用中遇到的一些问题 ， 谈一些观点 ， 希望对大家有所帮助 。
1. 规模决定设备、设备决定工艺
企业的发展需要过程 ， 初期往往采用的是通用设备 ， 随着规模的不断扩大 ， 各种专用机床就会不断地增加 ， 因此 ， 同样的产品 ， 在企业发展的不同阶段 ， 会有完全不同的加工设备及加工工艺 。 下面以常见的轴类零件为例 ， 分析小批量生产与大批量生产的区别 。
图1所示为普通的阶梯轴类零件 。 这种结构的阶梯轴在电动机、减速机、水泵和粮食机械等很多行业都有应用 ， 在年产5万件以下的多品种、小批量生产企业中 ， 大多采用通用设备加工 ， 其加工工艺见表1 。
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图1普通阶梯轴类零件
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在表1所示生产模式中 ， 由于采用的是通用设备 ， 产品换型容易 ， 缺点是生产效率比较低 。
在大批量生产中 ， 往往采用专机生产 ， 其生产工艺见表2 。
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对比表1、表2可以发现 ， 表2比表1少了一道加工工序 ， 而且在表2大批量生产工艺中 ， 工序一加工时间比较短 ， 这就是采用专机加工的优势 。
表1、表2两种工艺的优缺点对比见表3 。
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2. 基于生产工艺的自动化生产线
图2所示为表1阶梯轴类零件小批量生产自动化生产线布局 ， 其加工工艺流程如图3所示 ， 具体的工艺流程描述见表4 。 图2中 ， 数控车床1车左端面 ， 数控车床3车右端面 ， 数控车床4车右外圆 ， 数控车床12车左外圆 ， 数控铣床11铣键槽 。
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图2小批量生产自动化生产线布局
1、3、4、12—数控车床2—上料仓5、7、9—机器人6、8—输送线
10—下料仓 11—数控铣床
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图3小批量生产工艺流程示意
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根据工艺流程分析 ， 最大加工时间为170s ， 换料需20s ， 因此生产单个工件所需时间为170＋20＝190（s） 。 1个月按工作26天、1天按16h计算 ， 并且考虑机器定期维修保养、暖机以及准备刀具、毛坯和工件搬运等非生产工时后 ， 根据本公司的经验及统计资料 ， 该自动化加工单元的使用率约为82.3% 。 月产量为26×16×3 600×0.823/190＝6 486（件） 。
如果产能更大 ， 可以多建几个单元 ， 1个熟练的操作者可操作2个或3个单元 ， 体现了以机器人换人给企业带来的效益 。
对于10万件以上的大批量生产企业 ， 可以采用表2中有专机的自动化生产线 ， 如图4所示 。 其中1号机床为铣打机 ， 可以同时铣轴的两端面、钻两端中心孔以及套车一端外圆 ， 加工效率高 ， 而且两端中心孔的同轴度也比较高 ， 在大批量轴的生产加工中被广泛采用 。 从2011年起 ， CIMES展会上每年都有此种专机展出 ， 其功能和质量也在不断提升 。
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图4有专机的自动化生产线
图3和图4所示只是轴类零件自动化加工的通用案例 ， 对于具体的行业 ， 可以采用具有行业特色的专属加工线 ， 比如电动机生产企业可以采用如图5所示的自动化生产线 。
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图5电动机自动化生产线
3. 存在的问题与前景展望
从历年CIMES展会上展品的总体情况来看 ， 中低端市场国产机床在品种上基本实现了全覆盖 ， 在市场占有率上成了绝对主流；在高端机床上 ， 与国外产品的差距也越来越小 。 自《中国制造2025》发布以后 ， 围绕着这个规划 ， 各方都做了很多努力 ， 笔者在与客户的接洽中 ， 不断有客户提出要做最好的工艺和自动化生产线 。 且不说此种说法的不妥之处 ， 但就工艺来说 ， 其与企业现有设备的规模和规划投资有很大的关联性 。 从企业的现有设备和规划投资两方面综合考虑 ， 适合自己企业的工艺就是最好的工艺 ， 依此建造的自动化生产线就是最好的生产线 。
从展会情况来看 ， 智能制造中的自动在线检测方面 ， 在检测工具和应用软件上 ， 与国外同行相比 ， 国内还有很大的差距 。 在感应式检测上 ， 以日本产品居多；在二维、三维视觉检测上 ， 以欧洲产品居多 。
在智能制造生产线方面 ， 国内目前以2h或4h无人干预居多 ， 主要的技术瓶颈在车床的自动化换刀方面 ， 目前国内还没有机床厂开发基于机器人的自动化换刀车床或者基于自循环系统的自动化换刀车床 ， 这就使得12或16刀位刀架的机床在连续车削加工2h或4h后 ， 大多到了更换新刀具或刀片换向的极限 ， 无法再连续加工 。 而这种自动换刀技术不存在开发难点 。 展望未来 ， 中国制造的强大实力和快速发展 ， 已经被越来越多的人认同 ， 相信一些短板很快会被补齐 ， 中国制造会越来越强大 。
本文发表于《金属加工（冷加工）》2020年第9期第10~14页 ， 作者： 广州数控设备有限公司 王汉翼 ， _本文原题：《从CIMES看设备与工艺的关系》 。-End-
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【金属加工|从CIMES看设备与工艺的关系】
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