4 加工精度日益提高

特別自80年代中期以來，汽車制造業(yè)為增強其汽車的競爭力，不斷地加嚴(yán)其發(fā)動機關(guān)鍵件的制造公差(表3)，并通過計算機輔助測量和分析方法，以及通過設(shè)備能力檢驗來提高其產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，在驗收組合機床和自動線時，已普遍要求設(shè)備的工序能力系數(shù)要大于1.33，有的甚至要求工序能力系數(shù)要大于1.67，以便確保穩(wěn)定的加工精度。應(yīng)指出，采用Cp≥1.33來驗收設(shè)備，這實際上是加嚴(yán)了工件的制造公差，即工件的實際加工公差僅為工件給定公差的1/3～1/2(圖13)，這無疑是對組合機床和自動線提出了更高的要求。組合機床制造廠為了滿足用戶對工件加工精度的高要求，除了進(jìn)一步提高主軸部件、鏜桿、夾具(包括鏜模)的精度，采用新的專用刀具，優(yōu)化切削工藝過程，采用刀具尺寸測量控制系統(tǒng)和控制機床及工件的熱變形等一系列措施外，目前，空心工具錐柄(HSK)和過程統(tǒng)計質(zhì)量控制(SPC)的應(yīng)用已成為自動線提高和監(jiān)控加工精度的新的重要技術(shù)手段。

空心工具錐柄是一種采用徑向(錐面)和軸向(端面)雙向定位的新穎工具，其優(yōu)點是具有較高的抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和很高的重復(fù)精度。在機床上采用空心錐柄的鏜刀，就可使用預(yù)調(diào)的刀具加工出IT7/IT6精密孔。圖14所示是空心工具錐柄在缸孔精鏜刀具上的應(yīng)用實例。

SPC是基于工序能力的用于監(jiān)控工件加工質(zhì)量的一種方法。目前，在自動線上這種質(zhì)量保證系統(tǒng)愈來愈多地被用來對整個生產(chǎn)過程中的加工質(zhì)量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控。表4是缸蓋氣門導(dǎo)管底孔和閥座底孔在采用SPC監(jiān)控時的實際加工公差。

5 綜合自動化程度日益提高

近十年來，為進(jìn)一步提高工件的加工精度和減少工件在生產(chǎn)過程中的中間儲存、搬運以及縮短生產(chǎn)流程時間，將工件加工流程中的一些非切削加工工序(如工序間的清洗、測量、裝配和試漏等)集成到自動線或自動線組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中，以實現(xiàn)工件加工、表面處理、測量和裝配等工序的綜合自動化。

清洗在自動線和自動線組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中，清洗設(shè)備主要用于工件的工序間清洗和工件的最終清洗。

工件的工序間清洗主要是為下一道工序創(chuàng)造必要的工作條件。例如，工件毛坯在噴漆前、工件基準(zhǔn)面加工后、去毛刺后、測量前以及裝配前所進(jìn)行的各種清洗。

當(dāng)今，鑒于我們?nèi)祟愘囈陨娴沫h(huán)境日益受到工業(yè)污染的破壞，環(huán)境保護(hù)已引起人們的普遍重視。近年來，國內(nèi)外越來越關(guān)注工業(yè)清洗對環(huán)境的污染。這就促使許多工業(yè)部門的零件清洗轉(zhuǎn)向應(yīng)用水劑清洗(采用酸性、中性或堿性清洗液，清洗液中主要含有磷酸鹽、活性劑和絡(luò)合劑等)，這種水劑清洗主要根據(jù)工件清洗質(zhì)量要求而采用噴淋(分散清洗)和浸漬(集中清洗)兩種工藝。

基于環(huán)境保護(hù)、現(xiàn)場操作工人的保健和清洗工藝的合理化等要求，目前，清洗機已普遍采用封閉式布局，整個清洗過程是自動進(jìn)行的，設(shè)備控制采用可編程控制器，并自動監(jiān)控所有機械動作和工藝技術(shù)參數(shù)。在這類清洗機上集成了蒸發(fā)、過濾、材料回收和處理等裝置，德國奔馳汽車公司轉(zhuǎn)向器殼的清洗流程。該清洗機采用封閉式布局，清洗過程是在一個封閉系統(tǒng)中進(jìn)行的，通過一個清洗液凈化輔助系統(tǒng)來實現(xiàn)清洗液的循環(huán)使用。在該系統(tǒng)中，作為凈化處理裝置的核心部件是一個清洗凈化和回收模塊。該模塊由超精過濾器和蒸發(fā)器聯(lián)合組成，利用這個綜合凈化處理裝置產(chǎn)生的清洗液和蒸鎦水，重新用于零件的清洗和漂洗。

自動測量在自動線上采用自動測量旨在對工件的加工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控。近幾年來，由于自動線節(jié)拍時間的日益縮短、被測工件的精度要求越來越高以及測量又要在生產(chǎn)條件下進(jìn)行，因此，自動測量系統(tǒng)不僅要具有很高的工作速度和很高的工作精度，并且要具有較強的抗環(huán)境干擾(如切屑、塵埃、冷卻液蒸汽、油液、振動和溫度等)能力或測量系統(tǒng)具有對某些干擾量能進(jìn)行自動補償?shù)男阅堋?

在自動線上，自動測量可分為加工前測量和加工后測量。

加工前測量是在工件加工前通過測量以確定工件的特征，并利用測量結(jié)果來調(diào)整刀具相對于工件待加工部位的位置，然后進(jìn)行相應(yīng)的加工。例如，在銑削缸蓋底平面時，為確保各燃燒室至底平面的深度尺寸偏差為最小(這一偏差直接影響到發(fā)動機性能)，故采用了測量控制的銑削方法。銑削前，缸蓋在隨行夾具中找正和夾緊，接著采用多個氣動測量頭測出各燃燒室的深度，由最大值和最小值求出平均值，然后利用該值通過相應(yīng)的控制來調(diào)整銑頭相對于工件的位置再進(jìn)行銑削。

近年來，在自動線上，工件精加工后普遍進(jìn)行100%的檢驗測量，為此，在精加工工位后設(shè)置測量工位。圖17所示是缸蓋進(jìn)排氣閥座和導(dǎo)管孔綜合精度自動測量裝置。該裝置采用四個氣動測量頭同時對四個閥座和導(dǎo)管進(jìn)行測量。在測量閥座錐面的測量頭上設(shè)有約50μm隙縫寬的環(huán)形噴嘴，測量導(dǎo)管孔的心棒同樣設(shè)有測量噴嘴。當(dāng)該心棒低速引入導(dǎo)管孔時，以閥座錐面自動定心和找正，這是通過專門設(shè)計的滾動軸承來實現(xiàn)的，并借助于彈簧給測量閥座錐面幾何精度的測量頭施加一定的貼合力，以使測量頭靠在閥座的錐面上。當(dāng)接通壓縮空氣進(jìn)行測量時，就可通過從環(huán)形噴嘴中排出的氣體量來測定：
閥座錐角誤差
閥座錐孔圓度
閥座錐孔對導(dǎo)管孔的跳動誤差
裝配在主體工件的加工過程中，有的需要將個別零件裝配到主體件上后再繼續(xù)進(jìn)行加工。在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，已普遍地將這類工序間裝配集成到自動線或自動線組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中。例如，缸體的瓦蓋裝配、缸蓋的進(jìn)排氣閥座及導(dǎo)管裝配和缸體、缸蓋的堵片裝配等。

進(jìn)行裝配時，首先是采用液態(tài)氮將閥座圈和導(dǎo)管冷卻到-160℃，通過自動上料裝置將低溫冷縮的閥座圈和導(dǎo)管裝入缸蓋的相應(yīng)底孔中，隨后靠溫度的自然升高使零件產(chǎn)生膨脹，從而將兩個零件牢固地配合在缸蓋里。這種低溫裝配工藝與通過加熱整個缸蓋來裝配閥座和導(dǎo)管的傳統(tǒng)工藝相比，其優(yōu)點是既可節(jié)能，又能確保裝配質(zhì)量。
密封性試驗對一些有密封性能要求的工件(如缸體、缸蓋和進(jìn)排氣管等)，在自動線上經(jīng)一定的切削加工后，需進(jìn)行密封性試驗，以防止不合格工件進(jìn)入下一道工序，以致影響產(chǎn)品性能。

工件密封性檢驗，既可納入自動線也可設(shè)置在自動線系統(tǒng)中，一般視自動線節(jié)拍的長短而定。

6 自動線可靠性和利用率不斷改善和提高

自動線的經(jīng)濟性只有在其進(jìn)行連續(xù)生產(chǎn)的情況下才有可能實現(xiàn)。為提高自動線加工過程的可靠性、利用率和工件的加工質(zhì)量，目前在自動線上愈來愈多的采用過程監(jiān)控，對其各組成設(shè)備的功能、加工過程和工件加工質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)控，以便快速識別故障、快速進(jìn)行故障診斷和早期預(yù)報加工偏差，使操作人員和維修人員能及時地進(jìn)行干預(yù)，以縮短設(shè)備調(diào)試周期、減少設(shè)備停機時間和避免加工質(zhì)量偏差。

顯然，提高自動線的利用率和工件加工質(zhì)量是生產(chǎn)控制和監(jiān)控的主要目的。

從目前自動線生產(chǎn)控制和監(jiān)控的內(nèi)容看，生產(chǎn)控制和監(jiān)控系統(tǒng)基本上是由質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、自動線運行控制與監(jiān)控系統(tǒng)和刀具監(jiān)控系統(tǒng)這幾個部分組成的。

近年來，質(zhì)量監(jiān)控已日益成為現(xiàn)代自動線生產(chǎn)監(jiān)控的重要一環(huán)。這主要是由于汽車工業(yè)不斷提高發(fā)動機質(zhì)量的緣故。各汽車制造廠普遍要求將零件的設(shè)計公差帶壓縮1/3～1/2作為工序公差，對機床能力系數(shù)提出了很高的要求。為此，自動線制造廠為確保設(shè)備具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量，已日益重視應(yīng)用SPC對自動線的生產(chǎn)過程進(jìn)行連續(xù)監(jiān)控，對加工質(zhì)量偏差的趨向進(jìn)行早期預(yù)報，以便把工件的加工公差始終控制在預(yù)定的范圍內(nèi)。

現(xiàn)代自動線的過程控制和監(jiān)控不僅包含對變得愈來愈復(fù)雜的自動線的過程控制和對所有終點開關(guān)、電動機保護(hù)開關(guān)、節(jié)拍時間、冷卻和潤滑液的供給以及液壓、氣動功能等進(jìn)行監(jiān)控和診斷，而且還包括對刀具耐用度、設(shè)備維修間隔和工件計數(shù)等進(jìn)行管理，并通過一些直觀的過程圖形顯示、操作指引、故障報警和診斷指示，使操作人員更便于監(jiān)控整個自動線的生產(chǎn)過程。

80年代末，在自動線的故障診斷技術(shù)中出現(xiàn)的一種基于知識的故障診斷技術(shù)，可對自動線運行中產(chǎn)生的所有故障進(jìn)行診斷(而不是局限于診斷最常出現(xiàn)的故障)，確定故障部位及其原因，這為迅速排除故障贏得了時間，從而顯著地縮短自動線的調(diào)試時間和停機時間。

當(dāng)前，自動線的控制技術(shù)已由集中控制方式轉(zhuǎn)向分散控制方式。根據(jù)對這種新的控制模式的研究表明，采用分散控制系統(tǒng)要比采用集中控制系統(tǒng)可節(jié)省費用5%。這主要是由于分散控制系統(tǒng)可減少電纜敷設(shè)費用(采用總線系統(tǒng))、減少電氣保養(yǎng)維修費(由于提高了透明度)、省去控制柜臺架(分散控制系統(tǒng)的控制柜直接設(shè)置在自動線的加工工位上)和無需設(shè)置集中冷卻裝置等。此外，這種分散控制系統(tǒng)由于總體配置簡單，有利于加快自動線的投入運行，并由于一目了然的結(jié)構(gòu)配置，在產(chǎn)生故障時很容易確定故障的部位。最后，分散控制系統(tǒng)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化也有利于降低成本和提高透明度。

切削過程監(jiān)控(刀具碰撞、刀具磨損和刀具破損等監(jiān)控)是現(xiàn)代自動線過程監(jiān)控的重要組成部分。在切削加工中，主要的干擾是來自刀具，象汽車發(fā)動機缸體、缸蓋和變速箱體等復(fù)雜工件的加工，往往要采用許多條自動線，上千把刀具，刀具出現(xiàn)超過磨損極限和破損的概率比較高。一旦某把刀具出現(xiàn)故障，如不及時進(jìn)行識別和報警，就會導(dǎo)致出現(xiàn)二次故障、產(chǎn)生廢品和損壞機床等事故，使自動線停機次數(shù)和停機時間增多，從而導(dǎo)致自動線利用率的降低。而通過對切削過程進(jìn)行監(jiān)控可顯著地減少自動線的停機時間。如德國一汽車廠的缸蓋加工自動線，由于采用了切削過程監(jiān)控系統(tǒng)，使自動線的生產(chǎn)率提高了8%。

在自動線上，對多軸鉆削和攻絲進(jìn)行監(jiān)控具有特別重要意義。由于傳感器技術(shù)的不斷進(jìn)步，多軸鉆削監(jiān)控和攻絲監(jiān)控技術(shù)已日趨成熟。

為對攻絲過程進(jìn)行監(jiān)控，在攻絲接頭中設(shè)有長度補償機構(gòu)以及在快換夾頭中設(shè)置可調(diào)整扭矩值的扭矩離合器，離合器的扭矩值應(yīng)根據(jù)絲錐直徑、螺距和工件材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)絲維磨鈍或攻絲底孔有誤差時，快換夾頭中的扭矩離合器就起動，這時由于強制的機床進(jìn)給使攻絲接頭中的長度補償機構(gòu)壓縮。這種軸向移動使裝在接頭中的高頻發(fā)生器通過裝在同一接頭里的發(fā)射天線發(fā)出高頻信號，該信號被機床旁的接收器天線接收，通過與機床控制系統(tǒng)聯(lián)接的該接收器發(fā)出指令使機床停止工作；并可發(fā)出光或聲響進(jìn)行報警。同時，一個裝在接頭上的紅色目視環(huán)產(chǎn)生軸向移動，這樣，如在多軸攻絲時，即使都用同一頻率也可立即看出在哪一個攻絲主軸上發(fā)生了故障。故障排除后，這個紅色目視環(huán)應(yīng)重新把它移到原來的位置上。

攻螺紋時，使用這種監(jiān)控系統(tǒng)，一方面可以減少絲錐的折斷率，另一方面可提高絲錐加工工件的件數(shù)。據(jù)資料介紹、美國一汽車廠在未采用監(jiān)控系統(tǒng)前，絲錐折斷每年為1430次，采用監(jiān)控系統(tǒng)后，絲錐折斷降低為260次，返修品由年1134件降為8件。在德國大眾汽車廠，前些年已使用這種系統(tǒng)1500套，在未采用監(jiān)控系統(tǒng)前，為確保攻螺紋過程的可靠性，對絲錐采用強制更換，規(guī)定一把絲錐加工1000件后即進(jìn)行更換。采用監(jiān)控系統(tǒng)后，一把絲錐加工的工件數(shù)達(dá)到了2000件。

7 其它技術(shù)的應(yīng)用動向

在工業(yè)發(fā)達(dá)國家的組合機床行業(yè)中，下列技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用。

組合機床設(shè)計普及CAD技術(shù)在國外許多公司中，組合機床設(shè)計已普遍采用CAD工作站，在設(shè)計室?guī)缀鹾茈y見到傳統(tǒng)的繪圖板。CAD除應(yīng)用于繪圖工作外，并在構(gòu)件的剛度分析(有限元方法)、組合機床及自動線設(shè)計方案比較和選擇，以及方案報價等方面均已得到廣泛應(yīng)用，從而顯著地提高了設(shè)計質(zhì)量和縮短了設(shè)計周期。加之國外許多公司在組合機床和自動線組成模塊方面的系列化和通用化程度很高(一般達(dá)90%以上)，使組合機床和自動線的交貨期進(jìn)一步縮短。如意大利IMAS公司，一臺復(fù)雜程度較高的回轉(zhuǎn)工作臺式組合機床從訂單到供貨一般為8個月；德國Honsberg公司為前蘇聯(lián)制造的加工變速箱體和箱蓋的兩條柔性自動線從訂單到供貨僅為14個月。

推行并行工程近十年來，為縮短汽車開發(fā)周期、降低制造費用和提高產(chǎn)品質(zhì)量，世界上許多汽車廠都在積極推行日本豐田汽車公司首創(chuàng)的精益生產(chǎn)方式(Lean Production)。旨在從整體優(yōu)化的觀點合理配置和利用企業(yè)擁有的生產(chǎn)要素，以達(dá)到高速、高效、高質(zhì)量和低成本地開發(fā)制造汽車，促使企業(yè)獲得更高的綜合效益。

精益生產(chǎn)方式的重要內(nèi)容之一是并行工程。根據(jù)并行工程的組織原則，要求在產(chǎn)品開發(fā)的各個環(huán)節(jié)中，所有各相關(guān)的設(shè)計和制造活動之間按時間并行地進(jìn)行密切合作和協(xié)調(diào)。也就是要求產(chǎn)品開發(fā)部門、生產(chǎn)規(guī)劃部門和設(shè)備制造廠之間進(jìn)行緊密合作，對要設(shè)計的產(chǎn)品和加工裝備同時進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計，及早地發(fā)現(xiàn)和改正產(chǎn)品(工件)可能存在的錯誤，并盡早確定主要的生產(chǎn)工藝裝備，從而達(dá)到改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計和制造工藝、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、降低制造費用、提高產(chǎn)品質(zhì)量和工藝裝備質(zhì)量的目的。

從并行工程的基本思想看，這一方法似乎也不是新發(fā)明。因為在通常設(shè)計組合機床時，同樣要求組合機床制造廠與用戶之間進(jìn)行密切合作，以便使專用設(shè)備能更好地滿足用戶的各種要求。但是，并行工程同這種做法有著本質(zhì)上的不同。眾所周知，組合機床制造廠總是根據(jù)用戶提供的工件圖紙和樣件來進(jìn)行專用設(shè)備的設(shè)計的，在工作環(huán)節(jié)上是一種按順序進(jìn)行的作業(yè)。而并行工程則突破了這種上下道作業(yè)的工作程序，它要求通過裝備制造部門早期介入用戶產(chǎn)品的規(guī)劃和設(shè)計，在產(chǎn)品設(shè)計部門考慮其結(jié)構(gòu)和功能時，能協(xié)同考慮產(chǎn)品的加工和裝配工藝(以制造工藝和裝配工藝帶動設(shè)計)，從而加速產(chǎn)品開發(fā)，同時達(dá)到降低制造費用和提高產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

在國外，近十年來，很多汽車制造廠都在積極推行并行工程，并有不少組合機床制造廠與汽車廠密切合作應(yīng)用這一方法來加速專用裝備的設(shè)計制造。例如，美國的Ingersoll和Lamb，德國的Grob和Ex-cell-o等公司都應(yīng)用并行工程分別為一些汽車廠設(shè)計制造了眾多的缸體、缸蓋和變速箱體等加工自動線，取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟效益。

8 結(jié)束語

近20年來，組合機床自動線技術(shù)取得了長足進(jìn)步，自動線在加工精度、生產(chǎn)效率、利用率、柔性化和綜合自動化等方面的巨大進(jìn)步，標(biāo)志著組合機床自動線技術(shù)發(fā)展達(dá)到的高水平。自動線的技術(shù)發(fā)展，刀具、控制和其它相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步以及用戶需求變化起著重要的推動作用，其中，特別是CNC控制技術(shù)對自動線結(jié)構(gòu)的變革及其柔性化起著決定性作用。

隨著市場需求的變化，柔性將愈來愈成為決擇設(shè)備的重要因素。因此，自動線將面臨由高速加工中心組成的FMS的激烈競爭。