高速加工在國外汽車生產(chǎn)線上的應(yīng)用實(shí)例

撰稿：蘭生數(shù)控機(jī)床銷售有限公司 范琪

 美國 GM 發(fā)動(dòng)機(jī)總廠的應(yīng)用實(shí)例在大批量生產(chǎn)中，加工速度越快，效益越高。對(duì)于大批量汽車生產(chǎn)，剛性生產(chǎn)線的每一道工序的加工時(shí)間以秒計(jì)算，可以達(dá)到很高的生產(chǎn)率。但是最大的缺點(diǎn)是柔性差。對(duì)于產(chǎn)品更新速度很快的市場(chǎng)需求，具有柔性的高速加工生產(chǎn)線能夠取得更大的效益。對(duì)于比較小規(guī)模的生產(chǎn)，高速加工的效益更明顯。下面的生產(chǎn)實(shí)例證明了這一點(diǎn)。

在美國密執(zhí)安州（ Michigan ) Livonia 市的 GM 發(fā)動(dòng)機(jī)總成（ Powertrain ）工廠，生產(chǎn)著著名的 V88 Northstar 發(fā)動(dòng)機(jī)，采用的加工設(shè)備就是以高速加工中心為主。

在生產(chǎn)線上加工 VS 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體（圖 10-2 ）、缸蓋和曲軸，年產(chǎn)量 20— 50 萬件。在生產(chǎn)這種新產(chǎn)品時(shí)，完全采用以臥式加工中心為主的柔性加工單元。整個(gè)生產(chǎn)線共 100 臺(tái)機(jī)床，其中加工中心 57 臺(tái)，都是日本 Makino 公司制造的 J88 型加工中心。這當(dāng)中 30 臺(tái)用來加工缸蓋（圖10-3 ) , 21 臺(tái)加工機(jī)體， 6 臺(tái)加工曲軸。

采用高速加工中心組成柔性生產(chǎn)線的目的，一方面是提高加工速度，更重要的是提高生產(chǎn)線的柔性，以適應(yīng)市場(chǎng)的變化。因此，他們稱之為敏捷制造生產(chǎn)線。

在高速加工生產(chǎn)線的六個(gè)位置上，一分鐘就可以完成缸蓋加工的全過程。

在加工 V88 發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，工件堆放在一起，機(jī)床并列擺放。一個(gè)大型機(jī)械手在頂上搬運(yùn)工件。缸體（圖 10-4）和缸蓋依次通過八個(gè)加工中心，最后完成加工。兩分鐘完成一個(gè)缸體，一分鐘完成一一個(gè)缸蓋。加工過程嚴(yán)格按照生產(chǎn)節(jié)拍進(jìn)行。

生產(chǎn)線上使用的加工中心參數(shù)為：

加工缸體和曲軸線上的九臺(tái)加工中心：主軸轉(zhuǎn)速 10000r / min ，主軸錐柄 HSK 100 （相當(dāng)于 50 錐柄）。其他的加工中心：主軸轉(zhuǎn)速 14000r / min ，主軸錐柄 HSK63 （相當(dāng)于 40 錐柄）。所有加工中心主軸功率均為 30kw ，絲杠的進(jìn)給速度為40m / min 。

缸體和缸蓋都由鋁材制造，是適合高速切削的零件；而氣缸套和曲軸是鑄鐵材料，顯然加工要比鋁材難度大，這也是在生產(chǎn)線上加工節(jié)拍要嚴(yán)格控制的原因。盡管如此，加工效率比剛性生產(chǎn)線明顯高得多。在剛性生產(chǎn)線上，鏜、銑和鉆的加工進(jìn)給速度只有 2 . 5m / min ，而高速加工中心的進(jìn)給速度要快三倍。在剛性生產(chǎn)線上的切削速度不到 600m / min ，而高速加工中心的速度高達(dá) 1 800m / min 。

敏捷制造生產(chǎn)線的應(yīng)用使生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間減少了 6- 9 個(gè)月，因此，該公司近來又投人一條新的生產(chǎn)制動(dòng)器的生產(chǎn)線。改變產(chǎn)品所需要的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間減少 50 ％。

在剛性生產(chǎn)線上，準(zhǔn)備時(shí)間往往要幾個(gè)月；在敏捷生產(chǎn)線上，準(zhǔn)備的夾具要少得多，要求的準(zhǔn)備時(shí)間也短得多。所要做的改變主要是修改加工程序。新機(jī)床設(shè)備的安裝調(diào)試也比剛性生產(chǎn)線快得多，主要的工作也是編制加工程序，而不是大量制造工裝夾具。工廠豐富的刀具庫給生產(chǎn)線的進(jìn)一步擴(kuò)展加工也創(chuàng)造了有利的條件。

敏捷生產(chǎn)線在改變生產(chǎn)能力上也具有很大的優(yōu)勢(shì)。增加和減少生產(chǎn)能力只需要加減機(jī)床就可以實(shí)現(xiàn)，撤下來的機(jī)床可以用做別的產(chǎn)品加工。完全不像剛性生產(chǎn)線，產(chǎn)品一旦改變，專用機(jī)床很難移做它用。這種生產(chǎn)模式更有利于產(chǎn)品生命周期越來越短的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

在評(píng)價(jià)柔性生產(chǎn)線的投資效益時(shí)，采用高速切削技術(shù)組成的柔性生產(chǎn)線的總投人雖然比剛性生產(chǎn)線高 40 ％。但是它節(jié)約生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，便于產(chǎn)品換代，可以在同類產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)較小批量生產(chǎn)，這些無法比擬的優(yōu)勢(shì)是其他任何形式的生產(chǎn)線都不具備的。

當(dāng)然，建造敏捷制造生產(chǎn)線是件不容易的事。 GM 公司幾年來的經(jīng)驗(yàn)表明，最大的問題是探索和學(xué)習(xí)，需要培養(yǎng)適應(yīng)新生產(chǎn)線的專業(yè)隊(duì)伍，需要有經(jīng)驗(yàn)的操作工人。他們說，敏捷制造生產(chǎn)線的成功與否， 80 ％的因素是決定于人。

另外，高速加工的工藝參數(shù)的確定、使用的刀具和刀柄以及如何延長(zhǎng)刀具的使用壽命等技術(shù)問題的解決，也應(yīng)通過總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，才能逐步提高敏捷制造生產(chǎn)線的使用效率。

實(shí)踐證明，敏捷制造生產(chǎn)線在中等規(guī)模的生產(chǎn)中是具有強(qiáng)大生命力的。隨著高速切削技術(shù)的發(fā)展，今后可以適合更大規(guī)模產(chǎn)品的生產(chǎn)。進(jìn)一步提高生產(chǎn)率的方法，一方面是提高加工速度，另一方面是盡量減少使用別的特殊設(shè)備，如磨床、衍磨機(jī)等。 GM 公司已經(jīng)實(shí)驗(yàn)用加工中心進(jìn)行一些磨削，并在進(jìn)一步擴(kuò)大使用。

 2 ．美國福特汽車公司應(yīng)用實(shí)例

福特汽車公司和 Ingersoll 機(jī)床公司從 1985 年起合作，尋求能夠兼顧柔性和效率的汽車生產(chǎn)線方案。他們分析了組合機(jī)床高生產(chǎn)率來自多根軸同時(shí)加工，如果能采用高速加工，將一根主軸的加工中心的生產(chǎn)率提高多倍，例如 5 倍，雖然是順序加工，生產(chǎn)率就可以趕上五根軸同時(shí)加工的組合機(jī)床。

他們還認(rèn)為，除了提高主軸轉(zhuǎn)速外，幾倍地提高機(jī)床直線行程的速度，是提高生產(chǎn)率的關(guān)鍵。經(jīng)過若干年的努力，他們?nèi)〉昧顺晒Α＠�如，他們合作研制的組成生產(chǎn)線的模塊 HVM800 臥式加工中心，他們稱之為“高速模塊” ( High Veloci - ty Module ) ，其進(jìn)給和快進(jìn)速度達(dá)到 76.2m / min ，即不到 1s 可運(yùn)行 lm ，瞬間即走完一個(gè)行程，達(dá)到驚人的高速。他們開發(fā)的鏜氣缸孔用的單軸鏗缸機(jī)床，雖然是一個(gè)孔一個(gè)孔順序加工，生產(chǎn)率趕得上組合機(jī)床同時(shí)鏜削，而且孔的表面質(zhì)量和刀具費(fèi)用均優(yōu)于組合機(jī)床。鏜后衍磨時(shí)間由 45s 降低到 30s，刀具費(fèi)用減少50％。

3．直線電動(dòng)機(jī)進(jìn)給的高速加工中心在汽車生產(chǎn)中的應(yīng)用

德國 Daimler Chrysler 公司在生產(chǎn)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋中使用配有直線電動(dòng)機(jī)的高速加工中心，使生產(chǎn)率提高了一倍。他們使用 GE Fanuc 生產(chǎn)的直線電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) X 、 Y 、 Z 軸快速進(jìn)給的臥式加工中心，數(shù)控系統(tǒng)是 GE Fanuc 161 CNC 。高速進(jìn)給和加速度減少了生產(chǎn)時(shí)間，公司裝備了 6 臺(tái) Ingersoll 公司生產(chǎn)的 HVM 600 臥式加工中心，取代了原來需要的11臺(tái)普通加工中心。

Ingersoll 公司 HVM 600 型高速加工中心的參數(shù)為：

工作臺(tái)行程 630mm 、 630mm 、 600mm ( X 、 Y 、 Z 軸），靜壓軸承的電主軸功率 37.5kW ，最高轉(zhuǎn)速 20 000r / min ，工作臺(tái)承重 1 40Okg 。

在加工過程中，四個(gè)缸蓋并排裝在一個(gè)夾具上。在一次加工中完成全部工序，包括銑端面、臺(tái)階孔和螺紋孔。四個(gè)缸蓋一共要加工 130 個(gè)錐孔和螺紋孔。例如， 1.2s 鉆一個(gè) M6 深 14mm 的螺紋孔，需要主軸轉(zhuǎn)速 20 000r / min 和進(jìn)給速度 700mm / min ；銑臺(tái)階孔直徑 24mm ，使用金剛石壓層銑刀的參數(shù)為：主軸轉(zhuǎn)速 20 000r / min 和進(jìn)給速度 5200mm / min 。一個(gè)缸蓋要加工 40 個(gè)臺(tái)階孔。

在換刀前，四個(gè)工件同時(shí)加工。換刀由激光測(cè)量確認(rèn)刀具。CNC 系統(tǒng)采用32位處理器，并且具有 NC 快速編程功能，更先進(jìn)的是系統(tǒng)具有高速進(jìn)給需要的刀具軌跡預(yù)測(cè)功能。

六臺(tái)配備直線電動(dòng)機(jī)的 HVM 600 臥式加工中心，加工四缸發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋的日產(chǎn)量是 300 個(gè)，而原來需要11臺(tái)普通速度加工中心。

靜壓軸承電主軸的加速度是能夠在 1.5s時(shí)間里把主軸轉(zhuǎn)速加到 20 000r / min ；直線電動(dòng)機(jī)的加速度： Z 向?yàn)?1.5g , X 和 Y 向?yàn)?1g。

盡管速度非常高，但機(jī)床的定位精度達(dá)到5μm 。進(jìn)給位置測(cè)量使用光柵尺，工作臺(tái)用滾動(dòng)導(dǎo)軌。

這個(gè)例子說明，配備直線電動(dòng)機(jī)的加工中心不僅大大提高了進(jìn)給速度，也提高了進(jìn)給精度。在大批量汽車生產(chǎn)中，能夠大幅度提高生產(chǎn)率。和以前的加工方法相比，節(jié)約時(shí)間95％。