陳貽平

CHEN Yi-ping

（上海振華重工集團（南通）傳動機械有限公司，上海 226017）

0 引言

齒輪傳動是機械傳動的一種基礎(chǔ)形式，在國民生活中應用廣泛[1,2]。20世紀末期，對齒輪制造精度和高可靠要求越來越高，尤其是在一些高速和重載場合，既要求它們具有高精度，又需要具有高耐磨性、高韌性，具有以上優(yōu)勢的滲碳淬火齒輪技術(shù)得以迅猛發(fā)展，成為當今齒輪行業(yè)的主流。近年來，齒輪制造類企業(yè)市場競爭激烈，隨著科學技術(shù)的進步、人工成本的上漲、市場環(huán)境的改變，采用自動化生產(chǎn)單元加工零件的方式，最大限度的滿足加工高品質(zhì)零件的需要，成為企業(yè)的必然選擇與突破方向。

上海振華重工集團（南通）傳動機械有限公司主要從事港口機械和海洋工程齒輪箱制造，年產(chǎn)硬齒面齒輪箱約1萬余套，其中中小型減速器約8000套，各類小型齒軸約1.8萬根。產(chǎn)品面向全世界銷售，以中小型批量為主。目前齒軸制造工藝路線多達15道工序，生產(chǎn)過程中按項目進行生產(chǎn)，采用串行生產(chǎn)方式，即小批量上道轉(zhuǎn)下道，其間每道工序均采用過程質(zhì)量控制。該種生產(chǎn)方式的不足較為明顯：生產(chǎn)周期長，成本高，且產(chǎn)品質(zhì)量控制不易。伴隨用工成本提高及生產(chǎn)效率提升帶來的競爭壓力，迫切需要對齒軸加工與物流方式進行優(yōu)化改造[3,4]。但由于港口機械和海洋工程用齒輪重量大，個性化要求高，國內(nèi)在該類齒輪熱后精加工單元的集成應用，尚處空白狀態(tài)?；谇捌诩夹g(shù)積累，組織相關(guān)部門設(shè)計開發(fā)柔性制造單元，集成機器人和視覺等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)多種齒軸產(chǎn)品中小批量的生產(chǎn)，較大幅度提升生產(chǎn)效率和精度。

1 齒軸熱后精加工工藝方案分析與優(yōu)化

經(jīng)滲碳淬火處理后，齒軸精加工工序分為：車3-車4-立銑-鉆孔-外磨-磨齒等6道工序[5,6]，涉及到車床、銑床、鉆床、外圓磨床、磨齒機等專用機床，其中磨齒機需恒溫環(huán)境加工，從而確保齒軸的高精度。經(jīng)分析齒軸熱后精加工6道工序，并結(jié)合設(shè)備布局與轉(zhuǎn)運方式，提出工藝改進方案如下：

1）采用以車代磨工藝，將車加工與外磨工序進行合并

伴隨著高硬度刀具材料、涂層技術(shù)的提升，刀具針對HRC55以上的精加工切削性能大幅提升。采用CBN刀具或者陶瓷刀具在精密車床或加工中心上對滲碳淬火淬硬鋼進行硬車加工應能達到圖紙需要的尺寸精度、形位公差、光潔度要求。

在理論分析的基礎(chǔ)上，分別選擇CBN刀具和硬質(zhì)合金刀具在DMG CTX 310機床上進行了相關(guān)加工實驗。選用山特硬質(zhì)合金刀具和CBN刀具分別在DMG機床上試加工進行實驗加工，加工效果均較理想，如圖1所示，加工表面光潔度可達到Ra0.8，尺寸公差可控制在圖紙公差范圍內(nèi)，以車代磨工藝在滲碳淬火工藝齒軸上應可應用。

2）采用復合加工技術(shù)，將車床與銑/鉆工序進行合并

現(xiàn)有加工工藝中，外圓加工采用車床、磨床來實現(xiàn)，鍵槽加工采用立銑機床實現(xiàn)，齒軸端部螺孔采用鉆床加工，此種加工方式中，需三次加工中轉(zhuǎn)，生產(chǎn)效率非常低。結(jié)合CTX310復合加工能力，既可進行車加工，又可進行銑削加工，鉆孔加工，配備可轉(zhuǎn)位刀塔，零件一次裝夾完成，生產(chǎn)效率非常高，如圖2所示。

圖1 DMG CTX310加工實驗

圖2 加工中心一次完成多種加工方式

3）采用并行生產(chǎn)代替串形生產(chǎn)、機器人及輥道物流方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)物流方式

企業(yè)現(xiàn)有齒軸精加工包括6道工序，每道工序需該批零件全部加工完成并檢驗合格，方轉(zhuǎn)入下一道工序；每道工序完成后，零件放入料框，采用行車吊運或鏟車轉(zhuǎn)至下道工序，進入下道工序后，再用行車起吊單件零件至機床安裝加工，如此往復循環(huán)五次，效率較低。

采用基于節(jié)拍平衡的并行生產(chǎn)方式，改進如下：

1）采用以車代磨，取消原先外磨工序。

2）采用加工中心，將銑鍵槽、鉆孔加工與車加工在一道工序中完成。

3）零件加工采用并行生產(chǎn)方式，工序間采用自動物流裝置進行工件轉(zhuǎn)運。

4）加工過程中，首道工序，必須已齒部為基準，加工出兩側(cè)中心孔，后續(xù)在以中心孔為基準加工孔、外圓、鍵槽。磨齒時在以中心孔與外圓為基準，進行磨削加工。最終可將齒軸熱后精加工整合成加工中心加工和磨齒兩個大的加工工序，并且兩大工序間采用并行自動中轉(zhuǎn)，工藝優(yōu)化方案如圖3所示。

2 齒軸熱后精加工單元的方案設(shè)計

在對齒軸熱后精加工進行工藝優(yōu)化的基礎(chǔ)之上，需要進一步系統(tǒng)分析設(shè)計，形成齒軸熱后加工單元的整體方案。

圖3 工藝優(yōu)化方案圖

2.1 加工零件特征歸納與分析

加工單元要滿足多產(chǎn)品中小批量生產(chǎn)，選擇常用15種具有代表意義的齒軸作為產(chǎn)品標的，并以齒軸外徑、長度、鍵槽規(guī)格、零件凈重、齒部參數(shù)、預測算車銑時間、磨齒加工時間等8個主要參數(shù)作為歸納參數(shù)，并逐項進行統(tǒng)計匯總為兩大類。第一類為圖號末兩位為03的齒軸（后續(xù)稱為03類齒軸），這類齒軸尺寸外徑重量略小，車銑加工時間與磨齒時間均在20分鐘左右；第二類為圖號末兩位為05的齒軸（后續(xù)稱為05類齒軸），這類齒軸尺寸外徑重量略大，車銑加工時間與磨齒時間均在30分鐘左右。

總體方案的設(shè)計

1）整體方案布局

在完成產(chǎn)品信息梳理、工藝方案論證和設(shè)備夾具選擇后，根據(jù)規(guī)劃中齒軸線需滿足目前公司齒軸年產(chǎn)18000件的要求，生產(chǎn)場地為24m×24m，設(shè)備布局空間較大，根據(jù)機床外形尺寸，形成如圖4所示齒軸熱后加工單元總體布局。

圖4 齒軸熱后加工單元總體布局圖

齒軸熱后精加工生產(chǎn)單元總體布局長17.9m、寬16.5m，包括自動化上下料、車銑加工、磨齒加工以及過程自動化等幾大部分。加工單元中車銑加工與磨齒加工兩者相對獨立，考慮到后續(xù)設(shè)備運行的可靠性與生產(chǎn)的靈活性，將加工單元設(shè)計上分成了由A和B兩大部分，A部分主要包括自動上料、OP10車削加工和OP20車銑復合加工以及下料中間料道，B部分主要包括中間上料料道、OP30磨齒加工以及下料料道。A部分和B部分可以共同同時運作，也可以根據(jù)生產(chǎn)需要分開獨立運行。

2）加工節(jié)拍分析

基于此布局方案，結(jié)合擬加工15種產(chǎn)品進行分析，03類齒軸在OP10、OP20、OP30三個工序的加工時間為分別在10分鐘左右，因此03類齒軸熱后精加工的整體加工節(jié)拍約為10分鐘，單根齒軸從上料到完成加工下料所需時間約為45分鐘，包括OP10加工10分鐘、OP20加工10分鐘、OP30加工20分鐘、自動化及轉(zhuǎn)運所需時間小于5分鐘。

05類齒軸在OP10、OP20、OP30三個工序的加工時間為分別在15分鐘左右，因此05類齒軸熱后精加工的整體加工節(jié)拍約為15分鐘，單根齒軸從上料到完成加工下料所需時間約為65分鐘。包括OP10加工15分鐘、OP20加工15分鐘、OP30加工30分鐘、自動化及轉(zhuǎn)運所需時間小于5分鐘。

3）年產(chǎn)能分析

按全年300個工作日，每工作日以2班計算，每天工作16小時，90%開機效率與首件加工時間，則設(shè)備年有效工作時間T為300×16×0.95=4560（小時）。單套減速器中03齒軸與05齒軸成對出現(xiàn)，因此總體布局的齒軸加工單元的年產(chǎn)能為：

該總體布局方案滿足企業(yè)18000件/年的生產(chǎn)需求，后續(xù)如需求量增加，可通過將2班工作制改為3班工作制方式來有效增加產(chǎn)能。

4）人員與能耗分析

齒軸熱后精加工單元中人員主要用于自動上下料，產(chǎn)品換型過程中的夾具跟換、程序更替以及加工過程中刀具砂輪的更換，該布局方式中，每班需要2人，每日兩班需要4人，較原先12人減少2/3。

加工單元中采用2臺加工中心與2臺磨齒機，并采用自動化轉(zhuǎn)運，由于工藝改進6道工序改為3道工序，因此加工設(shè)備較原先減少一半，能耗有效降低。

2.2 自動化總體方案與節(jié)拍分析

根據(jù)總體方案，有針對性的選擇相關(guān)自動化設(shè)備，從上下料料道、機器人、激光打碼機、自動甩油站、抽檢站、不合格品處理、PDA管理界面、系統(tǒng)防錯等多方面進行配置，匯總優(yōu)化形成如下總體方案，如圖5齒軸熱后精加工單元的自動化總體方案。其中A部分具體細節(jié)如圖6(a)所示，B部分具體細節(jié)如圖6(b)所示。

圖5 齒軸熱后精加工單元的自動化總體方案

圖6 齒軸熱后精加工自動化單元配置

由于齒軸產(chǎn)品規(guī)格多，如采用獨立工位的檢測裝置，零件的柔性需求無法滿足。我們采用DMG加工中心、NILES磨齒機自帶自動測量檢測裝置實現(xiàn)生產(chǎn)單元對每件工件的自動檢測，并生成檢測報告，如圖7、圖8所示。

圖7 工件探頭自動檢測圖

圖8 探頭檢測報告

3 齒軸熱后精加工單元的數(shù)字化設(shè)計與分析

采用Siemens的Tecnomatix軟件進行齒軸熱后精加工單元數(shù)字化設(shè)計，Tecnomatix是Siemens提供的數(shù)字化平臺，通過該平臺將產(chǎn)品設(shè)計與工藝布局設(shè)計、加工單元仿真驗證以及制造執(zhí)行連接起來，在多領(lǐng)域廣泛應用[7,8]。

3.1 Process Designer平臺

Process Designer（以下簡稱PD）是一款通用的工藝過程設(shè)計平臺。該平臺具有工藝流程設(shè)計、作業(yè)時間分析、生產(chǎn)線、單元平面和立體布局等功能?；赑D軟件平臺構(gòu)建齒軸產(chǎn)品、設(shè)備資源和操作工藝對應工藝數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對上述制造資源及制造信息的整合、管理。根據(jù)齒軸制造單元工藝流程，在PD中進行工藝規(guī)劃（如圖9所示），圍繞工位分配產(chǎn)品零件和工藝資源（如圖10所示），形成產(chǎn)品零件、工藝資源和工藝操作三者關(guān)聯(lián)，構(gòu)建齒軸精加工單元數(shù)字化模型（如圖11所示）。

圖9 齒軸制造單元工藝規(guī)劃流程圖

圖10 根據(jù)工藝流程將相應操作分配至工位

生產(chǎn)過程中各操作有其特定的邏輯和次序，根據(jù)操作的先后次序形成操作樹。根據(jù)齒軸制造單元加工工藝流程，將工藝操作分配至工位，形成操作樹。然后定義工位及工位內(nèi)操作順序，完成生產(chǎn)工藝的建模。將工藝操作庫中的工藝操作分配到相應的工位，保證各工位內(nèi)各操作順序符合生產(chǎn)工藝流程。如圖10所示。

基于PD，可以將資源分配在制造單元中某個位置，并對其位置和方向進行調(diào)整，實現(xiàn)制造單元三維可視化布局建模[9]。齒軸制造單元三維可視化建模結(jié)果如圖11所示。

圖11 齒軸制造單元三維可視化模型

3.2 Process Simulate平臺

Process Simulate（以下簡稱PS）是一個集成式的虛擬制造仿真平臺，提供了一個基于數(shù)據(jù)庫的無縫的工藝過程模擬功能[10]?；赑S平臺進行齒軸加工單元三維仿真分析：

1）可達性分析

為了確保機器人能夠到達指定的路徑點，在PS可達性分析模塊中導入需要到達的路徑點，分析得到結(jié)果如圖12所示?？砂l(fā)現(xiàn)所有關(guān)鍵點位機器人均可達。

圖12 機器人可達性分析

圖13 機器人干涉分析

2）干涉分析

通過PS干涉分析模塊對機器人與周圍環(huán)境和設(shè)備進行分析，如圖13所示，機器人操作過程中不發(fā)生干涉。

3）運動分析

OP10工位機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角幅度隨時間變化如圖14所示，各關(guān)節(jié)的最大、最小轉(zhuǎn)角如表1所示。其中關(guān)節(jié)4的最小轉(zhuǎn)角幅度顯示為粉紅色，表明此關(guān)節(jié)的最小轉(zhuǎn)角幅度接近其下限，需要引起注意。

4 齒軸熱后精加工單元聯(lián)調(diào)驗證

圖14 OP10工位機器人各關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角變化圖

齒軸熱后精加工單元安裝完成后，選擇4種典型產(chǎn)品進行聯(lián)調(diào)試生產(chǎn)，并采用Klingelnberg測齒儀與ZEISS三坐標測量，檢查零件尺寸精度與齒形精度。加工單元聯(lián)調(diào)順利，主要指標如下，各項精度指標達到設(shè)計要求：

1）各項零件外形輪廓公差均能滿足圖紙要求；

2）齒形精度達到ISO5級，完全滿足圖紙6級精度的要求；

3）加工節(jié)拍均能控制的生產(chǎn)單元的計劃節(jié)拍范圍內(nèi)，03類齒軸節(jié)拍在9.5分鐘，05類零件生產(chǎn)節(jié)拍在13分鐘；

4）生產(chǎn)單元實現(xiàn)無人化生產(chǎn)；

5）生產(chǎn)管理軟件能實施反饋生產(chǎn)情況，做到工序參數(shù)實時監(jiān)控，實現(xiàn)零件全過程跟蹤；

6）A、B兩大部分可以單獨加工，具有很高的靈活性。

齒軸熱后加工單元投產(chǎn)后，完全達到設(shè)計預期目標，加工效率高，生產(chǎn)周期大幅縮短。以48件齒軸為例，從原先的8天，縮短至現(xiàn)在的16小時。投產(chǎn)后的局部照片如圖15所示，零件檢測報驗樣張如圖16所示。

圖15 軸熱后精加工單元試生產(chǎn)

表1 機器人各關(guān)節(jié)的最大、最小轉(zhuǎn)角幅度

圖16 零件檢測報驗樣張

5 結(jié)束語

結(jié)合國內(nèi)外智能制造的發(fā)展趨勢，本文以齒軸熱后精加工單元的設(shè)計與應用為研究目標，從齒軸熱后加工工藝優(yōu)化、設(shè)備與夾具的方案設(shè)計、加工單元總體方案設(shè)計、加工單元數(shù)字化設(shè)計優(yōu)化以及集成應用聯(lián)調(diào)驗證進行應用研究，這對我國齒軸生產(chǎn)模式改進具有較好的借鑒意義。