羅 軍 禹恩帥 周蘭菊

（①?gòu)V東省輕工業(yè)技師學(xué)院，廣東 廣州 510315；②廣州達(dá)意隆包裝機(jī)械股份有限公司，廣東 廣州 510700；③天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

分瓶裝置是一種用于將緊靠在一起的容器瓶按規(guī)律分隔開的設(shè)備，常用于灌裝機(jī)或貼標(biāo)機(jī)中。其工作原理是通過傳輸軌道將容器瓶逐個(gè)輸送到進(jìn)瓶螺桿處，然后容器瓶會(huì)被卡入進(jìn)瓶螺桿上的螺旋槽中，并隨著螺桿的旋轉(zhuǎn)而向前移動(dòng)。這樣相鄰的容器瓶會(huì)被螺旋等距分開，逐個(gè)送入貼標(biāo)機(jī)、灌裝機(jī)等設(shè)備的星盤中，具有分瓶和定位的雙重作用[1]（圖1）。這類設(shè)備中均有此裝置，其核心部件是進(jìn)瓶螺桿。

圖1 分瓶理瓶裝置

進(jìn)瓶螺桿是一種典型的異形變螺距長(zhǎng)螺桿類零件，其特點(diǎn)在于螺距由等螺距→變螺距→等螺距的“三段式”螺桿[2]，使得進(jìn)瓶過程能夠?qū)崿F(xiàn)緩慢勻速進(jìn)瓶，然后快速加速至所需速度，最后以勻速等距方式輸出瓶子，所以螺旋上有變導(dǎo)程弧形螺旋面，這是零件的加工難點(diǎn)[1]。不同瓶型對(duì)應(yīng)的進(jìn)瓶螺桿設(shè)計(jì)各不相同，通常采用數(shù)控車床以宏程序編程的方式進(jìn)行加工[3]。對(duì)于進(jìn)瓶螺距范圍超過120 mm的情況，進(jìn)給速度F=f×n（f表示螺距，n表示主軸轉(zhuǎn)速），其中n取100 r/min。根據(jù)計(jì)算，可得F≥12 000 mm/min。然而，大部分?jǐn)?shù)控車床的車削速度限制在 6 000～10 000 mm/min，遠(yuǎn)達(dá)不到加工所需。此時(shí)，線速度Vc=πDN/1000=3.14×78×100/1000=24.5 m/min，相對(duì)于一般數(shù)控車床而言較低。進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速將導(dǎo)致線速度更小，無(wú)法進(jìn)行有效的車削；另有郎永兵等作者探討四軸數(shù)控銑床實(shí)現(xiàn)供送螺桿的加工[4]，在精加工中，由于球頭銑刀頂部的線速度為零，使用球頭銑刀X軸與Z軸聯(lián)動(dòng)切削會(huì)導(dǎo)致部分被切削螺旋面的粗糙度無(wú)法達(dá)到要求等。因此，數(shù)控機(jī)床在加工此類異形變螺距長(zhǎng)螺桿時(shí)面臨較大的工藝難題，往往難以有效加工。

采用小龍門四軸加工中心進(jìn)行加工則能夠有效解決此類問題，但該方法的單件加工費(fèi)高達(dá)3 500～9 000 元，價(jià)格較為昂貴，同時(shí)生產(chǎn)效率較低，加工進(jìn)度和工期也難以保證。因此，為了解決異形變螺距長(zhǎng)螺桿類零件在數(shù)控機(jī)床加工中的問題，降低加工成本并提高生產(chǎn)效率，應(yīng)當(dāng)開展基于Fanuc 宏程序的工藝優(yōu)化[5]。本文從工藝流程、機(jī)床、工裝、刀具以及宏程序等5 個(gè)方面對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化。通過優(yōu)化工藝，加工成本降低了85%以上，生產(chǎn)效率提升300%。

1 產(chǎn)品加工特性分析與工藝條件改造

以特定的進(jìn)瓶螺桿為例（圖2），該產(chǎn)品的左右端內(nèi)孔公差要求為0.1 mm，同軸度要求為0.08 mm。左端內(nèi)孔用于連接電機(jī)的軸，右端內(nèi)孔用于安裝?35 mm 的軸承。螺旋部分的粗糙度要求為Ra1.6 μm。關(guān)鍵尺寸包括兩端內(nèi)孔的尺寸以及螺旋的螺距，左旋或右旋皆可，加工棒料為500 萬(wàn)分子量聚乙烯。

圖2 進(jìn)瓶螺桿

由于塑料瓶在灌裝液體或可流動(dòng)產(chǎn)品后會(huì)膨脹擴(kuò)大一定尺寸，因此螺旋的瓶型直徑處的公差通常會(huì)增大0.2～0.3 mm，以避免瓶子被卡住。此外，對(duì)于螺旋部分的粗糙度控制也非常重要，較差的粗糙度會(huì)導(dǎo)致瓶子表面粗糙度升高，影響生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量。

典型進(jìn)瓶螺桿采用四軸龍門加工中心加工時(shí)的一般工藝工序流程如圖3 所示。

圖3 原工藝流程

根據(jù)產(chǎn)品的技術(shù)要求進(jìn)行工序分析如下：該工件為圓柱形零件，選用比工件外圓大2～5 mm 的棒料進(jìn)行下料，總長(zhǎng)留有4～5 mm 的余量。根據(jù)圖紙要求和公差，通過普通車床來(lái)加工，可以滿足圖紙要求。

該零件需要進(jìn)行內(nèi)孔端面的鉆攻螺紋孔，采用臥式加工，并使用打點(diǎn)裝夾校正，這個(gè)過程大約需要10～20 min。然而，實(shí)際加工時(shí)間只需幾分鐘，因此加工成本較高。為降低成本，可以采用鉆床鉆模的方法，通過鉆孔和攻絲的方式來(lái)加工4-M6 標(biāo)準(zhǔn)螺紋。

在組裝時(shí)，故采用“一夾一頂”的裝夾方式[6]，并采用四軸數(shù)控銑床進(jìn)行螺旋等加工。根據(jù)以上分析，修改后的工序安排如圖4 所示。

圖4 改進(jìn)工藝流程

1.1 四軸數(shù)控銑床的選擇與機(jī)床的改造

在加工過程中，先后使用過馬扎克車銑復(fù)合中心和馬扎克小龍門四軸加工中心。對(duì)于車銑復(fù)合裝夾，要求與主軸端面之間需要保留90 mm 以上的空間，以避免主軸與刀塔之間的干涉碰撞。然而，車銑復(fù)合中心本身的剛性較差，導(dǎo)致在粗加工過程中振刀現(xiàn)象非常嚴(yán)重。即使在精加工時(shí)，仍然存在振刀現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了較差的表面粗糙度。由于剛性問題限制了切削量，加工時(shí)間超過10 h 后進(jìn)行了兩次試驗(yàn)切削，但最終被淘汰。

為了解決剛性問題和減少振刀現(xiàn)象，轉(zhuǎn)而采用馬扎克小龍門四軸立式加工中心進(jìn)行加工（行程為2 240 mm×1 000 mm）。雖然這種加工中心在剛性方面有所改善，但加工時(shí)間仍然相對(duì)較長(zhǎng)，大約需要8 h。而且，由于表面粗糙度未達(dá)到要求，還需要進(jìn)行拋光處理。此外，使用這種加工中心的成本也比較高。

對(duì)一臺(tái)普通的銑床進(jìn)行改裝，加裝四軸旋轉(zhuǎn)裝置和尾座，并通過連接適配FANUC 系統(tǒng)，將其改造為四軸數(shù)控銑床，以用于加工進(jìn)瓶螺桿類零件。原有的普通銑床工作臺(tái)總長(zhǎng)度僅為1 600 mm，X軸絲桿的行程為1 200 mm，而加裝的四軸轉(zhuǎn)臺(tái)和尾座占用了約800 mm 的空間，因此只剩下800 mm 可用。工裝和刀具避空需要占用一部分行程，將數(shù)銑移動(dòng)工作臺(tái)兩端各加長(zhǎng)230 mm，這樣工作臺(tái)總長(zhǎng)度達(dá)到了2 060 mm，而X軸可加工行程可以達(dá)到1 100 mm，可以滿足最長(zhǎng)1 000 mm 的螺桿加工行程要求，改造后的結(jié)構(gòu)如圖5 所示，兩種加工機(jī)床數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 兩種加工機(jī)床數(shù)據(jù)的對(duì)比

圖5 機(jī)床改造與工件裝夾

1.2 工裝的優(yōu)化

原工裝采用和裝配零件類似的方法：螺釘鎖緊、脹套配合。根據(jù)六點(diǎn)定位分析[7]，螺釘鎖緊端回轉(zhuǎn)方向存在欠定位，故在工裝端部依據(jù)螺桿旋向增加M16 反向螺紋，再配合螺釘鎖緊，改裝后的傳動(dòng)工裝如圖6 所示。脹套配合端加工時(shí)也存在扭動(dòng)錯(cuò)位，導(dǎo)致內(nèi)孔超差嚴(yán)重，在螺桿端面增加4 個(gè)工藝螺絲孔，采用端面鎖緊的方法固定，改裝后的尾座工裝如圖7 所示。

圖6 傳動(dòng)工裝

圖7 尾座工裝

1.3 刀具的優(yōu)化

改善前加工采用?16 mm 或者?20 的平刀粗加工，R8 或者R10 的球刀精加工，前期改造數(shù)銑后仍用?20 或?50 者平刀加工，程序使用的是手編宏程序，加工方法是工件每轉(zhuǎn)0.5°或1°銑刀走一個(gè)圓弧，以此加工到圖紙要求的圓弧大小，可以看出設(shè)備成本降低不少，但加工時(shí)間沒有明顯的降低，粗糙度也沒明顯提高，主要原因在于刀具及加工方法上。

經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)，粗、精加工采用自制刀具如圖8所示，粗加工刀桿割出四方槽，裝上磨好的高速鋼刀條；精加工刀具采用自制的刀桿和刀片，刀片采用磨床磨出40°后角與排屑槽。粗、精加工刀片裝到刀桿上，用量具調(diào)出螺旋面的回轉(zhuǎn)半徑后鎖緊，加工時(shí)粗加工刀具刀尖、精加工刀具刀刃中心與工件回轉(zhuǎn)中心Z向等高（圖9），刀具沿Y軸分層銑削（圖10），因刀具刀刃處切削線速度高，所以精加工螺旋面的粗糙度達(dá)到圖紙要求，無(wú)需后續(xù)拋光處理。

圖8 粗、精加工刀具

圖9 刀具安裝

圖10 刀具分層進(jìn)給

2 宏程序的設(shè)計(jì)與優(yōu)化

根據(jù)工件螺距變化的特點(diǎn)，我們采用多個(gè)參數(shù)來(lái)替代特定的變化特征，并使用函數(shù)公式讓機(jī)床自動(dòng)計(jì)算所需的值。通過進(jìn)瓶螺桿段數(shù)學(xué)分析，采用用戶宏指令編程，程序簡(jiǎn)潔[6]（加工程序流程圖[4]，詳見圖11），將原先需要修改多道程序并進(jìn)行空運(yùn)行試加工，現(xiàn)在只需根據(jù)圖紙修改3～5 個(gè)變量即可，如在程序中將總切削深度及每層切削深度設(shè)置成為變量值，能夠在一個(gè)程序內(nèi)實(shí)現(xiàn)零件的分層銑削[8]。這樣做能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)床自動(dòng)計(jì)算和替代，大大縮減編程時(shí)間，并減少計(jì)算和替換等操作中出錯(cuò)的概率，同時(shí)只需要修改變量和裝夾對(duì)刀方法，就可以實(shí)現(xiàn)粗、精加工使用同一道程序，降低了操作加工的難度；通過測(cè)試多種刀路和方法，選擇橫向移動(dòng)法，也能完成標(biāo)準(zhǔn)方瓶螺桿的加工。進(jìn)瓶螺桿段數(shù)學(xué)分析[9]：

圖11 進(jìn)瓶螺桿宏程序流程圖

（1）等螺距首段

圖2 所示首段螺距為P1，考慮引入段計(jì) 0.5P1，該段角度為 θ1=720，X1=(P1/360)×θ(0 ＜θ ≤θ1)。

（2）變螺距中段

圖2 所示中段為P1～P2的變螺距，螺桿長(zhǎng)L，則加速段距離為s=L-1.5P1-P2，加速度為a=該段角度為 θ2=720+360×2s/(P1+P2)，X2=2P1+(P1/360)×(θ-720)+(a/3602)×(θ-720)2/2(θ1＜θ ≤θ2)。

（3）等螺距末段

圖2 所示末段螺距為P2，考慮引出段距 0.5P1，該段角度為 θ3=θ2+360×(P2+P1/2)/P2，X3=L+P1/2-P2+(P2/360)×(θ-θ2) (θ2＜θ ≤θ3)。

3 整體優(yōu)化總結(jié)對(duì)比

通過改進(jìn)優(yōu)化，成功地將原來(lái)需要1 個(gè)工時(shí)才能加工的產(chǎn)品提高到1 個(gè)工時(shí)可以加工3～4 件，這意味著生產(chǎn)效率提高300%。同時(shí)，也成功降低了實(shí)際成本，每件產(chǎn)品（圖12）的成本從3 500 元下降到510 元，降低了85%以上。此外，需強(qiáng)調(diào)的是成功地實(shí)現(xiàn)了粗糙度直接達(dá)到使用要求，無(wú)需進(jìn)行拋光處理，而且加工精度誤差也得到控制[10]。

圖12 進(jìn)瓶螺桿成品

2019 年，某企業(yè)應(yīng)用了這種方法來(lái)加工貼標(biāo)進(jìn)瓶螺桿共計(jì)79 件，以及灌裝螺桿共計(jì)93 件，合計(jì)達(dá)到172 件（數(shù)據(jù)來(lái)源于該企業(yè)的SAP 訂單系統(tǒng)）。根據(jù)對(duì)比數(shù)據(jù)和成本分析，可以預(yù)計(jì)每年生產(chǎn)成本能夠節(jié)約超過50 萬(wàn)元，見表2。

表2 整體改善前后對(duì)比及成本分析

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)進(jìn)瓶螺桿類零件進(jìn)行基于宏程序的工藝優(yōu)化，通過編制通用宏程序，顯著縮短編程時(shí)間，提高加工效率。在實(shí)際的企業(yè)加工應(yīng)用中，從工藝流程、工裝、機(jī)床、刀具和宏程序等5 個(gè)方面進(jìn)行工藝優(yōu)化，驗(yàn)證了該方法的有效性，經(jīng)過優(yōu)化后，產(chǎn)品的質(zhì)量和成本都有了很大的改善、效果顯著，優(yōu)化措施使得生產(chǎn)效率提高300%以上，加工成本降低了85%以上，帶來(lái)顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。