肖元昭 曾 強(qiáng)

（1.河南理工大學(xué)工商管理學(xué)院，河南 焦作 454000；2.鄭州輕工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

近年來(lái)，國(guó)產(chǎn)液壓支架電液控制系統(tǒng)快速發(fā)展，電液控制系統(tǒng)是煤礦實(shí)現(xiàn)智能化、無(wú)人化開(kāi)采的核心，而主閥體零件又是電液控制系統(tǒng)核心零部件之一［1］。生產(chǎn)主閥體零件采用的是多品種、小批量生產(chǎn)方式，而傳統(tǒng)的單機(jī)單件生產(chǎn)工藝的生產(chǎn)效率低、產(chǎn)品切換頻繁、工藝復(fù)雜、加工調(diào)試過(guò)程復(fù)雜、調(diào)機(jī)時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性難以保證，生產(chǎn)成本較高。隨著國(guó)產(chǎn)電液控制系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，單機(jī)生產(chǎn)難以滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，單機(jī)生產(chǎn)方式嚴(yán)重制約著國(guó)產(chǎn)電液控制系統(tǒng)的快速發(fā)展。通過(guò)對(duì)不同種類(lèi)主閥體零件的結(jié)構(gòu)特征分析后得知，主閥體零件的品種雖然較多，但其加工工藝特征基本一致，具有同族零件的特點(diǎn)，研究主閥體零件生產(chǎn)單元柔性化生產(chǎn)工藝對(duì)提高主閥體零件的生產(chǎn)效率及企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義［2］。

1 主閥體零件特征及工藝分析

主閥零件結(jié)構(gòu)特征如圖1 所示。閥體零件主要以孔系和螺紋為主，經(jīng)過(guò)三道工序來(lái)完成加工。①主閥體四周側(cè)面由若干階梯式主孔及螺紋組成，四周側(cè)面由主孔和閥芯配合，側(cè)面主孔精度及形位公差要求較高，主孔加工質(zhì)量是主閥體加工的重要工序，其加工工藝復(fù)雜，對(duì)每個(gè)孔的密封性能要求較高，是主閥零件加工最難實(shí)現(xiàn)、工時(shí)最長(zhǎng)、使用刀具最多、生產(chǎn)管理最復(fù)雜的工序。為保證加工質(zhì)量，需要在臥式加工中心一次裝夾完成加工［3］。②主閥體端面兩個(gè)貫通的Φ3 mm小孔，主要由數(shù)控深孔鉆加工完成。③主閥體上表面孔口所在的平面需要與先導(dǎo)閥進(jìn)行平面裝配，對(duì)平面密封性要求較高，因此，對(duì)平面度及粗糙度要求較高。閥體上表面分布若干Φ3 mm 的小孔及M10 的螺紋孔，上表面小孔與主孔貫通，因此，形位公差要求較高，此工序由立式加工中心完成加工［4］。

圖1 主閥體零件結(jié)構(gòu)

在傳統(tǒng)單機(jī)生產(chǎn)工藝模式下，臥式加工中心加工時(shí)長(zhǎng)較長(zhǎng)，深孔鉆及立式加工中心加工時(shí)長(zhǎng)較短，導(dǎo)致立式加工中心待機(jī)時(shí)間較長(zhǎng)，生產(chǎn)節(jié)拍不平衡。且不同工藝人員根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)獨(dú)自完成零件工藝設(shè)計(jì)方案，導(dǎo)致數(shù)控程序、刀具、夾具選用及工藝參數(shù)因人而異，工作量大，工序煩瑣，沒(méi)有固定的作業(yè)流程，產(chǎn)品規(guī)格的多樣化，造成調(diào)機(jī)頻繁、產(chǎn)品切換效率較低、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定、產(chǎn)品合格率低。基于成組技術(shù)工藝，劃分主閥體零件族，分析主閥體零件特征及結(jié)構(gòu)，提出構(gòu)建柔性化生產(chǎn)單元，通過(guò)設(shè)計(jì)成組化專用夾具，實(shí)現(xiàn)零件快速定位裝夾。制定標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程，建立主閥體零件數(shù)據(jù)工藝庫(kù)，實(shí)現(xiàn)不同規(guī)格零件快速換產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)主閥體零件單元柔性化生產(chǎn)管理［5］。

2 主閥體零件柔性生產(chǎn)單元的布局及工序

單元化生產(chǎn)是現(xiàn)代制造最有效的生產(chǎn)布局設(shè)置方式之一，單元化生產(chǎn)可將生產(chǎn)線按照其生產(chǎn)流程布局成一個(gè)完整的作業(yè)單元，生產(chǎn)單元實(shí)現(xiàn)“一個(gè)流”作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。單元化生產(chǎn)方式是一種基于多品種、小批量的生產(chǎn)方式，這種在一條生產(chǎn)線或一組機(jī)器設(shè)備單元內(nèi)，由單元的操作人員生產(chǎn)多種產(chǎn)品或零件的生產(chǎn)制造技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)多品種、小批量產(chǎn)品柔性生產(chǎn)需求的有效方式［6］。

2.1 柔性生產(chǎn)單元布局

通過(guò)主閥體零件的特征分析可知，單元柔性化生產(chǎn)是提高主閥體零件生產(chǎn)效率的有效方式，可有效滿足主閥體零件多品種、小批量的柔性生產(chǎn)需求，減少制品庫(kù)存量，縮短生產(chǎn)周期，減少物流轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)間，能使生產(chǎn)節(jié)拍趨于平衡，減少對(duì)設(shè)備、工裝、刀具等的投資，能有效解決主閥體零件的生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本問(wèn)題。主閥體零件的柔性生產(chǎn)單元布局如圖2 所示，生產(chǎn)單元由四臺(tái)四軸臥式加工中心組成的柔性生產(chǎn)線、兩臺(tái)數(shù)控深孔鉆、兩臺(tái)四軸立式加工中心組成。

圖2 柔性生產(chǎn)單元布局

2.2 柔性生產(chǎn)單元的生產(chǎn)工序

主閥體零件在柔性生產(chǎn)單元的生產(chǎn)工序見(jiàn)表1。主閥體毛坯料先進(jìn)入臥式加工中心工位1 及工位2，由專用夾具固定裝夾后，再由AGV 小車(chē)送入托盤(pán)庫(kù)等待加工，待機(jī)床加工完成后，由AGV 小車(chē)把加工好的零件送入工位1 或工位2，把托盤(pán)庫(kù)的待加工的毛坯料送入四軸臥式加工中心，完成四周側(cè)面主孔的加工。臥式加工中心加工后的半成品轉(zhuǎn)到數(shù)控深孔鉆，鉆端面Φ3 mm 的通孔，轉(zhuǎn)入立式加工中心完成上表面的加工，再轉(zhuǎn)入產(chǎn)品待轉(zhuǎn)區(qū)轉(zhuǎn)至下道工序。通過(guò)設(shè)計(jì)專用夾具，此生產(chǎn)工序能實(shí)現(xiàn)多品種主閥體零件的快速換產(chǎn)，有效提升主閥體零件的生產(chǎn)效率。

3 成組專用夾具設(shè)計(jì)

3.1 主閥體零件定位基準(zhǔn)分析

在機(jī)械加工工藝設(shè)計(jì)中，正確選用定位基準(zhǔn)，對(duì)保證零件加工要求、合理安排工藝順序有著重要影響。定位基準(zhǔn)的選擇在零件加工工藝中非常重要，不僅會(huì)影響零件的位置尺寸和位置精度，還會(huì)對(duì)整個(gè)工藝過(guò)程的安排和加工質(zhì)量產(chǎn)生重要影響。一般來(lái)說(shuō)，零件的定位基準(zhǔn)一旦選定，零件的定位方案也基本上確定。定位方案是否合理，直接關(guān)系到零件的加工精度能否得到保證。本研究定位基準(zhǔn)采用一面兩銷(xiāo)的定位方法，即以下表面兩個(gè)銷(xiāo)孔作為工藝基準(zhǔn)，采用四個(gè)螺栓孔裝夾固定工件，裝夾安全穩(wěn)定、高效便捷。主閥體零件規(guī)格不同，其定位基準(zhǔn)位置也有所不同，可根據(jù)其族群類(lèi)劃分，完成其不同規(guī)格零件定位基準(zhǔn)的分類(lèi)［7］。

3.2 成組專用夾具設(shè)計(jì)及應(yīng)用

成組夾具設(shè)計(jì)是成組技術(shù)在機(jī)械加工中的關(guān)鍵之處。夾具設(shè)計(jì)應(yīng)滿足零件加工要求，減少輔助時(shí)間，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，保證生產(chǎn)質(zhì)量的穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)的專用夾具還可擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，實(shí)現(xiàn)一機(jī)多能。同族零件具有工藝相似的特點(diǎn)，根據(jù)其工藝特征的共性，設(shè)計(jì)該類(lèi)型產(chǎn)品的成組化夾具，以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件生產(chǎn)中的快速定位安裝，并實(shí)現(xiàn)零件的快速切換，提高生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性。根據(jù)主閥體零件的結(jié)構(gòu)特性，設(shè)計(jì)成組化夾具，對(duì)提高主閥體零件的加工效率、提升產(chǎn)品品質(zhì)具有重要意義［8］。

主閥體零件品種繁多，零件加工特征復(fù)雜，零件特征之間的形位關(guān)系要求較高，重復(fù)定位裝夾會(huì)影響零件加工質(zhì)量，且影響加工效率。通過(guò)分析該系列主閥體零件所使用的加工設(shè)備特點(diǎn)，結(jié)合主閥體加工特征，不同規(guī)格主閥體零件的裝夾具有相似性。主閥體屬族群類(lèi)零件，其零件規(guī)格不同，但零件的加工工藝基本一致。根據(jù)主閥體零件的族群化特點(diǎn)及定位基準(zhǔn)特征，設(shè)計(jì)的夾具如圖3 所示。將夾具固定在臥式加工中心交換工作臺(tái)上，工件定位采用“一面兩銷(xiāo)”的方式，四個(gè)螺釘反拉夾緊工件。采用這樣的裝夾方式，工序相對(duì)集中、裝夾安全可靠，工件在臥式加工中心一次裝夾，可同時(shí)完成四個(gè)面的加工，生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠。在加工過(guò)程中，由柔性生產(chǎn)線的AGV 小車(chē)進(jìn)行搬運(yùn)，提前進(jìn)入加工等待區(qū)，降低加工準(zhǔn)備時(shí)間，提高加工效率。且不同規(guī)格的主閥體的夾具模塊可實(shí)現(xiàn)隨時(shí)切換及互換，降低了不同規(guī)格主閥體零件工裝夾具的設(shè)計(jì)、制造及調(diào)試時(shí)間。通過(guò)對(duì)工裝夾具進(jìn)行編號(hào)，不同品種的主閥體零件對(duì)應(yīng)其所使用的工裝夾具，對(duì)工裝夾具進(jìn)行歸類(lèi)整理，實(shí)現(xiàn)夾具在線數(shù)據(jù)管理，保證主閥體零件生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)快速換產(chǎn)。該夾具是主閥體零件生產(chǎn)單元實(shí)現(xiàn)柔性化生產(chǎn)的關(guān)鍵零部件之一。

圖3 夾具

4 主閥體零件單元柔性化生產(chǎn)工藝應(yīng)用效果

通過(guò)上述主閥體零件加工工藝進(jìn)行分析，根據(jù)成組技術(shù)工藝，合理布局柔性生產(chǎn)單元，通過(guò)成組化專用夾具設(shè)計(jì)及應(yīng)用，完成對(duì)主閥體零件的單元柔性化生產(chǎn)工藝規(guī)劃，與單機(jī)單件生產(chǎn)工藝相比，單元柔性化生產(chǎn)工藝有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

①與傳統(tǒng)單機(jī)化生產(chǎn)相比，現(xiàn)有的單元柔性化生產(chǎn)工藝可實(shí)現(xiàn)主閥體零件從生產(chǎn)計(jì)劃調(diào)度、夾具選用、數(shù)控程序、刀具選用、生產(chǎn)工藝全過(guò)程的標(biāo)準(zhǔn)化作業(yè)。將不同規(guī)格的零件進(jìn)行整理分類(lèi)管理，形成標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)管理數(shù)據(jù)，建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)、結(jié)合生產(chǎn)管理執(zhí)行系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同規(guī)格主閥體零件快速換產(chǎn)，提升共線共產(chǎn)能力，減少因市場(chǎng)產(chǎn)生的庫(kù)存積壓，實(shí)現(xiàn)主閥體的柔性化、自動(dòng)化生產(chǎn)管理，解決主閥體零件多品種、小批量的生產(chǎn)效率低、生產(chǎn)成本高的難題，滿足市場(chǎng)個(gè)性化的需求。

②自動(dòng)化、柔性化程度的提升，極大降低了對(duì)操作者的技能要求，也減少了不同操作者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。操作人員嚴(yán)格按照工藝過(guò)程卡片和標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程進(jìn)行操作，既可保證加工質(zhì)量，又能使產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性及產(chǎn)品品質(zhì)大幅度提高。

③通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對(duì)比，和傳統(tǒng)單機(jī)化生產(chǎn)相比，采用優(yōu)化后的主閥體零件的柔性生產(chǎn)工藝，不同規(guī)格產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)快速換產(chǎn)，節(jié)省調(diào)試機(jī)床時(shí)間（節(jié)省48 h）。單件生產(chǎn)所用時(shí)間由原來(lái)的4 h 減少至2 h，生產(chǎn)效率提升一倍，產(chǎn)品一次合格率由原來(lái)的95.5%提高至99.8%以上，大大降低主閥體的生產(chǎn)成本，極大提高了國(guó)產(chǎn)電液控制系統(tǒng)企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)主閥體零件的特征及生產(chǎn)工藝過(guò)程的分析研究，構(gòu)建柔性生產(chǎn)單元，設(shè)計(jì)成組化專用夾具，通過(guò)生產(chǎn)信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)主閥零件的單元化、柔性化生產(chǎn)及管理，提高主閥體零件生產(chǎn)效率及產(chǎn)品質(zhì)量。后續(xù)研究還需在此研究的基礎(chǔ)上不斷改善，持續(xù)優(yōu)化主閥零件生產(chǎn)加工工藝流程，不斷提高主閥零件單元柔性化生產(chǎn)效能和產(chǎn)品質(zhì)量，為主閥體零件生產(chǎn)企業(yè)實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、智能化生產(chǎn)作出貢獻(xiàn)。