先进制造技术发动机箱体加工柔性制造生产线工艺及加工装备设计研究资料文档格式.docx
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生产线设计；
发动机箱体
前言
近年来，随着汽车工业尤其是轿车生产的迅猛发展，国内许多汽车配套厂家纷纷从国外引进汽车零部件和装配的关键技术以弥补机械制造装备带来的困难，并占领市场提高企业竞争力，而这也体现了研究先进的机械制造装备的设计方法对提高我国自主开发成套装备具有深远的意义。
从国内生产车型的市场来看，寿命周期短、小批量、多品种的生产研发模式成为各大汽车厂商的追求目标，所以发动机的生产线制造模式也需要满足多品种、变化快的要求。
由于市场需求的多样性，产品更新换代的周期快，促使许多发动机企业开始引进以加工为主题的柔性生产线即柔性制造系统（FMS）。
它能够根据制造任务和生产环境变化迅速进行调整，适应国内生产线要求。
柔性制造技术是以一种主要用于多品种、小批量或变批量生产的技术，它适应各种不同形状的加工对象进行制造，转化为成品的技术总称，是集数控技术、计算机技术、机器人技术以及现代管理技术为一体的现代制造技术。
后期的发展出现的了柔性制造单元、柔性制造系统、柔性制造自动线等一系列现代制造设备和系统，对制造业产生了推动和促进作用。
柔性制造技术被广泛应用于轿车、拖拉机、内燃机和压缩机等许多工业生产领域，尤其是轿车工业。
轿车发动机中的关键零件结构复杂、技术要求高、加工难度大、工艺复杂、机加工生产线自动化程度高。
1箱体零件柔性制造技术起源
在上世纪80年代初，为适应多品种生产开发出了柔性自动线如图1-1，主要是由多个数控自动化加工工位通过自动化按一定方向的工件流联接而成的。
在数控加工工位上视具体加工任务可选用不同类型的数控加工模块，由于这些模块是数控的，当自动线由加工此种品种的工件转换为另一种品种的工件时，可通过改变数控程序来实现自动换刀、自动更换多主轴箱和自动改变加工行程、工作循环、切削参数以及加工位置等，以适应变型品种的加工。
图1-1柔性自动线
2国内箱体零件加工的目前状况
我国近年来建立的几家轿车生产厂，都是引进国外技术，生产纲领都在年产15万辆左右（二期工程将达年产30万辆），故其箱体零件生产线的装备水平较高，但大都还是采用高效率组合机床自动线。
少数生产线上除组合机床外还采用了若干数控三轴加工单元、转塔式或自动换箱式机床，组成混置式生产系统，以适应多品种加工与减少工位数的需要。
随着我国汽车工业的进一步发展，必然也将更多地采用柔性自动线与准柔性制造系统，并发展高速加工中心，把敏捷制造系统引入汽车箱体零件的加工领域。
长期以来，在我国汽车工业特别是轿车工业中，加工这类零件的技术设备主要依赖于进口。
如在1998年，上海通用发动机厂（SGM）从德国Grob公司引入了由20台BZ500型高速加工中心组成的汽缸盖（V6发动机）柔性生产线和由8台BZ400型、一台BZ500型高速加工中心以及一条自动线组成的变速箱体混合型加工系统。
为扭转这种局面，我国机床工具行业应吸取国外的有益经验，并根据市场需要，尽早开发这方面的高效、柔性化装备，以满足我国发展的需要。
3箱体加工柔性生产线概述
汽车发动机的缸体、缸盖和变速箱体这类箱体件，不仅品种增多，而且在6~8年中往往将被新的工件品种所替代。
1993年以来相继出现由高速加工中心组成的柔性生产线，由于它生产效率高，具有加工柔性和能力柔性，所以既能满足当前的加工任务，也能通过设备的调整或扩充来适应未来的加工任务，这种柔性生产线愈来愈多地被中、大批量生产的企业所采用。
柔性制造生产线是一种兼有自动线和柔性制造系统（FMS）特征的混合型生产系统如图3-1，这种生产线是由若干台具有互补和互替功能的高速加工中心通过按一定方向传送工件的输送系统连接而成。
由于生产线是采用定向输送的物料流，所以工件输送系统十分简单，往往可采用滚动输送带来实现工件的连续输送，并且这种输送系统可以起到工件的中间贮存作用，故有利于提高机床的利用率。
柔性生产线在工序流程的安排上，通常是采用自动线的传统加工方式来分配加工工序，生产线上的加工中心是按这种预定的工序和流程方向依次进行排列，并且在每个加工单元上至少安排两台加工中心进行平行加工，它与柔性制造系统自由分配加工任务的方式相比，不仅可省去用于调度的主计算机，而且可以改善夹具和刀具的使用。
而与柔性自动线相比，由于采用平行加工，柔性生产线可以充分利用机床的生产能力，因此这种生产线的技术利用率可高达90%。
图3-1柔性制造系统（FMS）组成
（1）加工系统：
包括两台以上的CNC机床、加工中心或柔性制造单元（FMC）以及其他加工设备组成。
（2）工件运储系统：
由工件装卸站、自动化仓库、自动导向运输小车、机器人、托盘缓冲站、托盘交换装置等组成，能对工件和原材料进行自动装卸、运输和存储。
（3）刀具运储系统：
包括中央刀库、机床刀库、刀具预调站、刀具装卸站、刀具输送小车或机器人、换刀机械手。
（4）一套计算机控制系统：
能够实现对FMS进行计划调度、运行控制、物料管理、系统监控和网络通信等。
还有集中冷却润滑系统、切屑运输系统、自动清洗装置、自动去毛刺设备等附属系统。
4发动机箱体的柔性制造生产线实例分析
我国近年来建立的几家轿车生产厂，都是引进国外技术，生产纲领都在年产15万辆左右（二期工程将达年产30万辆），故其箱体零件生产线的装备水平较高，但大都还是采用高效率组合机床自动线。
4.1奇瑞公司目前箱体零件工艺的状况
奇瑞公司的发动机二厂是根据汽车制造业多品种、柔性化生产的需求而建造的一个具有国际领先水平的现代化柔性工厂。
该工厂在产品设计时就采用同步工程并充分预留后期产品的共用性，以便根据市场及产品需求，在生产线上共线生产多个品种。
下面以该厂为例，介绍柔性生产在箱体和轴类生产中的应用及实际使用中所需考虑的问题。
柔性生产线一般柔性制造系统由以下组成部分：
2台以上数控加工设备或加工中心及相应的辅助设备；
自动装卸的运储系统；
套计算机控制系统。
奇瑞发动机箱体类零件的主要加工部分均是由数十台全柔性加工中心组成，几个加工中心组成一个工岛——柔性制造单元（FMC）。
各个柔性制造单元之间均通过自动辊道或机械手连接起来，其中还包括所必需的清洗、压装、试漏、珩磨、在线测量、线外测量设备以及切削液集中处理装置等。
辅助设备一般采用通过式辊道输送上料，并通过型号识别，选择相应的工位及试漏、拧紧程序。
在柔性制造单元内，由全自动机械手进行上下料，整线设有数个机械手。
在生产线的自动辊道上，设置有产品型号自动识别装置，机械手、辊道及加工中心通过Profibus总线连接起来，由一套西门子数控系统自动控制各部分的一致性。
同时，控制计算机还能根据各机床的加工情况，选择最优的上下料顺序，并根据设定的范围，将需要抽检的工件自动放入检测站。
每个FMC中都由几道工序组成，每道工序分别由多台相同型号的加工中心组成。
每个FMC前面是上料辊道，后面是下料辊道及检测站。
各个FMC之间也是相应的辊道，可以起到工件暂存作用。
加工中心是FMC最核心的部分，FMC中的加工中心采用大容量刀库的自动换刀系统，可以满足多品种生产所需的快速换刀及刀具存储需求。
系统具有刀具寿命管理、激光刀具折断检测和ARTIS扭矩监控等丰富的刀具监控管理功能，使得设备的自动化及可靠性得到有效充分的保证。
4.2一拖集团公司目前箱体零件工艺的状况
上世纪80年代以前，一拖公司箱体零件加工工艺无论是发动机箱体、还是拖拉机变速箱都是采用的刚性的专机生产线，90年代初公司引进4台Mandli加工中心组成的80-100马力传动箱、减速箱加工线，所有加工内容都在加工中心上完成，生产能力是5000台/年。
可以说在当时国内最先进的箱体零件加工工艺。
但由于当时使用、维护水平有限和毛坯质量及刀具质量等原因，并没有达到生产能力。
这使得对以加工中心组成加工线的工艺产生了怀疑，90年代末公司在进行95双加技术改造时，100-120马力轮式拖拉机传动箱、减速箱加工线采用了专机+加工中心的工艺模式，加工中心作为一台高精度的机床使用，生产能力上去了，但整个生产线几乎没有柔性。
进入本世纪后，随着高速加工中心的发展，使高速加工中心在生产效率方面达到了组合机床式的高水平，从而为高速加工中心进入大批量生产领域创造了条件。
虽然高速加工中心组成的柔性生产线，有极大的优越性，但是它投入高，在目前的条件下不符和公司的实际需求。
在这种背景下一种专机（含一定柔性少量的专机）+准高速加工中心+万能设备的工艺出现了。
4.3新的箱体加工工艺模式在一拖公司的应用
“专机（含一定柔性少量的专机）+准高速加工中心+万能设备”的箱体加工模式首先在三装厂应用。
三装厂LF80-90减速箱加工线采用2台加工中心（准高速）+万能镗床、摇臂钻床+少量专机（4台）共10台机车的工艺方案，单班120台生产能力。
其工艺见表4-1。
表4-180-90减速箱加工工艺
工序号工序名称及内容设备名称设备型号
5钻铣工艺基准，标识卧式镗床TX68
10粗铣前后端面卧式双面组合镗床
15粗铣上下平面及钻定位销，打下面中心孔卧式加工中心ACE-HM800
20钻前后端面孔，粗镗轴承孔卧式双面组合镗钻床
25精铣前后端面，精镗轴承孔卧式加工中心HPC800
30反锪大端3个沉窝及攻螺纹孔摇臂转床Z3050
35反锪小端沉窝摇臂转床Z3050
40钻攻下面丝孔摇臂转床Z3050
45钻两侧面螺纹底孔双面组钻
50攻前端丝孔及两侧面丝孔三面攻丝机
5柔性生产线设计分析及设备的选择
本章分析和总结了柔性生产线的设计过程，通过对柔性生产线规划设计系统的系统需求分析，构造了系统总体框架。
采用面向对象的方法，建立了零件信息描述模型、加工设备模型、生产线资源模型和工艺规划设计模型。
5.1柔性生产线设计步骤
柔性生产系统的投资比较大，因此风险也很大。
在进行柔性生产线设计时，不仅需要考虑尽可能的追求最高的生产率，而且也要求系统能进行良好的维护和无故障操作，保证正常运行，同时考虑到可持续发展以及企业对未来市场需求的应变能力的要求，即对制造资源的可重组。
柔性生产线的设计过程如图5-1所示
按照柔性生产线的设计要求，柔性生产线的设计步骤分为：
步骤1：
用户需求分析，确定设计目标；
步骤2：
加工零件工艺规划设计，确定工艺流程和计算生产节拍；
步骤3：
选择和设计机械加工设备；
步骤4：
柔性制造设备总体布局设计；
步骤5：
总体方案仿真、优化与评价；
步骤6：
系统实施；
步骤7：
系统维护，设备重组。
图5-1柔性生产线的设计过程
5.2用户需求分析
在柔性生产线设计的初始阶段，需要对与柔性生产线设计的相关因素进行分析、确定项目目标和项目计划、进行可行性论证等。
相关因素分析的内容包括：
①对使用柔性生产线生产的产品进行市场分析，以确定该产品的市场需求变化；
②加工产品分析，确定其复杂程度；
③加工工艺分析，初步确定工艺方案。
1、加工对象的相容性原则与分析
柔性生产线是适应中、大批量生产，高效率而又具有一定柔性的自动化加工系统，对于产量稳定且结构相似的少品种零件加工来说，柔性生产线是最比较经济的生产手段。
柔性生产线设计的技术基础是成组技术，成组技术的基本思想是按照零件的制造相似性来组织生产。
根据加工对象相似性准则（结构相似、工艺相似），柔性生产线被设计成面向发动机箱体的专用生产系统，如汽车箱体生产线等，从而达到兼顾柔性和提高生产率的目的。
工件的相似性就是能合并成可供柔性生产线加工的一组零件的一些主要相似性，一般可从结构相似性原则和工艺相似性原则两方面着手，以箱体类零件为例按重要性排列其相似性原则，如表5-1所示。
表5-1箱体类零件相似性原则
结构相似性原则工艺相似性原则
1外形尺寸毛坯材料
2各待加工面的空间分布材料的硬度
3各待加工单元簇在各待加工面分布加工基准
4各待加工单元在各待加工面分布零件输送面的参数
5各待加工单元内容待加工表面精度和粗糙度
6各待加工单元上各形状要素的联系待加工表面尺寸
7各待加工面的轮廓加工方法
8切削用量
9其他特殊要求
2、工艺基准的选择与分析
箱体类零件工艺基准的选择常用的“一面两孔”，这种定位方法简便，并且可以作为从粗加工到精加工的全部加工工序的工艺基准，基准统一，减少基准转移带来的积累误差，有利于提高各个加工面上孔的位置精度，一般要求定位销孔的直径应在12~25mm，孔径精度H7；
孔距公差应±
0.03~±
0.05mm之间。
定位平面的平面度应在0.05~0.1mm范围，表面粗糙度不低于Ra1.6um。
5.3设备选择
设备选择部分一般要确定组成系统的设备类型、数量和技术规格，这当中包括：
①选择机械加工机床。
根据工件组的特性和经济性的原则。
必要的专用设备，应有详细的设计方案。
②选择物料输送系统。
③其他重要设备选择。
刀具供给形式，是否设立中央刀库，选择刀具检测设备；
冷却排屑形式及设备；
选择清洗设备；
选择测量设备。
5.4设计评价
设计评价的主要目的是通过专业开发人员对设计方案进行多层次、多角度评价分析来发现设计中存在的错误，从而防止错误沿设计链传递下去。
总体方案仿真与优化是一个反复评价与再设计的过程。
对多个总体方案的对比和筛选，需要确定评价指标；
确定各个指标的评分标准；
按总分评优。
评价指标一般包括：
保证加工精度的程度；
工作可靠程度；
设备的利用率；
所需加工设备数量；
所需辅助设备数量等。
对选定的总体方案进行模拟仿真实例，即：
输入原始数据，计算机床的利用率。
最后进行总体规划设计总结。
6柔性生产线规划设计系统
柔性生产线规划设计系统FILPDS（FlexibleTransferLinePlaruiingand
DesignSystem）以面向柔性生产线设计，诸如为轿车中发动机等关键箱体类零件的生产厂家（这里称为用户）提供适于大、中批量的柔性生产线或改造原有制造环境为目标，设计开发快速响应用户不同需求的系统。
FTLPDS针对轿车发动机大批量生产的典型非网转类零件（以结构复杂、形态各异的箱体类零件为主）进行工艺分析、开发基于特征的、适合于柔性生产线设计的分层工艺规划系统；
根据零件技术要求、生产纲领、生产节拍、投资额度等方面的用户需求信息，在分层工艺规划基础上，生成柔性生产线技术方案。
（1）柔性生产线规划设计系统的框架结构
FTLPDS的总体框架结构如图6-1所示。
主要的设计过程包括：
零件信息输入、工艺规划设计、生产线设计和生产线仿真等四个部分。
图6-1FTLPDS总体框架结构图
1）零件特征输入模板：
建立特征转换与识别模块，进行零件特征信息描述，按照零件信息描述模型，生成特征文件；
2）工艺规划设计模块：
根据零件的信息描述，按照用于柔性生产线的设计分层工艺规划方法，通过知识库推理和人机交互，生成工艺方案，并进行工艺优化，按照工艺规划对机床设备的需求，选择配置机床设备；
3）生产线设计模板：
根据机床的规格和零件的传输搬运方式等，生成机床的布局方案。
按照零件的加工质量、成本、生产率、加工能力和可重组性等方面来评价生产线布局方案；
4）生产线仿真模板：
使用现有的软件进行生产线的流程仿真、单机与生产线的协调仿真、零件的加工仿真。
在仿真的同时需要判定所设计的生产线是否满足用户提出的加工精度，加工工艺是否合理，节拍是否合适，生产线布局是否合理等。
（2）柔性生产线规划设计系统的构成
独立运行的柔性生产线规划设计系统（FTLFDS）分为两个组成部分：
①零件信息描述部分，根据用户提供的零件图纸，利用人机交互建立零件特征信息文件；
②柔性生产线设计部分，作为一个集成的设计环境，包括：
工艺规划设计、生产线的布局设计、生产线仿真等。
（3）柔性生产线规划设计系统的数据流图
图6-2为柔性生产线规划设计系统（FTLPDS）设计与评价的数据流图。
其过程为首先由用户提供的生产纲领等需求信息，确定生产线的节拍；
由用户提供的零件图纸提取零件加工特征，并添加工艺信息：
由加工特征生成加工链，进行加工链分解，生成工序；
得到工艺方案，进行节拍评价；
根据工艺规划设计生产线；
对构成生产线的机床要进行质量评价、可靠性评价、成本评价和柔性评价，并提供反馈信息，对生产线进行重新设计。
图6-2FTLPDS设计及评价数据流图
7工艺方案
7.1箱体加工要求
生产线机床类型：
CM
-63卧式加工中心，四轴二联动。
X、Y、Z轴行程：
800mmc×
630mm×
630mm
刀位容量：
60把
主转功率：
18kw
主轴转速（无级）：
20一4000r/min
工作台分度：
360xl°
托盘尺寸：
630x630mm
定位精度（X、Y、Z）：
±
0.010mm/m
加工中心是数控机床中使用技术比较复杂的设备种类之一，如何使该类设备达到良好的使用效果，获得较高的经济效益，是非常重要的。
要达到这一目的，必须充分了解机床的性能、特点以及加工工艺特点。
采取合理的工艺措施，选择合适的加工对象，并在生产管理上充分认识它与普通机床、专机的区别，分别对待，这样才能基本保证使用好机床。
根据加工中心的特点，它比较适合于多孔系、多面精密组合加工。
发动机箱体是汽车上非常重要的零部件之一，技术密集，周身孔系多，且又细又长，精度要求高，加工难度大。
所以为尽快掌握柔性制造工艺技术，充分利用机械技术和微电子技术的结合，有效发挥加工中心齐备的机械加工手段，演练钻、扩、铰、锪等机加功能，以利完成对其它零件加工开发。
本项目工艺方案总的原则是工艺上必须具备柔性，对于不同类的箱体或其它零件，只需改变夹具（或组合夹具）、刀具等。
调整加工程序指令或参数值、就能适应柔性加工要求。
7.2柔性工艺的研制
发动机柔性制造技术主要是用于提高发动机新品科研生产的加工水平，增强工艺制造柔性，拓宽新品开发加工的手段，缩短新品开发研制的周期，适应日趋激烈的市场竞争，满足多品种、小批量生产的市场需求。
研制柔性制造工艺.涉及的技术是很多、很广的，设计筹建的周期也较长，而且随着加工对象的不同就有不同的工艺配置，设计方案多种多样，主要根据加工产品而灵活变化。
我们通过分析，柔性工艺主要是按零件以下典型特性，进行分析研究，即：
l）需要加工的体积，材料和硬度。
2）零件的基本形状（如箱体、盘类等）
3）加工工序及类型（铣、钻、锪、攻丝等）
4）装夹次数
5）刀具磨损情况和换刀次数
6）公差要求
7）月产量、年产量
8）每件的加工时间
柔性制造工艺必须具备以下几种柔性：
1）加工柔性：
可以加工给定的多种工件
2）产品柔性：
可以经济地转向生产新的几类工件
3）操作柔性：
具有改变工件加工工序次序的能力
4）工艺柔性：
能以几种工艺路线来加工工件
5）扩充柔性：
能方便地扩充系统规模
1、切削刚性和高定位精度相结合
由于机床加工工件具有多工序集中的工艺特点，即工件在一次装夹中即要进行粗铣、粗镗等切削很大的粗加工，又要进行精铣、精镗等达到工件最终精度要求的精密加工，因此，要求夹具定位元件既要能满足精确定位要求，又要能满足大切削力抗变形要求，夹具本体和定位元件的刚性、夹紧元件的夹紧力都是至关重要的。
同时，装夹时选择同一定位基准，避免基准不统一所造成的不必要基准不重合误差。
因为夹具结构上安置钻套等导向元件较困难（限制部分加工柔性加工精度完全依靠夹具和主轴精度自身保证），所以我们选择较短刀具以增强切削力度，同时，采用一面两销（箱体底面2-Φ13H7）定位方式，进行刀具、夹具设计，保证强度和定位精度。
2、保证主轴刀具有足够的加工空间
卧式加工中心可利用旋转工作台，在工件每次装夹中最少完成工件三个面以上孔系加工，要求夹持工件后夹具上的一切组成件（如压板、螺栓等）不得与各工序加工刀具的轨迹发生干涉，所以在设计夹具，拟定刀具运动轨迹之前，就要安排好结构布局，否则只能靠减少加工工序来满足加工要求。
所以在很大程度上将影响操作柔性。
3、夹具设计
由于加工中心是在外面工作台站装卸产品后，再进入带防护罩内工作台加工，所以夹具不易使用动力源，只能设计螺栓压板夹紧方式，并且夹紧力大小要均衡，不得使产品变形。
在既要保证工件的最终加工精度又要适应粗加工大切削量的要求下，所以要慎重选择夹紧点、支承点并且夹紧点应尽量接近支承点，避免把夹紧力施加在工件的中空区域。
我们选择的夹紧点在箱体底面裙边凸台上，它们都距支承板较近，强度足够，贴合间隙均在0.03mm以内，工件变形量可忽略不计。
4、工艺设计
发动机箱体是发动机重要零部件之一，结构较为复杂、技术含量高、品种较多。
柔性制造工艺设计原则是多品种、小批量生产。
首先箱体经过粗加工等工序，加工好箱体底面及2-Φ13H7定位销孔后，然后直接进入柔性生产线，机加后续工序。
更换品种时，只需恰当调整夹具、刀具，修改程序中参数值，即可达到柔性生产要求，目前项目设计已经可以满足JL368Q、JL462Q、JL465Q发动机箱体机加生产，并且具备产品柔性和扩充柔性。
工艺方面设计要点：
（1）工序安排先粗后精，先面后孔的工艺原则。
（2）三台设备中，有两台设备的加工工序不分顺序，具备一定操作柔性。
（3）可以同时生产JL368Q、JL462Q、JL465Q缸体。
（4）夹具设计尽量采用半组合方式，便于更换。
（5）刀具设计尽量采用标准刀具，降低成本。
8效益分析
柔性制造工艺是机械制造行业一项新型技术，现在已发展为柔性制造系统，在国外各汽车、摩托车行业广泛使用，日益完善。
从宏观上看，它具有良好的技术效益，将科研与生产合为一体，新产品开发出来后，小批量投人市场，考验市场接受情况，再作专机大批量生产，同时可以为公司培养一批专业人才。
经济效益可以从以下几个方面体现：
1、多品种开发生产
发动机零部件较多，利用柔性制造工艺技术，可以较快实现多品种开发生产，如箱体、缸盖、变速器壳、连杆等，保持小批量生产，为新品发动机试制提供方便，为市场需求变化提供改型条件。
2、避免投资风险
汽车市场竞争日趋激烈，用户要求越来越苛刻，新品种车型是否对路，市场预测风险较大，大量投资建线，生产出的汽车销售不畅对企业来讲是致命的。
那么，运用柔性制造工艺，组建柔性生产线，小批量提供给市场，用户比较满怠后，再批量投入市场，避免专机线投资风险。
3、充分考核新产品的
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