设备选型与设计-发动机及关键零部件制造技术

发动机气缸盖加工线设计初期需要充分考虑生产线的柔性化设计。这不仅要求主要的加工设备（如加工中心）具有柔性化功能，同时要求辅机（如清洗机、试漏机、压装机、机械手和辊道等）都具备相关的柔性化。下面将重点介绍加工中心以及辅机的选型理念。

图2-21 压头支撑杆机械式互锁后固定

图2-22 反作用力作用在弹簧底座和压头支撑上

1.加工中心的选型

加工中心选型是一项细致而复杂的技术性工作，其主要工作内容包括加工对象与内容的确定、机床规格参数（含精度指标）的确定、机床类型与型号的选择、数控系统及数控功能的选择、刀库容量与自动换刀装置的确定、机床附件的选择、工具与配套设备的选择和生产厂家的选择。此外，还要综合考虑车间场地面积、公司现有加工中心类型、操作者与维修工的技术水平、机床厂售后服务、备件供应、机床能耗及环境污染等各方面的情况。

图2-23 导管压头压入导管，导管压装力反作用于座圈压头

图2-24 典型的导管压装力位移曲线

（1）选型原则

1）实用性。实用性是指选用加工中心目的要明确，用来解决生产中哪一个或哪几个问题。

2）经济性。经济性是指选用的加工中心要求在满足产品加工要求的前提下，所支付的代价是最经济的或较为合理的。

3）可操作性。可操作性是指要求选用的加工中心要与本企业的操作和维修水平相适应。

4）稳定可靠性。稳定可靠性是指机床本身的质量好，性能稳定。要求选用知名厂家的定型名牌产品，以保证机床工作时稳定、可靠。

5）统一性。统一性是指在满足产品工艺要求的前提下，尽可能选择公司已有的知名厂家的名优产品机型，以减少设备机型数量，有利于企业设备管理。

（2）选型思路 选型思路如图2-25所示。

图2-25 选型思路

（3）机型选择

1）机床规格选择。按需要加工的零件选择机床规格。加工中心主要规格参数有工作台尺寸、坐标轴与联动轴数量、坐标行程等。如果加工中心主要用于粗加工，则主轴功率与转矩也是选型要考虑的重要参数；如是仅用于精加工，则需考虑主轴转速及进给速度范围、加工中心定位精度、重复定位精度和铣圆精度等技术参数。所加工零件的材料同样是考虑的重要因素，铸铁材料的气缸体需要选择低转速、高功率、高转矩的加工中心，而铝合金材料的气缸盖则需要选择高转速、低功率、低转矩的加工中心。

2）机床类型选择。按零件结构特征选择，对于箱体类、板盖类和型腔模具类零件，如果加工余量小（精加工），而且以单面孔系或内、外侧轮廓加工为主，工序集中的，则一般选用立式加工中心；对于箱体类、壳体类和异型类零件，如果加工余量小（精加工），而且以多面孔系加工为主，工序集中且复杂的，则一般选用卧式加工中心。

（4）参数选择

1）工作台尺寸。工作台尺寸是加工中心的主参数，主要取决于典型零件的外廓尺寸和装夹方式等。应选比典型零件稍大一些的工作台，以便留出安装夹具所需的空间，还应考虑工作台的承载能力，承载能力不足时应考虑加大工作台的尺寸，以提高承载能力。

2）坐标轴的行程。最基本的坐标轴是X、Y、Z，其行程和工作台尺寸有相应的比例关系。工作台的尺寸基本上决定了加工空间的大小。如果个别工件的尺寸大于机床坐标行程，则必须要求工件的加工区域处在机床的行程范围内。

3）主轴电动机功率与转矩 主轴电动机功率与转矩反映了数控机床的切削效率，也从一个侧面反映了机床的刚性。同一规格的不同机床，电动机功率可以相差很大，应根据工件毛坯余量、所要求的切削力、加工精度和刀具等进行综合考虑。

4）主轴转速与进给速度 需要高速切削或超低速切削时，应关注主轴的转速范围。特别是当高速切削时，既要有高的主轴转速，还要具备与主轴转速相匹配的进给速度。

（5）精度选择 机床的精度等级主要根据典型零件关键部位的精度来确定，主要是定位精度和重复定位精度等。数控精度通常用定位精度和重复定位精度来衡量，特别是重复定位精度，它反映了坐标轴的定位稳定性，是衡量该轴是否稳定、可靠工作的基本指标。特别值得注意的是，选型订货时必须全面分析，不能简单地看产品样本所列的精度数值，因为标准不同、规定数值不同、检测方法不同，数值的涵义就不同。刊物、样本和合格证所列出的单位长度上允许的正负值（如±0.01/300）通常是不明确的，订货时要特别注意，一定要弄清是ISO标准、VDI/DGQ344182（德国标准）、JIS（日本标准）还是NMTBA（美国标准），进而分析不同标准所规定的检测计算方法和检测环境条件，才不会产生误解。

数控精度对加工质量有举足轻重的影响，同时要注意加工精度与机床精度是两个不同的概念。将生产厂样本上或产品合格证上的位置精度当作机床的加工精度是错误的。样本或合格证上标明的位置精度是机床本身的精度，而加工精度是包括机床本身所允许误差在内的整个工艺系统各种因素所产生的误差总和。整个工艺系统的误差，原因是很复杂的，很难用线性关系定量表达。在选型时，可参考工序能力指数Cpk的评定方法作为精度的选型依据。一般说来，该指数的计算结果应大于1.67。

（6）数控系统选择 数控系统价格在整机价格中所占的比例较大，系统配置不同，价格会相差很大，订购时可根据产品要求选择数控系统。目前，国内加工中心配置的数控系统多为SIEMENS系统和FANUC系统，也有国产的华中数控系统。总体来讲，FANUC系统的性价比较高，界面已全中文化，编程操作容易被操作者所接受，建议优选考虑。同一公司生产的数控系统又有很多系列、型号不同的产品，选择时可以从控制方式、驱动形式、反馈形式、检测与测量、用户功能、操作方式、接口形式和故障诊断等方面去衡量。数控系统的功能一定要根据机床的性能需要来选择，订购时既要把需要的功能订全，不能遗漏，同时要避免使用率不高而造成浪费，还需注意各功能之间的关联性。多台机床选型时，尽可能选用同一厂家的数控系统，这样操作、编程、维修都比较方便。

数控系统还要根据产品轮廓特征及加工精度要求来选择，如果零件加工需要四轴联动完成，则选择三轴联动系统就可能达不到加工要求；同样，只需三轴联动的，如果选择四轴联动的系统，则会增加购置成本。加工中心用数控系统按控制精度分为普通级和精密级，按伺服特性分为半闭环和全闭环两种，如果产品精度要求不要很高，则一般选普通级的半闭环数控系统就可满足要求；如果选择精密级全闭环系统，则会造成很大浪费。总之，数控系统选择要注意工艺要求和资金需求平衡。

（7）自动换刀装置（ATC）和刀库容量选择ATC的工作质量和刀库容量直接影响机床的使用性能、质量及价格。刀库容量以满足一个复杂加工零件对刀具的需要为原则。应根据典型工件的工艺分析算出加工零件所需的全部刀具数，由此来选择刀库容量。ATC的选择主要考虑换刀时间与可靠性。换刀时间短可提高生产率，但换刀时间短，一般换刀装置结构复杂、故障率高、成本高，因此过分强调换刀时间会使价格大幅度提高并使故障率上升。据统计，加工中心的故障中约有50%与ATC的工作质量有关。因此，在满足使用要求的前提下，尽量选用结构相对简单和可靠性高的ATC，以降低故障率和整机成本。

刀库容量有16、20、24、30、40、60、80至上百把等多种规格。根据不同设备厂家的不同型号设备刀库容量有所不同。容量的选择通常以满足典型工件一次装夹中所需刀具数量来确定。对中小型加工中心而言，根据经验一般立式加工中心选用20把左右刀具容量的刀库，卧式加工中心选用40把左右刀具容量的刀库，即可满足绝大多数零件加工需要。刀库容量不宜选得太大，否则会导致成本高、结构复杂、故障率也高，刀柄管理也更复杂。如果零件复杂，既有粗加工也有精加工，全部加工内容所需刀柄数量超过经济刀库容量，建议分成两台或三台机床来完成，粗加工安排在普通机床加工，精加工才安排在加工中心上加工，这样有利于生产线均衡节拍，也可降低设备投资费用。

（8）冷却方式的选择 冷却装置形式较多，部分带有全防护罩的加工中心配有大流量的淋浴式冷却装置，有的配有刀具内冷装置（通过主轴的刀具内冷方式或外接刀具内冷方式），部分加工中心上述多种冷却方式均有配置。精度较高、特殊材料或加工余量较大的零件，在加工过程中必须充分进行冷却，否则加工引起的热变形将影响精度和生产效率。一般应根据工件、刀具及切削参数等实际情况进行选择。

（9）工作台和夹具的选择 为了提高机床利用率，可选择双交换工作台（见图2-26），以便机床正常工作时仍可在交换工作台上安装工件。快换夹具如图2-27所示。

图2-26 双交换工作台

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图2-27 快换夹具

（10）生产厂家选择 优先选择信誉好、产品质量过硬、重视产品售前售后服务的企业产品，这对不了解加工中心的用户尤为重要。如果用户对加工中心不了解，则建议选择能协助用户对典型工件作工艺分析，进行加工、可行性工艺试验及承担成套技术服务，包括工艺装备设计、程序编制、安装调试、工件试切直至全面投入生产等交钥匙工程的生产厂家。在以后的设备运行过程中，信誉服务好的企业还能提供优质的备件、技术咨询和设备故障诊断服务。

（11）选型注意事项

1）优化设备选型，减少设备机型。如果公司以前没有加工中心，则建议多调查、多比较之后选择国内外知名机床和可靠性高的数控系统。如果采购数量多，则最好选同种型号的机床。千万不要选择机床厂试制的新产品，而应是深受用户好评的定型产品。如果本厂已有加工中心，而且实践证明机型性能质量好、可靠性高、以前选型合理，则在满足典型零件加工要求的前提下，尽可能选择公司现有机型和数控系统，这有利于企业设备管理，降低成本，提高效率。

2）统筹兼顾，考虑周全 很多企业加工中心之所以开机率不高，有相当一部分是由于对加工中心不熟悉，选购时考虑不全有关，如缺乏配套的设施、必要的附件、备件、工具或刀具，技术资料不全，设备操作者和维修工没有经过必要的培训，对机床不熟悉等。

3）选购前一定要进行技术经济分析论证，减少投资盲目性 选购前要判断所需加工的典型零件是否为加工中心最适合的加工零件。一般加工中心适合箱体类零件、壳体类零件和复杂曲面零件的加工，如需三轴、四轴、五轴联动的空间曲面零件。根据产品加工精度要求判断是否必须购置加工中心，凡能用普通机床达到加工要求的尽量不用加工中心，能用数控铣床达到要求的也不选加工中心，除非另有原因。根据加工内容估算典型零件加工节拍，计算投资回报周期。与普通机床从生产效率、加工质量及稳定性、设备购置成本、使用成本、产品批量特点与品种更换成本、劳动强度与节能环保等各方面进行综合对比，看谁综合效益高，投资回报周期短。对有些零件非用加工中心才能保证产品质量稳定的或生产效率的，也要选好机床型号规格、数控系统功能和刀库与刀具交换装置，在满足零件加工要求的前提下，尽量降低购置成本。

总而言之，加工中心选型实际上是一个综合运用机械加工工艺知识、数控知识和管理知识进行风险决策的过程，需要通过反复比较才能不断优化，直至选出符合要求的机型。

图2-28 座圈导管压装机

2.辅机的选型

加工设备在气缸体、气缸盖生产线中起着极其关键的作用，而辅机（如装配机、清洗机、试漏机等）在气缸体气缸盖生产线中同样具有举足轻重的作用。面对目前新产品更新换代速度的加快以及消费者对市场需求的多样化，辅机在具备必要的技术要求的前提下，其柔性化和模块化则表现得尤为突出。

如图2-28～图2-30所示，无论是压装机、清洗机还是试漏机，均采用机器人上、下料的方式，通常机器人位于设备的内部，各个工位位于机器人工作半径范围之内的圆周上来完成压装、清洗和试漏等功能。

图2-29 清洗机

图2-30 试漏机

3.设备选型重要指标

（1）平均故障间隔时间 平均故障间隔时间（Mean Time Between Failure，MTBF）是指系统两次故障发生时间之间的时间段的平均值。MTBF=Σ（T₂+T₃+T₁）/N

图2-31 设备技术效率

图2-32 设备技术效率的计算

（2）故障平均修复时间 故障平均修复时间Mean Time To Repair，MTTR是指系统从发生故障到维修结束之间的时间段的平均值。MTTR=Σ（T₂+T₃）/N

（3）设备技术效率 设备技术效率（见图2-31）对于设备的选型是非常重要的一个技术指标，同时决定了设备每小时的实际产量。如图2-32所示，详细解释设备技术效率的计算过程。图2-32中，黄色部分为需要设备供应商填写的部分，蓝色部分为自动计算的部分，计算公式为

1）每个工件每个砂轮的修整时间1.3.3=1.3.2/1.3.1。

2）每个工件总的修整时间1.3.4=1.3.3×W₁+1.3.3×W₂+1.3.3×W₃。

3）总的加工时间1.5=1.1+1.2+1.3.4。

4）每个工件加工时间1.6=1.1+1.2+1.3.4/1.4。

5）每个工件平均更换时间3.4=3.2/3.1。

6）换刀7.1=c%=c×100/（a+b+c+d+e+f）。

7）每个工件平均保养时间4.4=4.2/4.1。

8）设备保养7.2=d%=d×100/（a+b+c+d+e+f）。

9）每个工件平均计划性维修时间5.4=5.2/5.1。

10）计划性维修7.3=e%=e×100/（a+b+c+d+e+f）。

11）每个工件故障时间6.3=6.2×1.6/6.1。

12）故障统计分析7.4=f%=f×100/（a+b+c+d+e+f）。

13）技术效率TE=100%-c%-d%-e%-f%。

14）每小时产量JPH=60/1.6。