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黃河科技學院畢業(yè)設(shè)計（文獻綜述） 第 6 頁
組合機床
摘要：本文介紹了組合機床的概念、發(fā)展歷史、組成、發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢等內(nèi)容。通過這些對組合機床有一個大致的了解，為設(shè)計做準備。
關(guān)鍵詞：組合機床
1. 前言
組合機床是以通用部件為基礎(chǔ)，配以按工件特定外形和加工工藝設(shè)計的專用部件和夾具，組成的半自動或自動專用機床。
組合機床一般采用多軸、多刀、多工序、多面或多工位同時加工的方式，生產(chǎn)效率比通用機床高幾倍至幾十倍。由于通用部件已經(jīng)標準化和系列化，可根據(jù)需要靈活配置，能縮短設(shè)計和制造周期。因此，組合機床兼有低成本和高效率的優(yōu)點，在大批、大量生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用，并可用以組成自動生產(chǎn)線。
組合機床一般用于加工箱體類或非凡外形的零件。加工時，工件一般不旋轉(zhuǎn)，由工具的旋轉(zhuǎn)運動和刀具與工件的相對進給運動，來實現(xiàn)鉆孔、擴孔、锪孔、鉸孔、鏜孔、銑削平面、切削內(nèi)外螺紋以及加工外圓和端面等。有的組合機床采用車削頭夾持工件使之旋轉(zhuǎn)，由刀具作進給運動，也可實現(xiàn)某些回轉(zhuǎn)體類零件（如飛輪、汽車后橋半軸等）的外圓和端面加工。[1]
2. 組合機床發(fā)展歷史
專用機床是隨著汽車工業(yè)的興起而發(fā)展起來的。在專用機床中某些部件因重復(fù)使用，逐步發(fā)展成為通用部件，因而產(chǎn)生了組合機床。
最早的組合機床是1908年美國福特汽車公司制成的，用于加工汽車零件。1928年，前蘇聯(lián)開始生產(chǎn)組合機床。我國的組合機床制造技術(shù)是從“一五”計劃期間，“一汽”、“洛拖”引進組合機床開始的。1956年3月，當時的第一機械工業(yè)部第二機器管理局批準了第一專業(yè)設(shè)計處（即線大連組合機床研究所的前身，）全面引進了前蘇聯(lián)的組合機床通用部件和設(shè)計指導(dǎo)資料，開始了我國組合機床的創(chuàng)業(yè)階段，并于同年在大連機床廠制造出我國的第一臺組合機床。1961年，又制造出我國第一條組合機床自動線。組合機床設(shè)計制造從“一廠一所”起步發(fā)展到如今一個獨立的配套齊全的行業(yè)。
我國組合機床制造技術(shù)的發(fā)展大體經(jīng)歷以下四個階段：
（1） 引進消化，開創(chuàng)我國組合機床技術(shù)標準體系；
（2） 普及組合機床技術(shù)，發(fā)展形成行業(yè)；
（3） 組織科技攻關(guān)，努力提高組合機床技術(shù)水平；
（4） 柔性制造技術(shù)的發(fā)展，推動了組合機床傳統(tǒng)制造技術(shù)的轉(zhuǎn)變。[2]
3. 組合機床的組成
初期，各機床制造廠都有各自的通用部件標準。為了提高不同制造廠的通用部件的互換性，便于用戶使用和維修，1953年美國福特汽車公司和通用汽車公司與美國機床制造廠協(xié)商，確定了組合機床通用部件標準化的原則，即嚴格規(guī)定各部件間的聯(lián)系尺寸，但對部件結(jié)構(gòu)未作規(guī)定。
通用部件按功能可分為動力部件、支撐部件、輸送部件、控制部件和輔助部件五類。動力部件是為組合機床提供主運動和進給運動的部件。主要有動力箱、切削頭和動力滑臺。
支撐部件是用以安裝動力滑臺、帶有進給機構(gòu)的切削頭或夾具等的部件，有側(cè)底座、中間底座、支架、可調(diào)支架、立柱和立柱底座等。
輸送部件是用以輸送工件或主軸箱至加工工位的部件，主要有分度回轉(zhuǎn)工作臺、環(huán)形分度回轉(zhuǎn)工作臺、分度鼓輪和往復(fù)移動工作臺等。
控制部件是用以控制機床的自動工作循環(huán)的部件，有液壓站、電氣柜和操縱臺等。輔助部件有潤滑裝置、冷卻裝置和排屑裝置等。[3]
為了使組合機床能在中小批量生產(chǎn)中得到應(yīng)用，往往需要應(yīng)用成組技術(shù)，把結(jié)構(gòu)和工藝相似的零件集中在一臺組合機床上加工，以提高機床的利用率。這類機床常見的有兩種，可換主軸箱式組合機床和轉(zhuǎn)臺式組合機床。[4]
4. 組合機床的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢
在科學技術(shù)飛速發(fā)展的今天，先進組合機床的生產(chǎn)技術(shù)亦日新月異，主要有以下發(fā)展趨勢：
（1）組合機床品種的發(fā)展重點
在組合機床這類專用機床用，回轉(zhuǎn)式多工位組合機床和自動線占有很重要的地位。因為這兩類機床可以把工件的許多加工工序分配到多個加工工位上，并同時能從多個方向?qū)ぜ膸讉€面進行加工，此外，還可以通過轉(zhuǎn)位夾具（在回轉(zhuǎn)工作臺機床上）或通過轉(zhuǎn)位、翻轉(zhuǎn)裝置（在自動線上）實現(xiàn)工件的五面加工或全部加工，因而具有很高的自動化程度和生產(chǎn)效率，被汽車、摩托車和壓縮機等工業(yè)部門所采用。
根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料，德國在1990～1992年期間，回轉(zhuǎn)式多工位組合機床和自動線的產(chǎn)量約各占組合機床總數(shù)的50%左右。
應(yīng)指出，回轉(zhuǎn)式多工位組合機床實際上是一種特殊型式的小型自動線，適合于加工輪廓尺寸≤250mm的中小件。與自動線相比，在加工同一種工件的情況下，回轉(zhuǎn)式多工位組合機床所占作業(yè)面積要比自動線約小2/3。[5]
（2）自動線節(jié)拍時間進一步縮短
目前，以大批量生產(chǎn)為特征的轎車和輕型載貨車，其自動機的年產(chǎn)量通常為60萬臺左右，實現(xiàn)這樣大的批量生產(chǎn)，回轉(zhuǎn)式多工位組合機床和自動線在三班運行的情況下，其節(jié)拍時間一般為20～30秒，當零件生產(chǎn)批量更大時，機床的節(jié)拍時間還要更短些。在70年代，自動線要實現(xiàn)這樣短的節(jié)拍，往往要采用并列的雙工位或設(shè)置雙線的辦法，即對決定自動線節(jié)拍的、工序時間最長的加工工序要通過并聯(lián)兩個相同的加工工位，如果限制性工序較多時，則通過采用兩條相同的自動線來平衡自動線系統(tǒng)的加工節(jié)拍。顯然，這樣就要增加設(shè)備投資和作業(yè)面積。
縮短基本時間的主要途徑是采用新的刀具材料和新穎刀具，以通過提高切削速度和進給速度來縮短基本時間。縮短輔助時間主要是縮短包括工件輸送、加工模塊快速引進以及加工模塊由快進轉(zhuǎn)換為工進后至刀具切入工件所花的時間。為縮短這部分空行程時間，普遍采用提高工件（工件直接輸送）或隨行夾具的輸送速度和加工模塊的快速移動速度。[6]
（3）組合機床柔性化進展迅速
十多年來，作為組合機床重要用戶的汽車工業(yè)，為迎合人們個性化需求，汽車變型品種日益增多，以多品種展開競爭已成為汽車市場競爭的特點之一，這使組合機床制造業(yè)面臨著變型多品種生產(chǎn)的挑戰(zhàn)。為適應(yīng)多品種生產(chǎn)，傳統(tǒng)以加工單一品種的剛性組合機床和自動線必須提高其柔性。在70年代，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性有了很大的提高，故到70年代末和80年代初，像Alfing、Huller-Hille和Ex-cell-o等公司相繼開發(fā)出數(shù)控加工模塊和柔性自動線（FTL），從此數(shù)控組合機床和柔性自動線逐年增多。在1988年至1992年間，日本組合機床和自動線（包括部分其他形式的專用機床）產(chǎn)量的數(shù)控化率已達32%～39%，產(chǎn)值數(shù)控化率達35%～51%；德國組合機床和自動線產(chǎn)量的數(shù)控化率為18%～62%，產(chǎn)值數(shù)控化率達45%～66%。這些數(shù)字表明，近十年來，組合機床的數(shù)控化發(fā)展是十分迅速的。應(yīng)指出，進入90年代以來，汽車市場競爭更趨激烈，產(chǎn)品市場壽命進一步縮短，新車型的開發(fā)周期日益縮短（目前一般為35個月），汽車品種不斷增多，因而汽車工業(yè)對柔性自動化技術(shù)裝備的需求量日益增多。如日本豐田汽車公司，在本世紀末的目標是公司下屬工廠的柔性化生產(chǎn)效率的條件下，進一步提高其柔性就愈來愈具有重要意義。[7]
（4）加工精度日益提高
二十世紀70年代以來，隨著可轉(zhuǎn)位刀具、密齒銑刀、鏜孔尺寸自動檢測和刀具自動補償技術(shù)的發(fā)展，組合機床的加工精度也有所提高。銑削平面的平面度可達0.05毫米/1000毫米，表面粗糙度可低達2.5～0.63微米；鏜孔精度可達IT7～6級，孔距精度可達0.03～0.02微米。
特別自80年代中期以來，汽車制造業(yè)為增強其汽車的競爭力，不斷地加嚴其發(fā)動機關(guān)鍵件的制造公差，并通過計算機輔助測量和分析方法，以及通過設(shè)備能力檢驗來提高其產(chǎn)品的質(zhì)量。目前，在驗收組合機床和自動線時，已普遍要求設(shè)備的工序能力系數(shù)要大于1.33，有的甚至要求工序能力系數(shù)要大于1.67，以便確保穩(wěn)定的加工精度。應(yīng)指出，采用Cp≥1.33來驗收設(shè)備，這實際上是加嚴了工件的制造公差，即工件的實際加工公差僅為工件給定公差的1/3～1/2，這無疑是對組合機床和自動線提出了更高的要求。組合機床制造廠為了滿足用戶對工件加工精度的高要求，除了進一步提高主軸部件、鏜桿、夾具（包括鏜模）的精度，采用新的專用刀具，優(yōu)化切削工藝過程，采用刀具尺寸測量控制系統(tǒng)和控制機床及工件的熱變形等一系列措施外，目前，空心工具（HSK）和過程統(tǒng)計質(zhì)量控制（SPC）的應(yīng)用已成為自動線提高和監(jiān)控加工精度的新的重要技術(shù)手段。
空心刀具錐柄是一種采用徑向（錐面）和軸向（端面）雙向定位的新穎工具，其優(yōu)點是具有較高的抗彎剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和很高的重復(fù)精度。在機床上采用空心錐柄的鏜刀，就可使用預(yù)調(diào)的刀具加工出IT7/IT6精密孔。SPC是基于工序能力的用于監(jiān)控工件加工質(zhì)量的一種方法。目前，在自動線上這種質(zhì)量保證系統(tǒng)愈來愈多地被用來對整個生產(chǎn)過程中的加工質(zhì)量進行連續(xù)監(jiān)控。[8]
（5）綜合自動化程度日益提高
近十年來，為進一步提高工件的加工精度和減少工件在生產(chǎn)過程中的中間儲存、搬運以及縮短生產(chǎn)流程時間，將工件加工流程中的一些非切削加工工序（如工序間的清洗、測量、裝配和試漏等）集成到自動線或自動線組成的生產(chǎn)系統(tǒng)中，以實現(xiàn)工件加工、表面處理、測量和裝配等工序的綜合自動化。
（6）自動線可靠性和利用率不斷改善和提高
自動線的經(jīng)濟性只有在其進行連續(xù)生產(chǎn)的情況下才有可能實現(xiàn)。為提高自動線加工過程的可靠性、利用率和工件的加工質(zhì)量，目前在自動線上愈來愈多的采用過程監(jiān)控，快速進行故障診斷和早期預(yù)報加工偏差，使操作人員和維修人員能及時地進行干預(yù)，以縮短設(shè)備調(diào)試周期、減少設(shè)備停機時間和避免加工質(zhì)量偏差。
顯然，提高自動線的利用率和工件加工質(zhì)量是生產(chǎn)控制和監(jiān)控的主要目的。
從目前自動線生產(chǎn)控制和監(jiān)控的內(nèi)容看，生產(chǎn)控制和監(jiān)控系統(tǒng)基本上是由質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)、自動線運行控制與監(jiān)控系統(tǒng)和刀具監(jiān)控系統(tǒng)這幾個部分組成的。[9]
近年來，質(zhì)量監(jiān)控已日益成為現(xiàn)代自動線生產(chǎn)監(jiān)控的重要一環(huán)。這主要是由于汽車工業(yè)不斷提高發(fā)動機質(zhì)量的緣故。各汽車制造廠普遍要求將零件的設(shè)計公差帶壓縮1/3～1/2作為工序公差，對機床能力系數(shù)提出了很高的要求。為此，自動線制造廠為確保設(shè)備具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量，已日益重視應(yīng)用SPC對自動線的生產(chǎn)過程進行連續(xù)監(jiān)控，對加工質(zhì)量偏差的趨向進行早期預(yù)報，以便把工件的加工公差始終控制在預(yù)定的范圍內(nèi)。
現(xiàn)代自動線的過程控制和監(jiān)控不僅包含對變得愈來愈復(fù)雜的自動線的過程控制和對所有終點開關(guān)、電動機保護開關(guān)、節(jié)拍時間、冷卻和潤滑液的供給以及液壓、氣動功能等進行監(jiān)控和診斷，而且還包括對刀具耐用度、設(shè)備維修間隔和工件計數(shù)進行管理，并通過一些直觀的過程圖形顯示、操作指引、故障報警和診斷指示，使操作人員更便于監(jiān)控整個自動線的生產(chǎn)過程。[10]
（7）其他技術(shù)的應(yīng)用動向
在工業(yè)發(fā)達國家的組合機床行業(yè)中，下列技術(shù)得到了較為廣泛的應(yīng)用。
組合機床設(shè)計普及CAD技術(shù)：
在國外許多公司中，組合機床設(shè)計已普遍采用CAD工作站。在設(shè)計室?guī)缀鹾茈y見到傳統(tǒng)的繪圖板。CAD除應(yīng)用于繪圖工作外，并在構(gòu)件的剛度分析（有限元方法）、組合機床及自動線設(shè)計方案比較和選擇，以及方案報價等方面均已得到廣泛應(yīng)用，從而顯著地提高了設(shè)計質(zhì)量和縮短了設(shè)計周期。加之國外許多公司在組合機床和自動線組成模塊方面的系列化和通用化程度很高（一般達90%以上），使組合機床和自動線的交貨期進一步縮短。[11]
推行并行工程：
近十年來，為縮短汽車開發(fā)周期、降低制造費用和提高產(chǎn)品質(zhì)量，世界上許多汽車廠都在積極推行日本豐田汽車公司首創(chuàng)的精益生產(chǎn)方式（Lean Production））。旨在從整體優(yōu)化的觀點合理配置和利用企業(yè)擁有的生產(chǎn)要素，以達到高速、高效、高質(zhì)量和低成本地開發(fā)制造汽車，促使企業(yè)獲得更高的綜合效益。[12]
參考文獻
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