基于柔性單元建設(shè)方案的設(shè)計(jì)應(yīng)用

孫大偉 黃少龍

（中航工業(yè)慶安集團(tuán)有限公司2廠，西安 710077）

1 柔性單元的建設(shè)現(xiàn)狀

柔性單元于2021年完成建設(shè)，已經(jīng)完成了招標(biāo)并進(jìn)行了大量的前期技術(shù)準(zhǔn)備工作。柔性單元主要服務(wù)于X10、X20、X15等機(jī)型核心零件的產(chǎn)出，而這幾種機(jī)型作動器產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)具備很強(qiáng)的工藝成組性。為滿足逐年遞增的任務(wù)量，解決產(chǎn)出瓶頸，滿足配套需求，需建設(shè)柔性生產(chǎn)單元[1]。

2 柔性單元的建設(shè)方案

2.1 建線原則

項(xiàng)目籌建前期，團(tuán)隊(duì)調(diào)研了7家航空航天企業(yè)10條柔性生產(chǎn)單元的建設(shè)情況，結(jié)合各家經(jīng)驗(yàn)梳理了慶安建設(shè)柔性單元的原則。

原則一，能夠切實(shí)解決產(chǎn)能瓶頸。慶安建設(shè)柔性單元必須要切實(shí)解決產(chǎn)能瓶頸，助力企業(yè)產(chǎn)出，杜絕項(xiàng)目變成演示工程。

原則二，進(jìn)線零件具備一定產(chǎn)量。線內(nèi)零件產(chǎn)量過少，柔性線無法高效運(yùn)行，柔性單元建成后大部分時間處于停工狀態(tài)，且產(chǎn)量過低會導(dǎo)致進(jìn)線成本大于柔性線運(yùn)行后帶來的收益。

原則三，進(jìn)線零件制造成熟度高。若制造成熟度低，會導(dǎo)致產(chǎn)出過程不穩(wěn)定。柔性生產(chǎn)線運(yùn)行后不能頻繁停工，自動化柔性線停工調(diào)整、換產(chǎn)難度大。產(chǎn)線的運(yùn)行包含很多加工工序和加工內(nèi)容，且換產(chǎn)需要的準(zhǔn)備工作、機(jī)床和機(jī)械臂的調(diào)整工作很多，頻繁停工不能發(fā)揮柔性線持續(xù)、高效的運(yùn)行特點(diǎn)[2]。

2.2 建設(shè)指標(biāo)

分析行業(yè)現(xiàn)狀和生產(chǎn)線的自身需求，建設(shè)柔性單元必須滿足年產(chǎn)16 250件零件、設(shè)備利用率不低于80%、120 h連續(xù)加工且無人值守，一次質(zhì)量通過率不低于90%等指標(biāo)。

2.3 進(jìn)線零件的選擇

一方面，基于建線原則一分析。生產(chǎn)單位面臨的產(chǎn)能瓶頸主要有鋼件的銑削能力、磨削能力及電加工能力3類。其中，鋼件的銑削能力緊迫度最高，建設(shè)柔性單元需要先解決鋼件銑削能力的產(chǎn)能瓶頸。

另一方面，基于建線原則二和建線原則三分析。從鋼件的銑削能力中選擇具備一定產(chǎn)量且制造成熟度高的零件進(jìn)線。基于工藝成組性分類原則，鋼件銑削產(chǎn)量最大的零件為旋轉(zhuǎn)作動器殼體。旋轉(zhuǎn)作動器殼體的零件任務(wù)量從2017年到2020年逐年遞增，2020年生產(chǎn)任務(wù)為9 072件。按照機(jī)型發(fā)展規(guī)律來看，未來任務(wù)量會逐年遞增。

旋轉(zhuǎn)作動器殼體類的零件在公司已經(jīng)發(fā)展十多年，加工方法、工藝流程、生產(chǎn)管理已經(jīng)穩(wěn)定、成熟，應(yīng)用的產(chǎn)品多數(shù)（X10、X20機(jī)型）已經(jīng)轉(zhuǎn)P型正在批量交付，制造成熟度相對較高。選擇旋轉(zhuǎn)作動器殼體作為首先進(jìn)入柔性單元的零件較為合適，其中以X10、X20機(jī)型為主，主要包含42種零件[3]。

旋轉(zhuǎn)作動器殼體類的加工能力，如圖1所示

圖1 旋轉(zhuǎn)作動器殼體類的加工能力

2.4 加工現(xiàn)狀

旋轉(zhuǎn)作動器殼體的廠內(nèi)銑削內(nèi)容主要包括7部分，分別為銑一側(cè)耳片（A），銑另一側(cè)耳片（B），銑外形、一側(cè)內(nèi)腔、筋板并刻箭頭（C），銑另一側(cè)內(nèi)腔和刻箭頭（D），鉆孔（E），锪孔（F），刻字（G）。

以204車間的4臺立加為主來加工上述工序。由于生產(chǎn)任務(wù)大幅提高，無法滿足產(chǎn)能需求。為提高產(chǎn)能，204車間的M35車銑復(fù)合以及多個車間的立加（2臺201、1臺205、1臺206）協(xié)助加工。

2.5 進(jìn)線可行性分析及關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證

2.5.1 工藝流程的標(biāo)準(zhǔn)化

進(jìn)線的42種零件為結(jié)構(gòu)相似件，但是由于相似零件的設(shè)計(jì)員不同，設(shè)計(jì)圖紙要求不同，工藝員不同，工藝路線、工藝方法各不相同，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相似零件的生產(chǎn)方式不同[4]。

2.5.2 加工刀具分析

經(jīng)過工藝標(biāo)準(zhǔn)化工作，銑削工序使用的刀具主要為通用銑刀，刀具數(shù)量少，刀具通用性、互換性強(qiáng)，對刀庫、刀具準(zhǔn)備要求不高，利于建單元。唯一的技術(shù)難點(diǎn)在確定刻字工序所用的0.5 mm銑刀壽命，為此項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了壽命驗(yàn)證工作，同時采用氣動增速刀柄，將刀具轉(zhuǎn)速提高到50 000 r·min-1。經(jīng)調(diào)試，最終所選刀具的壽命完全能夠滿足120 h無人值守運(yùn)行的要求。一把0.5 mm銑刀能夠完成240多個零件的刻字加工。

2.5.3 尺寸精度分析

經(jīng)過工藝標(biāo)準(zhǔn)化工作，銑削工序的尺寸測量方式以“卡尺+R規(guī)+三坐標(biāo)”為主，精度要求適中，合格率高，適合建單元。

旋轉(zhuǎn)作動器殼體的公差等級如下。

長度尺寸：±0.05 mm、±0.07 mm、0.14 mm、±0.10 mm、±0.15 mm、0.20 mm、±0.20 mm、±0.31 mm、±0.37 mm（0.10 mm及以上）。

角度尺寸：±15′、±20′、±30′（30′及以上）。

倒角倒圓尺寸：0.4 mm、±0.2 mm、±0.3 mm、±1.0 mm、±2.0 mm（0.4 mm及以上）。

粗糙度 ：1.6 μm。

2.5.4 夾具分析

夾具決定了所選零件能否順利進(jìn)線。柔性單元120 h的運(yùn)行過程全程無人參與，且所選零件的加工內(nèi)容涵蓋了零件的6個方向，所以在線內(nèi)需要實(shí)現(xiàn)自動裝夾、自動翻轉(zhuǎn)、自動換型及自動除屑，同時要保證足夠的精度，對夾具的要求極高[5]。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳細(xì)的方案設(shè)計(jì)和實(shí)物驗(yàn)證過程，在此僅對經(jīng)過驗(yàn)證的4種方案的結(jié)果進(jìn)行分析。

方案1：液壓夾具方案，即自制夾具本體、安裝座、外購油缸、管路及保壓閥門，組裝后試加工。該方案壓力可調(diào)，可以適應(yīng)機(jī)床和三坐標(biāo)的不同要求。行程范圍大，一套夾具可以兼容多種零件。壓力極限范圍大，根據(jù)切削力的不同，可以柔性設(shè)置不同的漲緊力。但是，該方案的液壓系統(tǒng)需要保養(yǎng)，油泵系統(tǒng)的質(zhì)量會制約夾具壽命。夾具種類的切換存在一個關(guān)鍵零部件——保壓閥門，其質(zhì)量和壽命會制約夾具的裝夾效果，需要進(jìn)行耐久實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，保壓閥門周圍的環(huán)境質(zhì)量會影響夾具切換，必須保持清潔無鐵屑，因此需要在位置機(jī)床平臺上設(shè)計(jì)專門的清潔裝置。

方案2：模塊化組合夾具方案，即自制底座、心軸、定位塊、外購模塊化壓板，組裝后試加工。該方案采用模塊化結(jié)構(gòu)，夾具整體柔性度高，后期拓展性好。定位方式是傳統(tǒng)的一面兩銷結(jié)構(gòu)，6個方向自由度限制穩(wěn)定、可靠。但是，該方案結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)線內(nèi)42種零件的混線生產(chǎn)需要配備300多個模塊。夾具上不同模塊與零件之間的間隙可能積累鐵屑，給夾具換產(chǎn)帶來風(fēng)險(xiǎn)。一套夾具包括地板和3個模塊，每次裝夾前需要先完成模塊的安裝再裝夾零件，會影響生產(chǎn)節(jié)拍。

方案3：隨行夾具方案，即自制心軸、外購零點(diǎn)定位器進(jìn)行試加工。夾具剛性好，定位結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、直接。裝夾方向的切換是各個方案中最簡易的方案，有利于零件換產(chǎn)。但是，該方案夾具配套的隨行心軸的數(shù)量與無人加工的時間成正比，120 h無人值守需要250+的心軸。此外，進(jìn)線前需人工將心軸與零件預(yù)安裝，進(jìn)線前的準(zhǔn)備工作量大。

方案4：成品夾具，即向德國夾具廠家漢伯格采購成品夾具。成品夾具是經(jīng)過各個廠家多年使用驗(yàn)證的，穩(wěn)定、可靠。整套夾具由零點(diǎn)定位器、過度盤以及漢伯格夾具構(gòu)成，只有過度盤是自制，其他全部采購成品，整體結(jié)構(gòu)簡單、可靠且壽命長。但是，它的成本高昂，成本接近所能承受的極限。此外，它的柔性度差，只能解決目前的42種零件，其他零件適用此夾具的可能性不大[6]。

檢測設(shè)備選型時，基于單元內(nèi)加工零件的檢測需求，提出檢測設(shè)備的選型方案，經(jīng)設(shè)備廠商（?？怂箍?、蔡司、溫澤等）調(diào)研及交流，結(jié)合現(xiàn)場三坐標(biāo)的使用效果確定技術(shù)要求及推薦的機(jī)型（蔡司776）。

針對檢測設(shè)備和機(jī)加設(shè)備工裝共用形成完整方案。4類驗(yàn)證方案中，除組合夾具方案無法調(diào)整夾緊力，其余均可根據(jù)檢測要求柔性調(diào)整夾緊力，滿足企標(biāo)對檢測裝夾的要求。

2.6 整體方案設(shè)計(jì)及優(yōu)化

基于核心技術(shù)驗(yàn)證和各供應(yīng)商方案的分析，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)匯總各家方案優(yōu)勢詳細(xì)分析了加工節(jié)拍、自動化流程以及電器電路等方面，完成了單元的最終場景設(shè)計(jì)。柔性生產(chǎn)單元布局，如圖2所示。

圖2 柔性生產(chǎn)單元布局

3 柔性單元的建設(shè)效果

單元建成后，加工過程全流程閉環(huán)管控，2名工人一次準(zhǔn)備，120 h無人值守，完成42種零件的混線加工及檢測，具備加工、清洗、檢測、生產(chǎn)節(jié)拍控制、流程數(shù)據(jù)跟蹤、刀具壽命監(jiān)控以及零件超差預(yù)警等功能，解決產(chǎn)能瓶頸的同時，建成同行業(yè)中高水準(zhǔn)的柔性生產(chǎn)單元。

4 結(jié)語

自動化生產(chǎn)線要滿足多品種、小批量生產(chǎn)要求最重要的工作不是建設(shè)適合的產(chǎn)線，而是建成后如何高效利用，使之成長為柔性線。配置專業(yè)團(tuán)隊(duì)持續(xù)擴(kuò)展進(jìn)線零件的種類，研究適應(yīng)性更好的標(biāo)準(zhǔn)化工裝，提高中央刀庫的利用效率，研究提高設(shè)備利用率的動作執(zhí)行方案及滿足自動化加工的質(zhì)量控制方案。這些方案都是非標(biāo)定制，因企業(yè)而異，集成商只能實(shí)現(xiàn)自動化，要實(shí)現(xiàn)柔性化只能靠自己的技術(shù)團(tuán)隊(duì)。團(tuán)隊(duì)要具備隨時將產(chǎn)線打散重建的能力，要結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)化操作、成組化工藝、族群化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全價值流的高效運(yùn)作。