近年來(lái)，隨著太鋼150萬(wàn)不銹鋼技改投入力度的加大，太鋼設(shè)備安裝公司先后購(gòu)置了多臺(tái)價(jià)格昂貴的大型數(shù)控加工設(shè)備。這些新設(shè)備功能強(qiáng)、效率高、誤差小，在一定程度上改變了公司數(shù)控加工能力不足的被動(dòng)局面，對(duì)非標(biāo)設(shè)備制作質(zhì)量有了一定的提高。但一年多來(lái)對(duì)這些新設(shè)備的應(yīng)用并不理想，機(jī)床加工效率較低，主軸切削運(yùn)轉(zhuǎn)率不足40％，也就是說(shuō)，在每天的大部分工作時(shí)間內(nèi)，機(jī)床并未在切削工件，數(shù)控機(jī)床潛在的加工能力并未得到充分發(fā)揮。如何使用好這些價(jià)格昂貴的數(shù)控設(shè)備，提高設(shè)備利用率和實(shí)現(xiàn)高效率加工，已成為我們不能回避和必須認(rèn)真解決的問(wèn)題。應(yīng)用多零件加工數(shù)控技術(shù)是提升數(shù)控設(shè)備應(yīng)用水平的有效途徑之一。
1 多零件加工技術(shù)及其應(yīng)用現(xiàn)狀
在多品種、大批量生產(chǎn)模式的數(shù)控加工中，應(yīng)用多零件加工技術(shù)，可以較大幅度地降低加工過(guò)程中的生產(chǎn)輔助時(shí)間，提高主軸切削運(yùn)轉(zhuǎn)率，從而提高數(shù)控設(shè)備利用率和加工效率。同時(shí)，對(duì)于外形輪廓復(fù)雜的板料類零件，還可以利用套裁排料的方法，提高材料的利用率，降低生產(chǎn)成本。所謂多零件加工，就是利用數(shù)控機(jī)床固有的加工能力和功能，實(shí)現(xiàn)多個(gè)相同或不同工件一次同時(shí)裝夾后連續(xù)完成自動(dòng)加工。
多零件加工技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，特別是宇航、汽車制造業(yè)數(shù)控加工中得到了較廣泛的應(yīng)用，包括采用帶有轉(zhuǎn)動(dòng)工作平臺(tái)、可安裝立碑式夾具的四五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工中心或帶有較大臺(tái)面可翻轉(zhuǎn)工作臺(tái)的臥式加工中心機(jī)床。在國(guó)內(nèi)，包括太鋼設(shè)備安裝公司在內(nèi)的一些制造企業(yè)對(duì)多零件加工技術(shù)已有一定程度的應(yīng)用，但一般還只限于在同一塊毛料上，一次加工出多個(gè)尺寸較小的同一零件，在加工中，只是由操作人員簡(jiǎn)單地重復(fù)每條加工程序，并未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化連續(xù)加工，其目的僅是為了實(shí)現(xiàn)零件的套裁和解決因毛料尺寸小無(wú)法裝夾找正的問(wèn)題。
但是，對(duì)多個(gè)不同零件，特別是大型零件的多零件加工，國(guó)內(nèi)還未見(jiàn)成功應(yīng)用的記錄和實(shí)例，可以認(rèn)為，在該領(lǐng)域開(kāi)展相關(guān)研究，掌握并應(yīng)用好此技術(shù)，是提高數(shù)控設(shè)備利用率和加工效率的又一個(gè)重要技術(shù)途徑。
根據(jù)太鋼設(shè)備安裝公司新購(gòu)置的2臺(tái)高速加工中心數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)尺寸較大的特點(diǎn)，我們開(kāi)展了多零件加工技術(shù)的應(yīng)用研究，并已成功地將之應(yīng)用于連鑄機(jī)非標(biāo)件、冷軋機(jī)等非標(biāo)件的加工。
2 實(shí)現(xiàn)多零件數(shù)控加工的關(guān)鍵問(wèn)題
在一臺(tái)加工中心數(shù)控機(jī)床上成功實(shí)現(xiàn)多零件加工，需要解決以下關(guān)鍵問(wèn)題。
2.1 編制規(guī)范化的典型工藝規(guī)程
目前，太鋼設(shè)備安裝公司結(jié)構(gòu)件的數(shù)控加工項(xiàng)目多，批量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，形狀差別大，抽象總結(jié)出某類零件的加工特點(diǎn)和共性，編寫出通用性強(qiáng)的典型零件加工指令難度很大。但是，為開(kāi)展多零件加工技術(shù)，必須結(jié)合機(jī)加零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和加工機(jī)床的功能，對(duì)典型零件加工指令的編制進(jìn)行規(guī)范化。確定基本標(biāo)準(zhǔn)化的工藝方案，編制加工內(nèi)容統(tǒng)一的數(shù)控程序，采用統(tǒng)一規(guī)范、合理的切削參數(shù)(如使用規(guī)定的程序號(hào)、工件坐標(biāo)系、刀具號(hào)、刀庫(kù)配置數(shù)據(jù)、種類及規(guī)格統(tǒng)一的刀具，統(tǒng)一規(guī)范的進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速等)是實(shí)現(xiàn)多零件加工的基本工作，歸納起來(lái)說(shuō)，編制規(guī)范化的典型工藝規(guī)程是成功實(shí)現(xiàn)多零件加工的基礎(chǔ)。
2.2 實(shí)現(xiàn)多零件合理布局
通常，不同零件毛料的外形尺寸各不相同，特別是真空銑具的幾何尺寸很大，如何實(shí)現(xiàn)工件在機(jī)床工作臺(tái)上的合理分布，利用好機(jī)床的有限資源是提高加工效率的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)多零件加工的前提。在這里必須考慮和解決的問(wèn)題有：在充分利用機(jī)床工作臺(tái)有效幾何尺寸的前提下，結(jié)合不同零件加工特點(diǎn)的分析，合理確定和定義加工工藝相近的若干個(gè)零件作為一個(gè)“加工組”，并合理布局零件在機(jī)床工作臺(tái)面上的位置。同時(shí)，要充分利用系統(tǒng)控制功能和基于高加工效率原則來(lái)合理劃分，確定加工路線和工作流程。
2.3 解決自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行和工件坐標(biāo)系自動(dòng)設(shè)置
多零件數(shù)控加工必須實(shí)現(xiàn)加工程序的自動(dòng)連續(xù)運(yùn)行，按照已規(guī)定好的內(nèi)容和程序號(hào)進(jìn)行加工，只有這樣，才能保證在試制期間，特別是以后加工程序優(yōu)化更改時(shí)不會(huì)造成混亂。同時(shí)，必須實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)和五坐標(biāo)加工程序間的連續(xù)自動(dòng)運(yùn)行。此外，還必須實(shí)現(xiàn)不同零件加工程序的自動(dòng)連接和不同零件加工時(shí)工件坐標(biāo)系的自動(dòng)設(shè)定。這是實(shí)現(xiàn)多零件連續(xù)自動(dòng)加工的關(guān)鍵。
2.4 確定合理的加工參數(shù)
結(jié)合機(jī)床和零件的加工特點(diǎn)，在每一個(gè)工序、每一個(gè)工位確定好每一把刀的切削參數(shù)，減少加工過(guò)程中的人為干預(yù)，最終達(dá)到自動(dòng)化加工的目的，這是保證產(chǎn)品質(zhì)量和降低設(shè)備故障率，實(shí)現(xiàn)多零件加工的重要環(huán)節(jié)。
3 多零件數(shù)控加工的技術(shù)實(shí)踐
3.1 加工試驗(yàn)
某連鑄件共有結(jié)構(gòu)相近的機(jī)加零件30項(xiàng)，毛料均為板材，尺寸為700mmX420mm至2 200mmx670mm不等，厚度為48Inln和76lnln兩種規(guī)格，加工機(jī)床為HPs__4B臥式高速銑加工中心，配有臺(tái)面尺寸為4 032mm*2 032 mm兩個(gè)工作臺(tái)。經(jīng)分析認(rèn)為，無(wú)論是零件類型還是加工機(jī)床，均適合用多零件加工技術(shù)來(lái)提高機(jī)床的主軸切削運(yùn)轉(zhuǎn)率。
按正常的加工方法，對(duì)其中一項(xiàng)零件172A3401--2的數(shù)控加工時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)。其中，平均主軸切削運(yùn)轉(zhuǎn)率為47.4％；非切削時(shí)間占整個(gè)加工時(shí)問(wèn)的52．6％。
因此，要提高生產(chǎn)效率，一方面要不斷地完善工藝方法和加工程序，提高有效的切削效率；另一方面要通過(guò)改變生產(chǎn)方式來(lái)減少裝夾時(shí)間和毛料、刀具配套時(shí)間，縮短生產(chǎn)輔助周期。為此，在裝夾零件方面做了如下兩個(gè)試驗(yàn)：
實(shí)驗(yàn)一：同時(shí)裝夾準(zhǔn)備2件零件，共用了175 min。平均裝夾每件零件用87.5 min，比裝夾1件零件少用了57.5 min。
實(shí)驗(yàn)二：同時(shí)裝夾準(zhǔn)備3件零件，共用了180 min。平均裝夾每件零件用60 min，比裝夾1件零件少用了85 min。所以，在機(jī)床工作臺(tái)允許的前提下，一次裝夾同類型零件的數(shù)量越多，平均每件零件發(fā)生的準(zhǔn)備工時(shí)越少。
3.2 具體應(yīng)用
通過(guò)分析，總結(jié)完善現(xiàn)有同類型零件的加工方案和典型零件的試加工，并在多零件數(shù)控加工技術(shù)試驗(yàn)結(jié)果基礎(chǔ)上，最后選定連鑄機(jī)扇形段結(jié)構(gòu)件開(kāi)展和實(shí)施如下相關(guān)技術(shù)工作：
3.2.1 確定零件的加工方案和加工組
選定的12個(gè)扇形段結(jié)構(gòu)件，將在2臺(tái)HPS-_4B臥式高速加工中心機(jī)床上實(shí)施多零件數(shù)控加工技術(shù)。每臺(tái)機(jī)床承擔(dān)6個(gè)，其中一個(gè)工作臺(tái)利用通用平臺(tái)裝夾加工第一個(gè)面，另一個(gè)平臺(tái)裝夾具加工第二個(gè)面，考慮到程序組織和機(jī)床硬件的實(shí)際情況，12個(gè)零件每3個(gè)作為1個(gè)alto組。其中毛料厚度及零件厚度相近，且與其他零件差別較大的零件安排為1個(gè)加工組。
3.2.2 確定連續(xù)自動(dòng)加工方法
目前，數(shù)控設(shè)備實(shí)現(xiàn)連續(xù)自動(dòng)加工的方法有兩種：一是通過(guò)各子程序首尾串聯(lián)；二是通過(guò)一條主程序調(diào)用各子程序。結(jié)合太鋼設(shè)備安裝公司的技術(shù)水平和數(shù)控加工的實(shí)際情況，選用后一種加工方法。同時(shí)，利用數(shù)控控制系統(tǒng)的通用功能，完成工件坐標(biāo)系的分配和設(shè)置，即通過(guò)FANUCl5M提供的可編程工件坐標(biāo)系設(shè)置功能(G54～G59)，結(jié)合零件的
分組情況，將不同的零件所使用的不同工件坐標(biāo)系固定下來(lái)。同時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)的宏變量功能完成工件坐標(biāo)系的自動(dòng)設(shè)置。
3.2.3 確定合理的切削參數(shù)
確定合理的切削參數(shù)的前提是同一規(guī)格的刀具在相同的加工深度和寬度的條件下，其轉(zhuǎn)速和迸給速度的統(tǒng)計(jì)數(shù)值的離散程度低，為此，我們選用整體硬質(zhì)合金銑刀，按有關(guān)的技術(shù)說(shuō)明和數(shù)據(jù)并經(jīng)試切完善，總結(jié)出合理的切削參數(shù)。
3.2.4 編程和試制生產(chǎn)
按照統(tǒng)一的刀具目錄表、工件坐標(biāo)系分配表、加工子程序分配表及加工內(nèi)容，結(jié)合典型的工藝規(guī)程，分別編制12個(gè)扇形段加工指令，并分別編寫4個(gè)加工組零件的加工運(yùn)行主程序。同時(shí)，對(duì)第一次裝夾和第二次裝夾分別編制1條主程序，這樣共編制加工組運(yùn)行主程序8條。在此基礎(chǔ)上，以零件加工組為單位進(jìn)行試切加工。試切零件4組12件，一次成功8件，一次試切成功率66.7％。通過(guò)試切加工過(guò)程中的工藝優(yōu)化、完善和經(jīng)過(guò)2個(gè)月的穩(wěn)定生產(chǎn)，對(duì)HPS—4B機(jī)床的加工能力進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。
不難看出，主軸切削運(yùn)轉(zhuǎn)率明顯提高，從過(guò)去的47．4％提高到現(xiàn)在的77.4％，工件裝夾時(shí)問(wèn)降低幅度較大，由原來(lái)的145 min降為現(xiàn)在的12 min。這說(shuō)明，運(yùn)用多零件加工技術(shù)后，數(shù)控加工效率有了較大提高。
4 結(jié)語(yǔ)
多零件數(shù)控加工技術(shù)已成功地應(yīng)用到太鋼設(shè)備安裝公司結(jié)構(gòu)零件的大批量生產(chǎn)中，提高了設(shè)備的利用率和加工效率，使生產(chǎn)制造能力有了很大提高，并改善了產(chǎn)品質(zhì)量，取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。
同時(shí)，在研究和應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)中，進(jìn)一步利用和發(fā)揮了數(shù)控機(jī)床潛在的功能，如加工程序模塊的調(diào)用技術(shù)、宏指令功能、變量傳輸、高速加工、可編程工件坐標(biāo)系設(shè)置等。我們將繼續(xù)開(kāi)展多零件加工技術(shù)的研究和推廣應(yīng)用，挖掘現(xiàn)有設(shè)備的加工潛力，提高數(shù)控制造技術(shù)水平和加工能力。
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本文標(biāo)題：多零件加工數(shù)控技術(shù)的研究與應(yīng)用
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