齒軸熱后精加工單元設計與應用研究

陳貽平

CHEN Yi-ping

（上海振華重工集團（南通）傳動機械有限公司，上海 226017）

0 引言

齒輪傳動是機械傳動的一種基礎形式，在國民生活中應用廣泛[1,2]。20世紀末期，對齒輪制造精度和高可靠要求越來越高，尤其是在一些高速和重載場合，既要求它們具有高精度，又需要具有高耐磨性、高韌性，具有以上優勢的滲碳淬火齒輪技術得以迅猛發展，成為當今齒輪行業的主流。近年來，齒輪制造類企業市場競爭激烈，隨著科學技術的進步、人工成本的上漲、市場環境的改變，采用自動化生產單元加工零件的方式，最大限度的滿足加工高品質零件的需要，成為企業的必然選擇與突破方向。

上海振華重工集團（南通）傳動機械有限公司主要從事港口機械和海洋工程齒輪箱制造，年產硬齒面齒輪箱約1萬余套，其中中小型減速器約8000套，各類小型齒軸約1.8萬根。產品面向全世界銷售，以中小型批量為主。目前齒軸制造工藝路線多達15道工序，生產過程中按項目進行生產，采用串行生產方式，即小批量上道轉下道，其間每道工序均采用過程質量控制。該種生產方式的不足較為明顯：生產周期長，成本高，且產品質量控制不易。伴隨用工成本提高及生產效率提升帶來的競爭壓力，迫切需要對齒軸加工與物流方式進行優化改造[3,4]。但由于港口機械和海洋工程用齒輪重量大，個性化要求高，國內在該類齒輪熱后精加工單元的集成應用，尚處空白狀態。基于前期技術積累，組織相關部門設計開發柔性制造單元，集成機器人和視覺等關鍵技術，實現多種齒軸產品中小批量的生產，較大幅度提升生產效率和精度。

1 齒軸熱后精加工工藝方案分析與優化

經滲碳淬火處理后，齒軸精加工工序分為：車3-車4-立銑-鉆孔-外磨-磨齒等6道工序[5,6]，涉及到車床、銑床、鉆床、外圓磨床、磨齒機等專用機床，其中磨齒機需恒溫環境加工，從而確保齒軸的高精度。經分析齒軸熱后精加工6道工序，并結合設備布局與轉運方式，提出工藝改進方案如下：

1）采用以車代磨工藝，將車加工與外磨工序進行合并

伴隨著高硬度刀具材料、涂層技術的提升，刀具針對HRC55以上的精加工切削性能大幅提升。采用CBN刀具或者陶瓷刀具在精密車床或加工中心上對滲碳淬火淬硬鋼進行硬車加工應能達到圖紙需要的尺寸精度、形位公差、光潔度要求。

在理論分析的基礎上，分別選擇CBN刀具和硬質合金刀具在DMG CTX 310機床上進行了相關加工實驗。選用山特硬質合金刀具和CBN刀具分別在DMG機床上試加工進行實驗加工，加工效果均較理想，如圖1所示，加工表面光潔度可達到Ra0.8，尺寸公差可控制在圖紙公差范圍內，以車代磨工藝在滲碳淬火工藝齒軸上應可應用。

2）采用復合加工技術，將車床與銑/鉆工序進行合并

現有加工工藝中，外圓加工采用車床、磨床來實現，鍵槽加工采用立銑機床實現，齒軸端部螺孔采用鉆床加工，此種加工方式中，需三次加工中轉，生產效率非常低。結合CTX310復合加工能力，既可進行車加工，又可進行銑削加工，鉆孔加工，配備可轉位刀塔，零件一次裝夾完成，生產效率非常高，如圖2所示。

圖1 DMG CTX310加工實驗

圖2 加工中心一次完成多種加工方式

3）采用并行生產代替串形生產、機器人及輥道物流方式代替傳統物流方式

企業現有齒軸精加工包括6道工序，每道工序需該批零件全部加工完成并檢驗合格，方轉入下一道工序；每道工序完成后，零件放入料框，采用行車吊運或鏟車轉至下道工序，進入下道工序后，再用行車起吊單件零件至機床安裝加工，如此往復循環五次，效率較低。

采用基于節拍平衡的并行生產方式，改進如下：

1）采用以車代磨，取消原先外磨工序。

2）采用加工中心，將銑鍵槽、鉆孔加工與車加工在一道工序中完成。

3）零件加工采用并行生產方式，工序間采用自動物流裝置進行工件轉運。

4）加工過程中，首道工序，必須已齒部為基準，加工出兩側中心孔，后續在以中心孔為基準加工孔、外圓、鍵槽。磨齒時在以中心孔與外圓為基準，進行磨削加工。最終可將齒軸熱后精加工整合成加工中心加工和磨齒兩個大的加工工序，并且兩大工序間采用并行自動中轉，工藝優化方案如圖3所示。

2 齒軸熱后精加工單元的方案設計

在對齒軸熱后精加工進行工藝優化的基礎之上，需要進一步系統分析設計，形成齒軸熱后加工單元的整體方案。

圖3 工藝優化方案圖

2.1 加工零件特征歸納與分析

加工單元要滿足多產品中小批量生產，選擇常用15種具有代表意義的齒軸作為產品標的，并以齒軸外徑、長度、鍵槽規格、零件凈重、齒部參數、預測算車銑時間、磨齒加工時間等8個主要參數作為歸納參數，并逐項進行統計匯總為兩大類。第一類為圖號末兩位為03的齒軸（后續稱為03類齒軸），這類齒軸尺寸外徑重量略小，車銑加工時間與磨齒時間均在20分鐘左右；第二類為圖號末兩位為05的齒軸（后續稱為05類齒軸），這類齒軸尺寸外徑重量略大，車銑加工時間與磨齒時間均在30分鐘左右。

總體方案的設計

1）整體方案布局

在完成產品信息梳理、工藝方案論證和設備夾具選擇后，根據規劃中齒軸線需滿足目前公司齒軸年產18000件的要求，生產場地為24m×24m，設備布局空間較大，根據機床外形尺寸，形成如圖4所示齒軸熱后加工單元總體布局。

圖4 齒軸熱后加工單元總體布局圖

齒軸熱后精加工生產單元總體布局長17.9m、寬16.5m，包括自動化上下料、車銑加工、磨齒加工以及過程自動化等幾大部分。加工單元中車銑加工與磨齒加工兩者相對獨立，考慮到后續設備運行的可靠性與生產的靈活性，將加工單元設計上分成了由A和B兩大部分，A部分主要包括自動上料、OP10車削加工和OP20車銑復合加工以及下料中間料道，B部分主要包括中間上料料道、OP30磨齒加工以及下料料道。A部分和B部分可以共同同時運作，也可以根據生產需要分開獨立運行。

2）加工節拍分析

基于此布局方案，結合擬加工15種產品進行分析，03類齒軸在OP10、OP20、OP30三個工序的加工時間為分別在10分鐘左右，因此03類齒軸熱后精加工的整體加工節拍約為10分鐘，單根齒軸從上料到完成加工下料所需時間約為45分鐘，包括OP10加工10分鐘、OP20加工10分鐘、OP30加工20分鐘、自動化及轉運所需時間小于5分鐘。

05類齒軸在OP10、OP20、OP30三個工序的加工時間為分別在15分鐘左右，因此05類齒軸熱后精加工的整體加工節拍約為15分鐘，單根齒軸從上料到完成加工下料所需時間約為65分鐘。包括OP10加工15分鐘、OP20加工15分鐘、OP30加工30分鐘、自動化及轉運所需時間小于5分鐘。

3）年產能分析

按全年300個工作日，每工作日以2班計算，每天工作16小時，90%開機效率與首件加工時間，則設備年有效工作時間T為300×16×0.95=4560（小時）。單套減速器中03齒軸與05齒軸成對出現，因此總體布局的齒軸加工單元的年產能為：

該總體布局方案滿足企業18000件/年的生產需求，后續如需求量增加，可通過將2班工作制改為3班工作制方式來有效增加產能。

4）人員與能耗分析

齒軸熱后精加工單元中人員主要用于自動上下料，產品換型過程中的夾具跟換、程序更替以及加工過程中刀具砂輪的更換，該布局方式中，每班需要2人，每日兩班需要4人，較原先12人減少2/3。

加工單元中采用2臺加工中心與2臺磨齒機，并采用自動化轉運，由于工藝改進6道工序改為3道工序，因此加工設備較原先減少一半，能耗有效降低。

2.2 自動化總體方案與節拍分析

根據總體方案，有針對性的選擇相關自動化設備，從上下料料道、機器人、激光打碼機、自動甩油站、抽檢站、不合格品處理、PDA管理界面、系統防錯等多方面進行配置，匯總優化形成如下總體方案，如圖5齒軸熱后精加工單元的自動化總體方案。其中A部分具體細節如圖6(a)所示，B部分具體細節如圖6(b)所示。

圖5 齒軸熱后精加工單元的自動化總體方案

圖6 齒軸熱后精加工自動化單元配置

由于齒軸產品規格多，如采用獨立工位的檢測裝置，零件的柔性需求無法滿足。我們采用DMG加工中心、NILES磨齒機自帶自動測量檢測裝置實現生產單元對每件工件的自動檢測，并生成檢測報告，如圖7、圖8所示。

圖7 工件探頭自動檢測圖

圖8 探頭檢測報告

3 齒軸熱后精加工單元的數字化設計與分析

采用Siemens的Tecnomatix軟件進行齒軸熱后精加工單元數字化設計，Tecnomatix是Siemens提供的數字化平臺，通過該平臺將產品設計與工藝布局設計、加工單元仿真驗證以及制造執行連接起來，在多領域廣泛應用[7,8]。

3.1 Process Designer平臺

Process Designer（以下簡稱PD）是一款通用的工藝過程設計平臺。該平臺具有工藝流程設計、作業時間分析、生產線、單元平面和立體布局等功能?；赑D軟件平臺構建齒軸產品、設備資源和操作工藝對應工藝數據庫，實現對上述制造資源及制造信息的整合、管理。根據齒軸制造單元工藝流程，在PD中進行工藝規劃（如圖9所示），圍繞工位分配產品零件和工藝資源（如圖10所示），形成產品零件、工藝資源和工藝操作三者關聯，構建齒軸精加工單元數字化模型（如圖11所示）。

圖9 齒軸制造單元工藝規劃流程圖

圖10 根據工藝流程將相應操作分配至工位

生產過程中各操作有其特定的邏輯和次序，根據操作的先后次序形成操作樹。根據齒軸制造單元加工工藝流程，將工藝操作分配至工位，形成操作樹。然后定義工位及工位內操作順序，完成生產工藝的建模。將工藝操作庫中的工藝操作分配到相應的工位，保證各工位內各操作順序符合生產工藝流程。如圖10所示。

基于PD，可以將資源分配在制造單元中某個位置，并對其位置和方向進行調整，實現制造單元三維可視化布局建模[9]。齒軸制造單元三維可視化建模結果如圖11所示。

圖11 齒軸制造單元三維可視化模型

3.2 Process Simulate平臺

Process Simulate（以下簡稱PS）是一個集成式的虛擬制造仿真平臺，提供了一個基于數據庫的無縫的工藝過程模擬功能[10]。基于PS平臺進行齒軸加工單元三維仿真分析：

1）可達性分析

為了確保機器人能夠到達指定的路徑點，在PS可達性分析模塊中導入需要到達的路徑點，分析得到結果如圖12所示?？砂l現所有關鍵點位機器人均可達。

圖12 機器人可達性分析

圖13 機器人干涉分析

2）干涉分析

通過PS干涉分析模塊對機器人與周圍環境和設備進行分析，如圖13所示，機器人操作過程中不發生干涉。

3）運動分析

OP10工位機器人各關節轉角幅度隨時間變化如圖14所示，各關節的最大、最小轉角如表1所示。其中關節4的最小轉角幅度顯示為粉紅色，表明此關節的最小轉角幅度接近其下限，需要引起注意。

4 齒軸熱后精加工單元聯調驗證

圖14 OP10工位機器人各關節轉角變化圖

齒軸熱后精加工單元安裝完成后，選擇4種典型產品進行聯調試生產，并采用Klingelnberg測齒儀與ZEISS三坐標測量，檢查零件尺寸精度與齒形精度。加工單元聯調順利，主要指標如下，各項精度指標達到設計要求：

1）各項零件外形輪廓公差均能滿足圖紙要求；

2）齒形精度達到ISO5級，完全滿足圖紙6級精度的要求；

3）加工節拍均能控制的生產單元的計劃節拍范圍內，03類齒軸節拍在9.5分鐘，05類零件生產節拍在13分鐘；

4）生產單元實現無人化生產；

5）生產管理軟件能實施反饋生產情況，做到工序參數實時監控，實現零件全過程跟蹤；

6）A、B兩大部分可以單獨加工，具有很高的靈活性。

齒軸熱后加工單元投產后，完全達到設計預期目標，加工效率高，生產周期大幅縮短。以48件齒軸為例，從原先的8天，縮短至現在的16小時。投產后的局部照片如圖15所示，零件檢測報驗樣張如圖16所示。

圖15 軸熱后精加工單元試生產

表1 機器人各關節的最大、最小轉角幅度

圖16 零件檢測報驗樣張

5 結束語

結合國內外智能制造的發展趨勢，本文以齒軸熱后精加工單元的設計與應用為研究目標，從齒軸熱后加工工藝優化、設備與夾具的方案設計、加工單元總體方案設計、加工單元數字化設計優化以及集成應用聯調驗證進行應用研究，這對我國齒軸生產模式改進具有較好的借鑒意義。