多特征小型零件并聯數控加工方法的研究與應用

張宗芳，霍曉佩，趙 江，王延佳，樊穎慧，郭華鋒

(北方自動控制技術研究所，山西 太原 030006)

軍工科研院所是典型的多品種、小批量生產模式，科研與生產任務交叉運行，其中多特征小型零件數量龐大，應用數控設備加工小型零件存在連續切削時間短、換刀頻率高、裝夾調試、人工輔助加工時間長等缺點，進而導致小型零件的加工效率及設備利用率低，難以匹配多品種、小批量離散型生產制造的變化節奏，因此迫切需要找到一種顯著提高小型零件的加工效率的新方法[1-3]。本文以科研院所的多特征小型零件為例，探索并聯多件加工的具體應用方法，為其他類似零件的多件加工提供參考依據。

1 傳統加工工藝分析

多特征小型零件往往需要多個面進行加工，按照傳統虎鉗或者壓板的裝夾方式(見圖1)，每加工一個特征面均需要裝夾、找正、對刀、試切。該方法是典型的工序單件流串行工藝模式，人工輔助頻次多，時間長，且零件特征復雜多變，造成裝夾、調試復雜，進而導致數控設備利用率低，產品加工效率低[4]。若要實現批量加工，必然需要配備多臺機床聯動作業，或者增加操作人數，然而對于科研院所這種機床離散型布局模式，工藝節拍與物流路徑相對復雜，有限的資源環境不允許這種集中式布局生產模式。

2 并聯矩陣數控加工工藝模式

并聯加工目前有2種型式：一種是依據零件結構特征合理規劃下料尺寸，將零件按照尺寸大小矩陣排布于毛坯料上，零件之間要留有走刀避讓空間，進而實現一次裝夾、多件連續加工的效果；另一種是依據零件結構特征合理設計多件裝夾的工裝，通過專用工裝實現零件的多次定位裝夾，進而實現一次裝夾、多件連續加工的效果。上述2種型式均可歸納為并聯矩陣數控加工工藝模式[5-6]。該工藝模式的目的是增加機床連續作業的時間，縮短換刀以及人工輔助裝夾時間，從而有效發揮數控設備的效能，提高產品加工效率。上述第一種型式往往應用于第一工步的加工，第二種型式則應用于后續工步的加工。本文以某小型助拔器為例，該零件的正面、反面均有特征需要數控加工，傳統加工方法是單件下料，先首次裝夾加工正面，然后二次裝夾加工反面。通過應用并聯矩陣數控加工方法，將并聯多件加工和多工位快換專用工裝這2種型式相結合，可實現該小型零件正面、反面的多件連續加工。具體操作如下。

2.1 正面采用陣列模式連體料加工

應用專業數控編程軟件對該小型零件進行陣列排布，然后進行整體下料，相鄰零件之間留有φ6 mm立銑刀的走刀間隙大約10 mm，然后進行切削模擬仿真，充分考慮避讓空間防止與虎鉗、壓板等通用夾具發生碰撞。圖2所示為小型零件正面連體料多件加工，一次裝夾可完成14個該小型零件的正面加工，加工過程要分粗精加工，最后精加工要采用小型立銑刀進而減小加工阻力，防止零件被切削力拉動造成起翹變形。通過實際統計，該零件加工14件共用時35 min，約2.5 min/件。

2.2 反面采用多工位快換工裝連續加工

根據該零件的結構特點，設計了仿型嵌入式工裝，該工裝中間留有寬5 mm的間隙，虎鉗夾工裝時，便會產生夾緊力，將工件牢牢固定在仿型槽內，實現精準定位。該工裝結構簡單，裝夾可靠便利，通過該工裝將小型零件在線下快速安裝定位，可實現14個小型零件的連續加工，也可推廣應用于其他小型零件。通過實際統計，該零件加工14件共用時25 min，約1.8 min/件，由此可見該方法能夠實現小型零件的批量加工，降低原材料的浪費，同時避免了多次人工輔助裝夾造成的人工誤差，產品一致性好。小型零件反面多工位快換工裝加工如圖3所示。

3 多工位快換夾具的設計思路

為了提高小型零件的批量加工效率，機械加工行業內逐漸推出了快換基座的工裝，該快換基座是快換+夾具的高效組合，快換基座中的各個核心部件的尺寸精度配合非常嚴格，正因為如此，快換基座的造價成本會偏高，通常高精度零件才會選用快換基座以具備零點定位的功能。

多工位快換工裝是根據零件的相似結構形式設計定位結構，保證零件裝夾穩定可靠，從設計、工藝、測量3個維度進行基準統一，盡可能地規避人為因素造成的加工誤差，進而實現同族類零件的組合矩陣加工，其最大特點是可有效減少裝夾零件、更換夾具的時間，便于操作者充分利用數控設備作業的空閑時間，進行其他工序的開展，也可實現一人多機的操作[7]。多工位快換工裝具備一次裝夾多個同族類零件，并能保證每個零件的重復定位精度，進而實現多件加工，提高設備利用率，減少等待輔助作業時間。例如某類結構相似的族類零件，工藝及幾何要素基本一致，僅僅局部特征尺寸不一致，這樣就可以通過定位相同部位的尺寸，合理進行加工程序編排，實現族類零件的連續加工，這種方式可減少工裝設計的數量，降本增效，省去多套工裝的準備時間，具有較好的推廣應用價值。

本文涉及的多工位[8]快換工裝要求必須具備快速響應、實現快速換產的能力，通過對加工工藝、設備、過程控制條件等進行分析研究，提出夾具的基本結構。其設計思路如下：夾具基體機構上設置小型零件的多個工件夾持機構，沿左右方向以預設間距間隔分布于基座上的多個配置區上，其定位結構依據為零件外形輪廓主要特征的凹槽，將單組多個小型零件均布安裝在夾具基體機構的集成安裝面上，形成集成工件，通過小型零件的外輪廓主要特征凹槽分別對集成工件中的小型零件進行定位。其夾緊機構原理為快換基座橫向貫通均布加工凹槽，基座與虎鉗夾持面為臺階結構，形成基座上半夾緊受力，從而使基座塑性變形夾緊成組小型零件，最終對小型零件進行依次加工。本基座設計制作為2套，線上、線下交替應用。

本快換基座[9]可大幅減少裝夾調試、換刀、空刀行走和開關門等輔助時間，保證高效、精準、高密度地裝夾零件。設計的專用夾具能夠將零件一次裝夾，形成多工位加工，并且一次更換刀具后連續加工一組零件，延長了創效的實際加工時間，減少了開關門次數，降低了操作者的勞動強度，大大提高了生產效率和設備利用率，從而達到了一人多機精益生產的目的。推廣應用的工裝案例如圖4所示。

4 加工驗證效果分析

本次試驗選取某助拔器零件進行加工驗證，加工數量為140件，自主設計的多工位快換工裝一次可裝夾14件，采用等因素對比法進行裝夾次數、換刀次數、總消耗時間、設備利用率等4項數據的精準統計(見表1)。單件加工屬于間歇斷續切削生產方式，必須計算單件切削加工的輔助準備時間和實際切削時間；而多件組合加工屬平行連續切削生產方式，必須計算應用快換工裝多次裝夾工件的輔助時間以及實際切削時間，即上述2種方式需統計整個加工過程中的累計流程時間。

表1 加工數據對比表

綜上所述，通過應用多工位快換工裝并結合矩陣數控加工方法，該助拔器零件裝夾幾乎沒有變形，數控加工后經檢驗均在設計尺寸公差范圍內，以往加工一件就必須拆卸調整一次，目前僅需拆卸一次，便可完成14件助拔器的加工，節省了大部分輔助時間。加工同等數量的助拔器，應用并聯矩陣數控加工方法可使裝夾次數減少260次，換刀次數減少1 170次，總耗時間縮短800 min，設備利用率提高約1倍。數據表明，該方法可以明顯提高小型零件的加工效率，削減生產成本，并且在加工助拔器、濾波器盒等各種結構的小型零件中，具有很強的適用性。

5 結語

本文針對多特征小型零件單件加工效率低的問題，提出的并聯矩陣數控加工結合多工位快換工裝的方式是切實可行的，該方式具有普適性和推廣應用性，可有效實現結構相似族類零件[10]的組合批量加工，優化簡化了工藝流程，使數控設備利用率提高了約1倍，為科研院所實現產研并舉新模式提供了一定的技術支撐，也為優化多特征小型零件加工工藝流程提供了參考方向。