三維激光加工在商用空調(diào)底盤生產(chǎn)中的研究與應(yīng)用

文／資明庚，林培杰，蔣鑫強(qiáng)·珠海格力電器股份有限公司

商用空調(diào)大型復(fù)雜鈑金零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大(超過兩米)，傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式為單工序沖壓設(shè)備加工，需經(jīng)過六道工序，人員投入多，零件轉(zhuǎn)運(yùn)頻繁，效率低下，不符合企業(yè)高效發(fā)展的需要，傳統(tǒng)的六工序沖壓生產(chǎn)流程如圖1 所示。為改善生產(chǎn)低效的現(xiàn)狀，通過對其他行業(yè)的加工工藝調(diào)研學(xué)習(xí)，了解到三維激光切割加工工藝已廣泛應(yīng)用在模具廠模具試制、小批量加工，汽車高強(qiáng)度鋼和熱成形零件加工，應(yīng)用三維激光加工可減少模具修邊工作量及沖切模開制工作，這對空調(diào)企業(yè)三維激光加工引入提供了啟發(fā)。

圖1 傳統(tǒng)的六工序沖壓生產(chǎn)流程

三維激光切割設(shè)備開始應(yīng)用于加工金屬?zèng)_壓件，并以其高靈活性、高切割速度、高精度、生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間短、對工具和設(shè)備需求低等特點(diǎn)，在機(jī)械制造、汽車、航天航空工業(yè)、模具、鈑金加工等制造領(lǐng)域備受歡迎與關(guān)注。而隨著導(dǎo)光系統(tǒng)、調(diào)焦系統(tǒng)等激光配套設(shè)備的優(yōu)化改良與創(chuàng)新，國外在20 世紀(jì)末開始了在滿足三維工件加工生產(chǎn)要求的領(lǐng)域大規(guī)模應(yīng)用三維激光切割技術(shù)。

底盤生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)開發(fā)

生產(chǎn)線流程設(shè)計(jì)

原有的沖裁加工工藝為模具沖壓加工和數(shù)控加工：模具沖壓加工用于數(shù)控?zé)o法加工的零件，大批量訂單，加工效率高，但模具成本高、產(chǎn)品開發(fā)周期長；數(shù)控加工主要針對小批量訂單且沒有壓型結(jié)構(gòu)的零件，模具費(fèi)用低，產(chǎn)品開發(fā)周期短，但加工效率低。商用大型底盤類零件數(shù)控?zé)o法加工，但批次需求小，模具投入成本高，開模具周期長，因此，急需開發(fā)新工藝滿足此類產(chǎn)品需求。陳濤，王智勇等學(xué)者對激光加工技術(shù)在汽車車身大型覆蓋件中的應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)研究，這對項(xiàng)目組開發(fā)引進(jìn)三維激光機(jī)提供了有力參考。

為進(jìn)一步發(fā)揮三維激光機(jī)的加工優(yōu)勢，結(jié)合現(xiàn)有的大型油壓機(jī)設(shè)備，開發(fā)MES 計(jì)劃自動(dòng)分解下達(dá)、大型油壓機(jī)壓型生產(chǎn)、三維激光機(jī)切割生產(chǎn)、機(jī)器人自動(dòng)上下料、點(diǎn)焊生產(chǎn)、鉚接生產(chǎn)、入立體庫的生產(chǎn)工藝流程，整個(gè)工藝流程設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 三維激光加工工藝流程

生產(chǎn)線的功能開發(fā)

生產(chǎn)線主要硬件設(shè)備包括大型油壓機(jī)、三維激光切割機(jī)、工業(yè)機(jī)器人、點(diǎn)焊設(shè)備、鉚接設(shè)備、物流設(shè)備，主要軟件包括三維激光機(jī)編程系統(tǒng)、MES 信息化管理系統(tǒng)，見圖3。

圖3 生產(chǎn)線主要設(shè)備

MES 系統(tǒng)的應(yīng)用

底盤計(jì)劃生產(chǎn)自動(dòng)排產(chǎn)基于MES 信息化管理系統(tǒng)(圖4)，系統(tǒng)在ERP 獲取訂單數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成加工訂單排程后，底盤生產(chǎn)線就有了當(dāng)前的生產(chǎn)任務(wù)。車間收到配發(fā)的生產(chǎn)任務(wù)后，由班組長安排對應(yīng)底盤生產(chǎn)線的生產(chǎn)人員、物流人員、質(zhì)檢人員按照系統(tǒng)生產(chǎn)計(jì)劃任務(wù)，有條不紊開展生產(chǎn)活動(dòng)。MES 信息化管理系統(tǒng)結(jié)合立體庫和自動(dòng)物流，有效解決節(jié)拍不一致帶來的部分產(chǎn)能損耗，逐步進(jìn)行自發(fā)式的作業(yè)，從而實(shí)現(xiàn)車間的高效運(yùn)作。

圖4 MES+系統(tǒng)產(chǎn)出管理看板

其中，手工設(shè)備群的操作人員在接到生產(chǎn)任務(wù)后，首先要核對本崗位相關(guān)原材料是否完備；其次要完成對設(shè)備模具的更換、程序圖紙的核對；在更換與確認(rèn)齊套無誤后，按照系統(tǒng)加工排程指示，手工操作設(shè)備進(jìn)行零件加工，經(jīng)檢驗(yàn)人員確認(rèn)首檢合格后開始啟動(dòng)整個(gè)底盤生產(chǎn)線。

三維激光機(jī)的選型與應(yīng)用

三維激光機(jī)的選型

三維五軸激光切割機(jī)(圖5)采用高架龍門式結(jié)構(gòu)、橫梁移動(dòng)式的高速激光加工機(jī)床，是針對成形件進(jìn)行激光切割的一種高端設(shè)備。X/Y/Z 軸采用精密磨削的齒輪齒條驅(qū)動(dòng)，三軸配備高精度滾珠直線導(dǎo)軌導(dǎo)向。加工過程中工件固定，加工頭移動(dòng)。切割頭上配有專門的高動(dòng)態(tài)隨動(dòng)軸H 軸(行程為±15mm)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)焦功能，用于自動(dòng)補(bǔ)償由于彈性變形所造成的零件表面實(shí)際尺寸同理論尺寸之間的誤差，確保切割頭上的透鏡到工件表面的距離恒定不變，確保切割質(zhì)量與精度。

三維激光切割工藝加工特性

⑴目前三維激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)主要有以下3 種。

①六軸機(jī)器人：加工范圍大、加工精度依賴于機(jī)器人精度，加工精度低、能代替原有的手工等離子切割；

②龍門架+機(jī)器人結(jié)構(gòu)：采用3+3 結(jié)構(gòu)，X/Y/Z 三個(gè)線性軸+KUKA 機(jī)器人的第4、5、6 軸，加工精度高，但生產(chǎn)效率低。

③三維五軸龍門式結(jié)構(gòu)：采用三維五軸龍門式結(jié)構(gòu)，加工精度高，雙工作臺(tái)，生產(chǎn)效率高。

⑵大功率激光器有光纖激光器和CO2激光器，兩者差異見表1。

表2 三維激光切割尺寸精度表

結(jié)合我們公司產(chǎn)品需求——薄板、中小批量生產(chǎn)、運(yùn)行成本等，激光器選型選用光纖激光器，并制定設(shè)備車間生產(chǎn)布局(圖6)。

圖6 確定設(shè)備車間生產(chǎn)布局及物流周轉(zhuǎn)

三維激光機(jī)的應(yīng)用

我司經(jīng)過實(shí)地考察三維激光切割機(jī)的實(shí)際應(yīng)用及樣件打樣驗(yàn)證，龍門式結(jié)構(gòu)三維五軸激光切割機(jī)孔徑加工精度偏差為0.03 ～0.1mm，適用于我司商用大型底盤零件切割加工。

應(yīng)用后主要優(yōu)勢：

⑴滿足小批量底盤類成形零件切割加工，減少?zèng)_孔切邊模具開制，節(jié)省模具費(fèi)用；

⑵精簡工序，減少物料周轉(zhuǎn)浪費(fèi)；

⑶快速切換，減少80%模具裝夾準(zhǔn)備時(shí)間；

⑷節(jié)約成本，產(chǎn)品變更通過更改程序?qū)崿F(xiàn)，避免模具的更改；

⑸開辟新途徑，公司內(nèi)引進(jìn)全新工藝，提高鈑金加工柔性，為未來公司產(chǎn)品多樣化發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

大型油壓機(jī)+三維激光機(jī)的應(yīng)用

原我司1500t 油壓機(jī)與800t 油壓機(jī)組建的行業(yè)首條大型油壓機(jī)聯(lián)機(jī)自動(dòng)線均搭載三軸伺服機(jī)械手，單機(jī)與聯(lián)機(jī)模式可自由切換，可通過自動(dòng)化物流車實(shí)現(xiàn)油壓機(jī)之間的工件傳遞，打破了大型、復(fù)雜零件多工序、人員密集的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，此次引進(jìn)三維激光切割工藝，賦予了大型油壓機(jī)柔性化生產(chǎn)特性。

目前我司商用頂出風(fēng)底盤（圖7）已經(jīng)全面使用油壓機(jī)壓型+三維激光切割工藝進(jìn)行加工，通過三維激光切割加工工藝的開發(fā)引進(jìn)，也開創(chuàng)了中小批量零件新的加工模式，針對一些具有復(fù)雜輪廓的高強(qiáng)度厚度鈑金件，不論是從經(jīng)濟(jì)層面還是技術(shù)層面考慮，減少新品開模成本及周期準(zhǔn)備時(shí)間，尤其隨著現(xiàn)在產(chǎn)品品類越來越多，更新?lián)Q代速度越來越快，傳統(tǒng)的沖壓方式已明顯跟不上企業(yè)的需求，此應(yīng)用屬行業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)業(yè)內(nèi)空白。

圖7 三維激光機(jī)切割后的商用底盤零件

制做樣品無需再開全序模，數(shù)模導(dǎo)入即可切割成型，少了開模周期，無須定期維護(hù)修改模具，節(jié)約更換模具時(shí)間，顯著提升了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，降低了生產(chǎn)成本，且加工靈活，尤其適合拉深件的加工。

三維激光切割工藝后續(xù)可推廣到模具公司及長沙與合肥商用生產(chǎn)基地，實(shí)現(xiàn)模具快速更改驗(yàn)證及中小批量快速生產(chǎn)。

WCS 倉儲(chǔ)系統(tǒng)的應(yīng)用

底盤加工完后通過物流設(shè)備轉(zhuǎn)運(yùn)到自動(dòng)化立體庫（圖8），進(jìn)行發(fā)貨的統(tǒng)一調(diào)配，根據(jù)時(shí)區(qū)需求自動(dòng)出入庫。

圖8 智能立體庫倉儲(chǔ)

WCS倉儲(chǔ)管理系統(tǒng)具備本立體庫自身倉儲(chǔ)信息，按照MES+系統(tǒng)提供的前后端數(shù)據(jù)，獲取外協(xié)廠物料庫存情況、物資中心物料庫情況以及輸送到噴涂車間、各總裝車間的物料信息，對生產(chǎn)訂單與庫存進(jìn)行扣減管理，同時(shí)按照總裝上線時(shí)間對訂單進(jìn)行出庫提示，保障安全庫存的同時(shí)最大限度發(fā)揮車間產(chǎn)能。且MES+系統(tǒng)物流管理板塊月度對物料進(jìn)行落地反沖盤點(diǎn)，確保空調(diào)鈑金生產(chǎn)物料能夠被準(zhǔn)確地定額收支。

小結(jié)

工藝加工模式的創(chuàng)新融合是鈑金行業(yè)未來發(fā)展的趨勢，通過油壓機(jī)與三維激光切割機(jī)在商用大型底盤的聯(lián)合應(yīng)用，直接提高了企業(yè)生產(chǎn)效益。未來在鈑金行業(yè)，特別是在鈑金冷加工行業(yè)，隨著三維五軸激光切割機(jī)的不斷應(yīng)用與發(fā)展，鈑金制造技術(shù)水平會(huì)越來越先進(jìn)、生產(chǎn)效率越來越高，對類似于商用空調(diào)底盤零件小批量、多品種、多工序的產(chǎn)品特性，應(yīng)用成熟的三維激光切割技術(shù)，是未來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)重要改善方向。通過本文的介紹，希望能對鈑金行業(yè)加工模式創(chuàng)新起到借鑒作用。