液壓支架主閥體零件柔性生產工藝規劃研究

肖元昭 曾 強

（1.河南理工大學工商管理學院，河南 焦作 454000；2.鄭州輕工業大學工程訓練中心，河南 鄭州 450000）

0 引言

近年來，國產液壓支架電液控制系統快速發展，電液控制系統是煤礦實現智能化、無人化開采的核心，而主閥體零件又是電液控制系統核心零部件之一［1］。生產主閥體零件采用的是多品種、小批量生產方式，而傳統的單機單件生產工藝的生產效率低、產品切換頻繁、工藝復雜、加工調試過程復雜、調機時間長，產品質量穩定性難以保證，生產成本較高。隨著國產電液控制系統技術的快速發展，單機生產難以滿足日益增長的市場需求，單機生產方式嚴重制約著國產電液控制系統的快速發展。通過對不同種類主閥體零件的結構特征分析后得知，主閥體零件的品種雖然較多，但其加工工藝特征基本一致，具有同族零件的特點，研究主閥體零件生產單元柔性化生產工藝對提高主閥體零件的生產效率及企業競爭力具有重要意義［2］。

1 主閥體零件特征及工藝分析

主閥零件結構特征如圖1 所示。閥體零件主要以孔系和螺紋為主，經過三道工序來完成加工。①主閥體四周側面由若干階梯式主孔及螺紋組成，四周側面由主孔和閥芯配合，側面主孔精度及形位公差要求較高，主孔加工質量是主閥體加工的重要工序，其加工工藝復雜，對每個孔的密封性能要求較高，是主閥零件加工最難實現、工時最長、使用刀具最多、生產管理最復雜的工序。為保證加工質量，需要在臥式加工中心一次裝夾完成加工［3］。②主閥體端面兩個貫通的Φ3 mm小孔，主要由數控深孔鉆加工完成。③主閥體上表面孔口所在的平面需要與先導閥進行平面裝配，對平面密封性要求較高，因此，對平面度及粗糙度要求較高。閥體上表面分布若干Φ3 mm 的小孔及M10 的螺紋孔，上表面小孔與主孔貫通，因此，形位公差要求較高，此工序由立式加工中心完成加工［4］。

圖1 主閥體零件結構

在傳統單機生產工藝模式下，臥式加工中心加工時長較長，深孔鉆及立式加工中心加工時長較短，導致立式加工中心待機時間較長，生產節拍不平衡。且不同工藝人員根據自身經驗獨自完成零件工藝設計方案，導致數控程序、刀具、夾具選用及工藝參數因人而異，工作量大，工序煩瑣，沒有固定的作業流程，產品規格的多樣化，造成調機頻繁、產品切換效率較低、產品質量不穩定、產品合格率低。基于成組技術工藝，劃分主閥體零件族，分析主閥體零件特征及結構，提出構建柔性化生產單元，通過設計成組化專用夾具，實現零件快速定位裝夾。制定標準化工藝流程，建立主閥體零件數據工藝庫，實現不同規格零件快速換產，提高生產效率和產品質量，實現主閥體零件單元柔性化生產管理［5］。

2 主閥體零件柔性生產單元的布局及工序

單元化生產是現代制造最有效的生產布局設置方式之一，單元化生產可將生產線按照其生產流程布局成一個完整的作業單元，生產單元實現“一個流”作業標準。單元化生產方式是一種基于多品種、小批量的生產方式，這種在一條生產線或一組機器設備單元內，由單元的操作人員生產多種產品或零件的生產制造技術，是實現多品種、小批量產品柔性生產需求的有效方式［6］。

2.1 柔性生產單元布局

通過主閥體零件的特征分析可知，單元柔性化生產是提高主閥體零件生產效率的有效方式，可有效滿足主閥體零件多品種、小批量的柔性生產需求，減少制品庫存量，縮短生產周期，減少物流轉運時間，能使生產節拍趨于平衡，減少對設備、工裝、刀具等的投資，能有效解決主閥體零件的生產效率及生產成本問題。主閥體零件的柔性生產單元布局如圖2 所示，生產單元由四臺四軸臥式加工中心組成的柔性生產線、兩臺數控深孔鉆、兩臺四軸立式加工中心組成。

圖2 柔性生產單元布局

2.2 柔性生產單元的生產工序

主閥體零件在柔性生產單元的生產工序見表1。主閥體毛坯料先進入臥式加工中心工位1 及工位2，由專用夾具固定裝夾后，再由AGV 小車送入托盤庫等待加工，待機床加工完成后，由AGV 小車把加工好的零件送入工位1 或工位2，把托盤庫的待加工的毛坯料送入四軸臥式加工中心，完成四周側面主孔的加工。臥式加工中心加工后的半成品轉到數控深孔鉆，鉆端面Φ3 mm 的通孔，轉入立式加工中心完成上表面的加工，再轉入產品待轉區轉至下道工序。通過設計專用夾具，此生產工序能實現多品種主閥體零件的快速換產，有效提升主閥體零件的生產效率。

3 成組專用夾具設計

3.1 主閥體零件定位基準分析

在機械加工工藝設計中，正確選用定位基準，對保證零件加工要求、合理安排工藝順序有著重要影響。定位基準的選擇在零件加工工藝中非常重要，不僅會影響零件的位置尺寸和位置精度，還會對整個工藝過程的安排和加工質量產生重要影響。一般來說，零件的定位基準一旦選定，零件的定位方案也基本上確定。定位方案是否合理，直接關系到零件的加工精度能否得到保證。本研究定位基準采用一面兩銷的定位方法，即以下表面兩個銷孔作為工藝基準，采用四個螺栓孔裝夾固定工件，裝夾安全穩定、高效便捷。主閥體零件規格不同，其定位基準位置也有所不同，可根據其族群類劃分，完成其不同規格零件定位基準的分類［7］。

3.2 成組專用夾具設計及應用

成組夾具設計是成組技術在機械加工中的關鍵之處。夾具設計應滿足零件加工要求，減少輔助時間，提高生產效率，降低生產成本，保證生產質量的穩定性。設計的專用夾具還可擴大機床使用范圍，實現一機多能。同族零件具有工藝相似的特點，根據其工藝特征的共性，設計該類型產品的成組化夾具，以實現對零件生產中的快速定位安裝，并實現零件的快速切換，提高生產效率及產品質量的穩定性。根據主閥體零件的結構特性，設計成組化夾具，對提高主閥體零件的加工效率、提升產品品質具有重要意義［8］。

主閥體零件品種繁多，零件加工特征復雜，零件特征之間的形位關系要求較高，重復定位裝夾會影響零件加工質量，且影響加工效率。通過分析該系列主閥體零件所使用的加工設備特點，結合主閥體加工特征，不同規格主閥體零件的裝夾具有相似性。主閥體屬族群類零件，其零件規格不同，但零件的加工工藝基本一致。根據主閥體零件的族群化特點及定位基準特征，設計的夾具如圖3 所示。將夾具固定在臥式加工中心交換工作臺上，工件定位采用“一面兩銷”的方式，四個螺釘反拉夾緊工件。采用這樣的裝夾方式，工序相對集中、裝夾安全可靠，工件在臥式加工中心一次裝夾，可同時完成四個面的加工，生產效率高，質量穩定可靠。在加工過程中，由柔性生產線的AGV 小車進行搬運，提前進入加工等待區，降低加工準備時間，提高加工效率。且不同規格的主閥體的夾具模塊可實現隨時切換及互換，降低了不同規格主閥體零件工裝夾具的設計、制造及調試時間。通過對工裝夾具進行編號，不同品種的主閥體零件對應其所使用的工裝夾具，對工裝夾具進行歸類整理，實現夾具在線數據管理，保證主閥體零件生產實現快速換產。該夾具是主閥體零件生產單元實現柔性化生產的關鍵零部件之一。

圖3 夾具

4 主閥體零件單元柔性化生產工藝應用效果

通過上述主閥體零件加工工藝進行分析，根據成組技術工藝，合理布局柔性生產單元，通過成組化專用夾具設計及應用，完成對主閥體零件的單元柔性化生產工藝規劃，與單機單件生產工藝相比，單元柔性化生產工藝有以下三個優點。

①與傳統單機化生產相比，現有的單元柔性化生產工藝可實現主閥體零件從生產計劃調度、夾具選用、數控程序、刀具選用、生產工藝全過程的標準化作業。將不同規格的零件進行整理分類管理，形成標準化生產管理數據，建立工藝數據庫、結合生產管理執行系統，實現對不同規格主閥體零件快速換產，提升共線共產能力，減少因市場產生的庫存積壓，實現主閥體的柔性化、自動化生產管理，解決主閥體零件多品種、小批量的生產效率低、生產成本高的難題，滿足市場個性化的需求。

②自動化、柔性化程度的提升，極大降低了對操作者的技能要求，也減少了不同操作者對產品質量的影響。操作人員嚴格按照工藝過程卡片和標準化工藝流程進行操作，既可保證加工質量，又能使產品質量的穩定性及產品品質大幅度提高。

③通過現場生產數據對比，和傳統單機化生產相比，采用優化后的主閥體零件的柔性生產工藝，不同規格產品可實現快速換產，節省調試機床時間（節省48 h）。單件生產所用時間由原來的4 h 減少至2 h，生產效率提升一倍，產品一次合格率由原來的95.5%提高至99.8%以上，大大降低主閥體的生產成本，極大提高了國產電液控制系統企業的市場競爭力。

5 結語

通過對主閥體零件的特征及生產工藝過程的分析研究，構建柔性生產單元，設計成組化專用夾具，通過生產信息化管理系統，實現主閥零件的單元化、柔性化生產及管理，提高主閥體零件生產效率及產品質量。后續研究還需在此研究的基礎上不斷改善，持續優化主閥零件生產加工工藝流程，不斷提高主閥零件單元柔性化生產效能和產品質量，為主閥體零件生產企業實現數字化、智能化生產作出貢獻。