高速加工在国外汽车生产线上的应用实例

撰稿：兰生数控机床销售有限公司 范琪

 美国 GM 发动机总厂的应用实例在大批量生产中，加工速度越快，效益越高。对于大批量汽车生产，刚性生产线的每一道工序的加工时间以秒计算，可以达到很高的生产率。但是最大的缺点是柔性差。对于产品更新速度很快的市场需求，具有柔性的高速加工生产线能够取得更大的效益。对于比较小规模的生产，高速加工的效益更明显。下面的生产实例证明了这一点。

在美国密执安州（ Michigan ) Livonia 市的 GM 发动机总成（ Powertrain ）工厂，生产着著名的 V88 Northstar 发动机，采用的加工设备就是以高速加工中心为主。

在生产线上加工 VS 发动机缸体（图 10-2 ）、缸盖和曲轴，年产量 20— 50 万件。在生产这种新产品时，完全采用以卧式加工中心为主的柔性加工单元。整个生产线共 100 台机床，其中加工中心 57 台，都是日本 Makino 公司制造的 J88 型加工中心。这当中 30 台用来加工缸盖（图10-3 ) , 21 台加工机体， 6 台加工曲轴。

采用高速加工中心组成柔性生产线的目的，一方面是提高加工速度，更重要的是提高生产线的柔性，以适应市场的变化。因此，他们称之为敏捷制造生产线。

在高速加工生产线的六个位置上，一分钟就可以完成缸盖加工的全过程。

在加工 V88 发动机时，工件堆放在一起，机床并列摆放。一个大型机械手在顶上搬运工件。缸体（图 10-4）和缸盖依次通过八个加工中心，最后完成加工。两分钟完成一个缸体，一分钟完成一一个缸盖。加工过程严格按照生产节拍进行。

生产线上使用的加工中心参数为：

加工缸体和曲轴线上的九台加工中心：主轴转速 10000r / min ，主轴锥柄 HSK 100 （相当于 50 锥柄）。其他的加工中心：主轴转速 14000r / min ，主轴锥柄 HSK63 （相当于 40 锥柄）。所有加工中心主轴功率均为 30kw ，丝杠的进给速度为40m / min 。

缸体和缸盖都由铝材制造，是适合高速切削的零件；而气缸套和曲轴是铸铁材料，显然加工要比铝材难度大，这也是在生产线上加工节拍要严格控制的原因。尽管如此，加工效率比刚性生产线明显高得多。在刚性生产线上，镗、铣和钻的加工进给速度只有 2 . 5m / min ，而高速加工中心的进给速度要快三倍。在刚性生产线上的切削速度不到 600m / min ，而高速加工中心的速度高达 1 800m / min 。

敏捷制造生产线的应用使生产准备时间减少了 6- 9 个月，因此，该公司近来又投人一条新的生产制动器的生产线。改变产品所需要的生产准备时间减少 50 ％。

在刚性生产线上，准备时间往往要几个月；在敏捷生产线上，准备的夹具要少得多，要求的准备时间也短得多。所要做的改变主要是修改加工程序。新机床设备的安装调试也比刚性生产线快得多，主要的工作也是编制加工程序，而不是大量制造工装夹具。工厂丰富的刀具库给生产线的进一步扩展加工也创造了有利的条件。

敏捷生产线在改变生产能力上也具有很大的优势。增加和减少生产能力只需要加减机床就可以实现，撤下来的机床可以用做别的产品加工。完全不像刚性生产线，产品一旦改变，专用机床很难移做它用。这种生产模式更有利于产品生命周期越来越短的市场竞争。

在评价柔性生产线的投资效益时，采用高速切削技术组成的柔性生产线的总投人虽然比刚性生产线高 40 ％。但是它节约生产准备时间，便于产品换代，可以在同类产品中实现较小批量生产，这些无法比拟的优势是其他任何形式的生产线都不具备的。

当然，建造敏捷制造生产线是件不容易的事。 GM 公司几年来的经验表明，最大的问题是探索和学习，需要培养适应新生产线的专业队伍，需要有经验的操作工人。他们说，敏捷制造生产线的成功与否， 80 ％的因素是决定于人。

另外，高速加工的工艺参数的确定、使用的刀具和刀柄以及如何延长刀具的使用寿命等技术问题的解决，也应通过总结经验，才能逐步提高敏捷制造生产线的使用效率。

实践证明，敏捷制造生产线在中等规模的生产中是具有强大生命力的。随着高速切削技术的发展，今后可以适合更大规模产品的生产。进一步提高生产率的方法，一方面是提高加工速度，另一方面是尽量减少使用别的特殊设备，如磨床、衍磨机等。 GM 公司已经实验用加工中心进行一些磨削，并在进一步扩大使用。

 2 ．美国福特汽车公司应用实例

福特汽车公司和 Ingersoll 机床公司从 1985 年起合作，寻求能够兼顾柔性和效率的汽车生产线方案。他们分析了组合机床高生产率来自多根轴同时加工，如果能采用高速加工，将一根主轴的加工中心的生产率提高多倍，例如 5 倍，虽然是顺序加工，生产率就可以赶上五根轴同时加工的组合机床。

他们还认为，除了提高主轴转速外，几倍地提高机床直线行程的速度，是提高生产率的关键。经过若干年的努力，他们取得了成功。例如，他们合作研制的组成生产线的模块 HVM800 卧式加工中心，他们称之为“高速模块” ( High Veloci - ty Module ) ，其进给和快进速度达到 76.2m / min ，即不到 1s 可运行 lm ，瞬间即走完一个行程，达到惊人的高速。他们开发的镗气缸孔用的单轴铿缸机床，虽然是一个孔一个孔顺序加工，生产率赶得上组合机床同时镗削，而且孔的表面质量和刀具费用均优于组合机床。镗后衍磨时间由 45s 降低到 30s，刀具费用减少50％。

3．直线电动机进给的高速加工中心在汽车生产中的应用

德国 Daimler Chrysler 公司在生产汽车发动机缸盖中使用配有直线电动机的高速加工中心，使生产率提高了一倍。他们使用 GE Fanuc 生产的直线电动机驱动 X 、 Y 、 Z 轴快速进给的卧式加工中心，数控系统是 GE Fanuc 161 CNC 。高速进给和加速度减少了生产时间，公司装备了 6 台 Ingersoll 公司生产的 HVM 600 卧式加工中心，取代了原来需要的11台普通加工中心。

Ingersoll 公司 HVM 600 型高速加工中心的参数为：

工作台行程 630mm 、 630mm 、 600mm ( X 、 Y 、 Z 轴），静压轴承的电主轴功率 37.5kW ，最高转速 20 000r / min ，工作台承重 1 40Okg 。

在加工过程中，四个缸盖并排装在一个夹具上。在一次加工中完成全部工序，包括铣端面、台阶孔和螺纹孔。四个缸盖一共要加工 130 个锥孔和螺纹孔。例如， 1.2s 钻一个 M6 深 14mm 的螺纹孔，需要主轴转速 20 000r / min 和进给速度 700mm / min ；铣台阶孔直径 24mm ，使用金刚石压层铣刀的参数为：主轴转速 20 000r / min 和进给速度 5200mm / min 。一个缸盖要加工 40 个台阶孔。

在换刀前，四个工件同时加工。换刀由激光测量确认刀具。CNC 系统采用32位处理器，并且具有 NC 快速编程功能，更先进的是系统具有高速进给需要的刀具轨迹预测功能。

六台配备直线电动机的 HVM 600 卧式加工中心，加工四缸发动机缸盖的日产量是 300 个，而原来需要11台普通速度加工中心。

静压轴承电主轴的加速度是能够在 1.5s时间里把主轴转速加到 20 000r / min ；直线电动机的加速度： Z 向为 1.5g , X 和 Y 向为 1g。

尽管速度非常高，但机床的定位精度达到5μm 。进给位置测量使用光栅尺，工作台用滚动导轨。

这个例子说明，配备直线电动机的加工中心不仅大大提高了进给速度，也提高了进给精度。在大批量汽车生产中，能够大幅度提高生产率。和以前的加工方法相比，节约时间95％。