第7章机械加工生产线总体设计

7.1概述7.2生产线工艺方案的设计7.3生产线专用机床的总体设计7.4机械加工生产线的总体布局设计7.5柔性制造系统第七章机械加工生产线总体设计机械加工生产线——◆机械加工生产线：实现零件的机械加工工艺过程，以机床为主要设备再配以相应的输送装置与辅助装置，并按工件的加工工艺顺序排列而成的生产作业线。7.1.1机械加工生产线及其基本组成7.1.2类型7.1.3设计原则7.1.4设计步骤7.1概述7.1.1机械加工生产线及其基本组成加工设备→金属切削机床辅助装备工件输送装置机床上下料装置仓储装备→储料装置转位装置控制系统全线控制与操作系统信号装置工艺装备输送装备清洗装置→清洗机排屑装置其他装置夹具刀具量具辅具7.1.2类型◆按所用加工装备分类通用机床生产线；专用机床生产线；组合机床生产线；柔性制造（加工）生产线。1．通用机床生产线：在流水线的基础上，利用现有的通用机床进行自动化改装后连接而成，有时根据需要配置少量专用机床。◇特点：周期短、成本低。◇应用：加工盘类、环类、轴、套、齿轮等中小尺寸旋转体类工件。→通用的单轴或多轴自动机床连成的生产线。2．专用机床生产线：专用自动机床为主要加工装备。特点：设计制造周期长、投资较大、专用性强；生产率高、产品质量稳定。应用：产品结构稳定大批大量生产类型。3．组合机床生产线：以组合机床为主要加工装备。◇特点：与专用机床生产线比设计制造周期短、成本低——大部分是通用部件；生产率高、产品质量稳定。◇应用：产品结构稳定大批大量生产类型——箱体类和杂类工件。上述三种类型生产线→适用于单一品种（或少量品种）工件的大批大量生产。4．柔性制造（加工）生产线：以数控机床、加工中心为主要加工装备，配以柔性的物料储运装备，在计算机控制系统的控制下进行加工的自动化生产系统。◇特点：建立这类生产线技术难度高，投资大；组成柔性生产线的加工设备数量少（10台）；装夹次数少、加工精度高、简化生产线内工件的运送系统；进行批量生产或同时对多个品种工件进行混流加工。◇应用：结构形状复杂、精度要求高的同类工件中小批量生产类型。◆按生产线工作节拍特性分类：单一产品固定节拍生产线单一产品非固定节拍生产线1．单一产品固定节拍生产线：生产线中所有设备的工作节拍等于或成倍于生产线的生产节拍。移动步距t等于两台设备间距或两台设备间距的1/2。21固定节拍生产线工件的传送特点:（1）生产效率高，产品质量稳定。（2）生产线所有设备工作节拍等于或成倍于生产线生产节拍。（3）生产线的制造装备按产品的工艺流程布局，工件沿固定的路线，采用自动化的物流输送装置，严格按生产线的生产节拍，强制地从一台设备送到下一台设备，接受加工、检验、转位或清洗。（4）在制品数量少。生产线由自动化程度较高的、高效专用的加工装备、输送装备和辅助装备组成，制造单一品种的产品，生产效率高，产品质量稳定。工作节拍成倍于生产线的生产节拍的设备需要配备多台并行工作，以满足每个生产节拍完成一个工件的生产任务。由于工件的输送和加工严格地按生产节拍运行，工序间不必储存供周转用的半成品，因此在制品数量少。生产线出现废品，废品剔除便出现空位。生产线上某台设备出现故障，将导致整条生产线瘫痪。2．单一产品非固定节拍生产线：生产线各设备的工作节拍不同，各设备的工作周期是其完成各工序需要的实际时间。非固定节拍生产线工件的传送特点:（1）生产效率较高，产品质量稳定。（2）生产线的制造装备按产品的工艺流程布局，工件沿固定的路线流动。（3）生产线上各设备的工作周期是其完成各工序需要的实际时间，各不相同。（4）在制品数量多。（5）难采用自动化程度较高的工件输送装置。生产线由生产效率较高的、具有不同自动化程度专用的加工装备组成，在一些次要工序也可采用一般的通用设备，用于制造单一品种的产品，生产效率较高，产品质量稳定。生产线上各设备的工作节拍不同，在相邻设备之间，或相隔若干个设备之间需设置储料装置，将生产线分成若干工段——在制品数量多；储料装置前后的设备或工段可以彼此独立工作地工作。生产线上某台设备或工段出现故障，其余设备或工段仍然可以在一段时间内继续工作。生产线各设备间工件的传输没有固定的节拍，工件在工序间的传送通常不是直接从加工设备到加工设备，而是从加工设备到半成品暂存地，或从半成品暂存地到下一个加工设备——较难采用自动化程度较高的工件输送装置。返回7.1.3设计原则1．保证在生产线设计寿命期内稳定地满足工件的加工精度和表面质量要求；2．满足生产纲领的要求，并留有一定的生产潜力；3．根据产品批量和可持续生产的时间，应考虑生产线具有一定的柔性（可调整性）——避免使用完全刚性的生产线；4．尽量减轻工人的劳动强度，提供一个安全、舒适和宜人的工作环境；5．生产线布局应减小占地面积，降低生产线的投资费用；6．有利于对资源和环境保护，实现清洁化生产。返回7.1.4设计步骤1．拟定生产线的工艺方案：绘制工件工序图和加工示意图；2．全线自动化方案的拟定；3．生产线通用加工装备的选型和专用机床、组合机床的设计；4．生产线输送装置、辅助装置的选型及设计；5．液压、电气等控制系统的设计；6．生产线总体布局设计——绘制总体联系尺寸图；7．编制生产线的工作循环周期表（生产率计算卡）、使用说明书及维修等注意事项。---准备工作阶段、总体方案设计阶段、结构设计阶段返回7.2.1生产线工艺方案的制订7.2.2生产节拍的平衡和生产线的分段7.2.3生产线的技术经济性能评价7.2生产线工艺方案的设计7.2.1生产线工艺方案的制订（一）工件的输送基准选择◇输送方式：直接输送、随行夹具或托盘输送。◇工件的输送基准：输送滑移面、输送导向面、输送棘爪推拉面。采用随行夹具输送时，随行夹具就包含上述输送基准的内容。轴类工件输送基准→被机械手夹持的轴颈面。齿轮、轴承环等盘类工件输送基准→工件输送过程中的滚动基准。◇输送方式的选择原则：直接输送方式应优先选用。1．外形规则的箱体类工件→直接输送方式。2．外形复杂无良好输送基准的中小尺寸工件（拨叉、连杆、电动机座）→随行夹具输送方式；3．有些工件有较好的输送基准，但工件刚性不足→随行夹具输送方式（设置辅助支承）；4．毛坯直接上线→随行夹具输送方式。※全线应该尽量采用统一输送基准→简化输送装置结构。（1）输送基准的滑移面足够大，输送导向面（两侧）足够长，最好选取已加工面→避免工件歪斜和窜动；（2）结构允许的前提下，可在工件上增加工艺凸台，实现直接输送；（3）输送基准与工艺基准之间要有相应位置精度要求。（二）工件的工艺基准选择（定位基准选择）原则：保证加工精度；简化生产线结构。（1）尽可能采用“基准统一”原则：（2）尽可能采用加工面作为定位基准：（3）箱体类工件和随行夹具应采用“一面两销”定位方式：（4）尽可能采用“基准重合”原则：（5）定位基准应有利于实现多面加工，减少工件在生产线上的翻转次数，减少辅助设备数量，简化生产线结构。即全线采用统一的定位基准，可减小安装误差，有利于保证加工精度和实现生产线夹具结构的通用化。采用两套定位基准时，应具有足够的相互位置精度，减少定位误差。如果工件以毛坯上线加工，定位基面不应选在铸件的分型面上或锻件的毛边和分模面上；或清理平整后使用。作为毛坯上线的第一道工序的定位基准，一般应选用工件上最重要的表面，以保证该表面加工余量均匀；或采用相对其它加工面位置精度较高的不加工表面作为粗基准。一个圆柱销、一个菱形销、平面支承——圆柱销放在工件移动方向的前方，以保证定位销可靠地插入销孔中，这样，当输送装置将工件输送至距定位位置0.3～0.5mm处，可由圆柱销的锥部将工件往前拉至最终位置。若箱体类工件没有足够大的支承平面，或该平面与主要加工面之间的位置精度较差——采用两个互相垂直的平面及一个菱形销定位。在较长的生产线上，定位销严重磨损，为保证加工精度——采用两套定位销，一套用于粗加工，另一套用于精加工；或采用较深的定位孔，粗加工用定位销的一半深度，精加工用定位销全部深度。用设计基准或工序基准作为定位基准，保证加工精度。基准不重合时，需进行工艺尺寸换算。（三）工艺路线的拟定1．正确选择各加工表面的加工工艺方法2．划分加工阶段3．确定工序集中和分散程度4．安排加工顺序——加工内容合理排列5．安排必要的辅助工序。1．正确选择各加工表面的加工工艺方法大平面加工→铣削一次铣粗铣—精铣→组合铣刀、多头组合铣床粗铣—半精铣—精铣孔加工→实体上→钻、扩、铰铸孔或锻孔粗镗—半精镗—精镗扩—粗铰—精铰深孔加工（长度大于6倍孔径）钻头加工过程中推出排屑和冷却钻头通孔→两面钻孔结构允许→直径差0.2～0.3mm的阶梯孔机床卧式布局采用中空钻头钻头不转，工件旋转螺纹孔加工螺孔加工钻底孔→倒角→攻螺纹钻孔→扩孔至底孔尺寸→倒角→攻螺纹2．划分加工阶段3．确定工序集中和分散程度◆原则：合理工序集中。优点：（1）减少机床数量，减少占地面积和节省人力，有利于简化生产线结构；（2）工件一次安装，同时或先后完成多面加工，有利于保证各表面的位置精度；（3）采取多轴、多面、多工位和复合刀具等方法，有利于提高生产效率。◆考虑的主要问题：（1）有些工序（钻孔、钻深孔、铰孔和攻螺纹），切削用量、夹紧力、夹具结构、润滑要求等差别较大，不易集中在同一工位或同台机床上加工（特别同一主轴箱上）→工序分散；（2）相互位置精度要求较高的表面应安排在同一工位或同台机床上加工；（3）考虑工件刚性——避免切削力、夹紧力过大影响加工精度；（4）粗精加工工序合理安排，避免粗加工热变形影响加工精度；（5）机床调整使用方便和高的可靠性，如主轴排列不易过密，以免影响刀具调整和更换。4．安排加工顺序→一般原则：（1）先面后孔、先基面后其它、先主后次；（2）粗、精分开，先粗后精；（3）废品率较高的粗加工工序，应放在生产线的最前面或线外加工；（4）精度太高，不易达到加工要求的工序，一般不应放在线内加工；（5）位置精度要求高的加工面应尽可能放在一个工位上加工；（6）同轴度≤0.05mm的孔系，半、精加工应从一侧进行；（7）减少转位装置；（8）攻螺纹工序一般安排在线的最后，用单独机床加工；（9）钻小孔和攻螺纹较易折断刀具，该工序应放在精加工工序前。粗、精加工不易放在一台机床上进行。——重要表面：粗、精加工工序拉得远一些；粗加工工序安排在生产线的前端；精加工工序安排在生产线的最后；废品率高的的孔的精加工工序不易放在最后。——不重要的面：粗、精加工可安排仅一些，以便调整工序间的余量。先加工定位基面，后加工一般工序；先加工平面，后加工孔。如安排在线内加工，则应采取相应措施：备用机床、自动测量及刀具自动补偿装置，或设计成备有支线的单独精加工生产线，自成工段。有利于简化机床结构；有利于冷却润滑液回收、切屑处理；减少清洗装置。5．安排必要的辅助工序检验工序；清洗工序；切屑清理工序；倒角或去飞边、毛刺工序等。（四）切削用量选择1．对于工作时间最长，影响生产节拍的工序，尽量采用较大切削用量→提高生产效率；应保证耐用度最短的刀具能连续工作一个班或半个班→利用非工作时间换刀；对于非关键性工序，可采用较低切削用量→提高刀具耐用度。2．同一主轴箱上的刀具，一般共用一个进给系统——各刀具每分种进给量相同；若少数刀具要选取不同进给量——附加增速或减速机构。3．同一主轴箱上有定向停车要求的各主轴，要使它们的转速相等或互成整数倍；4．选择复合刀具的切削用量时，应考虑到刀具各部分的强度、耐用度及其工作要求。返回7.2.2生产节拍的平衡和生产线的分段（一）生产节拍的平衡1．工序节拍大于生产线的生产节拍→相差不大：2．工序节拍大于生产线的生产节拍→：提高切削用量，采用先进刀具等，缩短工序节拍。★采用新的工艺方法→提高工序节拍；★增加顺序加工工位→工序分散，将限制性工序分解为几个工步，摊在几个工位上完成；★实行多件并行加工→采用多工位加工机床，各工位完成同样工件不同工步的加工，每次转位就完成一个工件；★增加同时加工的工位数→设置若干台同样的机床，同时加工同一道限制性工序，机床的布局可采用串联或