加工大型工件“大”与“完整”兼容的技术分析

“能效”是当今的热门话题。人们把焦点都放在水电和压缩空气消耗方面，却极少考虑空间使用问题。就生产成本“能效”来讲，每平方米所蕴含的生产力其实有着巨大的潜力。

对大型工件进行“完整加工”一直是难题，机床设备的快速发展使这个问题得到解决，并证明了完整加工与大型工件的处理并非相互排斥。人们把焦点都放在水电和压缩空气消耗上，却极少考虑空间使用问题，就生产成本“能效”来讲，每平方米所蕴含的生产力其实有着巨大的潜力。

“完整加工”一词在生产领域由来已久，如今更受关注。回顾过去，当初只有多面加工和多方向或六面加工。随着多种生产技术的整合，单个加工中心已经能完成从毛坯到成品零部件的完整加工。

完整加工越来越依赖五轴联动加工。除需整合多种生产技术外，五轴加工系统还要求能在空间中以相对随意的方式定位工件和工具，并使其自由回旋。这一要求使得完整加工，尤其是对小型工件的完整加工，得以应用在大小型机床上。完整加工在工件质量方面的优势，也比传统的“泰勒制”科学管理生产更胜一筹。

完整加工——大型工件受益良多

一开始，大型工件加工似乎面对诸多限制。大型工件通常需要进行诸多操作，因此加工中心需要配备大容量的刀库，并要求某些工具必须与工件的尺寸相近。那么在一台庞大的机器上完成所有生产步骤是否可行呢?

以往人们总是过快地做出决定，却没有充分地考虑完整加工的好处。其实，它具备很多方面的优势。相比在加工小型工件的优势，完整加工对于大型工件而言，其优势更是有过之而无不及。在多阶段的生产过程中，即便各生产系统间的缓冲达到最低，大型工件仍需要非常大的存储空间。例如，一个标准的箱式托盘只能容纳 24个货车涡轮增压器的半边外壳。即使加工只需几分时间，若要满足一个班次中未完工产品的缓冲需要，那它所占的空间就足以把生产现场变成像是带有切屑分区的物流作业站。每增加一个生产步骤，则需要更多的空间。在这种情况下，显然不能把空间效率只当作假定条件而已。

根据各工件的重量，机器的每个装卸步骤都需要使用装卸工具。在大型机器中，这些装卸步骤的实现都是自动化的。为保证生产过程的一致性，装卸工具通过自动输送和缓冲区相互衔接起来。价值创造要素在资源投资中所占百分比极小，并且近年来持续下降，而与此同时，工件也取代了冷却润滑剂在很多地方的使用。

如果将完整加工用于大型工件，则可以大量降低在物流和自动化方面的开支。所需机器的尺寸取决于轴的布置。可以确定的是，在最佳条件下，工件可以进行双旋转，也就是说绕着两个轴旋转。如果工具能进行X、Y和Z三个平面上的线性运动，则可以使工具或工件尽可能少旋转和平衡动作。

在设计可以容纳较多大型刀具的加工中心时，还要考虑到热效应。只有在这种情况下，完整加工才能在相对较小的空间内发挥所有优势。结合双主轴复合加工(图1)，用户能获得最佳空间效益，因为完整加工能与双主轴加工实现完美互补。同时创造了最高水平的每平方米生产力。图2所示为同时加工两个工件的加工中心，其最大尺寸为500500x500mm，占地面积仅12m^2。

图1 斯塔玛双主轴和五轴联动砂轮安装生产，主轴距离为600mm

根据工件参数，完整加工夹紧一个工件最多可能需要50个工具，所设计的工具库必须能符合如此大的尺寸要求。除了要获得快速的换刀间隔，进而实现快速的切屑到切屑换刀时间，机器内部工具管理还必须高度智能化。位于德国Schlierbach的斯塔玛(Stama)制造的工具库不仅可用于单主轴和双主轴加工，而且具有多达120个位置的超大容量。

大容量刀库面临的主要挑战，是要同时实现特定刀具的随时供给和缩短刀具干扰时间。通过刀库的工程设计来解决这两个问题，利用快速抓取装置或快速移动链条是必不可少的。为了尽可能降低刀库需要应对的高动应力，斯塔玛的加工中心都配备了“斯塔玛刀具管理”解决方案(图3)。有了刀库分类装置的帮助，就能保证在加工过程中，按照所需的正确顺序，把刀具放入刀库中。另外，新的刀具装入刀库中后，或是切换到同规格的备用工具后，顺序会持续得到更新。因此，可以保证在最低动应力的情况下，大型刀库中始终保持快速的切屑到切屑换刀时间。

图3 刀具分类装置：“斯塔玛工具管理”
保证一致的短暂切屑到切屑换刀时间

过程整合

除了五轴联动完整加工外，铣削中心还对各生产工序加以整合，这为质量和物流方面创造更好的前景。举例说，原本需先在车铣机床上完成所有粗车工序，然后才能开始细车步骤。而将车削主轴并入加工中心，就可以实现任意顺序的五轴联动车铣操作(图4)。同时还能在各操作步骤之间自由移动工件，而无需从机床上取下工件。如果由工件来执行旋转动作，那么工件可以在夹紧装置松开后却不离开夹紧装置的情况下旋转至定位，这样就无需再单独夹紧。

图4 在同一中心上配备车铣加工的完整
加工——货车涡轮增压器外壳的双主轴车

备注：什么是“泰勒制”?

物质方面的直接浪费，人们是可以看到和感觉到的，但由于人们不熟练、低效率或指挥不当而造成的浪费，人们既看不到，又摸不到。所有的日常活动中不注意效率的行为都在使整个国家资源遭受巨大损失，而补救低效能的办法不在于寻求某些出众或是非凡的人，而在于科学的管理。提出这个观念的人正是被西方管理界誉为“科学管理之父”的泰勒。

泰勒制可以使作业标准化、规范化，可以提高生产效率，泰勒制也叫科学管理。

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