第三节　工艺方案的技术经济分析

一、自动化加工工艺方案的制订

工艺方案是确定自动化加工系统的工艺内容、加工方法、加工质量及生产率的基本文件，是进行自动化设备结构设计的重要依据。工艺方案制订得正确与否，关系到自动化加工系统的成败。所以，对于工艺方案的制订必须给予足够的重视，要密切联系实际，力求做到工艺方案可靠、合理、先进。

1.工件毛坯

旋转体工件毛坯，多为棒料、锻件和少量铸件。箱体、杂类工件毛坯，多为铸件和少量锻件，目前箱体类工件更多地采用钢板焊接件。

供自动化加工设备加工的工件毛坯应采用先进的制造工艺，如金属模型、精密铸造和精密锻造等，以提高工件毛坯的精度。

工件毛坯尺寸和表面形状公差要小，以保证加工余量均匀；工件硬度变化范围小，以保证刀具寿命稳定，有利于刀具管理。这些因素都会影响工件的加工工序和输送方式，毛坯余量过大和硬度不均会导致刀具耐用度下降，甚至损坏，硬度的变化范围过大，还会影响精加工质量（尺寸精度、表面粗糙度）的稳定。

为了适合自动化加工设备加工工艺的特点，在制订方案时，可对工件和毛坯做某些工艺和结构上的局部修改，有时为了实现直接输送，在箱体、杂类工件上要做出某些工艺凸台、工艺销孔、工艺平面或工艺凹槽等。

2.工件定位基面的选择

工件定位基准应遵循一般的工艺原则，旋转体工件一般以中心孔，内孔或外圆以及端面或台肩面作定位基准，直接输送的箱体工件一般以“两销一面”作为定位基准。此外，还需注意以下原则：

①应当选用精基准定位，以减少在各工位上的定位误差。

②尽量选用设计基准作为定位面，以减少两种基准的不重合而产生的定位误差。

③所选的定位基准，应使工件在自动化设备中输送时转位次数最少，以减少设备数量。

④尽可能地采用统一的定位基面，可以减少安装误差，有利于实现夹具结构的通用化。

⑤所选的定位基面应使夹具的定位夹紧机构简单。

⑥对箱体、杂类工件，所选定位基准应使工件露出尽可能多的加工面，以便实现多面加工，以确保加工面间的相对位置精度，且减少机床台数。

3.直接输送时工件输送基面

（1）旋转体工件输送基面

旋转体工件输送方式通常为直接输送。

①小型旋转体工件，可借其重力，在输送料道中进行滚动和滑动输送。滚动输送一般以外圆作为支承面，两端面为限位面。为防止输送过程中工件，在料槽中倾斜、卡死要注意工件限位面与料槽之间保持合理的间隙。此外，两端支承处直径尺寸应接近一致，并使工件重心在两支承点的对称线处，轴类工件纵向滑动输送时以外圆作为输送基面。

②当难于利用重力输送或为提高输送可靠性，可采用强迫输送。轴类工件以两端轴颈作为支承，用链条式输送装置输送或以外圆作支承，从一端面推动工件沿料道输送。盘、环类工件以端面作为支承，用链板式输送装置输送。

（2）箱体工件输送基面

箱体工件加工自动线的工件输送方式有直接输送和间接输送两种。直接输送工件不需随行夹具及其返回装置，并且在不同工位容易更换定位基准，在确定设备输送方式时，应优先考虑采用直接输送。

箱体类工件输送基面，一般以底面为输送面，两侧面为限位面，前后面为推拉面。当采用步进式输送装置输送工件时，输送面和两侧限位面在输送方向上应有足够的长度，以防止输送时工件偏斜。畸形工件采用抬起步进式输送装置输送时，工件重心应落在支承点包围的平面内。当机床夹具对工件输送位置有严格要求时，工件的推拉面与工件的定位基准之间应有精度要求。畸形工件采用抬起步伐式输送装置或托盘输送时，应尽可能使输送限位面与工件定位基准一致。

4.工艺流程的拟订

拟订工艺流程是制订自动化设备工艺方案工作中最重要的一步，直接关系到加工系统的经济效果及其工作的可靠性。

拟订工艺流程，主要解决以下两个问题：

（1）确定工件在加工系统中加工所需的工序

①正确地选择各加工表面的工艺方法及其工步数。

②合理地确定工序间的余量。

（2）安排加工顺序

在安排加工顺序时，应根据以下原则：

①先面后孔。先加工定位基面，后加工一般工序；先加工平面，后加工孔。

②粗精加工分开，先粗后精。对于同一加工表面，粗精加工工位应拉开一段距离，以避免切削热、机床振动、残余应力以及夹紧应力对精加工的影响。重要加工表面的粗加工工序应放在前面进行，以利于及时发现和剔除废品。

③工序的适当集中及合理分散，这是拟定工艺方案时的重要原则之一。

工序集中可以提高生产率，减少加工系统的机床（工位）数量，简化加工系统的结构，从而带来设备投资、操作人员和占地面积的节约。工序集中可以将有相互位置精度要求的加工表面，如阶梯孔、同心阶梯孔，平行、垂直或成一定角度的平面等，在同一台机床（工位）上加工出来，以保证几个加工面的相互位置精度。

工序集中的方法一般采用成形刀具、复合式组合刀具，多刀、多轴、多面和多工件同时加工。工序集中应以能保证工件的加工精度，加工时不超出机床性能（刚度、功率等）允许范围为前提。集中程度以不使机床的结构和控制系统过于复杂和刀具更换与调整过于困难，造成系统故障增多，维修困难，停车时间加长，从而使设备利用率降低为限度。

合理的工序分散不仅能简化机床和刀具的结构，使加工系统便于调整、维护和操作，有时也便于平衡限制工序加工的节拍时间，提高设备的利用率。

④工序适当单一化。镗大孔、钻小孔、攻螺纹等工序，尽可能不要安排在同一主轴箱上，以免传动系统过于复杂以及刀具调整、更换不便。攻螺纹工序最好安排在单独的机床上进行，必要时也可以安排为单独的攻螺纹工段，这样可以使机床结构简化，有利于切削液及切屑的处理。

⑤注意安排必要的辅助工序。合理安排必要的检查、倒屑、清洗等辅助性工序，对于提高加工系统的工作可靠性、防止出现成批废品有重要意义，如在钻孔和攻螺纹后对孔深进行探测。

⑥多品种加工。为提高加工系统的经济效果，对于批量不大而工艺外形、结构特点和加工部位相类似的工件，可采取多品种加工工艺，如采用可调式自动线或“成组”加工自动线来适应多品种工件的加工。

5.切削用量的选择

可参考本章第四节“自动化加工切削用量的选择”部分。

6.工序节拍的平衡

当采用自动线进行自动化加工时，其所需的工序及其加工顺序确定了以后，还可能出现各工序的生产节拍不相符的情况，因此应尽量做到各个工位工作循环时间近似。平衡自动线各工序的节拍，可使各台设备最大限度地发挥生产效能，提高单台设备的负荷率。

根据加工工件的年产纲领，自动线的生产节拍为：

　　（2-1）

式中　Tjie——自动线生产节拍，min/件；

　　d——全年有效工作日，天；

　　 t——每天有效工作时间，h；

　　Q——年生产纲领，件；

　　ρ1——备品率；

　　ρ2——废品率；

　　 η——自动线负荷率（也称利用率），一般为60%～80%，刚性连接的、复杂的或规模大的自动线取低值，柔性连接的、简单的或较短的自动线取高值。

平衡各设备或工位的生产节拍时，首先根据拟订的工艺流程，计算每一工序的实际需要工作循环时间，即：

tg=tj+tf　　（2-2）

式中　tg——每一个工序实际需要的工作循环时间，min；

　 tj——机动时间，min；

　 tf——与tj不重合的辅助时间，min。

然后将计算结果与按式（2-1）计算的自动线生产节拍相比，确定需平衡的工序，若tg与Tjie相差不多，可通过调整负荷率、适当提高切削用量（但要保证刀具具有一定的耐用度）、改用高效率的加工方法及压缩tf来平衡。若相差过大可采用如下措施来解决。

①用工序分散的方法，将限制性工序分为几个工步，增加顺序加工机床数或工位数。

②在限制性工序增加同时加工的工件数量，将机动时间长的工序组成一个单独工段，成组多件输送，而其余各段仍是单件输送。

③在限制性工序增加工序相同的加工机床或工位数来同时进行限制性工序的加工，这几台机床在自动线上可串联或并联。

④当工件批量较小、Tjie远大于tg时，平衡节拍时要考虑减少机床和其他工艺装备的数量。对于工件结构对称或具有两个以上相同结构要素的工件，可以采取两次（或多次）通过自动线的方式完成全部加工工序，以达到平衡节拍的目的。

⑤可以采取把几个tg都较小的工序合并到一个工位（机床）上进行加工的方法，如采用移动工作台、可换箱式机床、三坐标加工单元等，来达到平衡节拍的目的。

二、自动化加工工艺方案的技术经济分析

包含在产品中的总劳动量，包括制造时所采用的物化劳动和制造给定产品的活劳动。图2-2（a）所示是在一般生产条件下（上图）和在自动化生产条件下（下图）制造一定数量的零件的劳动消耗结构，其中T1和T'1是制造生产设备的劳动消耗，即物化劳动，T2和T'2是制造给定产品的劳动消耗，即活劳动。从图中可以看出，采用自动化方式时，只有在T'1+T'2<T1+T2的条件下，才能提高劳动生产率。当产品的生产纲领减少为1/k时，T2和T'2的劳动消耗分别按比例缩减到T2/k和T'2/k（图中虚线所示）。显然，上述条件就不存在，也就不能保证生产的经济性。反之，随着产品生产纲领的增加，生产经济性和自动化的效益就会显示出来。图2-2（b）表示劳动量和产量之间的关系（直线A是在自动化条件下，B是在一般生产条件下），交点n0表示上述两种生产条件下，劳动消耗相等，即：

T'1+T'2=T1+T2　　（2-3）

T'2=t'2n0　T2=t2n0　　

T'1+t'2n0=T1+t2n0　　

式中，t2和t'2分别为一般生产和自动化生产条件下制造一个产品的劳动量。因此：

n0=（T'1-T1）/（t2-t'2）　　（2-4）

可以看出，只有实际产量n大于n0时，采用自动化生产方式才是合理的。

上面指的是大量生产的情况，其中每一工序固定在单独的工位上进行。如果采用具有快速重新调整的自动化设备，根据负荷条件来制造几种产品（成批生产），则制造一种产品的自动化效果就比前述情况要大，这是因为此时T1和T'1减少为T1a和T'1a，此处a<1，并且T'1比T1减少得多。图2-2（c）表示了相应的劳动量结构。从图2-2（d）中可见，A、B两条直线分别下移，交点n0左偏。

n0=a（T'1-T1）/（t2-t'2）　　（2-5）

综上所述，工艺方案的比较，不能单独按活劳动来比较而是应当根据活劳动和物化劳动之和来比较。在自动化生产条件下，往往活劳动可以下降很多（有时可减少为几十分之一），而活劳动和物化劳动之和却并不显著降低，这主要决定于生产纲领。这种情况在设计工艺过程和选择自动化设备时必须加以考虑。

降低产品成本必须缩减所有的生产费用，这是实现生产自动化的基本问题。但解决该问题有其自身的特点，图2-2（e）所示为一般生产（上图）和自动化生产（下图）中制造一件产品的成本结构。图中M和M'是材料费，L和L'是生产工人工资，Z和Z'是考虑了所有其他生产开支的车间费用（设备折旧率、能量、辅助工人和技术人员的工资等）。从图中可以看出，在生产自动化条件下，制造产品的成本和生产工人的工资减少了（由于工人数量的显著减少）。车间费用降低很少，个别情况甚至会增长，材料费用在自动化条件下减少不多，但毛坯制造费用由于对其精度要求提高了而有所增长。图2-2（f）M'和L'及Z'中的主要组成部分随自动化程度a而变化的性质，所谓自动化程度是自动化工序的加工时间对工艺过程总时间之比。

随着自动化程度的提高，所采用的工艺设备和运输装置的复杂性和价格都增加了。因而每一零件的单位设备折旧费增加了，但随着a的增加，所采用设备的数量在减少，因此，每一零件上的总折旧费增加不多，有时还会降低。电能、压缩空气和其他的能量费用也要增加，因为自动化设备的额定功率是随着a的增加而增加的。辅助工人和工程技术人员的工资L'1增加了，这是由于生产设备复杂，调整工和修理工的技术水平要求提高了，人数也增多了。此外，比较复杂和贵重的工艺装备也要增加。但厂房建筑和维修费用有所降低，因为所需要的生产面积减少了。合成曲线C表示了一个零件的制造成本随自动化程度而变化的特性。