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“黑燈工廠”大揭秘——實現精密鋁合金結構件無人化制造

2022-1-20 來源：機床協會作者：-

日夜不停轉的機器，無數機械臂上下飛舞，帶有ID的物料以穩定速率前進，流水線有條不紊運行，當工序依次走完，成品由自動化小車分揀送至無人倉庫.....生產車間熱火朝天，卻見不到幾個工人。這就是現代“黑燈工廠”的真實場景。

“黑燈工廠”直譯自英文Dark Factory，即智慧工廠，亦即從原材料到最終成品，所有的加工、運輸、檢測過程均在空無一人的工廠內完成，無需人工操作，把工廠交給機器，所以可以關燈運行。故得名“黑燈工廠”。

2021年年初，由武漢華中數控股份有限公司、沈陽華飛智能科技有限公司、沈陽精銳數控機床有限公司等企業與某重點電子通訊企業聯合，針對電子行業鋁合金復雜精密結構件加工材料的切削去除率高、薄壁深腔加工易變形、六面特征裝夾頻繁等工藝難點，以及由此造成的加工設備利用率低、加工周期長、應急響應遲緩、自動化水平低的瓶頸問題，研發出國產高檔數控機床和智能柔性加工生產線，實現了對鋁合金復雜精密結構件的高效、多品種、變批量、多工藝融合的柔性化、規模化、自動化、智能化、無人化加工生產，達到了“黑燈工廠”的運行效果。經過了一年的運行試生產，加工制造出數千件各類鋁合金精密結構件，加工質量完全滿足生產需求，加工效率大幅提升。

該工廠由兩條數控柔性智能加工生產線組成，每條生產線由配置華中8型數控系統的4臺五軸臥式加工中心、1套生產線中央刀庫及刀具機械手、1套生產線物料庫及物料機械手和生產線管控系統組成。

現場實景圖

那么，

這些鋁合金精密結構件應用于在哪些領域？

有什么工藝特點和市場需求？

對數控系統關鍵技術有什么要求？

該“黑燈工廠”在加工這些鋁合金精密結構件上又有哪些優勢？

黑燈工廠如何實現自動化和智能化加工生產？

下面為您一一揭曉！

一、精密鋁合金組件的市場需求

隨著我國經濟結構的轉型，即漸漸由制造大國向制造強國轉型的，精密結構件產業面臨著新的發展機遇，我國鋁合金精密結構件的產量在金屬精密結構件中的占比已經大幅度提升。隨著航空航天、汽車、通訊等技術的飛速發展，航空結構件、消費類電子精密結構件及模組、新能源汽車結構件及模組等產品市場爆發，我國鋁合金精密結構制造行業迎來前所未有的發展機遇。

1．航空航天領域的鋁合金、鈦合金和輔材的復雜結構件市場需求

航空復雜結構件的梁、框、肋、壁板、接頭、長桁等主要以鋁合金、鈦合金和復合材料組成，航天復雜結構件的殼體類、復雜筒類、功能關鍵部件等主要以鋁合金和復合材料組成。

2. 通訊、電子領域精密鋁合金組件市場需求

在通訊領域，隨著5G的發展，以手機、智能手表、筆記本電腦等為代表的5G智能終端的需求也越來越大，所需的鋁合金結構件需求量增長較多。

而5G基站的快速建設，5G散熱殼體、5G通訊腔體濾波器、天線底板、5G接插件等結構件的需求加大。

3．汽車領域精密鋁合金組件市場需求

隨著汽車產業的快速發展，輕量化技術、材料、工藝的研究和開發已經成為世界各大汽車生產廠家提高競爭能力的關鍵之一。鋁合金作為關鍵的輕量化材料，被各大汽車企業用于替換原有的鋼制件。目前，鋁合金主要用于制造發動機的缸體、缸蓋、軸承座、離合器殼、變速箱殼、活塞、汽車輪轂等。

此外，隨著中國新能源汽車的高速發展，用于新能源汽車鋁合金組件的加工需求將越來越大。這其中，以電驅、電池、電控為代表的“三電”產品，對鋁合金組件的需求最為明顯，主要包括電機殼、電機端蓋，電池箱體、電池箱上蓋、電池箱底殼，高壓盒PEU殼體，減速箱殼體等。

二、精密鋁合金組件的加工工藝特點

由于鋁合金材料去除量大、剛性低、強度弱，容易產生較大變形，加工后難以保證零件的加工精度和表面質量，精密鋁合金結構件制造加工工藝要求較高，具有以下技術特點：

1. 鉆攻、攻絲加工多

通訊類精密鋁合金組件，由于需要安裝各種電子元器件，所以零件上的孔位多，鉆孔攻絲占比大。

2．同一個工件需完成多個面多道工序加工，對效率要求高

鋁合金精密組件一般有多個面經過多道工序加工，有的零件6個面都需要加工，工件在工藝編排不好時，重復裝拆頻率較高。

3. 材料去除率大，對精度要求高

由于鋁合金組件小型化、輕量化、高精度需求，一般零件都是從一整塊鋁件直接加工，材料去除率高，有的零件甚至達到95%以上的去除率。同時，有很多薄壁、小圓柱等造型，對精度的要求非常高。

三、精密鋁合金組件的加工對數控機床和系統的要求

針對鋁合金復雜精密結構件加工材料的切削去除率高、薄壁深腔加工易變形、六面特征裝夾頻繁的工序復雜等工藝難點問題，數控加工工藝方法發生了根本性的變化，對數控機床和數控系統提出了新的要求，數控機床從傳統的低轉速、大扭矩切削加工向高轉速、高進給、輕負荷切削加工、高效五軸聯動方向發展。同時，由于高速五軸臥式加工中心具有高效、高精度、高復合化等特點，高速五軸臥式加工中心的需求越來越大。因此，高加速度（﹥1G）、高速高精控制、多軸虛擬軸的RTCP控制、同步軸（水平/垂直）全閉環控制、主從消隙控制、大功率伺服驅動、高速主軸控制等成為數控系統的必備技術。

1. 黑燈工廠如何實現精密鋁合金零件的高效、高精加工？

黑燈工廠中，華中數控與沈陽精銳合作研發的JW5040a5、JW5080a5五軸臥式加工中心，針對鋁合金組件需要高效率、高精度加工的特點，采用3+2的結構布局，裝夾一次最多可以完成6個面的加工，1次裝夾就可以完成整個零件的加工，1臺臥式五軸加工中心的效率相當于傳統的6臺三軸加工中心，由此確保大部分特征在一次裝夾中完成精加工。

機床配置華中數控HNC-848D數控系統，該系統為全數字總線式高檔數控裝置，支持自主開發的NCUC總線協議及EtherCAT總線協議，支持總線式全數字伺服驅動單元和絕對式伺服電機、總線式遠程I/O單元、集成手持單元接口。系統采用雙IPC單元的上下位機結構，具有高速高精加工控制、五軸聯動控制、多軸多通道控制、雙軸同步控制及誤差補償等高檔數控系統功能。

針對鋁合金組件的多面加工技術特點，機床應用了華中8型系統的諸多典型五軸功能：RTCP功能、直角頭雙向刀長補、擺頭分度、動態精度測定、數顯手搖、斜面對刀、全閉環模式下零位保護功能、刀軸方向長度補償、五軸傾斜面加工、法向進退刀、線性插補、大圓插補等。

五軸RTCP技術

針對鋁合金組件的鉆孔攻絲多、快速定位多、精度要求高等技術特點，機床應用的華中8型系統典型高速高精技術有：攻絲同步補償、倍速回退、空行程疊加、伺服抑震濾波器功能、優速銑、恒進給控制、象限突跳補償、前饋補償等。

攻絲同步補償技術

優速銑技術

象限突跳補償技術

2. 黑燈工廠如何實現多品種、變批量、無人化混流加工？

在勞動力愈發昂貴的今天，制造業已漸漸進入無人工廠時代。車間里那張巨大的萬物聯通的網，連接著指揮總控系統和數控機床、數控系統、機械手、刀庫、物料倉等各類設備。

電子通訊類產品因其更新迭代快而一般具有小批量、多品種等特征，此類產品行業，往往又存在著生產周期長、換型頻次高、緊急插單情況頻發、生產計劃變更頻繁、標準作業不易制定等問題。如何解決這些問題，實現高效加工？如果只是在生產現場進行臨時調整的話，并不能很好地消除生產管理過程中的全部浪費，無法從根本上解決企業的痛點。

華中數控針對此類零件加工需求，開發了一套柔性加工生產線管控系統。

生產線管控系統構架圖

該系統具有無人化生產管控、混流并行柔性化加工生產管控、生產過程故障容錯并聯管控、生產線大數據互聯互通、生產線內的排產規劃、生產線自動化生產管理、生產線智能化等功能，整條產線的主軸利用率達到85%以上。

3. 黑燈工廠產線如何實現中央刀庫與機床刀庫的融合

諜戰電影中不乏擅長多種武器的高手，對付不同的對手選擇不同的陣型，配備不同型號的槍或炮，精準打擊，數控加工亦如此。在小批量多品種的產品加工過程中，由于零件的多品種特性，會導致加工中需要使用到的刀具種類多，但是由于受到加工中心物理刀庫容量的限制，一臺數控機床刀庫的刀具一般在20-32把，無法滿足多品種小批量多工藝加工的刀具需求。

擁有最多1000把刀的生產線中央刀具庫設計，是華中數控參與建設的智能柔性加工生產線的最大亮點。生產線的中央刀具庫建立在機床上方，不占地面空間。生產線管控系統的刀具管理系統統一控制生產線中央刀庫和各個加工中心的本地刀庫，根據排產計劃對各個加工中心的刀具進行統一調配和管理，同時自動修改數控系統的刀具參數，實現柔性化加工生產。

例如，智能產線上的中央刀庫有216把刀，每臺數控機床的刀庫有20把刀，中央刀庫和機床刀庫加起來的總刀庫容量最多可達1000把。生產線的總刀庫可被視為各個加工中心的虛擬刀庫，不受機床物理刀庫容量的限制。所有刀具的刀柄采用RFID電子標簽，生產線管控系統根據加工工藝的要求，通過生產線的中央刀庫對數控機床的刀庫自動配置刀具、自動設置數控系統的刀具參數和進行刀具的壽命管理。