“余量法”制定数控劳动定额标准研究

“余量法”制定数控劳动定额标准研究中国北车集团同车公司高级工程师胡建民数控劳动定额标准制定中所采用的“余（增）量分析计算法”（以下简称“余量法”），是指根据数控加工产品的加工余量（切削的去除量体积）或增量（如电焊的焊缝容积）及其在数控加工过程中时间消耗所建立起来的反映数控加工产品余量或增量及其加工精度和加工方法等与加工时间消耗规律（余量因素与其时间消耗函数关系）的时间定额标准数学模型进行数控加工时间定额标准制定的一种方法。“余量法”制定数控劳动定额标准研究“余量法”是根据数控加工的基本原理和加工特征而制定的，这是因为：1、“余量法”是根据数控加工“余（增）量”的基本原理而制定的。我们知道，对于数控加工过程而言，数控加工一般都是在执行程序的过程中由机床自动连续作业而完成加工任务的，因而影响时间消耗的主要因素就是切削量（称去除量）或焊接容量（称焊缝容积）的大小。在切削用量和加工倍率一定的前提下，切削量（称去除量）或焊接容量（称焊缝容积）越大，所用的时间消耗也就越大，反之亦小。这样我们就可以通过选用典型工序（或工步）和典型切削用量及其标准加工倍率为前提，寻求切削量（称去除量）或焊接容量（称焊缝容积）与时间消耗关系的数学方程式，从而建立数控加工时间定额标准数学模型。一、“余量法”制定数控劳动定额标准的基本原理（一）“余量法”的设计理念及其宏观分析2、就数控加工而言，影响加工时间消耗的因素主要包括：（1）加工精度。如，被加工部位的形状、尺寸精度。（2）切削用量。如，切削速度Vc(m/min)、进给量F（mm/r）。（3）表面质量。如，加工表面粗糙度Ra/um等。当上述因素确定下来以后，其工时消耗呈规律性发展，我们就可以根据这个规律建立反映上述因素与数控加工时间消耗的数学关系式。3、由于数控加工具有高自动化、高精度、高质量和高效率等特点，而这些特点的实现主要得益于数控加工时刀具运动轨迹始终是按数控系统中插补装置或插补软件来控制的，就是说它始终是按照一个确定加工任务的一系列指令来完成加工任务的。数控加工的这种密集性、连续性的加工特点，使得我们可以将其中的切削量（称去除量）或焊接容量（称焊缝容积）看作是加工时间消耗的主要因素，而将其它因素看作是次要因素，从而建立以切削量（称去除量）或焊接容量（称焊缝容积）为基本依据，以其它因素为调整修正系数的数控加工时间定额数学模型，这也是“把复杂的问题简单化”的具体运用。我们知道，在数控加工程序中所反映的数据信息主要包括：X、Y、Z等坐标值；进给速度F（mm/r）；主轴转速S(r/min)，(S=1000Vc/)；G代码；M代码；刀具号；子程序处理和循环调用处理等数据。上述数据中，与零部件加工尺寸（或加工余增量）有关的主要有：X、Y、Z等坐标值的大小。与切削效率（或速率）有关的主要有：进给速度F（mm/r）、主轴转速S（r/min）等。与程序复杂程度有关的主要有：G代码、M代码、刀具号、子程序处理和循环调用处理等数据。根据上述要素及其数据，我们在“余量法”设计中将数控加工过程中时间消耗及其影响要素分为三类，即：（二）“余量法”设计中的要素及其微观分析1、有关刀具运动轨迹的影响要素。经过分析，我们发现决定刀具运动轨迹的因素主要表现在刀具在数控机床坐标轴上的运动距离和运动速度，并且在执行曲面切削是往往这种运动速度又是非匀速的，这些通常与数控程序中的G代码、M代码以及加工倍率等数据有关，因而我们就可以根据这些数据的特点和规律设计时间定额计算模式。2、有关切削用量方面的影响要素。我们知道，通常情况下数控加工中切削用量包括了：切削深度Ap、进给量F(mm/r)或进给速度Vf(mm/min)以及切削速度Vc等。在上述各项要素的赋值选取中，切削深度Ap的大小一般与机床的刚度和工件加工余量有关；进给量F(mm/r)或进给速度Vf(mm/min)一般与被加工工件的加工精度和表面粗糙度高低有关。当切削深度Ap、进给量F(mm/r)或进给速度Vf(mm/min)一定的情况下，决定切削时间（或效率）的主要因素就是切削速度Vc，因此我们在研究数控加工时间消耗规律的时候，必须是在标准切削用量的前提下进行。例如，我们在进行数控加工中心测时数据采集时，其标准切削用量一般可按刀具、材料以及工序特性进行选取（参见表1-1、表1-2）工件材料切削用量刀具直径（mm）10203040钢转速（r/min）700~950600~700500~600400~500切削速度（m/min）23~2424~2525~2626~27进给速度(mm/min)80~9070~8060~7050~60每齿进量（mm/齿）0.05~0.060.06~0.070.07~0.080.08~0.09铸铁转速（r/min）750~1000650~750550~650450~550切削速度（m/min）24~2525~2626~2727~28进给速度(mm/min)100~12080~10060~8040~60每齿进量（mm/齿）0.06~0.070.07~0.080.08~0.090.09~0.10铝转速（r/min）3500~50003000~35002500~30002000~2500切削速度（m/min）126~128128~130130~132132~134进给速度(mm/min)480~500460~480440~460420~440每齿进量（mm/齿）0.06~0.070.07~0.080.08~0.090.09~0.10表1-1高速钢立铣刀（粗铣）切削用量选取表工件材料切削用量工序粗镗半精镗精镗高速钢硬质合金高速钢硬质合金高速钢硬质合金钢Vc/(m/min)15~3550~8020~5595~13595~11095~140F/(mm/r)0.35~0.70.35~0.70.15~0.40.15~0.40.1~0.20.1~0.2铸铁Vc/(m/min)20~3535~5025~4050~7070~8570~95F/(mm/r)0.4~1.20.4~1.20.15~0.50.15~0.50.08~0.150.08~0.15铝及铜Vc/(m/min)100~150100~250100~200120~230200~350230~450F/(mm/r)0.5~1.50.5~1.50.2~0.50.2~0.50.05~0.10.05~0.1表1-2工序（镗孔）切削用量选取表3、有关刀具与夹具的影响要素。数控加工中当切削用量适中时，即为该刀具使用寿命最大时的切削用量，这时在数控加工过程中，刀具的类型和材料就成为影响加工效率的主要因素。同时夹具自动化程度的高低也决定工件装夹的辅助时间和机床切削运转利用率的高低。不同的加工内容，决定了不同的刀具和夹具的选用方式，而不同的刀具和夹具选用方式也不同程度上影响加工效率和时间消耗，因此我们在“余量法”制定加工数控时间定额标准设计时，也必须将刀具和夹具因素作为一项主要因素予以考虑。一般情况下，“余量法”数学模型设计中的刀具和夹具系数，主要考虑以下几个方面的因素：（参见表1-3）分类类别类型数控刀具选择考虑因素按结构分类整体式1、被加工工件材料及性能。2、切削工艺类别。3、被加工工件的几何形状、零件精度、加工余量的等。4、刀具能承受的背吃刀量、进给速度、切削速度等。镶嵌式焊接式、机夹式：可转位式、不可转位式。减振式内冷式特殊形式复合式按材料分类高速钢刀具硬质合金刀具陶瓷刀具立体氮化硼刀具金刚石刀具按切削工艺分类车削刀具外圆、内孔、外螺纹、内螺纹、车槽刀等；尖形、圆弧形、成形刀等。钻削刀具小孔、短孔、深孔、螺纹孔、铰孔刀具等。镗削刀具粗镗、精镗刀具等。铣削刀具面铣、立铣、三面刃铣刀等。球形、环形、鼓形、锥形、盘形铣刀等。表1-3数控加工刀具选用要素一览表夹具类别夹具类型选择要素组合夹具槽系组合夹具、孔系组合夹具等。1、选择顺序：组合夹具、可调整夹具、专用夹具、成组夹具。2、安装、定位、转位等精度。3、装夹自动化程度。4、坐标转换计算繁简程度。5、有无对刀点。专用夹具可调整夹具可定位、夹压、T形槽、台阶、光孔、螺孔等。成组夹具表1-4数控加工夹具选用要素一览表根据数控加工工作原理，数控加工是由数据（CNC系统数据）向切削运动转换所形成的，这种CNC系统的数据转换是通过加工程序→译码→刀补处理→插补计算，然后再由插补计算分别向进给伺服系统→成形运动和PLC控制→切削运动以及机床I/O装置的转换等最终实现零部件自动化加工的。而在这个加工过程中，被加工零件的加工余量和加工质量等又与上述加工过程中的诸因素共同构成数控加工时间消耗的的重要因素，并且它们所影响的时间消耗又呈规律性，因此寻找这种规律又是我们设计和建立“余量法”时间定额数学模型的基础依据。（三）“余量法”设计中数控加工过程影响因素及其时间消耗规律1、刀补、插补运动对数控加工时间消耗规律的影响根据上述CNC系统数据向切削运动的转换，我们可以看出：数控加工过程中的刀补和插补运动既是影响切削效率的主要因素，也是影响时间消耗的主要因素。因为刀具按其中心轨迹的运动是通过刀补处理来完成的，而插补功能则是对其运动轨迹的控制，它们构成数控加工的主要内容何和特征，正是因为有了刀补和插补的功能，数控机床才能加工出各种各样形状复杂的零件来。进一步的分析我们发现：插补周期越短，插补的精度越高，但其加工效率就越低，所用的时间就越长；反之，进给速度越快，插补精度越低，但其加工效率就越高，所用的时间就越短。因而我们就此可以看出刀补、插补运动对数控加工时间消耗规律是：数控加工零部件的形状及其复杂程度和精度高低，直接决定着刀补、插补运动对数控加工时间消耗的影响程度，其时间消耗与零部件的形状及其复杂程度和精度高低成正比，与刀补、插补精度高低成正比。2、加工余量及加工方式方法对数控加工时间消耗规律的影响（1）数控加工余量及其对加工时间消耗规律的影响所谓数控加工余量，顾名思义就是在数控加工过程中对被加工零部件表面“多余”的“物资材料”进行切削去除，已完成切削加工的目的。即指运用数控机床切去被加工零部件表面金属（或非金属）层厚度（亦称“去除量”）。数控加工余量有工序加工余量和加工总余量之分，工序加工余量是相邻两工序的工序尺寸之差；加工总余量是毛坯尺寸与零部件图的设计尺寸之差，它等于各工序加工余量之和，即：niiYY1式中：总加工余量。Y道工序加工余量。第iYin-----工序数量。加工余量有单边余量和双边余量之分。平面加工余量一般指单边余量，它等于实际切削（去除）的金属层厚度，（如图1-1(a)(b)）。对于内圆和外圆等回转体表面其加工余量一般指双边余量，即以直径方向计算的实际切削（去除）金属层厚度为加工余量的一半，（如图1-1(c)）所示。ydyDyDydYmin(a)单边余量（被包容面）YmaxYmaxYmin(b)单边余量（包容面）(c)双边余量图1-1数控加工余量图数控加工余量的确定一般采用经验估算、查表修正、分析计算等三种方法取得（各种方法的运用将在以后的章节用到时陆续介绍）。在确定加工余量时，总加工余量（毛坯余量）和工序余量要分别确定，总加工余量的大小与所选择毛坯的制造精度有关。用查表法确定工序余量时，粗加工工序的加工余量不能用查表法，而是由总加工余量减去其它工序余量之和而获得。（2）数控加工方式方法及其对加工时间消耗规律的影响就数控加工而言，被加工零部件的几何形状是复杂多样的，我们可以根据零件的几何构成将零部件的数控加工分为：a：平面类零件加工、b：变斜角类零件加工、c：复杂曲面类零件加工等三种类型。同时对每一种类型零件的加工都有相似的内容，如：平面、曲面、槽、孔、型腔、轮廓、内外螺纹加工等。对于上述不同的加工内容和加工方式，除需选用不同的切削用量外，其被切削表面的加工余量也是不同的，这说明不同的加工内容和加工方式也是决定其加工时间消耗的重要因素，这种时间消耗规律不仅取决于加工内容和加工方式，同时也取决于加工余量。综上所述，我们可以看出加工余量及加工方法对数控加工时间消耗规律是