從樣件到量產的數控程序優化策略簡析

劉國樑

摘 要：機械制造加工行業在新的零部件開發環節，從樣件到量產階段，除了刀具、夾具、量具需要持續的改進以外，數控加工程序同樣需要持續的優化以提高加工效率，降低加工成本，本文簡要的介紹了一般零部件從樣件到量產階段數控加工程序在哪些方面存在優化的空間，提出一些通用的優化策略，為后續的量產階段的高效率低成本的加工提供保障。

關鍵詞：數控程序 路徑優化 持續改進 切削參數 降本增效

1 引言

機械制造加工行業加工效率一直是第一優先考慮選項，因為基于財務模型，機床折舊、人力成本、動力消耗等成本占比大的方面均與加工節拍相關，因此提高加工效率是降本的最重要的方向，而數控加工程序的優化則為加工效率的提升提供了最直接的突破口。我們都知道，新產品開發一般要經歷樣件加工、試生產、批量生產三個階段，一般在樣件加工階段，為了縮短交樣時間，充分利用現有資源，夾具一般選用組合夾具，刀具選擇上一般會考慮現有的標準刀具，這樣就容易造成在樣件階段的數控加工程序因為組合夾具的剛性問題而采取小切深慢進給，因為標準刀具不易一次成型而采取多次進刀，還有因為毛坯未定型余量不均勻等多種因素導致每把刀具的安全距離加大，以上種種原因導致樣件階段數控加工程序加工時間長，而通過試生產、量產等階段的刀具、夾具等持續改進，數控加工程序的優化空間也被漸漸打開，以下將簡要介紹從樣件到量產階段的數控加工程序優化的策略。

2 數控加工程序優化策略

2.1毛坯余量方面：樣件階段的毛坯普遍存在尺寸精度差，余量波動大，部分位置還有額外的冒口飛邊等，所以在樣件階段的數控加工程序在編制時粗車或粗銑端面可能需要走刀兩次至四次，而隨著量產階段產品定型，模具經過更新改進，毛坯質量及尺寸精度等得到大幅提高，余量控制在一次粗加工去量即可的狀態，這樣數控加工程序可以在樣件的基礎上可以取消一至三次粗加工進刀，在粗加工工步部分可以提高效率100%～300%。與此同時，因為每件零件的粗加工刀片的切削時間大幅縮短，刀片每刃加工的零件數量得到大幅提升，預計單件粗加工刀片消耗降本率在50%～80%。因此，加工余量的減少對加工的效率提升是最直接的，也是最容易實現的一種方式。

2.2 安全距離方面：樣件階段的數控加工程序在考慮毛坯、夾具、刀具等多方面因素不穩定的情況下，一般預設置的安全距離比較大，在10～15mm左右，這樣導致的空切時間比較多，存在浪費。隨著量產后產品定型，毛坯、刀具、夾具、量具等的固化，數控加工程序中的安全距離可以大幅下調，普通加工中心刀具的安全距離可以調整為3mm左右，另外對于部分臺階孔，一般是先加工大孔后加工小孔，對于后加工小孔的刀具安全距離端面可以設置為負值，只需要在大孔深度往上設置3mm即可。以上安全距離降幅預計70%左右，即空切時間可以降低70%，大幅降低工序的加工節拍，提高加工效率。

2.3 切削參數方面：切削參數的選擇必須綜合考慮機床性能、刀具性能、夾具剛性等多方面因素，其中機床方面切削參數的選擇必須在機床主傳動功率、進給傳動功率、主軸轉速范圍之內。機床刀具夾具等工藝系統的剛性是限制切削參數的重要因素。切削參數的選擇使機床—刀具—工件系統不發生較大的顫動。對于熱穩定性好、熱變形小、剛性好的數控機床，可以適當加大切削參數。樣件階段的夾具可能是臨時的組合夾具，或者初次設計的夾具存在考慮不周到，存在裝夾定位剛性差的問題，這樣導致切削參數比較保守，且基于安全考慮，樣件階段的加工程序普遍采用小切深小進給，而隨之夾具的不斷改進，至量產階段定型后，原加工程序的參數就普遍顯得過于保守，此時可以對部分參數進行調整，主要是加大切深、加大進給、提高線速度等，實踐經驗表明，此階段的參數提升可以將加工效率提升30%以上。

2.4 走刀路線方面：走刀路線是指數控機床加工過程中刀具的運動軌跡和方向。以最短的走刀路線編制數控加工程序是零件數控加工中必須重點考慮的問題之一。而樣件階段的走刀路線受多方面因素影響難以做到最短最優，每一道工序的加工路線的確定都是非常重要的，因為它影響著零件的加工精度及表面粗糙度。其加工路線的總體劃分原則為：保證加工精度及粗糙度、使得空行程最少及加工路線最短、計算也要方便。但是在加工路線的確定中還需考慮以下幾點：

（1）應盡量減少進、退刀時間和其他輔助時間。？ ？？？

（2）選擇合理的進、退刀位置，盡量避免沿零件輪廓法向切入和進給中途停頓，且進、退刀的位置應選在不重要的位置上。？ ？？？

（3）加工路線一般是先加工外輪廓，然后再加工內輪廓。

2.5 刀具優化方面：刀具材料是影響切削用量的有一重要因素。常用的刀具材料有高速鋼、硬質合金、陶瓷和 金剛石。金剛石刀片性能最好，允許很高的切削速度，耐磨性好，硬度高，硬度隨溫度變化小。數控機床所采用的刀具多是部刃磨可換刀片（機夾刀片）機夾刀片的材料、形狀和尺寸，必須與程序中切削速度和進給量相適應并存入刀具參數里面。樣件階段大量用到標準刀具，部分加工尺寸需要多次進刀才能完成加工，但是到了量產階段，部分加工特征可以改成非標定制成型刀，一次進刀加工成型，可以大幅降低切削時間。同時，選用適用高速切削、大切深的刀具也可極大的提升加工效率。

3 數控加工程序優化的軟件仿真輔助

隨著計算機技術及CAD/CAM技術的發展，基于加工過程仿真的數控程序驗證和優化方法得到了關注和應用。比如二維仿真軟件CIMCO對數控車床程序的仿真非常簡潔易用，其對切削參數及切削路線的優化提供了很好的離線輔助分析及驗證。三維仿真VERICUT軟件是美國CGTECH公司開發的數控加工仿真軟件，由數控程序驗證模塊、機床運動仿真模塊、程序優化模塊、自動比較模塊和CAD＼CAM接口等模塊組成，可模擬數控銑床、車床、多通道復合加工中心等設備的加工過程，也能進行數控程序優化，提高加工效率，檢查過切、欠切，機床碰撞及刀具/夾具干涉等；具有真實的三維實體顯示效果，還可以對切削后的模型進行尺寸測量，并能保存切削模型供檢驗、后續工序切削加工。通過vericut完成數控程序的優化，不僅僅是提高加工效率，縮短單件的加工時間。還可以延長刀具的壽命、改善零件的表面質量、以及獲得更穩定的加工工況。同時在優化過程中形成的優化數據，以庫的形式保存在刀具中，使得加工優化經驗得到繼承，并在不斷的使用中持續的獲得改善。

4 結語

數控機床的加工效率直接影響到企業的效益水平，企業新產品的開發從最初的樣件到最終的量產是一個持續改進的過程，其中數控程序的優化是其中很重要的一環，作為技術人員需要在全過程中實時的對數控加工程序進行優化，提高生產效率，降低加工成本以為企業獲得最大化的收益。

參考文獻：

[1]李建廣，趙航，姚英學，劉長清.基于虛擬加工的數控程序優化方法 哈爾濱工業大學學報，2007（01）

[2]徐凱.數控加工切削參數優化研究[J]. 黑龍江科技信息 2015（32）

[3]于九清.數控車床/加工中心編程方法、技巧與實例. 機械工業出版社第2版