零件數(shù)字化制造技術(shù)研究

楊少勇，李 賀

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽(yáng)，550009)

1 引言

實(shí)現(xiàn)設(shè)備的數(shù)字化制造。其內(nèi)容涵蓋三維建模、軟件編程、刀具管理、機(jī)外對(duì)刀以及程序的入庫(kù)管理等部分，實(shí)現(xiàn)從建模到最終零件合格以及程序入庫(kù)的全過(guò)程管控。針對(duì)前期DMC現(xiàn)場(chǎng)數(shù)控設(shè)備使用效率監(jiān)控檢測(cè)設(shè)備利用率不足50%的現(xiàn)狀，實(shí)施數(shù)字化制造后設(shè)備利用率提升到發(fā)達(dá)國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)(70%以上)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字化制造后減少校車(chē)時(shí)間，校車(chē)時(shí)間較手工編程校車(chē)時(shí)間大幅縮短，達(dá)到國(guó)內(nèi)同行先進(jìn)管理模式的標(biāo)準(zhǔn)校車(chē)時(shí)間要求，30分鐘內(nèi)做到無(wú)縫連接。數(shù)控程序唯一可控，所有的加工程序均入庫(kù)管理，程序的調(diào)用及其修改變動(dòng)都能有據(jù)可查。

2 車(chē)間現(xiàn)狀分析

2.1 數(shù)控機(jī)床精度間隙誤差大，加工零件長(zhǎng)和寬尺寸變化誤差不一致

通過(guò)試切削零件，長(zhǎng)和寬沒(méi)有同步變化，不能通過(guò)更改刀具半徑補(bǔ)償?shù)姆绞绞沽慵_(dá)到合格。試切結(jié)果沒(méi)有加工出合格的零件，必須返回去更改三維圖，人為的把原有設(shè)計(jì)尺寸改錯(cuò)，通過(guò)改錯(cuò)的方式來(lái)滿(mǎn)足機(jī)床的精度誤差使零件尺寸合格，然后再把三維圖導(dǎo)入編程軟件進(jìn)行編程工作，這樣反復(fù)的更改，比手工直接在機(jī)床上更改程序效率還低，達(dá)不到數(shù)字化制作的目的，反復(fù)更改程序的過(guò)程中機(jī)床仍然是處于停機(jī)等待狀態(tài)，現(xiàn)場(chǎng)操作員反饋機(jī)床并不是每次精度誤差變化都一樣，可能過(guò)一段時(shí)間或者下次切削加工時(shí)，精度誤差大小又變?yōu)槠渌叽纾赃@次更改好的程序下次仍然不能拿來(lái)使用，都必須重新更改重新編制，達(dá)不到數(shù)字化生產(chǎn)不停機(jī)的目的。幾臺(tái)機(jī)床之間的精度誤差也不一樣，這臺(tái)加工的程序不能用在另外一臺(tái)機(jī)床上面去加工，這樣就達(dá)不到提前編程和程序儲(chǔ)存歸檔的目的。

2.2 數(shù)控機(jī)床利用率低，MDC軟件監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示處于50%左右

目前，車(chē)間數(shù)控機(jī)床加工零件從開(kāi)始到結(jié)束簡(jiǎn)單的可分為以下幾大步；領(lǐng)取圖紙、識(shí)圖→刀具(準(zhǔn)備刀具、安裝刀具)→程序(編制程序、校車(chē)時(shí)修改程序)→校車(chē)(工裝夾具量具準(zhǔn)備、對(duì)刀、調(diào)試尺寸)→批量加工→結(jié)束，現(xiàn)在的加工方式是按照以上步驟，做完一項(xiàng)接著做下一項(xiàng)，每個(gè)步驟都是由校車(chē)人員鏈條式的方式來(lái)完成，在領(lǐng)圖紙、準(zhǔn)備刀具、編程這些過(guò)程當(dāng)中機(jī)床都是處于停機(jī)時(shí)間，根據(jù)車(chē)間目前狀況，各類(lèi)機(jī)床之間以及同一類(lèi)型機(jī)床上的操作工人，各用個(gè)的操作習(xí)慣、加工方法及編程習(xí)慣等，每個(gè)工人的識(shí)圖能力、技術(shù)水平、加工時(shí)間包括輔助加工時(shí)間參差不齊，輔助加工時(shí)間在4小時(shí)～24小時(shí)不等，復(fù)雜類(lèi)零件甚至更長(zhǎng)。

2.3 刀具、量具、原材料準(zhǔn)備

現(xiàn)階段的生產(chǎn)模式均是讓數(shù)控機(jī)床停下來(lái)鏈條式的去準(zhǔn)備刀、量具，準(zhǔn)備的過(guò)程當(dāng)中遇到問(wèn)題才反饋，因缺乏刀具、量具生產(chǎn)中斷的情況時(shí)有發(fā)生，充分體現(xiàn)了前期的準(zhǔn)備不足，生產(chǎn)無(wú)法流暢進(jìn)行，如每加工一類(lèi)零件生產(chǎn)準(zhǔn)備階段對(duì)于自制光面塞規(guī)加工均需要耗費(fèi)時(shí)間約1小時(shí)左右，并且再次加工該類(lèi)零件時(shí)，需再一次進(jìn)行重復(fù)自制光面塞規(guī)的工作，生產(chǎn)資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。同時(shí)，現(xiàn)在無(wú)論是生產(chǎn)刀具、輔助夾具等均是按照機(jī)床配置或小范圍團(tuán)體配置，也存在資源配置重復(fù)的現(xiàn)象。

2.4 手工編程差異化與不受控

不同操作者由于技能高低、思維模式不同、對(duì)機(jī)床設(shè)備性能掌握程度也各不相同。多方面的因素導(dǎo)致同一零件編制的數(shù)控加工程序千差萬(wàn)別，零件實(shí)際加工的時(shí)間也就大相徑庭，操作人員只會(huì)根據(jù)各自最為熟悉的工作方式編程校車(chē)，所以導(dǎo)致每次加工同一類(lèi)零件時(shí)不同的操作人員都要進(jìn)行零件程序的再次編制，加工過(guò)程中的數(shù)控程序不受控。中等復(fù)雜的零件編程的時(shí)間至少都在一小時(shí)以上，再一次增加了機(jī)床的停機(jī)時(shí)間，并且不同操作人員用各自的編程方式校車(chē)，根本無(wú)法知曉是否選用最優(yōu)的加工流程及最合適的切削參數(shù)，恰好這些細(xì)節(jié)方面是不易被基層管理者發(fā)現(xiàn)的，嚴(yán)重制約生產(chǎn)效率提高。

2.5 校車(chē)問(wèn)題

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)操作員工普遍的校車(chē)模式是編程、校車(chē)同時(shí)進(jìn)行，而不能單獨(dú)分開(kāi)進(jìn)行或提前編制程序，主要是由于編制一段程序后需要進(jìn)行校車(chē)試驗(yàn)確定程序的正確性，此種校車(chē)方式效率極低，更有甚者是準(zhǔn)備刀具、編程、校車(chē)同時(shí)開(kāi)展，嚴(yán)重背離了統(tǒng)籌安排計(jì)劃。

傳統(tǒng)加工模式必須按部就班的每個(gè)緩解逐一實(shí)現(xiàn)后才能進(jìn)行下一步操作，所有的過(guò)程中機(jī)床都處于停機(jī)狀態(tài)。數(shù)字化加工模式中，計(jì)劃的接收、刀具的準(zhǔn)備以及數(shù)控程序的編制都是在機(jī)外并列進(jìn)行完成，只要能確保計(jì)劃任務(wù)的提前下達(dá)，編程人員在機(jī)床空閑之前有足夠的編程處理時(shí)間驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性并優(yōu)化加工路徑，校車(chē)加工所占用的時(shí)間將大大減少，實(shí)現(xiàn)機(jī)床利用率的提升。

3 實(shí)施零件數(shù)字化制造

零件數(shù)字化制造流程的核心思想是做到?jīng)Q策在前。無(wú)論是項(xiàng)目計(jì)劃還是刀具、量具等每一項(xiàng)輔助加工工作都必須提前準(zhǔn)備，機(jī)床只在安裝刀具和裝夾零件的時(shí)候停止運(yùn)行。數(shù)字化的生產(chǎn)流程為：3D零件模型設(shè)計(jì)→計(jì)算機(jī)NC編程→計(jì)算機(jī)仿真→刀具、量具、輔料準(zhǔn)備→機(jī)外對(duì)刀→校車(chē)→首件加工及檢驗(yàn)→批量加工；其中的“3D零件模型設(shè)計(jì)→計(jì)算機(jī)NC編程→計(jì)算機(jī)仿真”在上流程中統(tǒng)稱(chēng)為“軟件編程”。此流程最大優(yōu)勢(shì)在于“軟件編程”和“刀具、量具、輔料準(zhǔn)備”等均在機(jī)外策劃，機(jī)床空閑時(shí)直接進(jìn)行校車(chē)，大大節(jié)省了現(xiàn)有長(zhǎng)時(shí)間的前期準(zhǔn)備，使生產(chǎn)過(guò)程一直處于校車(chē)→批量加工的無(wú)縫鏈接。軟件編程模式在計(jì)算機(jī)數(shù)控編程完成，仿真模擬無(wú)誤后輸出刀具報(bào)表、零件報(bào)表。其中刀具報(bào)表里包括了裝刀長(zhǎng)度數(shù)值(刀具伸出刀桿長(zhǎng)度)、刀具處于刀庫(kù)中的刀位號(hào)、刀具直徑大小值、刀具材質(zhì)、刀具刃口長(zhǎng)度值、刀具類(lèi)型、刀具注釋、刀具圓角等等實(shí)際需求的刀具規(guī)格的所有數(shù)據(jù)。零件報(bào)表里包括了零件毛坯大小、零件裝夾方位、以及對(duì)刀零點(diǎn)等位置等。通過(guò)報(bào)表，可以指導(dǎo)刀具管理員、校車(chē)人員、操作人員等為輔助加工提前做準(zhǔn)備，由以前的編程、刀具、校車(chē)做完一項(xiàng)在接著做另一項(xiàng)的串行工作方式，改為現(xiàn)在的編程、刀具、校車(chē)同時(shí)進(jìn)行的并行的工作方式。很大程度的提高了機(jī)床的有效利用率，杜絕了停機(jī)等待。

3.1 實(shí)施機(jī)外軟件編程

數(shù)控機(jī)床處于運(yùn)行加工時(shí)，進(jìn)行下一個(gè)代加工零件的CAD三維圖繪制，CAM計(jì)算機(jī)數(shù)控編程，CAD軟件選用Inventor軟件，CAM編程軟件選用GibbsCAM，GibbsCAM是Cimatron公司旗下的一款面向零件加工的CAM軟件，尤其是車(chē)銑復(fù)合領(lǐng)域的CAM加工方案，它除了車(chē)銑復(fù)合之外，還支持2軸到5軸銑削、車(chē)削、聯(lián)動(dòng)銑削多任務(wù)加工和線切割。2008年6月進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)，公司于2009年7月購(gòu)進(jìn)該軟件，利用CAM軟件可以進(jìn)行任意多軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種復(fù)雜零件曲面的加工，隨著時(shí)代和社會(huì)經(jīng)濟(jì)浪潮的發(fā)展，宇航產(chǎn)品出現(xiàn)了多樣化、復(fù)雜化的局面，針對(duì)曲面加工，目前利用CAM軟件編程實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)的曲面加工已經(jīng)成為必不可少的加工手段之一。數(shù)控編程員根據(jù)所編制的數(shù)控程序，運(yùn)用GibbsCAM軟件輸出刀具清單，對(duì)刀工根據(jù)刀具列表清單進(jìn)行裝刀，機(jī)外對(duì)刀。

3.2 實(shí)施機(jī)外對(duì)刀

操作人員領(lǐng)取刀具清單表，用Zoller對(duì)刀儀進(jìn)行機(jī)外對(duì)刀，如圖1所示。全自動(dòng)對(duì)刀儀是加工中心及各種數(shù)控機(jī)床、專(zhuān)用機(jī)床必備的測(cè)量?jī)x器，它可以在機(jī)外對(duì)刀具切削刃徑向和軸向坐標(biāo)尺寸進(jìn)行測(cè)量、調(diào)整，把測(cè)量得到的刀具數(shù)據(jù)通過(guò)傳輸軟件傳入機(jī)床刀具數(shù)據(jù)面板，從而減少機(jī)床的試切次數(shù)和停機(jī)調(diào)整時(shí)間，保證機(jī)床的加工質(zhì)量。在刀具準(zhǔn)備領(lǐng)域，刀具預(yù)調(diào)和測(cè)量設(shè)備通常是加工鏈中的一部分。在對(duì)切削刀具進(jìn)行預(yù)調(diào)和測(cè)量的同時(shí)并不影響CNC機(jī)床的運(yùn)轉(zhuǎn)。測(cè)量結(jié)果既可以自動(dòng)從刀具測(cè)量?jī)x傳輸?shù)綑C(jī)床，也可以由操作人員手動(dòng)輸入機(jī)器控制系統(tǒng)。使用全自動(dòng)對(duì)刀儀可以大大減少機(jī)床調(diào)試時(shí)間，提高加工效率，刀具經(jīng)過(guò)預(yù)調(diào)整后還可以明顯地提高加工質(zhì)量和合格率。

圖1 機(jī)外對(duì)刀

3.3 首件加工

操作人員領(lǐng)取已經(jīng)通過(guò)對(duì)刀儀檢測(cè)的刀具，按照刀具表順序安裝在數(shù)控機(jī)床上，輸入刀具數(shù)據(jù)和調(diào)取數(shù)控加工程序，直接進(jìn)行加工，首件檢測(cè)合格后即可批量加工。

4 實(shí)施前后效能分析

車(chē)間在2020年3月24日刀具庫(kù)房建設(shè)完成，并投入使用，零件數(shù)字化制造小組二次開(kāi)發(fā)編程軟件，編程結(jié)束以后直接輸出刀具清單列表，對(duì)刀工根據(jù)刀具列表清單進(jìn)行裝刀對(duì)刀。以前停機(jī)安裝一把刀和對(duì)一把刀，需要5分鐘時(shí)間，現(xiàn)在提前安裝刀具，提前運(yùn)用機(jī)外對(duì)刀儀對(duì)刀，機(jī)床加工結(jié)束停機(jī)后，機(jī)床操作員直接安裝現(xiàn)成的刀具，輸入刀具數(shù)據(jù)，現(xiàn)在只需要1分鐘20秒的時(shí)間，減少了以往的停機(jī)準(zhǔn)備刀具以及對(duì)刀等工作，通過(guò)對(duì)比提前機(jī)外對(duì)刀和停機(jī)機(jī)內(nèi)對(duì)刀能夠在原來(lái)的基礎(chǔ)上減少機(jī)床停機(jī)時(shí)間73.3%。

2020年12月，36臺(tái)數(shù)控加工中心正式實(shí)施零件數(shù)字化制造，機(jī)床利用率逐步提升，與去年相比已經(jīng)同比增長(zhǎng)了11.8%。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)實(shí)施零件數(shù)字化制造，消除了多品種小批量零件加工中的斷點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了多品種小批量數(shù)字化制造流程的無(wú)縫鏈接，有效的縮短了數(shù)控加工過(guò)程中的輔助準(zhǔn)備時(shí)間，提高加工效率和設(shè)備有效利用率。對(duì)實(shí)施零件數(shù)字化的設(shè)備進(jìn)行MDC在線監(jiān)控，數(shù)控設(shè)備有效利用率在前期65.6%的基礎(chǔ)上大幅提升為77.4%,達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。