零件數字化制造技術研究

楊少勇，李 賀

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

1 引言

實現設備的數字化制造。其內容涵蓋三維建模、軟件編程、刀具管理、機外對刀以及程序的入庫管理等部分，實現從建模到最終零件合格以及程序入庫的全過程管控。針對前期DMC現場數控設備使用效率監控檢測設備利用率不足50%的現狀，實施數字化制造后設備利用率提升到發達國家的標準(70%以上)。實現數字化制造后減少校車時間，校車時間較手工編程校車時間大幅縮短，達到國內同行先進管理模式的標準校車時間要求，30分鐘內做到無縫連接。數控程序唯一可控，所有的加工程序均入庫管理，程序的調用及其修改變動都能有據可查。

2 車間現狀分析

2.1 數控機床精度間隙誤差大，加工零件長和寬尺寸變化誤差不一致

通過試切削零件，長和寬沒有同步變化，不能通過更改刀具半徑補償的方式使零件達到合格。試切結果沒有加工出合格的零件，必須返回去更改三維圖，人為的把原有設計尺寸改錯，通過改錯的方式來滿足機床的精度誤差使零件尺寸合格，然后再把三維圖導入編程軟件進行編程工作，這樣反復的更改，比手工直接在機床上更改程序效率還低，達不到數字化制作的目的，反復更改程序的過程中機床仍然是處于停機等待狀態，現場操作員反饋機床并不是每次精度誤差變化都一樣，可能過一段時間或者下次切削加工時，精度誤差大小又變為其它尺寸，所以這次更改好的程序下次仍然不能拿來使用，都必須重新更改重新編制，達不到數字化生產不停機的目的。幾臺機床之間的精度誤差也不一樣，這臺加工的程序不能用在另外一臺機床上面去加工，這樣就達不到提前編程和程序儲存歸檔的目的。

2.2 數控機床利用率低，MDC軟件監測數據顯示處于50%左右

目前，車間數控機床加工零件從開始到結束簡單的可分為以下幾大步；領取圖紙、識圖→刀具(準備刀具、安裝刀具)→程序(編制程序、校車時修改程序)→校車(工裝夾具量具準備、對刀、調試尺寸)→批量加工→結束，現在的加工方式是按照以上步驟，做完一項接著做下一項，每個步驟都是由校車人員鏈條式的方式來完成，在領圖紙、準備刀具、編程這些過程當中機床都是處于停機時間，根據車間目前狀況，各類機床之間以及同一類型機床上的操作工人，各用個的操作習慣、加工方法及編程習慣等，每個工人的識圖能力、技術水平、加工時間包括輔助加工時間參差不齊，輔助加工時間在4小時～24小時不等，復雜類零件甚至更長。

2.3 刀具、量具、原材料準備

現階段的生產模式均是讓數控機床停下來鏈條式的去準備刀、量具，準備的過程當中遇到問題才反饋，因缺乏刀具、量具生產中斷的情況時有發生，充分體現了前期的準備不足，生產無法流暢進行，如每加工一類零件生產準備階段對于自制光面塞規加工均需要耗費時間約1小時左右，并且再次加工該類零件時，需再一次進行重復自制光面塞規的工作，生產資源的嚴重浪費。同時，現在無論是生產刀具、輔助夾具等均是按照機床配置或小范圍團體配置，也存在資源配置重復的現象。

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、對機床設備性能掌握程度也各不相同。多方面的因素導致同一零件編制的數控加工程序千差萬別，零件實際加工的時間也就大相徑庭，操作人員只會根據各自最為熟悉的工作方式編程校車，所以導致每次加工同一類零件時不同的操作人員都要進行零件程序的再次編制，加工過程中的數控程序不受控。中等復雜的零件編程的時間至少都在一小時以上，再一次增加了機床的停機時間，并且不同操作人員用各自的編程方式校車，根本無法知曉是否選用最優的加工流程及最合適的切削參數，恰好這些細節方面是不易被基層管理者發現的，嚴重制約生產效率提高。

2.5 校車問題

生產現場操作員工普遍的校車模式是編程、校車同時進行，而不能單獨分開進行或提前編制程序，主要是由于編制一段程序后需要進行校車試驗確定程序的正確性，此種校車方式效率極低，更有甚者是準備刀具、編程、校車同時開展，嚴重背離了統籌安排計劃。

傳統加工模式必須按部就班的每個緩解逐一實現后才能進行下一步操作，所有的過程中機床都處于停機狀態。數字化加工模式中，計劃的接收、刀具的準備以及數控程序的編制都是在機外并列進行完成，只要能確保計劃任務的提前下達，編程人員在機床空閑之前有足夠的編程處理時間驗證程序的準確性并優化加工路徑，校車加工所占用的時間將大大減少，實現機床利用率的提升。

3 實施零件數字化制造

零件數字化制造流程的核心思想是做到決策在前。無論是項目計劃還是刀具、量具等每一項輔助加工工作都必須提前準備，機床只在安裝刀具和裝夾零件的時候停止運行。數字化的生產流程為：3D零件模型設計→計算機NC編程→計算機仿真→刀具、量具、輔料準備→機外對刀→校車→首件加工及檢驗→批量加工；其中的“3D零件模型設計→計算機NC編程→計算機仿真”在上流程中統稱為“軟件編程”。此流程最大優勢在于“軟件編程”和“刀具、量具、輔料準備”等均在機外策劃，機床空閑時直接進行校車，大大節省了現有長時間的前期準備，使生產過程一直處于校車→批量加工的無縫鏈接。軟件編程模式在計算機數控編程完成，仿真模擬無誤后輸出刀具報表、零件報表。其中刀具報表里包括了裝刀長度數值(刀具伸出刀桿長度)、刀具處于刀庫中的刀位號、刀具直徑大小值、刀具材質、刀具刃口長度值、刀具類型、刀具注釋、刀具圓角等等實際需求的刀具規格的所有數據。零件報表里包括了零件毛坯大小、零件裝夾方位、以及對刀零點等位置等。通過報表，可以指導刀具管理員、校車人員、操作人員等為輔助加工提前做準備，由以前的編程、刀具、校車做完一項在接著做另一項的串行工作方式，改為現在的編程、刀具、校車同時進行的并行的工作方式。很大程度的提高了機床的有效利用率，杜絕了停機等待。

3.1 實施機外軟件編程

數控機床處于運行加工時，進行下一個代加工零件的CAD三維圖繪制，CAM計算機數控編程，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，尤其是車銑復合領域的CAM加工方案，它除了車銑復合之外，還支持2軸到5軸銑削、車削、聯動銑削多任務加工和線切割。2008年6月進入中國市場，公司于2009年7月購進該軟件，利用CAM軟件可以進行任意多軸聯動，實現對各種復雜零件曲面的加工，隨著時代和社會經濟浪潮的發展，宇航產品出現了多樣化、復雜化的局面，針對曲面加工，目前利用CAM軟件編程實現多軸聯動的曲面加工已經成為必不可少的加工手段之一。數控編程員根據所編制的數控程序，運用GibbsCAM軟件輸出刀具清單，對刀工根據刀具列表清單進行裝刀，機外對刀。

3.2 實施機外對刀

操作人員領取刀具清單表，用Zoller對刀儀進行機外對刀，如圖1所示。全自動對刀儀是加工中心及各種數控機床、專用機床必備的測量儀器，它可以在機外對刀具切削刃徑向和軸向坐標尺寸進行測量、調整，把測量得到的刀具數據通過傳輸軟件傳入機床刀具數據面板，從而減少機床的試切次數和停機調整時間，保證機床的加工質量。在刀具準備領域，刀具預調和測量設備通常是加工鏈中的一部分。在對切削刀具進行預調和測量的同時并不影響CNC機床的運轉。測量結果既可以自動從刀具測量儀傳輸到機床，也可以由操作人員手動輸入機器控制系統。使用全自動對刀儀可以大大減少機床調試時間，提高加工效率，刀具經過預調整后還可以明顯地提高加工質量和合格率。

圖1 機外對刀

3.3 首件加工

操作人員領取已經通過對刀儀檢測的刀具，按照刀具表順序安裝在數控機床上，輸入刀具數據和調取數控加工程序，直接進行加工，首件檢測合格后即可批量加工。

4 實施前后效能分析

車間在2020年3月24日刀具庫房建設完成，并投入使用，零件數字化制造小組二次開發編程軟件，編程結束以后直接輸出刀具清單列表，對刀工根據刀具列表清單進行裝刀對刀。以前停機安裝一把刀和對一把刀，需要5分鐘時間，現在提前安裝刀具，提前運用機外對刀儀對刀，機床加工結束停機后，機床操作員直接安裝現成的刀具，輸入刀具數據，現在只需要1分鐘20秒的時間，減少了以往的停機準備刀具以及對刀等工作，通過對比提前機外對刀和停機機內對刀能夠在原來的基礎上減少機床停機時間73.3%。

2020年12月，36臺數控加工中心正式實施零件數字化制造，機床利用率逐步提升，與去年相比已經同比增長了11.8%。

5 結束語

通過實施零件數字化制造，消除了多品種小批量零件加工中的斷點，實現了多品種小批量數字化制造流程的無縫鏈接，有效的縮短了數控加工過程中的輔助準備時間，提高加工效率和設備有效利用率。對實施零件數字化的設備進行MDC在線監控，數控設備有效利用率在前期65.6%的基礎上大幅提升為77.4%,達到預期目標。