零件数字化制造技术研究

杨少勇，李 贺

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

1 引言

实现设备的数字化制造。其内容涵盖三维建模、软件编程、刀具管理、机外对刀以及程序的入库管理等部分，实现从建模到最终零件合格以及程序入库的全过程管控。针对前期DMC现场数控设备使用效率监控检测设备利用率不足50%的现状，实施数字化制造后设备利用率提升到发达国家的标准(70%以上)。实现数字化制造后减少校车时间，校车时间较手工编程校车时间大幅缩短，达到国内同行先进管理模式的标准校车时间要求，30分钟内做到无缝连接。数控程序唯一可控，所有的加工程序均入库管理，程序的调用及其修改变动都能有据可查。

2 车间现状分析

2.1 数控机床精度间隙误差大，加工零件长和宽尺寸变化误差不一致

通过试切削零件，长和宽没有同步变化，不能通过更改刀具半径补偿的方式使零件达到合格。试切结果没有加工出合格的零件，必须返回去更改三维图，人为的把原有设计尺寸改错，通过改错的方式来满足机床的精度误差使零件尺寸合格，然后再把三维图导入编程软件进行编程工作，这样反复的更改，比手工直接在机床上更改程序效率还低，达不到数字化制作的目的，反复更改程序的过程中机床仍然是处于停机等待状态，现场操作员反馈机床并不是每次精度误差变化都一样，可能过一段时间或者下次切削加工时，精度误差大小又变为其它尺寸，所以这次更改好的程序下次仍然不能拿来使用，都必须重新更改重新编制，达不到数字化生产不停机的目的。几台机床之间的精度误差也不一样，这台加工的程序不能用在另外一台机床上面去加工，这样就达不到提前编程和程序储存归档的目的。

2.2 数控机床利用率低，MDC软件监测数据显示处于50%左右

目前，车间数控机床加工零件从开始到结束简单的可分为以下几大步；领取图纸、识图→刀具(准备刀具、安装刀具)→程序(编制程序、校车时修改程序)→校车(工装夹具量具准备、对刀、调试尺寸)→批量加工→结束，现在的加工方式是按照以上步骤，做完一项接着做下一项，每个步骤都是由校车人员链条式的方式来完成，在领图纸、准备刀具、编程这些过程当中机床都是处于停机时间，根据车间目前状况，各类机床之间以及同一类型机床上的操作工人，各用个的操作习惯、加工方法及编程习惯等，每个工人的识图能力、技术水平、加工时间包括辅助加工时间参差不齐，辅助加工时间在4小时～24小时不等，复杂类零件甚至更长。

2.3 刀具、量具、原材料准备

现阶段的生产模式均是让数控机床停下来链条式的去准备刀、量具，准备的过程当中遇到问题才反馈，因缺乏刀具、量具生产中断的情况时有发生，充分体现了前期的准备不足，生产无法流畅进行，如每加工一类零件生产准备阶段对于自制光面塞规加工均需要耗费时间约1小时左右，并且再次加工该类零件时，需再一次进行重复自制光面塞规的工作，生产资源的严重浪费。同时，现在无论是生产刀具、辅助夹具等均是按照机床配置或小范围团体配置，也存在资源配置重复的现象。

2.4 手工编程差异化与不受控

不同操作者由于技能高低、思维模式不同、对机床设备性能掌握程度也各不相同。多方面的因素导致同一零件编制的数控加工程序千差万别，零件实际加工的时间也就大相径庭，操作人员只会根据各自最为熟悉的工作方式编程校车，所以导致每次加工同一类零件时不同的操作人员都要进行零件程序的再次编制，加工过程中的数控程序不受控。中等复杂的零件编程的时间至少都在一小时以上，再一次增加了机床的停机时间，并且不同操作人员用各自的编程方式校车，根本无法知晓是否选用最优的加工流程及最合适的切削参数，恰好这些细节方面是不易被基层管理者发现的，严重制约生产效率提高。

2.5 校车问题

生产现场操作员工普遍的校车模式是编程、校车同时进行，而不能单独分开进行或提前编制程序，主要是由于编制一段程序后需要进行校车试验确定程序的正确性，此种校车方式效率极低，更有甚者是准备刀具、编程、校车同时开展，严重背离了统筹安排计划。

传统加工模式必须按部就班的每个缓解逐一实现后才能进行下一步操作，所有的过程中机床都处于停机状态。数字化加工模式中，计划的接收、刀具的准备以及数控程序的编制都是在机外并列进行完成，只要能确保计划任务的提前下达，编程人员在机床空闲之前有足够的编程处理时间验证程序的准确性并优化加工路径，校车加工所占用的时间将大大减少，实现机床利用率的提升。

3 实施零件数字化制造

零件数字化制造流程的核心思想是做到决策在前。无论是项目计划还是刀具、量具等每一项辅助加工工作都必须提前准备，机床只在安装刀具和装夹零件的时候停止运行。数字化的生产流程为：3D零件模型设计→计算机NC编程→计算机仿真→刀具、量具、辅料准备→机外对刀→校车→首件加工及检验→批量加工；其中的“3D零件模型设计→计算机NC编程→计算机仿真”在上流程中统称为“软件编程”。此流程最大优势在于“软件编程”和“刀具、量具、辅料准备”等均在机外策划，机床空闲时直接进行校车，大大节省了现有长时间的前期准备，使生产过程一直处于校车→批量加工的无缝链接。软件编程模式在计算机数控编程完成，仿真模拟无误后输出刀具报表、零件报表。其中刀具报表里包括了装刀长度数值(刀具伸出刀杆长度)、刀具处于刀库中的刀位号、刀具直径大小值、刀具材质、刀具刃口长度值、刀具类型、刀具注释、刀具圆角等等实际需求的刀具规格的所有数据。零件报表里包括了零件毛坯大小、零件装夹方位、以及对刀零点等位置等。通过报表，可以指导刀具管理员、校车人员、操作人员等为辅助加工提前做准备，由以前的编程、刀具、校车做完一项在接着做另一项的串行工作方式，改为现在的编程、刀具、校车同时进行的并行的工作方式。很大程度的提高了机床的有效利用率，杜绝了停机等待。

3.1 实施机外软件编程

数控机床处于运行加工时，进行下一个代加工零件的CAD三维图绘制，CAM计算机数控编程，CAD软件选用Inventor软件，CAM编程软件选用GibbsCAM，GibbsCAM是Cimatron公司旗下的一款面向零件加工的CAM软件，尤其是车铣复合领域的CAM加工方案，它除了车铣复合之外，还支持2轴到5轴铣削、车削、联动铣削多任务加工和线切割。2008年6月进入中国市场，公司于2009年7月购进该软件，利用CAM软件可以进行任意多轴联动，实现对各种复杂零件曲面的加工，随着时代和社会经济浪潮的发展，宇航产品出现了多样化、复杂化的局面，针对曲面加工，目前利用CAM软件编程实现多轴联动的曲面加工已经成为必不可少的加工手段之一。数控编程员根据所编制的数控程序，运用GibbsCAM软件输出刀具清单，对刀工根据刀具列表清单进行装刀，机外对刀。

3.2 实施机外对刀

操作人员领取刀具清单表，用Zoller对刀仪进行机外对刀，如图1所示。全自动对刀仪是加工中心及各种数控机床、专用机床必备的测量仪器，它可以在机外对刀具切削刃径向和轴向坐标尺寸进行测量、调整，把测量得到的刀具数据通过传输软件传入机床刀具数据面板，从而减少机床的试切次数和停机调整时间，保证机床的加工质量。在刀具准备领域，刀具预调和测量设备通常是加工链中的一部分。在对切削刀具进行预调和测量的同时并不影响CNC机床的运转。测量结果既可以自动从刀具测量仪传输到机床，也可以由操作人员手动输入机器控制系统。使用全自动对刀仪可以大大减少机床调试时间，提高加工效率，刀具经过预调整后还可以明显地提高加工质量和合格率。

图1 机外对刀

3.3 首件加工

操作人员领取已经通过对刀仪检测的刀具，按照刀具表顺序安装在数控机床上，输入刀具数据和调取数控加工程序，直接进行加工，首件检测合格后即可批量加工。

4 实施前后效能分析

车间在2020年3月24日刀具库房建设完成，并投入使用，零件数字化制造小组二次开发编程软件，编程结束以后直接输出刀具清单列表，对刀工根据刀具列表清单进行装刀对刀。以前停机安装一把刀和对一把刀，需要5分钟时间，现在提前安装刀具，提前运用机外对刀仪对刀，机床加工结束停机后，机床操作员直接安装现成的刀具，输入刀具数据，现在只需要1分钟20秒的时间，减少了以往的停机准备刀具以及对刀等工作，通过对比提前机外对刀和停机机内对刀能够在原来的基础上减少机床停机时间73.3%。

2020年12月，36台数控加工中心正式实施零件数字化制造，机床利用率逐步提升，与去年相比已经同比增长了11.8%。

5 结束语

通过实施零件数字化制造，消除了多品种小批量零件加工中的断点，实现了多品种小批量数字化制造流程的无缝链接，有效的缩短了数控加工过程中的辅助准备时间，提高加工效率和设备有效利用率。对实施零件数字化的设备进行MDC在线监控，数控设备有效利用率在前期65.6%的基础上大幅提升为77.4%,达到预期目标。