模具高效数控加工的实现途径与措施

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摘 要】从现阶段企业在数控加工技术应用方面的实际出发，结合作者的实际经验，从产品的生产管理、设计研发与制造模式、工艺的信息化建设、数控加工工艺与程序的编制及管理、数控人才的培养等多个方面，探讨了高效数控加工的实现途径与措施，希望为读者提供参考借鉴作用。
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) C' B" _; p) A; h【关键词】数控加工；工艺信息化；生产管理；CAD/CAM


1 前言
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! X0 {6 u3 ~$ y" z) T数控加工作为先进生产力的代表，在汽车、模具、航空航天、机械电子等制造领域已发挥着重要的作用，数控技术在科研和生产上极大地促进了生产力的发展。其技术引进并应用于国内的科研生产，已经达十几年。但是在国内不同行业，其应用水平的差距比较明显，且各自具有不同的优势。数控加工技术的应用从整体上改善了传统制造业的发展面貌，制造企业如何实现其高效数控加工的目的，以形成其核心竞争力，一直是企业领导、管理者、研究人员比较关注的问题。本文针对目前企业在数控加工技术的应用方面普遍存在的问题，从多个方面探讨实现高效数控加工的途径与措施，寻求如何实现企业高效数控加工的目的。

2 高效数控加工的实现途径
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目前在数控加工技术的应用方面，国内企业普遍与先进发达国家存在很大的差距，主要表现在数控技术的应用开发、人才培养和生产管理等方面。一方面是企业本身拥有的数控机床如高速切削机床、多轴联动加工中心等硬件设施因资金的限制，制约了高速精密化加工的应用范围。人才的培养和技术信息的管理则需要和企业本身的特点结合起来，寻求适合于本企业的最佳发展战略。高级管理人才的缺乏是企业的普遍现象，现有的管理人才呈现两极分化。一类是文化程度低，而实际经验强，这类管理人员只适合于数控加工技术推广应用的初级阶段。而当企业需要进一步提升自己的制造竞争力时，他们的管理思想会阻碍企业技术的发展。另一类则缺乏实际的经验，而管理理论水平较高，他们适合于中级阶段的发展。企业最需要的是既具有丰富的实际经验，又具备较深厚的专业知识和管理水平的高级应用、管理的复合型人才。
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数控技术作为引进多年的先进制造技术，其技术含量很高，涉及到多方面的内容。包括数控加工编程的高效化、空间自由曲面多轴联动加工、难加工材料的切削、高速切削的应用、数控工艺程序编制的规范化与标准化等方面。数控加工的效率发挥在很大程度上和企业本身的技术管理模式相关，尤其是在早期阶段，如何在短时间内攻克一门新颖有难度的技术应用难关，使其更好地发挥效率？是企业领导者比较关注的问题。工艺技术信息化建设基础薄弱、CAD/CAM软件应用水平不齐、数控设备能力的发挥欠缺、落后的生产管理模式、前沿技术的应用速度缓慢、不合理的待遇等方面，是目前制约企业高效数控加工应用的几个主要因素。以下作者从相关方面探讨了高效数控加工的实现途径与措施。
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6 J+ U1 ?' J+ v! T6 D  h' n7 a2.1 工艺技术的信息化建设
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针对制造工艺的信息化建设与管理要求，可从如下方面开展工艺的信息化建设：
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& X: V3 T+ D* x1 ?7 S  ~. l. e) i（1）产品设计、工艺信息资源的共享。制造工艺的信息化建设最重要的是充分利用产品设计图形和文档资源的共享，充分利用企业产品成功的制造加工工艺经验。如利用产品的三维图形可减少数控编程人员的三维造型时间，而三维造型几乎耗费了数控编程50％的时间。工艺方案的设计充分利用成功的加工经验。建立刀具信息库、难加工材料切削参数库、装夹定位信息、典型材料与零件的加工工艺与程序模板、专家数据库的建立等有助于提高编程的质量效率。充分利用PDM及网络资源建立开发企业内部的工艺信息管理系统，共享一切能利用的制造信息资源。

4 l8 d( m! Y  A# n（2）数控加工与传统加工的结合。数控工艺与普通工艺合理衔接，最重要的是针对产品的设计状态、批量要求、生产周期、加工精度、生产成本的不同特点，分别采取不同的措施。在工艺方案设计过程中，应对产品的设计状态、加工方式、工装夹具的设计制造、刀具的选择、粗精加工方式的结合、工序的集中划分、企业的设备现状与能力等方面来综合考虑。实际应用时还需要结合企业设备能力、技术工人和技术人员的水平等因素。针对研制产品和批量生产产品的加工特点，采取适合各自要求的研制工艺与批产工艺对策，实现数控加工与传统加工的完美结合。
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（3）数控工艺与编程的并行编制。在工艺的早期阶段数控程序编制介入，变被动为主动，可很大程度上减少此类型的错误或风险。很大程度上，在进行产品的三维造型和数控程序的编制过程中，才能完全发现工艺和程序中的许多问题。这是由于数控工艺和程序编制必须保证产品能够完全加工出来直至合格为止。而不象普通工艺，只要总体上没有问题，尺寸没有遗漏，零件是否能够完全加工合格取决于技术工人的经验和水平。这一点是数控工艺与普通工艺在人为方面很重要的差别之一。数控工艺程序的并行模式的实现可从设计产品三维CAD模型的共享、数控工艺程序的单人负责制、数控技术工人参与数控程序的编制、数控加工工艺与程序的专项负责制等方面来实现。

(4)数控工艺程序编制的规范化。数控工艺程序编制的规范化在一定程度上体现了企业自身数控加工技术应用的水平，通过规范化来约束数控程序的多样化，提高刀具轨迹的质量。如在工艺中注明定位基准、对刀基准、坐标系、刀具参数与切削参数。对于程序的编制可从二维轮廓的加工、三维曲面的加工、固定循环与子程序的使用、刀具补偿、刀具轨迹粗精加工策略等多个方面进行规范化编程。在典型零件的加工工艺经验基础上，建立规范化的加工工艺模板与数控程序模板，可以大幅度提高工艺程序的质量和产品的加工效率。
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(5)数控工艺程序的数据库管理。采用数据库系统管理，基于客户/服务器的运行模式，开发数控程序管理信息系统，对于提高数控程序等方面的管理效率有着极为重要的意义。对不同型号产品零件、工装夹具、模具的数控程序按工序工步的内容、数控设备、刀具、程序清单进行基于数据系统的集中管理，避免传统文件夹形式管理的缺陷，既方便程序的二次使用、查询、编辑修改等使用，又可节省数控人员的程序管理与查找时间，避免程序错误使用，防止程序的丢失或同种产品数控程序的重复编制。

（6）Vericut机床加工仿真软件的应用。随着产品的复杂性和精度要求逐步变高，如何一次成功地完成产品的数控加工也是提高其效率的一个途径。实践证明，在昂贵零件或复杂结构零件的数控程序试切削方面，可采用毛笔或塑料泡沫进行试加工，检验数控程序的正确性既快又好。在数控程序的下发使用过程中，尽量避免口头的形式，应以图纸介质的形式下发。同时对于复杂零件的数控程序编制，采取双人制或由资深人员进行数控程序的审批，可在一定程度上减少数控程序的错误率。对于五坐标加工和加工量变化较大的场合，利用Vericut软件可以避免碰撞干涉、优化刀具轨迹。

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2.2 CAD/CAM软件的应用水平
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4 [( i& k) e* b' p提高CAD/CAM编程的效率和质量可从如下方面进行：
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( v9 Z, l2 s% h( u2 J- R（1）手工与CAM编程的结合。充分利用相关数控机床系统本身提供的编程模块。如数控铣削加工矩形槽、U形槽、钻孔循环；数控车削加工的端面、外圆循环加工；电火花机床的电极摇动加工功能；线切割加工的放电工艺参数的专家选择方面，可大幅度提高数控编程的效率和正确性。如MAHO系统的G14、G93、G39、G7、 G22、M98、M99等模块编程等功能，可以很好地改善程序的编制质量和效率。同时结合CAM软件自动编程功能有助于编程的质量和效率。

（2）合理的CAM编程策略。在进行产品加工模型的建立时，应该针对产品加工对象的具体特点采取有效而精简的措施。按产品加工的部位编程，多用于工序的内容比较单一且干涉较少的情况，如孔、下陷、凸台等特征，这种情形多出现于结构零件的编程与加工。另一种情况就是对产品加工模型进行整体造型，多用于加工工序的内容比较多、干涉区域多、复杂曲面等特征的加工。
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（3）数控编程模板的使用。利用CAM系统创建用户自己的模板，以此模板为过程加以重复利用，如模具制造时对加工凸模和凹模时的最佳工艺过程，并将其定义为加工模板，在加工新的相似产品对象时，只需调用模板文件，选择所需的几何体，并启动这个流程即可，以此可以帮助经验较为缺乏的人员通过类似的方式完成整个流程，即可反复利用经过验证的知识经验。用户通过加工向导非常容易地从模板中获得专家级的制造过程指导，全部内容可非常简单而有效地提供给缺乏经验的用户，有利于吸收别人的经验，通过向导，预先定义的模板可以被激活，并通过简单的交互快速生成数控加工刀具轨迹。

( t; n/ T; K% i( y(4)CAD/CAM专家系统的应用。利用CAD/CAM软件的功能模块如钣金设计、模具设计、关联设计、零件族设计、用户自定义设计等专家设计知识，有助于减少产品的三维造型时间，从而提高数控编程的效率和正确性。
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（5）专用后置处理程序的开发。企业一般都存在数控系统的多样性，如Fanuc、Simense、Heidenhane等。各数控系统各有优点但互不兼容，很难做到统一。开发企业现有数控机床系统的后处理程序，可在通用数控程序处理的基础上，从机床配置、程序输出格式、坐标变换等方面，由具有软件开发和数控加工经验的技术工程师对其进行专门的开发，确保在同一类型的机床进行加工时，可共享同一刀位轨迹的情况下，能输出相应数控机床加工的程序代码。
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（6）设计合理的刀具轨迹。数控加工最终体现在刀具轨迹的快速高质量设计，尤其是在模具毛坯除去量很大的情况下表现比较突出。传统的方法一般是采用立铣刀进行粗加工，球头刀进行半精加工与精加工。在粗加工时应力求高效快速排量，充分利用普通设备与数控设备结合进行。在进行精加工时应考虑企业模具钳工的水平，选用合理刀具和步距，刀具和步距过大或过小都不利于产品的加工效率和制造成本。数控程序编制应结合材料及加工余量来科学综合考虑加工的切削参数，以等体积变速切削和高速切削为目标，建立开发常用材料刀具的切削工艺参数库。
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2.3 数控设备选型与功能开发

数控设备的购买和使用在很大程度上决定了该设备潜能的发挥。很多企业在设备选型和购买后在使用方面存在一些问题。如设备的行程、精度、功能、可开发的潜力等方面，尤其是数控设备朝高速精密方向发展，在购买高速机床时一定要考虑综合成本、CAM软件、经验的积累与应用水平。对于传统难加工材料的变速或重力切削，一定要考虑主轴刀柄钢性，尽量选用大型号如BT50的铣削刀柄，同时要考虑机床功能的扩展，另一个方面在设备本身功能与潜能的开发、机床附件如角度铣头的应用来扩大机床的应用范围。针对数控设备的选型和机床功能的开发使用上，可从如下几个方面开展一些必要的工作：
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(1)高中低档数控设备的搭配。由于数控设备的价格相对昂贵，企业可根据自己的实际情况，在早期进行数控加工技术的应用时，选用改造数控设备进行技术应用投资，取得一定的应用经验后。再根据产品的加工特点，如材料状态、类型、精度、批量、周期要求，配置合适的中高档数控设备。

* D' o2 f1 p5 g; {（2）设备的验收。很多数控机床其补偿精度在高速加工的情况下出现较大的误差，或者是主轴运转的速度难以长时间运行，导致主轴因高温烧毁的现象发生。在进行设备验收时，除国家的验收标准外，可以附加企业自身产品加工要求的验收条件。
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6 j( v5 \! U. F" \) D' T. g（3）设备功能开发。设备功能的开发包括数控系统的掌握程度、刀具及工件材料与切削参数的合理匹配。如立式数控铣床安装角度铣头进行卧式加工，数控铣床进行镗孔攻丝加工，数控车削加工的固定循环，数控线切割机床和电火花机床的电加工参数的合理选择等。
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（4）降低加工成本。降低制造成本可以从如下几个方面开展：①提高粗加工的效率，针对难加工材料或切削余量较大不规则的产品加工特征，采用数控变速切削或以深孔钻削等排量的方式，提高粗加工的效率；②针对高速切削的加工机理，配备合适材料的刀片与刀具，满足高速切削的需要；③引进数控刀具刃磨机，提高刀具二次刃磨的效率和精度，同时可购置相应材料的刀具棒料，采用数控刀具刃磨的方式，磨削适合企业自身产品的刀具，以节约刀具的成本。
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2.4 车间数控加工生产管理科学化

$ k+ |& V) Y1 B9 G4 h当企业具备一定的产品设计开发能力和制造资源能力，如何快速制造出客户需要的产品，在很大程度上取决于生产计划的有效控制，因此，合理的生产计划组织管理成为企业发展的核心竞争力之一。各行业都存在相同的事实，批量小于50件的机械产品，成本要比大批量生产同类产品高出10~30倍，小批量生产制造成本比大批量高出许多，如何降低小批量产品的制造成本，是生产企业一直研究的课题。成组技术为小批量生产提供了可行的技术解决方案，利用成组技术加快工艺设计速度，利用工艺模板提高工艺设计水平；在组织生产时组成成组加工单元，加大制造批量，降低生产准备时间、调度时间和加工时间。

* Y& @# R$ A0 g. D) k9 W& g数控加工在很大程度上依赖于其员工的技术水平和技能水平，而最终需要采取科学合理的管理模式来运作。车间管理主要涉及到生产任务的安排、产品的生产制造策划、员工的薪资考核等方面。如何刺激保证员工工作的积极性和主动性是车间管理最根本的问题。当企业的数控加工水平达到一定程度，处于提升发展阶段时，生产任务的即时完成在很大程度上依赖于如何有效地刺激技能工人的积极性和主动性，特别是当技能工人的水平较高，有足够的生活来源保障的情况下，利益分配的公平公正显得更为重要。车间在安排生产任务时，应根据产品的特点将改造数控设备与传统的数控机床、高速高档机床有机的结合起来。提高车间的生产管理水平，可主要从以下几个方面来实现。
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9 `: X% O2 w3 m! [* R6 S1 U, L（1）合理安排任务。车间在进行生产计划安排时，应依据产品的生产进度、加工要求、设备的能力、技能工人的水平整体考虑。对于数控加工，将普通设备与数控设备、改造数控设备与原装数控设备、传统数控设备与精密高速数控设备相结合，形成多个小的加工单元（2～3台数控设备组成），可有效地提高产品的整体加工能力。对于批量生产相同功能的设备承担共同的任务，或者是同一任务多种加工策略。

（2）缩短准备周期。数控加工涉及刀具、工装、数控程序等多个方面的准备工作。据初步估算，真正用于数控机床加工的时间只占产品总加工时间的30％，大部分时间花费在零件的周转调度、检测、装夹定位、毛坯的加工和试切削等方面。对于多品种、小批量产品的研制和批量生产，每台设备面临多个型号状态的加工，因此，提高其准备工作对于缩短制造周期有着重要的意义。对于需要进行数控加工的产品和工序，提前准备其刀具、装夹定位元部件和数控程序；加大生产计划、现场生产、工艺技术信息的反馈与沟通；提高主轴的运转速度；提高批量生产毛坯快速准备时间等方面都能有效地缩短准备时间。

（3）待遇公平合理。对于研制产品和批量产品生产时，对于工人的考核不能采用单一考核方式。对于研制产品，产品的难度较大，耗费的时间较长。对于批量生产同一产品，其批次较多、与研制交叉进行时，避免单纯的计时或计件考核办法。对于数控技能人员的考核可结合工时、风险、难度、周期、项目等方面，采用多种方式综合考虑。同时对数控技能人才的培养要有计划性和目标性。

（4）加工检验并行运作。现有企业的产品生产与检验运作模式一般都是串行的。在产品检验时，对每一个零件进行检验，所耗费的时间也占到了一定的比重。数控加工产品一般比较复杂、工序集中，产品加工质量一致性好。对于批量生产，首件检测完毕后，对加工过程中完成的产品可采用数理统计抽检法检测。
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  G* U  j6 T! Q' v+ r- q3 g3 结束语
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% g0 [5 F( X+ j# V+ d( D; u本文从数控加工的工艺技术信息的管理与工艺信息化建设、CAD/CAM/CAPP软件的应用、数控程序的编制与技术应用开发、车间生产管理、质量检验等多个方面探讨了高效数控加工的实现途径，希望对企业的管理人员、技术人员、技能人才提供参考借鉴作用。

参考文献

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