助力零件数字化制造提高生产效率

作者:贵州航天电器股份有限公司 李贺 文章来源:MM《现代制造》 点击数:345 发布时间:2019-09-06
为进一步提升车间的加工能力和人均效率,机加车间于2017年提出零件数字化制造项目。经过一年时间,数字化制造项目取得较大进展,在现场的数控设备使用效率低,停机等待时间长,加工的程序不受控,刀具管理混乱,零件质量不可控等问题上取得了较大的进展和创新。
助力零件数字化制造提高生产效率

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进行,每个步骤都是由校车调机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人员,每位工作人员自身工作能力不尽相同,因此辅助加工时间在4 h~24 h不等,复杂类零件甚至更长。

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 h,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,也存在资源配置重复的现象。

多品种小批量生产模式特征

在机械制造行业中,多品种小批量零件制造面临的矛盾更为突出,作者所在的机械加工车间主要定位于新品试制零件加工和较高难度零件小批量生产,零件难度大,加工周期短,批次数量少,主要采用工序集中方式生产,是属于典型的多品种小批量零件加工模式,主要表现在如下几个方面:

第一,在零件加工批次方面,通过对车间2016年、2017年每月生产能力统计分析发现,该车间月均生产能力在1 000批次左右,每批次数量平均约为50件,批次加工平均时间为8 h,每批次编程、校车等辅助等准备时间约为4 h,整体辅助时间占批次加工时间的50%左右,当批次数量更少时,辅助时间占比更高。统计分析发现生产效率和设备利用率较低。

第二,生产流程简要为:接收零件生产计划及二维工艺图纸后对工艺流程和工序要求进行识别和分析,依赖操作员工边准备毛坯、刀具、量具边进行手工编程校车,然后进行首件加工及检验,最后进入批生产阶段的传统加工方式。

第三,在加工准备方面,辅助准备工作主要集中二维图纸的理解和掌握、工艺流程的熟悉、刀具的准备、工装量具的准备、毛坯的准备、数控程序的编制及机床校车等。限于批次多、数量少,加工人员往往一边校车一边做相关准备工作。这就会出现员工在绘制工序三维图、加工工艺分析、程序编制和刀具夹具准备的同时,机床基本处于停机等待状态。对于复杂零件的加工,工艺三维模型的创建需要占用准备时间的1/3左右。

零件数字化制造的特点

随着时代的飞速发展,产品更新换代的周期都越来越短,这也迫使制造业的新品研制时间大幅缩短。目前公司的产品格局也越来越趋向于小批量多品种新品研制为主,机床校车次数和停机时间都会显著增大,在这种趋势与生产压力下,传统的人工策划生产计划,手工编程机床等待加工的串行的工作方式已经无法满足生产需求,必须转变为并行的工作方式。

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→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。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。

数控编程软件的研究及应用

GibbsCAM是一款面向零件加工的CAM软件,支持两轴到五轴铣削、车削、联动铣削多任务加工和线切割,其最大的特点是界面简洁,易学易用,操作模式和工艺习惯非常一致(如图)。2008年6月进入中国市场,公司于2009年7月购进该软件,主要应用于公司的双主轴双刀塔车铣复合加工中心,此类设备可利用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,目前可用宏程序编程和计算机编程来实现,但宏程序涉及到C语言、数学解析几何、现场操作经验等,属于劳动型与智力型兼而有之的过程,相对于G代码比较复杂。所以目前利用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方法之一。

GibbsCAM编程软件刀具清单
GibbsCAM编程软件刀具清单

目前各机床的编程语言不具备通用性,即使是同一制造商生产的机床,在其前后期也可能不具备通用性。比如公司的同是DMG生产的西门子系统机床,Twin42 和CTX310,它们之间的加工程序便有着极大的差异,由于机床语言的不通用性,很难做到一个后处理多种类型的机床共同使用,所以就需针对不同的机床定制不同的后处理。

GibbsCAM采用的是专用语言编写方法进行编制,其内容和格式不受机床结构、数控系统类型的影响。GibbsCAM后处理二次开发的原则是一切以提高生产率为主,通过后处理生成的机床程序必须符合:A机床原程序语法语句,B程序段、程序格式必须方便工人了解熟悉和应用,C必须符合加工工艺要求。

研究取得的成果

数控车间加工零件离不开“数控程序”“数控刀具”“数控操作”三要素,传统的生产模式是一人一台数控机床,停机在机床面板上手工编程、停机准备刀具、停机对刀等一系列辅助工作完成后启动机床开始加工,目前车间生产的零件以小批量多品种为主,机床校车次数和停机时间显著增大,例如加工1个批次只有5个零件,停机辅助准备工作花了6 h,机床启动运行加工只需1h,如此恶性循环,机床平均利用率只能维持在40%~50%。

通过管理创新,把数控加工精细化管理,打破传统的生产工作模式,把原有的加工人员分成“编程员”“刀具管理员”“数控操作员”三个模块组成,项目组编制三类岗位的岗位说明书及机加车间零件数字化制造流程管理办法,做到学术专攻,各管一块,核心思想就是决策在前,无论是程序编制,还是刀具、量具、夹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。

实现数字化制造后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,目前已经做到30 min内无缝连接。实施零件数字化制造项目前,需要停机去找刀具,刀具装入刀柄,再装入机床,平均一把刀具需要3 min时间;实施零件数字化制造以后,刀具都是提前准备好,并好用机外对刀仪对好长度值,机床停机后只需要把刀柄装入机床即可,平均一把刀具花费时间0.5 min,刀具准备比以前节约了80%以上的时间,刀柄装入机床以后,再进行找正工件坐标系,传入数控程序,开始加工,不同零件的切换时间完全控制在30 min以内。运用零件数字化制造,从三维模型到数控程序编制零件加工,有一整套审核监管体系,降低了低级质量问题发生概率,首件产品即能做到尺寸合格,数字化之前需要调试3~4个零件才能保证尺寸合格,使得零件质量大幅度提升。

实施数字化制造后,数控程序通过数控仿真验证,刀具长度值通过机外对刀仪精准计算,机床撞机率控制为0,降低了因为撞机而导致的机床维修费用及刀具折断费用,初步估算首次引进数字化制造,让质量、工艺得以改进,使得产品整体生产成本降低40%以上。