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NC数控加工自动化、无人值守的探索

发布人:  发布时间:2014-02-27

近年来,国外先进的模具制造企业在模具数控加工的自动化技术上已经取得显著成果,有的汽车模具公司有超过50%的数控加工是靠数控机床的无人化自动加工。通过数控加工的自动化,可实现“无人值守”的加工的,达到降低人工成本、减少人工失误,提高数控加工效率和质量的目的,从而提升企业竞争力。

然而,当前国内汽车模具行业的数控加工基本还都停留在人机交互的水平上,机床的换刀、加工过程的监控、切削参数的实时调整等都离不开机床操作人员,加工效率和加工质量主要依赖人为的干预。

为了提高机床有效利用率和模具加工质量,降低人工成本,近两年,山东潍坊福田模具有限责任公司着眼国外先进的模具自动加工技术,从自己的实际情况出发,研究和探索了模具的“自动化加工”技术,在模具的“无人值守”数控加工方面取得了较好的效果,积累了一些经验和体会,在金属加工在线上发表,供同行参考。

推行自动化加工

实现无人值守,要全面分析加工过程中的隐患,并把这些隐患一一消除,比如刀柄与工件干涉,机床头干涉,余量匹配,加工时周围装配的零件,刀具和机床载荷,组织程序等。一点小小的问题,轻则报警停机,造成等待浪费,重则损毁刀具或造成工件加工错误,更严重的可能造成设备事故。

以往普通数控加工的程序仅注重切削过程和结果,其余由操作者以“试切”的做法保证整个过程,执行程序时,先慢慢接触工件,验证安全和正确后才放开进给正常加工,而要实现无人值守,没有了验证余地,必须保证整个加工过程处于可控状态,将原先人为识别和干预的隐患问题,提前消化在编程阶段。所以看似向前迈出简单的一步,实际是对整个加工流程的变革。

1. 毛坯状态可控保证

目前的铸造毛坯可能因铸造变形导致余量不均,也可能存在夹砂等缺陷造成刀片崩刃,不适合无人值守加工,所以我们公司从型面半精加工开始推行无人值守加工,这样一是便于粗加工和精加工分开,保护我们的机床精度,二是毛坯可控,而经过粗加工之后,毛坯状态就在掌控之中了。

当然以后随着铸造技术进步,照相扫描毛坯等技术发展,也会考虑粗加工的无人值守加工,这是后话。

2. 程序安全保证

原先CAM编程,对加工过程是否存在刀柄和机床附件头干涉,只作出大概的判断,然后由操作者现场盯着,根据经验更换合适长度的刀具,发现问题及时停止。实行无人值守加工,必须保证整个过程中程序安全,避免刀柄与工件、机床与工件等的干涉问题.

目前,主流CAM软件都有刀柄干涉检查的功能,一些软件还有机床干涉检查。我们可以把刀柄和机床附件头集成到软件中,参与程序计算,要求刀柄和附件头必需跟实际尺寸完全一致,还要保证3~5mm的安全预留量,提高可靠性。

只有通过安全检查的程序,才能执行无人值守的加工,有干涉的程序,通过更换长刀也无法避免,隔离出来,最后由操作者采用万能头调刀轴加工,不列入无人值守加工。

零件上可能造成干涉的凸台等凸起,偏置5~10mm,作为保护几何体参入CAM 程序的计算,这样计算的程序,会自动躲开保护几何体。

3. 加工过程可控

加工过程中要保证载荷和均匀,载荷过低,影2012年响加工效率;载荷过高,对小刀具来说,容易折刀,造成无人加工失败,对大刀具来说,容易损害机床的精度。

影响载荷不均的因素首先是单刀笔式清根,刀具负荷急剧增加,在传统加工中,都是由操作者实时控制,根据切削的声音和机床负载指示来判断,适时调整进给,在单刀笔式清根加工时,操作者是不敢离开机床的,这也是自动加工的最大难点。其次是粗加工毛坯不均匀,粗加工采用牛鼻刀层切开粗,虽然经过二次开粗,局部余量还是不均匀。粗加工余量1mm,凹角区域局部可能达到3mm甚至更多,这些都是自动加工的隐患,局部余量大,刀具载荷急剧增加,可能造成刀片崩刃,也将造成无人加工的失败。

为了解决加工过程中的这些导致载荷不均的问题,我们引入了NCBrain软件,对G代码程序进行优化。NCBrain能够实时模拟切削过程,自动分析加工过程的余量、载荷,能够根据毛坯切削量实时改变进给。余量超过刀具设定值的地方会将原先的刀规进行分层处理,分多刀落下,接近额定负荷而不会超出负荷,最大限度地发挥了机床和刀具的加工效能,同时NCBrain也会对落刀、扎刀、轻切削与空切削都会给与处理,让整个加工过程更安全、顺畅。

这一效能是手工操作无法达到的,也突破了无人值守加工的瓶颈.

4. 控制程序质量

有人值守加工,每次更换刀片或执行新程序时,操作者都会进行试切,保证接刀一致,才正常执行程序。在自动加工中,没有了这一过程,其中有多个因素会导致程序间出现0.01~0.03mm面差,也就是行业说的接刀痕迹,这些因素包括刀片磨损、温度变化、机床零点漂移等,既然难以避免,我们就要通过合理规划程序接刀区域,减小接刀痕的影响。

在凸圆角和凹圆角上分界是个不错的选择,凸圆角容易修抛,凹圆角不参与成形,接刀痕迹影响小,而且在小刀清根时能够加工掉。在凸凹圆角上分界,还能比较方便地划分平坦区域和陡峭区域,照顾不同区域加工方式和切削参数的不同。

严禁在外露的重要棱线处分界,否则接刀痕迹会影响棱线的均匀,在凹圆角分界时要做好保护面,避免急剧转向造成对侧的过切。

避免在外露的A级面上接刀,否则轻微的接刀痕迹可能造成大面积修研,最终导致生产零件反光不均匀,影响整车的外观。

分界在圆角的切点,效果很不好,产生的接刀痕迹处理困难。

5. 程序组织方式

无人值守加工的必要条件就是数控机床能够自动换刀,受历史原因的影响,目前我们公司数控机床并不全部具有自动换刀功能,这也是目前国内模具厂的普遍现象。

我们目前的做法是,CAM编程按通用格式处理G代码程序,然后由车间根据实际生产情况,合理安排自动化加工,采用的是编写主程序调用子程序的方式,子程序由通用程序更改而成.

这种方式,很好地解决了程序不通用的问题。能够很好地实施,还得益于我们自行开发了一个软件,安装在机床边的电脑上,操作者在从服务器下载程序后,根据程序单的指示,能够迅速组织成一套无人值守的自动加工程序。只需2~3min,就能完成原先手工组织时数小时才能完成的工作,并且将很多必须考虑的事项由电脑把关,包括换刀、对刀、横梁移动、更换附件头、坐标系偏移、高速模式、程序格式更改、机床特性横梁控制等一系列问题,实现了经验流程固化,对错误进行了有效控制,减小了编程压力。

6. 过程管理

在我们公司,精加工的刀具、夹头都是专用的,切削条件相对较好而且稳定,很好地保证了刀具的精度,通过统计分析,我们得出了刀具的平均寿命。组织无人值守加工时,根据程序计算的理论加工时间合理匹配刀具,为了保证自动加工的可靠性,我们设定自动加工刀具寿命为刀具实际寿命的80%,刀具淘汰后,在有人值守的半精加工或笔式清根上消耗掉剩余的价值,既保证了无人值守加工的可靠,又保证了刀具价值的合理应用。

对于加工时间长的工件,同时准备多把同型号刀具,以保证加工过程连续。

结语

推行模具的数控自动化加工,对NC程序的工艺合理性、安全可靠性、经济高效性提出了严格的要求。我们通过开展对模具铸造的泡沫实型、结构安装面、三维模面的无人化、少人化的 “无人值守”的自动加工,工厂的模具制造技术和工艺水平上了一个新台阶。此项目的开展,大大降低了现场操作者的人工失误,提高了模具加工精度和产品质量。而且,模具的“无人职守”加工数控机床可做到少人化生产,三班生产而人员只需要两班,同时在休息日可以做到人休息而机床正常加工,这样可在大幅降低劳动力成本的同时,大大提高了机床利用率,极大增强了公司的竞争力。数控加工的自动化将会是模具制造业的发展趋势,2012年我公司从日本引进的4台数控机床都全部带上的刀库,继续深入研究和应用自动化加工技术,相信将为企业效能提升发挥更大的作用。