覆蓋件模具數控加工刀庫自動化應用
2025-1-14 來源： 東風汽車集團有限公司研發總院 作者：楊 興 曹宇峰
在中國汽車市場競爭加劇的當下，轎車覆蓋件模具設計和制造水平為了適應市場不斷提升。為適應市場對高端轎車模具提出的新要求，邁向自主開發、適應目標市場，提高數控加工效率和質量勢在必行。數控加工自動化是公司重大課題，傳統的刀具管理使用體系存在著一系列問題 :占用數控主體作業時間 ; 操作者憑經驗選擇刀具類型 ; 無法進行刀具加工干涉判斷 ; 刀具壽命和修磨標準無法統一問題等。通過自動化加工換刀ATC 的使用，不僅能徹底解決這些問題，通過刀具管理體系和配送制度的完善、能夠合理管理使用數控加工刀具，提升數控主體作業時間和數控加工安全性。
一、數控加工刀具自動對刀的流程
數控加工刀庫自動化對刀方式為機內對刀和機外對刀兩種方式。課題實施前由于以往數控加工作業方式的慣性思維，現場對刀方式為操作工現場對刀作業，數控加工中心刀庫沒有充分發揮作用。為了充分提升對刀效率，此次課題研究采用機外對刀作為課題實施主要方式。
1.模具制造數字化加工經歷的幾個階段
2017 年數控加工數字化起步階段 FMC 整體泡沫的制作程序化，控制實物尺寸。
2018年全數字化加工開始應用階段模具結構加工的全面數字化。
2020年精細化模面加工階段數碼測量技術使用，為數控編程提供現場實物尺寸。
2021 年自動化數控驗證階段 VERICUT 軟件的引進，防止數控加工干涉碰撞。
2022年自動化數控加工階段數控機外對刀儀的使用，完善數控刀具管理。
圖 1 數控加工自動加工陣地現場
圖 2 數控加工自動加工流程示意圖
2．實現數控加工中心刀庫自動化基本要求
刀具使用的相關參數和相關信息需要和數控刀庫進行匹配，數控加工刀具有相關的身份編碼，使用參數需要與數控機床的刀具庫信息相匹配。此外，刀具相關參數在數控編程的過程中需要引入，后續 NC 代碼在運行過程中會通過程序傳輸過程把相應的刀具參數及加工信息植入數控加工中心的數控系統中，最終完成數控加工任務。數控刀具庫建立相關制度具體要求如下 :
①實施數控刀具配送制度，規范使用，由刀具技術人員進行現場支持。
②開發刀庫自動化使用的數控加工程序模板，確定刀庫應用相關參數。
③完善現場數控刀具管理、使用、保養制度，提升數控機床開動率。
④機外對刀裝置使用成為數控刀具使用的控制中樞。
（1）傳統數控加工對刀方式的流程
傳統數控加工對刀方式主要的特點，需要有經驗的數控技能人員進行現場分析判斷，還需要來回奔波與工位和庫房之間，整個換刀環節效率低下，在工序較為復雜的數控加工，頻繁換刀，大幅降低機床實際開動率。
圖 3 數控加工自動加工流程示意圖
（2）傳統對刀方式現場問題幾種表現形式
①數控對刀的時間較長，機內對刀參數需要操作工核定，新員工容易發生對刀的失誤。
②防止數控刀具加工與工件干涉，操作人員再次確認刀具有效切削長度。
傳統數控對刀方式需要操作工有熟練的技巧，豐富的加工經驗，操作工培訓的周期相對較長，而且不利于數控作業標準化、規范化的實現，以技能人員經驗為主導的生產不利于企業核心技術提升。
圖 4 現場手工對刀設定高度
圖 5 數控加工人員確定刀具干涉長度示意圖
二、數控加工中心刀庫自動化應用方案
1. 數控加工中心刀庫自動化前提硬軟件要求
（1）測量硬件方面 : 配備高端精密機外對刀儀作為整個對刀控制中樞。
（2）數控軟件方面 : 解決數控加工程序的優化、并且把相應的數控指令整合到數控加工代碼中，便于加工和檢測。
（3）加工管理方面 : 設立專職的數控刀具理員，集測刀、配送、管理、定損、新產品的定型，數據管理工作于一體。
（4）用戶方面機加車間為了適應新作業方式，制定相應的管理使用、管理流程。（圖 6）
圖 6 刀具庫自動化行動計劃書
2.刀具庫自動化具體實施的方案
（1）刀具配送制度的應用流程
①拆卸機床刀柄庫數控加工刀具至工具運輸專用小車。
②擦拭 BBT50 刀柄、數控加工刀具浮灰后運送至數控刀具室。
③拆卸相關的數控刀具，數控刀柄組件。
④仔細清潔數控刀柄、刀具，去除燒結油膜。
⑤鑒定數控刀具使用情況，給出刀具使用評估報告（每周所有機床一次）。
⑥重新組裝相應的數控刀具和刀柄。
⑦組合好的工具組件在刀具預調儀重新測量刀具使用參數。
⑧測量好的刀具打印刀具標簽，重新在刀具做好標識。
⑨網絡傳輸刀具信息至對應的數控機床。
⑩運送檢定后的數控刀具至現場，重新安裝至機床刀柄庫。
圖 7 刀具配送整體流程示意圖
（2）刀庫專用使用的數控加工宏程序開發
根據數控加工程序的特點，宏程序進行控制主程序的運行流程。包含自動預熱、自動換刀、精度自動補償，加工工件重量補償的功能，附加刀具非正常破損檢測分項。
從數控編程的參數（轉速、進給、長短刀具選擇等等）設置、刀具配送清單、程序清單、生產計劃安排、數控刀具的動態管理、刀具的成本管控、數控標準化加工等，都必須嚴格按照標準化作業，否則任何一個環節的中斷，都會導致數控加工中斷。所以從開始的數控編程和機加結束的數控全自動加工入手，強制的要求的中間環節的標準化。( 圖 8)
圖 8 數控刀庫自動化使用數控程序開發流程示意圖
圖 9 數控機床庫的建立
圖 10 數控機床刀具加工庫的建立
圖 11 現在的數控刀具使用流程程圖
圖 12 刀具對刀的數據完全實現自動輸入過程圖
完善數控刀庫使用的同時，必須建立與之相應數支撐控編程標準化庫作為 :
①數控軟件添加機床 3D 數模，仿真實物加工場景。
②數控加工刀柄、刀具庫作為標準模塊，根據加工需求隨時調用。
③數控加工機床頭庫和相應的附加頭庫。
（3）制訂相應的管理使用流程，并且不斷完善
（4）用戶方面的流程改變
由于引進數控刀具機外對刀儀，對刀的任務職責轉移到刀具管理員和庫房中 ; 刀具的補償指令由刀具庫直接發送到數控機床，數控加工人員所執行的只是正常的裝卸刀具，流程簡化。
三、數控加工中心刀具自動化實現后的效果分析
1.經濟效果
（1）每日節省數控加工工時 2h/ 臺，五臺共計 10h/ 天 , 年工作時間 300 天。
（2）使用配送管理制度管理，減少錯誤操作。
（3）程序優化節約加工工時 2h/ 套。全年按照班組加工能力每年 50 套工件數量240 件。
總共節約 :300 元 / 小時 *10 小時 * 300 天＋ 240 件 *2 小時 *300 元 / 小時 =1044000 元。
2.社會效益
（1）符合當前節省人工重復勞動、防止出錯、提升效率的要求。
（2）節約人工成本和管理成本。
（3）利用數字化管理方法，提升企業的技術加工水平，提升企業競爭力。
四、總結
通過各專業部門的通力合作，經過一年多的實驗和論證，形成了有效使用數控加工中心刀具庫有效方法，及時滿足數控機加車間要求，良好的流程管理不僅降低了成本，縮短了制造的周期。對于數控加工自動化而言，刀庫自動化是總課題一個重要的子系統，開發應用成功為今后的全面數字化加工鋪平道路。
（1）通過本次課題，優化數控加工方法和工藝流程。
（2）提高了工作效率，降低了管理費用。
（3）采用電子化的管理手段，方便刀具現場管理和加工數據收集。
（4）編程人員優化數控程序是提高加工效率的有效途徑。
（5）管理的流程拓展在今后一段時間需要不斷地完善。
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