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数字化转型背景下冲压模具小刀块智能制造方案的研究与实施

近年来，我国的汽车行业持续高速发展，尤其在新能源汽车方面，各大汽车厂商都在各自的平台上研发新能源汽车抢夺国内外市场。随着信息化技术和智能制造的推进,模具企业引进生产信息化管理理念势在必行。然而模具行业由于采用单件小批量的定制化生产模式，其CAD/CAM生产系统的引入存在诸多挑战，特别是汽车冲压件模具中小刀块的生产尤为突出。

本文以冲压模具小刀块加工为例，探讨小刀块自动化设计与智能加工两者相结合所带来的优势以及对整个模具制造业智能制造升级所带来的影响。论述的目的在于以冲压模具小刀块方案实施验证指出模具智能制造升级过程中，应该是以标准化、数字化和智能化三步走为升级主线，帮助企业实现优化整个制造过程，进而推动企业逐步实现智能制造阶段性目标。

  1. 智能制造方向对刀块生产的要求

2.1生产制造要求

随着业务的增长和发展需求的双重驱动，企业承接的模具项目逐渐趋向于国际化，那么随之而来的是对模具生产交期及验收要求也更加严格，同时模具加工过程与质量控制中的问题也尤为突出。

因此，对于刀块类镶块加工也提出了与以往传统生产形式不同的要求：

  • 高精度，要求镶块单件加工到位并能保证互换性；
  • 短周期，镶块模块化加工；
  • 高品质，要求修边刀块保证相应切入量；
  • 高安全，要求生产设备更加安全可靠。

2.2设计编程要求

由于对刀块生产制造提出了更高的要求，因此设计、编程以及安全生产方面的要求也会有相应的变化，现总结如下两点：

  • 设计层面，更适合加工的设计、更优质的数据质量和更专业的建模流程；
  • 编程层面，更匹配生产的流程、更便捷的智能编程和更安全的虚拟验证。
  1. 智能制造方向对生产要素的搭建

从原材料到成品就是制造的过程,对于数控加工而言CAM编程实际上就是制造过程的优化，CAM编程不仅仅是计算刀路这么简单，我们先要做好生产要素的梳理和制造流程的规划，比如选择机床、选择夹具和确定装夹位置、选用合适加工策略、选用加工参数、选用合适刀具、确定合适切削参数等。传统过程当中这些生产要素都是由CAM工程师的个人制造经验来决定，而智能制造阶段就是要摆脱个人制造经验的约束，降低人为因素的潜在错误，因此真实的制造现场是一个复杂的体系，要做好制造过程的优化就需要考虑到这些制造要素当中的差异。数字化的制造环境需要和真实的制造现场一一对应，才能在规划制造过程当中做到优化。

真实制造现场

图1-1_数字化制造环境与现实对应）

3.1数字化刀具库的建立

数字化技术的应用使冲压模具设计与制造水平得到了显著提升［3］。想要实现智能自动化加工，所有的生产要素必须摒弃传统单一理念，加工要素数据库是相互衔接的并且是联动的。因此，Tebis刀具库系统包含了传统软件所具备的基础参数以外，更详细设置了如刀具类型、刀具材料、机床组、加工组、加工材料等等一系列的参数，以便为实现“标准化”“数字化”和“智能化”做准备。

以刀刃材料为例，企业在采购或生产过程中，都会使用不同品牌的刀具，即使是同品牌刀具当中也有不同的刀具牌号。因此当我们更换加工刀具的时候就需要考虑一个问题：如何自动更新切削参数，才能更好的发挥同一把刀具不同的切削功能。以（图1-2）内容为例，相同机床组和相同加工方式的条件下，切换不同的刀刃材料（VHM硬质合金和HSS高速钢）对应的加工材质切削参数也会有自动变化，而切削参数表中也不仅仅只是包含转速、进给这么简单。虽然这看似是软件系统功能的展示，但这也恰恰是智能制造与传统加工的区别之一，即生产要素标准化。

（图1-2_数字化刀具库的建立）

3.2数字化机床库的建立

同样的刀具在不同的机床上其性能发挥也有差异。我们需要考虑机床的类型，它可能是一台强力切削机床，也可能是一台高速加工机床。它可能是一台新购且性能良好的机床，也可能是一台已用多年性能下降的机床。如何将企业现有机床生产价值发挥最大化，是智能制造有效实施的重要议题。以（图1-3）为例，数字化机床库不仅包含企业各类床体实体数据，它更包含用户宏指令、机床辅助功能（M指令,PLC部件）、机床附加轴、尾座、卡盘等动作、对刀换刀动作、碰撞检测、加工行程及角度报警监测、机床加减速等更多与机床运行相关的因素。所有与机床生产相关的因素综合考虑后，在虚拟孪生镜像环境的基础上，实现与真实现场一一对应。

（图1-3_数字化机床库的建立）

3.3数字化材料库的建立

对于不同的工件材料和切削状态，也需要调整相应的参数以达到最优化的切削效果。以（图1-4）为例，不同的加工材质设定在智能制造铣削参数库中，它与刀刃材料、机床设备以及加工方式相结合，实现参数动态串联，修改或选择任一关键参数皆能做到智能动态调整，帮助企业将加工要素标准化的同时逐渐升级到数字化。

（图1-4_数字化材料库的建立）

3.4数字化特征库的建立

为实现最基本的自动化编程，为后续智能编程建立基础架构，就必须对加工零件建立基本的特征库。以（图1-5）为例，特征库包括基本的设计元素，如孔、圆形腔、槽及2D自由形状的设计特征。利用智能制造软件系统通过颜色、形状、类别等创建规则特征和自由曲面特征库，进而利用所绑定对应的特征和Ncset工艺库(工艺特征的参数设定)，利用特征库自动扫描特征并自动分类特征、分组顺序排列、选取工艺特征，最后按照工艺特征的属性自动编制相对应的程序。

（图1-5_数字化特征库的建立）

3.5数字化工艺库的建立

我们还需要考虑加工工艺的影响，例如刀块粗加工和精加工采用不同的切削参数。刀块热处理前后，材料的硬度发生了变化，此时我们可能也要调整相应的切削参数。Tebis软件系统可以帮助企业在更换以上要素的过程当中，实现自动更新刀具切削参数，无需每次通过工程师手工填写。以（图1-6）为例，“销孔D1-5”特征中，加工参数与NCSet工艺库的“销孔D1-5”相连接。这便可以初步实现设计与加工两个环节之间的连通。

（图1-6_数字化工艺库的建立）

  1. 小刀块智能制造实施

根据Tebis公司在欧洲模具企业所提供的数据整理显示，在正常情况下，按照传统生产方式，一块修边刀块所占用的时间大致分以下几部分：

（图1-7_小刀块设计与加工时间对比）

总体可以看出，平均完成一块刀块（镶块）所占用的设计和生产时间达到9.5小时。

我们以某冲压模具企业小刀块智能制造实施为例，利用Tebis软件系统帮助用户实现制造流程的优化和标准化，助力用户实现降本增效，提升制造质量。

 

4.1流程优化

根据对用户小刀块设计与加工的流程分析，我们发现很多模具行业内部的流程共性以及潜在缺陷。即小刀块的设计数据、加工数据和辅助数据未形成有效的融合，流转到生产部门时，工程师需要花费大量的时间整合数据。因此，如何有效优化和提升这方面的效率，是编程工程师尤为关注的问题。如（图1-8）所示，利用Tebis软件系统将设计数据、工艺数据、辅助数据通过自动化设计模块进行合并和优化，形成即能满足结构又能满足成型同时也能满足编程需要的加工数据，全程通过高度集成的功能设计出符合最终要求的结果数据。

（图1-8_小刀块流程优化）

4.2流程确认

考虑到用户为多家OEM厂商的供应商，获取数据源头难以统一，在设计标准化方面存在着一定的障碍，因此在设计层面进行了数据标准优化，即设计交付制造数据需要有统一的图层和命名标准。

在编程方面，进行刀具、工艺、制造流程的优化和标准化，统一使用最优的加工参数。编程过程由原先的交互式变更为数据准备在先，通过智能模板进行自动计算，同时采用Tebis多工位加工技术，实现单台设备单次装夹多个工件同时加工，并利用Tebis虚拟机床技术提高加工的安全性。整个小刀块加工流程以图1-9为例说明。

（图1-9_小刀块流程确认）

4.3流程实施

以（图1-10）为例，在Tebis软件环境下建立标准图层结构，刀块编程所需的数据根据所定义的图层要求进行存放和编辑。数据准备的过程其实就是代表了编程的操作流程。换言之，工程师只需按照图层当中的指令一步步操作，将相应的数据放置在对应的图层中， 并且将扫描得到的加工特征和区域进行分类存放，最后工程师按照这图层说明文字依次操作，就可以完成刀块的数据准备和后续的编程工作。

（图1-10_小刀块流程实施）

 

4.3.1小刀块数据准备

针对设计部门，利用Tebis小刀块设计模块将实体数据与编程所需数据相结合，生成精准的刀块实体具体分为六大步骤：

  • 导入实体、坐标、特征和模面；
  • 切割面自动生成毛坯；
  • 创建带切入量的偏置面；
  • 创建刃口轮廓面；
  • 原始数模和实体精准对比；
  • 拟合成加工数模。

4.3.2小刀块编程操作

以（图1-11）为例，利用Tebis提供的NC模板，实现自动编程。其中包含已经通过Tebis完成的精确实体，以及CAM智能模板中所设定的加工步骤，即两次装夹实现一次开粗、二次残留加工、半精、精加工、清根编程操作。当所有设定皆已完成，工程师只需依据Tebis图层、颜色管理自动生成NC程序。

（图1-11_小刀块编程操作）

4.3.3多工位加工技术

以（图1-12）为例，通过这多工位的加工技术，我们可以极大的提升机床利用率。Tebis多工位技术并不是简单的把多个零件放到一块工艺板中编程，而是在每个刀块已经单独编程的情况下，完全可以根据现场需求临时配，不需要重新的编程，只需把每个刀块的程序直接调入软件中， 并对其进行刀具的优化以及加工顺序的排列即可。 

（图1-12_小刀块多工位加工技术） 

（图1-13_小刀块安全验证）

4.3.4小刀块安全验证

以（图1-13）为例，在实际的加工操作中，为保障加工的安全性，用户在Tebis软件系统集成的虚拟机床进行碰撞检测。这与传统CAM软件简单的进行主轴刀具与工件的碰撞检测有所不同，安全的生产必须包含所有加工要素的安全检测，如之前所述，Tebis的虚拟机床包含对刀换刀动作、与工件夹具的碰撞检测、加工行程及角度报警监测等，在智能制造大背景下，真正做到了安全生产。

4.4实施效果

经用户初次生产验证：小刀块周产量从原来的250件上升到280件，每周可以增产30件。周返修量由原先的20件降低到13件，而周报废及安全事故从5件降到0件。 单人负责设备数也实现了一个提升，由原先单人负责2台设备提升到3台，具体请见（图1-14）。根据实测，用户初步实施产生的效率提升达到15%，在后续的持续使用优化过程中，这个数值还在稳步提升。

（图1-14_小刀块实施效果）

  1. 结束语

通过小刀块的智能制造实施，我们可以确信：智能制造不只是一句口号，更重要的是能否帮助企业实现真实可靠的实施。智能制造并不是最终的目的，它是实现数字化转型过程中一个重要的节点。企业只有真正抓住生产要素并在内部形成完善有效机制后，利用工业4.0智能制造平台建立数字化生产要素数据库，只有这样才能实现更高层级的智能制造。

企业使用Tebis数字化智能制造云平台，可以实现制造过程优化，标准化制造经验数据积累共享，降低人员技能要求，消除人员差别，避免人员错误，提高制造过程可靠性。这样可以极大地提高效率质量安全、极大地降低运行成本、极大地创造企业效益。智能制造是企业的核心优势，解决人的问题，才能够创造最大的企业价值。

 

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