高速加工创造最佳业务绩效

全球模具和级进模行业正在发生巨变。在全球化的经济浪潮下，越来越多的业务和工作被从欧美等国家外包至亚洲，市场竞争日趋激烈，以至于价格在市场竞争中占据越来越大的分量。在这种市场前景下，对于模具和级进模制造厂而言，为了应对挑战，实现业务目标，变革势在必行。

模具行业面临的挑战

模具行业一般分为两大类型：一类是专业型的模具企业，这类企业产品设计不做，最后制造也不做，其最终目标就是以模具去盈利，所以它把模具的成本和质量放在第一位；还有一类是特大型的企业，本身具有专业的模具厂，设计来源于自己，模具也是来源于自己，因此模具会结合自己的产品而生产，模具主要是提高产品的最高质量。这两种类型模具企业的研发制造观念和重点有所不同，所面临的困难和挑战也会不同。

（1）目前很多的模具厂，其5％的客户为这个企业带来至少30％的利润，因此厂家对这些大客户非常重视，这样它就会要求提高这些大客户的报价，提供及时的客户服务，与这些客户及时进行信息共享或者和客户进行联合开发。甚至有些大的客户要求对模具厂有一定的控制，需要知道模具何时能够交货，这是在对大客户方面模具制造企业面临的问题。

（2）对内来说，还会面临一些挑战。对一些模具加工来说，会有多道工序。同时这些与模具的工艺和原材料供应都有关系，因此协同和同步以及资料的保存保护也非常重要。

（3）不仅能够保证模具开发制造的及时，而且还希望这套系统和流程设计进行整合，实现标准化和知识化管理，这是非常重要的。这样可以加速本地员工的成长，减少人员流动对产品开发的冲击，对整个大项目的协同是相当重要的。

（4）一个模具厂每年生产的模具非常多，需要很专业的管理，对研发平台要求非常高。

PTC一体化模具研发、设计平台

前面讲的模具企业的挑战有四方面，因此最终的解决方案也会是四方面：第一，需要非常好的设计模具的工具，提高设计能力；第二，需要流程整合以及生产能力的提高，这是一个自身的关键；第三，要提高和一些大客户之间的亲密度，这样可以让知识产品设计和模具开发更加接近客户或者市场的需求；第四，需要引进包括组织、流程、人员以及企业文化的改变，需要引进新的管理方案和良好的设计管理流程来改变沟通，包括知识以及丰富的专家以便降低开发的成本和风险。

作为PTC来说，我们面临的问题是如何应对这么多客户的要求和市场的要求。PTC奉行产品至上的理论，从客户的目标来确定我们执行的目标，以及最后确定我们该如何去做，并且根据需要来决定应该提升哪些效率。PTC有一套完整的体系来体现模具该有的价值。

一个企业在业务流程上是相当复杂的，我们从一个模具的研发开始，首先对模具要有一个简单的理解，包括从最终模具产品的讨论、估价、快速报价，做出最后模具整个价值的构思，然后做出模具的详细设计，实现装配和修模，最终做出实体。这中间要涉及很多部门，作为模具企业来说，专门会有一个和客户联络的产品设计部，还有模具设计部等很多部门，会涉及到相当多的不同问题。模具企业的成本大体分为三个部分：人工、材料和设备。人工基本会占到25％左右，设备成本大约会达到40％～45％左右，材料在模具成本里占的比例是相当大的，大概会占到35％左右。PTC为客户提供的完整的模具平台包含这样几个目标：资源如何分配，项目怎么去考核及预算如何制定。

在此过程中，我们的重点客户会有哪些问题呢，它是不是掌控了整个模具项目的变更和技术控制；它是不是有办法去评估这些绩效；它是不是能够掌握这些项目的预算，还有系统平台如何控制。我们希望客户能够做到这些，如果PTC的系统能让客户做到这点，那带来的价值会是非常大的。一个模具厂应该做到成本控制和快速响应客户的需求。在成本控制方面，资源、质量、材料很关键；快速服务相应包括交货期以及模具质量保证。

一个好的研发系统，应该具备企业提升模具开发高质量的指标。应该改善以下几方面：加工的失误率、模具的寿命和设计周期。

PTC为企业提供了两大产品研发平台，一个是以Pro/E为主的模具设计平台，同时包括模具制造软件Pro/TOOLMAKER，合起来作为工具产品上的研发和制造平台。二是作为模具研发和项目管理的Windchill平台，其中包括了PDMLink和模具开发企业项目管理和项目技术控制ProjectLink，解决了整个研发和管理中遇到的问题。节省设计人员时间、缩短产品上市时间并最终提高产品质量。一个好的研发平台要很好地管理模具研发，必须要解决减少人力、缩短出厂时间以及提高质量这几个问题。

模具制造重点就是如何做到更快更好，因为模具设计结构紧凑，要做到更快有一个直接方法，就是增加人力，但是人多并不代表真的力量大，会出现很多沟通问题。PTC会让客户达到人多真的力量大，保证在一个模具平台上实现共同工作，提升效率，这是设计效率的提升。另外一方面，如何实现快速制造是个大问题，但是有些制造环节是很难成倍提高效率的，这就要考虑到有些要先期制造，而不是全部设计完才去制造，这就是制造极限。当然这样对设计师的压力会非常大，PTC有很好的方法达到制造极限。我们把一些典型的制造工艺变成智能化制造体系，做到制造同步，才能真正提高效率。

一个好的模具设计平台包括设计工序、设计平台和管理平台。从设计平台来说，PTC提供了一个很好的高效科技平台，同时体现设计与制造并行。其次是良好的管理系统，用来管理所有模具的设计数据，保证可以随时查看相关信息，这样最终才能体现模具设计的更快更好。

高速加工的挑战及解决方案

高速加工（High-Speed Machining, HSM）技术正帮助全球的企业提高生产力，降低成本。高速加工技术的特点是主轴速度为10 ～40Krpm，进给速度可达到每分钟10～20m，切割深度相对较小。它经常应用于重要材料去除或者处理硬度极强的金属，其应用范围从汽车模具、冲压刀具和其他大型钢制构件到硬金属加工、定制原型部件、臀部和膝关节类的专用医疗产品和特殊材料研发项目。

由于高速加工技术所具备的超凡速度，对流程中使用的每一种设备都有非常高的要求。铣床、刀具、夹具等组件的设计必须达到最佳的平稳性和振动的最小化，因为过分的振动会破坏表面加工，缩短刀具和其它工具的使用寿命，甚至会使工具或加工完全报废。为使控制系统把软件指令转化为准确的动作，要求数字驱动和直接测量系统达到最高的精确度和重复的准确度。

高速加工软件的特征

能否充分利用这些组件，并推动流程从而实现最大化收益，将取决于高速加工软件的应用。高速加工软件应在以下四个方面表现优异：优化制造稳定性、提升刀路效率、最大化操作性能和增强易用性。

（1）制造稳定性

高速加工通常被认为是“高冲击”加工。由于速度极快，每一次接触新表面所造成的冲击都易造成刀具的损坏。因此该软件要减少并柔化刀具在所有情况下可能受到的冲击。在粗加工中进行深度切削时，该软件应使刀具以螺旋式而不是直接地垂直切入，或者应根据表面轮廓倾斜地切入。在进入拐角处应小心地控制刀具的移动，而不允许在拐角处进入短促的on-off移动。在移动主轴和加工时该软件应使数控机床保持恒定负载，而且应了解切削刀具的侧面和模具的壁面间的布局，以避免意外的接触产生的振动。

（2）刀路效率

该软件优化刀路设计的功能在提高高速加工效率方面扮演了重要角色。例如，刀路设计应该使刀具尽可能实现最大切削，使时间和刀具变化达到最小化。刀路设计应优化刀路路线，从而使刀具尽可能多地接触材料。“新鲜空气切削”最小化有助于增加刀具切削时间，将刀具冲击保持在最低程度从而减少刀具或插入磨损。此外，该软件还有许多其他方式提高加工效率，其中有些非常奇妙。比如当工具不得不以锐角从一个表面移动到另一个表面时，为了保持进给速度恒定，该软件应该能够在空中创建一个曲线轨道，而不会造成突然的“Stop”和“Start”。

（3）操作性能

高速的数据导入以及各种刀路算法满足了高速加工技术对软件的性能要求。底层软件架构必须尽可能高效，以支持“前瞻性”算法，这种算法功能强大，不仅可预测刀具移动和变化情况，而且还能为复杂的大型项目保留充分的空间。该软件应能支持多线程和并行处理。同时它应能利用有效压缩技术达到内部文件的最小化。

（4）易用性

高速加工软件应能提供快捷菜单和连续工作流，使常规应用简单容易，不需要太多培训即可掌握。但是，它也应使用户可轻松快速设计刀路，并且应确保该软件将按照指令正确执行，这对于无人值守的加工来说显得尤为重要。

用户通过电子数据表或其它外部文件来定义工具是简化设计的一种方式；另一种方式是使用智能默认方式来自动完成复杂的切削，例如在刀具进入拐角时进行加速或减速。还有一种方式是程序员通过创建残留模型（stock model）来观察模具在加工过程中任一时刻的可能形态，从而在粗加工和精加工步骤中进行可能的调整。最后，刀路本身的可靠性和精度应该能够满足机床连续进行夜间无人值守状况下运转的要求。

2007年5月，PTC公司收购了总部位于英国的锻造工业大型模具制造商谢菲尔德（NC Graphics）模具公司，将高速加工软件加入到其Pro/ENGINEER产品系列中，推出了Pro/TOOLMAKER，从而为客户提供优化刀具制造和高速精密加工流程的完整解决方案。自2007年8月推出以来，Pro/TOOLMAKER通过提供多重CAD支持，为Pro/ENGINEER以及其他CAD系统提供完全关联可靠的NC刀具路径编程，不仅帮助企业大大减少了废品消耗，提高了产品质量，而且缩短了产品制造及上市周期。

谢菲尔德模具公司的创始人Andy Farmer认为公司今日的成就与Pro/TOOLMAKER高速加工软件密不可分。 “我们在该应用软件中加入了大量智能功能，”他表示，“例如，我们使刀具与材料相接触的算法具有明显优势。我们曾经将一款竞争的高速加工应用软件与我们的软件做内部比较。测试完成时，我们发现使用竞争产品造成了555个提刀，而使用Pro/TOOLMAKER软件产品仅有两个提刀。

目前，谢菲尔德的数控机床可以进行7×24h的运转和工作。如果不使用Pro/TOOLMAKER软件，要生产同样的产量需要至少增加两台数控机床和相应的员工。Pro/TOOLMAKER准确地实现了用户所期待的生产结果，同时也让用户获得了解放，可以去做想做的事情，寻求新的业务或进行新的收购。

就当今的高速加工应用软件而言，Farmer表示一些软件具备了Pro/TOOLMAKER类似的高效创建刀路功能。不同之处在于Pro/TOOLMAKER可以默认产生这些刀路，而其他软件要求用户在创建设计时修改参数。

像谢菲尔德模具公司这类的公司正不断发现高速加工以及Pro/TOOLMAKER这样的高度智能化软件所带来的巨大竞争优势。这一软件扩大了高速硬件的优势，保护其免受损坏，减少磨损并简化刀路设计，因此即使普通用户也能从中得益。综上所述，高速加工技术无论是在设计到部件的产品开发生命周期中，还是在帮助制造商赢得并保持竞争优势中，都扮演了一个重要角色。

Pro/TOOLMAKER简介

Pro/TOOLMAKER是一款多线程架构的数控刀路设计应用软件，拥有高度智能化算法来优化高速加工。Pro/TOOLMAKER对高速加工各步骤提供了充分支持，为优化粗加工、二次粗加工、精加工和剩余铣削提供了路径、出口和连接端；完成工具和固定架几何体的半圆凿防护；同时拥有一个材料、进给、速度、切削条件的刀具库。

该软件提供了实时残留模型来帮助用户观察每一加工步骤后的部件形态，优化后续刀路；Pro/NC-GPOST用于创建和更新任一类型数控机床的后置处理器；绑定Pro/ENGINEER数据；并且支持非PTC CAD系统和包括IGES、VDA、STL、Parasolid、CATIA V4、CATIA V5和SolidWorks等数据格式。

刀具路径编程的四个步骤

通过使用Pro/TOOLMAKER，程序员通过执行以下四个基本步骤，可以完成一个刀具路径：

● 选择策略、刀具并创建轨迹 — Pro/TOOLMAKER提供基于最佳参数的推荐。
● 基于具体任务的详细资料进行轨道编辑 — 这些可能包括剩余材料、任一特殊表面等。
● 路径链接 — Pro/TOOLMAKER的智能化有助于显示最有效路径，并创建优化切削刀具的路线、提刀和插入。
● 结果可视化 — Pro/TOOLMAKER建立了一个实时模型，因此程序员可以浏览部件未来外观。若用户需要，Pro/TOOLMAKER能在加工过程中随时创建库存模型。