智能化工厂应无需对刀，设备无停机时间
2020-2-13 来源：伊斯卡技术经理 作者：Andrei Petrilin
前言
制造业正处于全面数字化的前夕，数字化将以这样或那样的方式对制造业全流程形成影响，从产品设计，工艺规划，到加工，装配等等。这些变化背后的驱动力是与第四次工业革命相关的一大波技术突破，被称之为工业4.0。
“无需对刀”的组合式刀具
随着网络通信的应用，新的数字技术将物理生产制造系统与虚拟制造和三维建模相结合。尽管目标是大幅提高产量，但随着制造系统在智能化程度及决策能力的显著提高，它们必然演变得更复杂且更昂贵。无论对机床制造商，还是夹具制造商抑或刀具制造商而言，最小化制造系统的停机时间对每一个系统组件的开发都是“必须”的。切削刀具不止用于加工金属，还能缩短停机时间，这取决于刀具的设计理念。
今天，采用夹持硬质合金刀头的组合式刀具进行金属加工已非常普遍。如果说二十年前采用可换式刀头原理设计的刀具系统尚且非常少，那么现在，几乎每家领先的刀具制造商都能提供这类产品系列。刀具磨制及重新修磨机床的先进性使得整体硬质合金刀具的生产及重新修磨变得更简单。这进一步促使中小型刀具制造商数量增多，促进重新修磨业务的增长。可以预见，整体硬质合金刀具的设计方式将对可换头刀具发起重大的挑战，并快速收复失地。然而，这并未发生，并且事实上情况正相反：来自机床的工程进展和当前的智能制造趋势为夹持可换刀头的组合式刀具提供了前景可期的未来。
以刀具制造领域的领军公司伊斯卡作为明显对照案例。伊斯卡推出基于“无需对刀”原则的夹持刀头的刀具，因替换失效刀头后无需额外的安装调试步骤，故而无需将刀具从机床取下即可在机更换刀头。“无需对刀”源于组合式刀具的以下特点：刀头与刀体之间为面接触，确保刀头的更换具有高重复定位精度；对超出刀体部分的刀头公差范围有着严苛的规约。“无需对刀”原则成功地应用于伊斯卡变形金刚立铣刀MULTI-MASTER（图1）及束魔变色龙钻SUMOCHAM（图2）。在非旋转产品类中，伊斯卡新推出的切断切槽刀MULTI-F-GRIP （图3）及 LOGIQ-5-GRIP系列代表采用不一样的方式所取得的成果，组合式刀具包含一个刀座，一个可转位多定位槽刀夹，刀夹夹持可换式刀片。各组件的高精度使得刀夹转位后无需进行额外的对刀。以上两种“无需对刀”概念均能大幅缩减机床停机时间。
图1. 变形金刚刀头MULTI-MASTER
图2 束魔变色龙钻SUMOCHAM
图3. MULTI F GRIP _切断切槽刀
除却缩短停机时间，这些组合式刀具还附属了通用特性。以变形金刚立铣刀MULTI-MASTER为例，刀头能适配于不同刀体，而刀体能用于装夹不同的刀头，因具有上万种刀具组合而应用宽泛，应用范围包括方肩铣、面铣、槽铣或复杂曲面铣，以及加工孔乃至倒角。MULTI-F-GRIP，非旋转刀具系列，刀座装夹带4个定位槽的刀夹，更换带不同定位槽的刀夹，就能用于夹持TANG-GRIP刀片或DO-GRIP刀片。不久以前，通用性被视为可换刀头组合式刀具的主要优点；然而，随着近些年机床商的技术进展，特别是基于工业4.0概念的智能制造发展趋势，将组合式刀具的“无需对刀”这一特性推至趋势前沿。
先进的修磨使得磨损的硬质合金刀具几何形状能得到高精度的修复。然而，因刀具尺寸的变更，操作者不得不据此对数控程序的初始设置进行恰合的修正以使得修磨后的刀具能执行加工。这会导致有效切削时间的减少，降低生产率，进而提高生产成本。与此相反，快换刀头设计因“无需对刀”，免除了对额外的对刀或程序修正的需求，也不需要配置任何额外的安装单元。这即是当切削刀具拥有“无需对刀”的能力时就能在智能化金属加工工厂发挥重要作用的原因。从这个视角来看，“无需对刀”的夹持刀头的组合式刀具，诸如变形金刚立铣刀MULTI-MASTER及束魔变色龙钻SUMOCHAM，可被看作是为智能化工厂量身打造的。明白了这一能力所带来的益处，也就能更透彻地理解伊斯卡为什么从二十年前开发这两个系列时就对刀具悬伸公差范围从设计要求上提出必要的严苛的要求。
多任务机床
采用夹持可换头组合式刀具还能带来额外的优点，就是其具有能根据工件的特定要求而自行灵活组装的能力。多任务机床使得能在一个工步中实现多样化的切削加工，而这在当今工业领域越来越普遍。这些机床具有驱动刀柄，这样就能将旋转刀具与非旋转刀具组合在一起使用，从而能显著提高生产率。此外，作为对标准数控车床的补充，机床制造商们提供丰富多样的驱动刀柄选项，这能将数控车床转化为多任务机床。典型的驱动刀柄单元的功率特性与典型的小型加工中心的功率特性相近。变形金刚立铣刀MULTI-MASTER系列具有丰富多样的刀体，伊斯卡还为刀体提供各式接柄、缩径杆、延长杆，以确保为特定加工提供优选结构的刀具，并能最小化刀具悬伸（图4）。这大大有助于减小作用于驱动刀柄单元机构的弯曲载荷，提高刀具的性能及刀具寿命。
图4. 变形金刚立铣刀应用于多任务机床
结语
将工业4.0概念落地到金属加工业的例证是将“无需对刀”概念整合进去，纳入夹持可换刀头的组合式刀具。这并不只关乎于节省硬质合金材料；科技的发展带来重要的能力，那就是能最大限度地提高加工产能，降低生产成本。不过，要精准地实现这样的能力，需对相关设计参数提出更严苛的要求，特别是收紧轴向重复定位公差范围。
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