株洲湘冶高性能數(shù)控切削刀具的管理技術(shù)，采用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行金屬切削加工，不僅是航空航天制造業(yè)的主要金屬切削方式，也在整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)中占據(jù)主流。在數(shù)控切削方式的變革中，生產(chǎn)質(zhì)量管理也發(fā)生了很大的變革。傳統(tǒng)手工機(jī)床加工零件，單獨(dú)工序的加工質(zhì)量多依賴(lài)工人的技能，而在數(shù)控加工中，工藝人員不僅需要負(fù)責(zé)工藝制定，還要進(jìn)行數(shù)控加工程序編制、數(shù)控刀具選擇與工藝參數(shù)制定。因此數(shù)控加工效率與加工質(zhì)量受到數(shù)控刀具的影響顯著。

  航空航天制造業(yè)的加工方式以小批量、多品種混線(xiàn)加工為主，相對(duì)于大批量生產(chǎn)的汽車(chē)制造行業(yè)，在零件切削加工生產(chǎn)中，由于零件材料的難加工和零件結(jié)構(gòu)的難加工特性，不僅對(duì)高性能數(shù)控刀具有迫切的需求，而且合適的刀具管理技術(shù)對(duì)數(shù)控生產(chǎn)質(zhì)量的提升具有重要的意義和應(yīng)用價(jià)值。

  狹義上的刀具管理技術(shù)只涉及刀具的物流管理。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)等批量化生產(chǎn)中應(yīng)用的刀具管理技術(shù)不僅包含刀具的物流管理，還包含刀具定義、切削參數(shù)、切削數(shù)據(jù)、刀具調(diào)整與刀具修磨、CAM接口、刀具用量預(yù)測(cè)等。通過(guò)刀具管理技術(shù)的應(yīng)用，可以把量產(chǎn)中的刀具獨(dú)立出來(lái)，由專(zhuān)業(yè)化的刀具管理服務(wù)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行管理，在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)刀具配送，降低生產(chǎn)成本。針對(duì)航空航天制造業(yè)的特殊生產(chǎn)方式，這種刀具管理技術(shù)存在諸多問(wèn)題。現(xiàn)在的航空航天企業(yè)都建有較為完善的CAPP、ERP和PDM等信息管理系統(tǒng)，刀具相關(guān)的物流管理功能已經(jīng)具備。但是刀具具有其特殊性，在工藝制定實(shí)施中，不僅需要知道刀具的形狀、尺寸，還要知道刀具適合加工的材料和切削參數(shù)的選擇。

　　切削加工是包含機(jī)床、刀具、零件、夾具、工藝的多變量復(fù)雜時(shí)變系統(tǒng)，切削參數(shù)對(duì)應(yīng)的切削狀態(tài)，以及獲取的加工效果受到切削系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)、眾多參數(shù)的影響，難以建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的切削工藝系統(tǒng)模型來(lái)描述和優(yōu)化工藝參數(shù)。作為刀具的主要提供方，刀具廠(chǎng)商往往采用折衷方案，針對(duì)所提供的刀具和被加工對(duì)象，為工藝人員推薦可用的切削參數(shù)或近似加工案例，不提供刀具壽命和加工效果預(yù)測(cè)，多依賴(lài)實(shí)際加工結(jié)果進(jìn)行粗略評(píng)價(jià)。

  切削數(shù)據(jù)庫(kù)主要是為工藝人員制定具體工藝方案時(shí)，提供機(jī)床、刀具選擇方案和優(yōu)化可行的加工參數(shù)。由于微細(xì)銑削工藝系統(tǒng)涉及到機(jī)床、刀具、工件、工裝夾具、潤(rùn)滑冷卻等加工的各個(gè)環(huán)節(jié)，同時(shí)由于加工過(guò)程的動(dòng)態(tài)時(shí)變特性，最優(yōu)工藝參數(shù)往往不易確定。這也是現(xiàn)有金屬切削數(shù)據(jù)庫(kù)難以實(shí)用化的主要因素。

  針對(duì)航空航天制造業(yè)的特殊性，高性能數(shù)控刀具的管理技術(shù)應(yīng)包含刀具性能評(píng)價(jià)、刀具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用、刀具物流。

  刀具性能評(píng)價(jià)方法

  隨著航空結(jié)構(gòu)件復(fù)雜程度的不斷提升，涵蓋的難加工特征結(jié)構(gòu)越來(lái)越多，以往通過(guò)基礎(chǔ)切削試驗(yàn)來(lái)選取的刀具在針對(duì)不同結(jié)構(gòu)特征時(shí)往往表現(xiàn)出顯著的性能差異。也就是說(shuō)，同一種刀具在切削加工不同的結(jié)構(gòu)特征時(shí)，往往會(huì)體現(xiàn)出較大差異的切削性能。

  為了合理評(píng)價(jià)航空鈦合金結(jié)構(gòu)件銑削刀具的性能，和尋求適合航空鈦合金結(jié)構(gòu)件的銑削刀具，有必要在了解和熟悉航空鈦合金復(fù)雜結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上對(duì)其切削刀具性能進(jìn)行評(píng)判。

  為進(jìn)行鈦合金銑削刀具的優(yōu)選和切削參數(shù)優(yōu)化，設(shè)計(jì)了多種結(jié)構(gòu)的鈦合金測(cè)試件。圖1是參考機(jī)床性能測(cè)試S形件設(shè)計(jì)的一種基準(zhǔn)樣件，通過(guò)定義統(tǒng)一的切削軌跡，不僅可以對(duì)比刀具的切削性能，還能進(jìn)行機(jī)床性能的測(cè)試，為切削參數(shù)的個(gè)性化評(píng)價(jià)提供了一種參考方法。

  如以刀具壽命、金屬切除率作為粗加工評(píng)價(jià)指標(biāo)，構(gòu)建刀具性能綜合評(píng)判模型，通過(guò)實(shí)際切削試驗(yàn)，對(duì)比評(píng)測(cè)了WSM35、WSM35S、WSP45和WSP45S 4種PVD氧化鋁涂層的銑刀，根據(jù)加工試驗(yàn)數(shù)據(jù)的模糊隸屬度評(píng)測(cè)，切削S形區(qū)域時(shí)的性能依次為WSM35S、WSP45、WSP45S、WSM35;而切削反面槽腔時(shí)的性能依次為WSM35S、WSM35、WSP45、WSP45S。

  采用基準(zhǔn)件進(jìn)行刀具性能評(píng)價(jià)，多項(xiàng)對(duì)比試驗(yàn)表明，可以為工藝制定提供更合理的切削參數(shù)。

  刀具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

  刀具現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用是指從工藝規(guī)劃開(kāi)始的刀具選型、切削參數(shù)、壽命預(yù)測(cè)、磨損管理、刀具調(diào)整和刀具更換等環(huán)節(jié)。

  刀具選型的基本流程是根據(jù)被加工零件的結(jié)構(gòu)、材料，通過(guò)刀具樣本，獲取相關(guān)的刀具、刀柄、以及推薦切削參數(shù)。刀具選型的優(yōu)劣對(duì)加工質(zhì)量、加工效率和加工成本具有決定性影響，同時(shí)也會(huì)影響數(shù)控加工程序的編制。尤其是航空航天工業(yè)中常用的鈦合金、高溫合金等難加工材料，對(duì)刀具材料、刀片槽型以及切削參數(shù)較為敏感，任何錯(cuò)誤的搭配都會(huì)導(dǎo)致刀具磨損加劇或者效率降低。由于刀具選型多依賴(lài)于“知識(shí)”，瓦爾特最早提供了TEC-CCS刀具管理輔助軟件為用戶(hù)提供整體銑刀、孔加工的刀具建議;肯納金屬也推出了NOVOTM刀具管理軟件，利用多種參數(shù)約束的方式為用戶(hù)提供刀具建議。上述軟件還能提供切削力和切削扭矩、功率的計(jì)算功能。

  充分發(fā)揮高性能切削刀具的性能，不僅需要根據(jù)加工對(duì)象選擇合適的刀具，而且需要在工藝編制過(guò)程中為刀具配置合理的切削參數(shù)。由于零件在機(jī)床上的切削加工是一個(gè)多變量復(fù)雜時(shí)變過(guò)程，必須要根據(jù)機(jī)床狀態(tài)、零件裝夾方式、加工余量多少對(duì)刀具建議的切削參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

  由于鈦合金和高溫合金易于加工硬化，應(yīng)選用適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給量和切削深度，以保持切削在硬化層之下進(jìn)行。在應(yīng)用陶瓷刀具切削高溫合金中，在車(chē)削時(shí)切削速度通常需要超過(guò)80m/min才能充分利用陶瓷和高溫合金的硬度差進(jìn)行高效切削;而在銑削中，切削線(xiàn)速度需要超過(guò)600m/min才能達(dá)到類(lèi)似的效果;同時(shí)由于陶瓷刀具的脆性，應(yīng)用冷卻液或者微量潤(rùn)滑時(shí)，會(huì)因液體在刀具表面微裂紋中的膨脹加劇裂紋擴(kuò)張速度，加速刀具破損，應(yīng)盡量采用風(fēng)冷或者干切削方式。

  在實(shí)際加工過(guò)程中，刀具切削效果的反饋是刀具、切削參數(shù)改進(jìn)以及刀具成本控制的重要依據(jù)。現(xiàn)有的車(chē)間生產(chǎn)管理體系中，對(duì)于實(shí)際刀具切削壽命、加工過(guò)程動(dòng)態(tài)多為現(xiàn)場(chǎng)操作人員的口頭匯報(bào)，如果進(jìn)行相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)又會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)管理工作量激增。如何在生產(chǎn)中高效、及時(shí)、全面獲取相關(guān)刀具應(yīng)用效果的數(shù)據(jù)，仍有待進(jìn)一步探討。

  根據(jù)國(guó)內(nèi)航空航天制造業(yè)對(duì)數(shù)控切削零件質(zhì)量問(wèn)題的調(diào)查，多數(shù)質(zhì)量問(wèn)題是由于簡(jiǎn)單錯(cuò)誤導(dǎo)致。如數(shù)控機(jī)床在加工大型零件的過(guò)程中，由于切削液噴注、現(xiàn)場(chǎng)噪聲等因素，操作人員疏忽導(dǎo)致錯(cuò)誤的刀具調(diào)用、刀具長(zhǎng)度錯(cuò)誤、刀具過(guò)度磨損等問(wèn)題尤為常見(jiàn)。應(yīng)用技術(shù)手段進(jìn)行此類(lèi)防錯(cuò)處理具有較好的效果，如在車(chē)間建立刀具配送系統(tǒng)，根據(jù)每臺(tái)機(jī)床當(dāng)天任務(wù)，提供刀具清單，由專(zhuān)門(mén)人員在刀具預(yù)調(diào)儀上進(jìn)行刀具測(cè)量確認(rèn)后，配送至對(duì)應(yīng)機(jī)床刀庫(kù)，在程序中按照預(yù)計(jì)的刀具壽命進(jìn)行換刀提示。

  刀具管理系統(tǒng)

  高性能切削刀具的主要目標(biāo)是在粗加工階段提高金屬切除率，在精加工階段提高表面質(zhì)量。在批量生產(chǎn)中，由于機(jī)床-工件的組合、生產(chǎn)率相對(duì)固定，刀具品種和消耗數(shù)量易于統(tǒng)計(jì)，適宜于刀具管理。但在航空航天制造業(yè)，小批量、多品種的混線(xiàn)生產(chǎn)，刀具品種和消耗數(shù)量不易精確統(tǒng)計(jì)，對(duì)于刀具管理系統(tǒng)的應(yīng)用具有較大難度。

  刀具管理系統(tǒng)不僅要面向制造車(chē)間的物流管理、刀具安裝調(diào)整、機(jī)床刀具配置等過(guò)程進(jìn)行刀具相關(guān)數(shù)據(jù)管理，同時(shí)還要在工藝編制過(guò)程中提供刀具幾何數(shù)據(jù)、切削參數(shù)，以及在生產(chǎn)計(jì)劃編制過(guò)程中的機(jī)床-工件-夾具-刀具匹配，并能進(jìn)行效果預(yù)測(cè)。圖2是TDM刀具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口環(huán)境示意圖。

  隨著制造系統(tǒng)信息化技術(shù)在航空航天企業(yè)的逐步推進(jìn)，刀具管理系統(tǒng)應(yīng)易于和已有的PLM、ERP、CAPP等系統(tǒng)進(jìn)行高度整合，圖3表示了刀具管理系統(tǒng)與制造信息化其他系統(tǒng)間的關(guān)聯(lián)。

  大數(shù)據(jù)時(shí)代下的刀具管理技術(shù)

  刀具在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如每把刀的切削數(shù)據(jù)和加工效果統(tǒng)計(jì)、加工過(guò)程中的狀態(tài)變化數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)加工質(zhì)量提高、刀具改進(jìn)和成本控制等過(guò)程的決策具有重要的意義。

  刀具在應(yīng)用中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)及其存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)和分析，將是刀具管理系統(tǒng)真正能夠在復(fù)雜制造環(huán)境中發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

  刀具管理系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)集可以分為4類(lèi)。

  (1)刀具基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這部分的數(shù)據(jù)主要由刀具廠(chǎng)商提供，包含刀具、刀柄、配件的幾何信息，以及按照材料分類(lèi)推薦的基礎(chǔ)切削用量，可由刀具制造商進(jìn)行更新和維護(hù)。

　　(2)刀具物流數(shù)據(jù)。用戶(hù)生產(chǎn)過(guò)程中刀具采購(gòu)、庫(kù)存、消耗的數(shù)據(jù)，由PLM和ERP系統(tǒng)進(jìn)行管理和維護(hù)。

　　(3)刀具切削數(shù)據(jù)。用于向工藝制定和生產(chǎn)計(jì)劃等工藝準(zhǔn)備環(huán)節(jié)推薦機(jī)床-刀具匹配下的切削參數(shù)，該類(lèi)數(shù)據(jù)實(shí)際基于刀具制造商提供的基礎(chǔ)切削用量，結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特征，通過(guò)加工切削性能評(píng)價(jià)基準(zhǔn)試樣后優(yōu)化的數(shù)據(jù)，該類(lèi)數(shù)據(jù)是一種機(jī)床動(dòng)態(tài)性能約束型數(shù)據(jù)，有刀具管理系統(tǒng)進(jìn)行個(gè)性化管理。

　　(4)刀具應(yīng)用數(shù)據(jù)。主要指刀具在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的各類(lèi)數(shù)據(jù)，目前該類(lèi)數(shù)據(jù)在生產(chǎn)中不進(jìn)行記錄和管理。這類(lèi)數(shù)據(jù)一部分由機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生，如瞬時(shí)切削載荷(功率、電流)，可由機(jī)床CNC系統(tǒng)提供輸出接口，進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì);刀具磨損和切削狀態(tài)評(píng)價(jià)類(lèi)的數(shù)據(jù)，如刀具磨損和表面質(zhì)量等數(shù)據(jù)可以由操作人員進(jìn)行記錄統(tǒng)計(jì)，或在機(jī)床刀庫(kù)等處安裝傳感器進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。刀具應(yīng)用數(shù)據(jù)會(huì)在生產(chǎn)過(guò)程中持續(xù)產(chǎn)生，形成大數(shù)據(jù)，該類(lèi)數(shù)據(jù)的處理將是刀具管理技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。