模块化刀具系统：刀具的柔性解决方案

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汽车作为高效生产的产品，对生产设备的精度和柔性有很高的要求。而刀具在金属切削加工中占有举足轻重的地位。对于汽车制造业而言，许多工序必须使用专用刀具，如发动机曲轴，无论是内铣、车车拉还是高速外铣工序，所使用的都是专用刀具，这些刀具的刀体制造复杂，价格昂贵。由此，面向汽车制造的柔性化需求，模块化刀具系统作为柔性解决方案应运而生。

近年来，由于科学技术的不断进步和人们消费需求的不断变化，汽车产品的寿命周期缩短了，产品更新换代的速度加快了。这种形势迫使许多生产企业走上多品种、小批量的生产方式，以提高本企业产品的市场占有率，适应市场需求的多变性。美国著名的未来学家阿尔温·托夫勒在《第三次浪潮》中预言，今后的社会是一个“打破标推化”的多样化社会，今后的一切将“越来越不一致和没有标准了”。 ( w) Y& R% w: }& M7 j

长期以来，加工业的批量与其经济效益存在着密切联系。如果不能达到经济批量，则生产企业要不没有必要的利润维持企业的发展，要不产品价格缺乏竞争能力而无法取得足够的市场占有率。因此，我们必须设法寻找一些解决方案，比如降低经济批量的数额，使我们在小批量生产时同样达到接近大批量生产的经济效益。

刀具在汽车制造中发挥着重要作用。模块化刀具系统就是面向汽车制造的柔性化需求的柔性解决方案。

模块化的基本概念

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模块化是指以产品(或系统)的总功能为对象，以功能的分析分解为基础建立模块体系，运用模块组合成产品(或系统)。我们可以把具有某种功能的产品看成一个系统，通过对系统的分析，把系统的总功能分解成若干个子功能，而用以完成这些子功能的要素就是该系统的子系统。如果其中某些子系统可与其他系统中的另一些子系统在功能上通用、互换，又具有一致的接口，这些子系统便可以从母系统中分离出来，形成一个个通用的子系统(即模块)，这就是分解。为了满足不同的使用要求，我们在模块体系中选择若干个模块并按照新产品(或系统)的要求结合起来，就会产生一个具有新功能的产品(或系统)，这就是组合。这一过程与积木玩具极相似。例如，我们在某车床上使用一刀具系统，其装上钻头作为切削模块，用弹簧套作为链接切削模块与环境(机床)的桥梁──主柄模块，就形成了钻削系统；而如果把切削模块换为丝锥，它就成了攻丝系统。对于钻削系统，由弹簧套和直柄钻头组成的系统在使用功能上与锥柄麻花钻等效。

模块化刀具的建立

在建立模块时，属于同一功能单元的、安装于同一些部件(或模块)上的一组模块，应具有相同的结合要素(包括相同的安装与联结形式)，以保证性能、用途和内部结构不同的模块在组合成产品时具有互换性。这样，当汽车制造厂的工件结构、尺寸、材料有了改变之后，我们就有可能通过更换新的模块，组合成符合新功能要求的刀具，来满足汽车制造者新的需求。 & k' H: f& [1 Z

建立模块时应使其功能单一、合理细化，以达到灵活性大、适应性强、寿命周期长的效果，并使其适应产品品种和参数变化的要求，形成经济合理的系列化，最大限度地满足用户的不同需要，利于高效生产、降低成本和提高产品质量。如模块式可转位面铣刀，一类是一种刀体可配用不同的刀垫，可以形成45°主偏角通用面铣刀、45°主偏角轻切削低功耗面铣刀、75°主偏角通用型面铣刀、89°45′主偏角的经济型立铣刀、90°主偏角的小切深(ap<9mm)和大切深(ap<15mm)以及刀尖角较小(60°)的立铣刀、修光铣刀、圆刀片型腔铣刀、八角刀片的多功能铣刀等10种类型的铣刀；另一类是各种刀垫可分别在直径80、100、125、160、200、250、315、400、500mm的各种刀体上使用，这样就可以扩大刀具的使用范围，减少刀具的库存，提高刀具使用者的应变能力。
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图1 模块化铣刀示例

某德国公司的铣刀片目前有20种常用刃口形状，由于刀片的前角不同，因此能改变铣刀的工作角度。例如，在该模块化铣刀(如图1所示)上使用90°主偏角的小切深(ap<9mm)或大切深(ap<15mm)的刀垫时，如装用A57刀片，其径向前角为0°；如装用D55刀片，径向前角增至10°；如装用F55刀片，则径向前角增至16°；而如装用K88刀片，径向前角则增至25°。 5 P( X# Y" @. e. o" ]" U& x; \

这样的模块式刀具设计可以提供很多种组合，形成千姿百态的刀具，为制造厂快速适应市场变化，开发制造新产品在技术上提供了可能。这样的模块式刀具系统可用于各种自动化程度的场合，应用范围可从普通铣床、专用铣床到复杂的数控加工中心和柔性生产线。与当前使用的其他刀具相比，该系统的可变性非常强。
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图2 模块式曲轴内铣刀

图3 模块式车车拉刀具 2 Q1 a" l, l8 A3 N f( B

图4 模块式曲轴高速外铣刀

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汽车行业的模块式刀具

汽车制造业不同于普通机械加工业，许多工序必须使用专用刀具，如发动机曲轴，无论是内铣、车车拉还是高速外铣(见图2、图3、图4)工序，所使用的都是专用刀具，这些刀具的刀体制造复杂，价格也比较昂贵。但是，如果汽车产品的变型要牵涉曲轴曲拐或颊平面的尺寸，都有可能导致必须使用新的刀体来加工曲轴，这就会影响汽车制造厂的产品开发周期和制造成本，最终影响汽车制造厂的竞争能力。因此，作为专业的刀具制造商，都应该致力于开发柔性化的曲轴制造专用刀具，与汽车制造厂密切合作，尽可能缩短汽车制造厂的产品开发周期，降低制造成本。

模块式刀具的技术优势

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模块化刀具在设计上一般都具有很大的灵活性和适应性，对用户会带来如下所示的很多好处：

• 更换部分模块可改变刀具品种，适应于新材料或新结构，从而有利于用户改进工艺，提高生产效率及开发新产品。例如，八角刀片铣刀是一种新的刀片类型，而随着毛坯制造水平的不断提高及加工余量的日趋减少，八角刀片铣刀应运而生。刀具厂商可以在模块式铣刀中增加了用于装八角刀片的刀垫，客户也就可以在不需要采购新刀体的情况下使用八角刀片来提高经济效益。 0 U1 N/ r- k5 d) ^8 {: _9 d7 n
• 减少因机床控制系统失误、停电、人为因素或其他原因造成撞刀、闷刀等的经济损失和停工风险。由于在发生这些突发事故后绝大部分可通过更换新的刀座和刀片来快速恢复生产，可以最大限度地降低风险，因此可以成为用户生产系统应急机制的一个组成部分。 " Q1 o' a d! U; e Q
• 减少刀具的储备和修磨，从而改善刀具管理。 ^6 k3 c i& }7 a& e9 _$ ^/ l+ I$ B
• 易于采用可调整结构，可使装配后的刀具精度更高，从而减少刀具的磨损，增加刀具寿命，降低生产成本。 ' X4 J$ G! @ L B0 L; X
• 减少调整和装拆刀具，发展自动换刀技术，从而减少停机时间，减轻工人劳动量。