高性能數(shù)控切削刀具的管理技術(shù)
采用數(shù)控機床進行金屬切削加工,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)手工機床加工零件,單獨工序的加工質(zhì)量多依賴工人的技能,而在數(shù)控加工中,工藝人員不僅需要負責工藝制定,還要進行數(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、多品種混線加工為主,相對于大批量生產(chǎn)的汽車制造行業(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)對數(shù)控生產(chǎn)質(zhì)量的提升具有重要的意義和應用價值。
狹義上的刀具管理技術(shù)只涉及刀具的物流管理。在汽車發(fā)動機等批量化生產(chǎn)中應用的刀具管理技術(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、刀具用量預測等。通過刀具管理技術(shù)的應用,可以把量產(chǎn)中的刀具獨立出來,由專業(yè)化的刀具管理服務團隊進行管理,在生產(chǎn)現(xiàn)場實現(xiàn)刀具配送,降低生產(chǎn)成本。針對航空航天制造業(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。
切削加工是包含機床、刀具、零件、夾具、工藝的多變量復雜時變系統(tǒng),切削參數(shù)對應的切削狀態(tài),以及獲取的加工效果受到切削系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)、眾多參數(shù)的影響,難以建立標準統(tǒng)一的切削工藝系統(tǒng)模型來描述和優(yōu)化工藝參數(shù)。作為刀具的主要提供方,刀具廠商往往采用折衷方案,針對所提供的刀具和被加工對象,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測,多依賴實際加工結(jié)果進行粗略評價。
切削數(shù)據(jù)庫主要是為工藝人員制定具體工藝方案時,提供機床、刀具選擇方案和優(yōu)化可行的加工參數(shù)。由于微細銑削工藝系統(tǒng)涉及到機床、刀具、工件、工裝夾具、潤滑冷卻等加工的各個環(huán)節(jié),同時由于加工過程的動態(tài)時變特性,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)庫難以實用化的主要因素。
針對航空航天制造業(yè)的特殊性,高性能數(shù)控刀具的管理技術(shù)應包含刀具性能評價、刀具現(xiàn)場應用、刀具物流。
刀具性能評價方法
隨著航空結(jié)構(gòu)件復雜程度的不斷提升,涵蓋的難加工特征結(jié)構(gòu)越來越多,以往通過基礎切削試驗來選取的刀具在針對不同結(jié)構(gòu)特征時往往表現(xiàn)出顯著的性能差異。也就是說,同一種刀具在切削加工不同的結(jié)構(gòu)特征時,往往會體現(xiàn)出較大差異的切削性能。
為了合理評價航空鈦合金結(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雜結(jié)構(gòu)件結(jié)構(gòu)特點的基礎上對其切削刀具性能進行評判。
為進行鈦合金銑削刀具的優(yōu)選和切削參數(shù)優(yōu)化,設計了多種結(jié)構(gòu)的鈦合金測試件。圖1是參考機床性能測試S形件設計的一種基準樣件,通過定義統(tǒng)一的切削軌跡,不僅可以對比刀具的切削性能,還能進行機床性能的測試,為切削參數(shù)的個性化評價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價指標,構(gòu)建刀具性能綜合評判模型,通過實際切削試驗,對比評測了WSM35、WSM35S、WSP45和WSP45S 4種PVD氧化鋁涂層的銑刀,根據(jù)加工試驗數(shù)據(jù)的模糊隸屬度評測,切削S形區(qū)域時的性能依次為WSM35S、WSP45、WSP45S、WSM35;而切削反面槽腔時的性能依次為WSM35S、WSM35、WSP45、WSP45S。
采用基準件進行刀具性能評價,多項對比試驗表明,可以為工藝制定提供更合理的切削參數(shù)。
刀具現(xiàn)場應用
刀具現(xiàn)場應用是指從工藝規(guī)劃開始的刀具選型、切削參數(shù)、壽命預測、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)劣對加工質(zhì)量、加工效率和加工成本具有決定性影響,同時也會影響數(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,對刀具材料、刀片槽型以及切削參數(shù)較為敏感,任何錯誤的搭配都會導致刀具磨損加劇或者效率降低。由于刀具選型多依賴于“知識”,瓦爾特最早提供了TEC-CCS刀具管理輔助軟件為用戶提供整體銑刀、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)加工對象選擇合適的刀具,而且需要在工藝編制過程中為刀具配置合理的切削參數(shù)。由于零件在機床上的切削加工是一個多變量復雜時變過程,必須要根據(jù)機床狀態(tài)、零件裝夾方式、加工余量多少對刀具建議的切削參數(shù)進行調(diào)整。
由于鈦合金和高溫合金易于加工硬化,應選用適當?shù)倪M給量和切削深度,以保持切削在硬化層之下進行。在應用陶瓷刀具切削高溫合金中,在車削時切削速度通常需要超過80m/min才能充分利用陶瓷和高溫合金的硬度差進行高效切削;而在銑削中,切削線速度需要超過600m/min才能達到類似的效果;同時由于陶瓷刀具的脆性,應用冷卻液或者微量潤滑時,會因液體在刀具表面微裂紋中的膨脹加劇裂紋擴張速度,加速刀具破損,應盡量采用風冷或者干切削方式。
在實際加工過程中,刀具切削效果的反饋是刀具、切削參數(shù)改進以及刀具成本控制的重要依據(jù)。現(xiàn)有的車間生產(chǎn)管理體系中,對于實際刀具切削壽命、加工過程動態(tài)多為現(xiàn)場操作人員的口頭匯報,如果進行相關(guān)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計又會造成現(xiàn)場管理工作量激增。如何在生產(chǎn)中高效、及時、全面獲取相關(guān)刀具應用效果的數(shù)據(jù),仍有待進一步探討。
根據(jù)國內(nèi)航空航天制造業(yè)對數(shù)控切削零件質(zhì)量問題的調(diào)查,多數(shù)質(zhì)量問題是由于簡單錯誤導致。如數(shù)控機床在加工大型零件的過程中,由于切削液噴注、現(xiàn)場噪聲等因素,操作人員疏忽導致錯誤的刀具調(diào)用、刀具長度錯誤、刀具過度磨損等問題尤為常見。應用技術(shù)手段進行此類防錯處理具有較好的效果,如在車間建立刀具配送系統(tǒng),根據(jù)每臺機床當天任務,提供刀具清單,由專門人員在刀具預調(diào)儀上進行刀具測量確認后,配送至對應機床刀庫,在程序中按照預計的刀具壽命進行換刀提示。
刀具管理系統(tǒng)
高性能切削刀具的主要目標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,由于機床-工件的組合、生產(chǎn)率相對固定,刀具品種和消耗數(shù)量易于統(tǒng)計,適宜于刀具管理。但在航空航天制造業(yè),小批量、多品種的混線生產(chǎn),刀具品種和消耗數(shù)量不易精確統(tǒng)計,對于刀具管理系統(tǒng)的應用具有較大難度。
刀具管理系統(tǒng)不僅要面向制造車間的物流管理、刀具安裝調(diào)整、機床刀具配置等過程進行刀具相關(guān)數(shù)據(jù)管理,同時還要在工藝編制過程中提供刀具幾何數(shù)據(jù)、切削參數(shù),以及在生產(chǎn)計劃編制過程中的機床-工件-夾具-刀具匹配,并能進行效果預測。圖2是TDM刀具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口環(huán)境示意圖。
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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,刀具管理系統(tǒng)應易于和已有的PLM、ERP、CAPP等系統(tǒng)進行高度整合,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)時代下的刀具管理技術(shù)
刀具在實際應用中會產(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、加工過程中的狀態(tài)變化數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)對加工質(zhì)量提高、刀具改進和成本控制等過程的決策具有重要的意義。
刀具在應用中產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)及其存儲、統(tǒng)計和分析,將是刀具管理系統(tǒng)真正能夠在復雜制造環(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
1、刀具基礎數(shù)據(jù)
這部分的數(shù)據(jù)主要由刀具廠商提供,包含刀具、刀柄、配件的幾何信息,以及按照材料分類推薦的基礎切削用量,可由刀具制造商進行更新和維護。
2、刀具物流數(shù)據(jù)
用戶生產(chǎn)過程中刀具采購、庫存、消耗的數(shù)據(jù),由PLM和ERP系統(tǒng)進行管理和維護。
3、刀具切削數(shù)據(jù)
用于向工藝制定和生產(chǎn)計劃等工藝準備環(huán)節(jié)推薦機床-刀具匹配下的切削參數(shù),該類數(shù)據(jù)實際基于刀具制造商提供的基礎切削用量,結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特征,通過加工切削性能評價基準試樣后優(yōu)化的數(shù)據(jù),該類數(shù)據(jù)是一種機床動態(tài)性能約束型數(shù)據(jù),有刀具管理系統(tǒng)進行個性化管理。
4、刀具應用數(shù)據(jù)
主要指刀具在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的各類數(shù)據(jù),目前該類數(shù)據(jù)在生產(chǎn)中不進行記錄和管理。這類數(shù)據(jù)一部分由機床的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)生,如瞬時切削載荷(功率、電流),可由機床CNC系統(tǒng)提供輸出接口,進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計;刀具磨損和切削狀態(tài)評價類的數(shù)據(jù),如刀具磨損和表面質(zhì)量等數(shù)據(jù)可以由操作人員進行記錄統(tǒng)計,或在機床刀庫等處安裝傳感器進行分類統(tǒng)計。刀具應用數(shù)據(jù)會在生產(chǎn)過程中持續(xù)產(chǎn)生,形成大數(shù)據(jù),該類數(shù)據(jù)的處理將是刀具管理技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。
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