智能化工廠應無需對刀

■ 伊斯卡

制造業正處于全面數字化的前夕，數字化將以這樣或那樣的方式對制造業全流程形成影響，從產品設計、工藝規劃到加工、裝配等。這些變化背后的驅動力是與第四次工業革命相關的一大波技術突破，被稱為工業4.0。

“無需對刀”的組合式刀具

隨著網絡通信的應用，新的數字技術將物理生產制造系統與虛擬制造和三維建模相結合。盡管目標是大幅度提高產量，但隨著制造系統在智能化程度及決策能力上的顯著提高，其必然演變得更復雜且更昂貴。無論對機床制造商還是夾具制造商或刀具制造商而言，最小化制造系統的停機時間對每一個系統組件的開發來說都是必須的。切削刀具不止用于加工金屬，還能縮短停機時間，這取決于刀具的設計理念。

今天，采用夾持硬質合金刀頭的組合式刀具進行金屬加工已非常普遍。如果說20年前采用可換式刀頭原理設計的刀具系統尚且非常少，那么現在，幾乎每家領先的刀具制造商都能提供這類產品系列。刀具磨制及重新修磨機床的先進性使得整體硬質合金刀具的生產及重新修磨變得更簡單。這進一步促使中小型刀具制造商數量增多，促進重新修磨業務的增長。可以預見，整體硬質合金刀具的設計方式將對可換頭刀具發起重大的挑戰，并快速收復失地。然而，這并未發生，并且事實上情況正相反：來自機床的工程進展和當前的智能制造趨勢為夾持可換刀頭的組合式刀具提供了前景可期的未來。

圖1 變形金剛立銑刀MULTI-MASTER

以刀具制造領域的領軍公司伊斯卡作為案例，伊斯卡推出基于“無需對刀”原則的夾持刀頭的刀具，因替換失效刀頭后無需額外的安裝調試步驟，因而無需將刀具從機床取下即可在機更換刀頭。“無需對刀”源于組合式刀具的以下特點：刀頭與刀體之間為面接觸，確保刀頭的更換具有高重復定位精度；對超出刀體部分的刀頭公差范圍有著嚴苛的規約。“無需對刀”原則成功地應用于伊斯卡變形金剛立銑刀MULTI-MASTER（見圖1）及束魔變色龍鉆SUMOCHAM（見圖2）。在非旋轉產品類別中，伊斯卡新推出的切斷切槽刀MULTI-FGRIP（見圖3）及LOGIQ-5-GRIP系列代表采用不一樣的方式所取得的成果。組合式刀具包含一個刀座、一個可轉位多定位槽刀夾，刀夾夾持可換式刀片。各組件的高精度使得刀夾轉位后無需進行額外的對刀。以上兩種“無需對刀”概念均能大幅度縮減機床停機時間。

除卻縮短停機時間，這些組合式刀具還附加了通用特性。以變形金剛立銑刀MULTI-MASTER為例，刀頭能適配于不同刀體，而刀體能用于裝夾不同的刀頭，因具有上萬種刀具組合而應用寬泛，應用范圍包括方肩銑、面銑、槽銑或復雜曲面銑、加工孔乃至倒角。MULTI-F-GRIP為非旋轉刀具系列，刀座裝夾帶4個定位槽的刀夾，更換帶不同定位槽的刀夾，就能用于夾持TANGGRIP刀片或DO-GRIP刀片。不久以前，通用性被視為可換刀頭組合式刀具的主要優點。然而，隨著近些年機床商的技術進展，特別是基于工業4.0概念的智能制造發展趨勢，組合式刀具的“無需對刀”這一特性被推至趨勢前沿。

先進的修磨使得磨損的硬質合金刀具的幾何形狀能得到高精度的修復。然而，因刀具尺寸的變更，操作者不得不據此對數控程序的初始設置進行適當地修正，以使修磨后的刀具能執行加工。這會導致有效切削時間的減少，降低生產率，進而提高生產成本。與此相反，快換刀頭設計因“無需對刀”，免除了對額外對刀或程序修正的需求，也不需要配置任何額外的安裝單元。這即是當切削刀具擁有“無需對刀”的能力時就能在智能化金屬加工工廠發揮重要作用的原因。從這個視角來看，“無需對刀”的夾持刀頭的組合式刀具，諸如變形金剛立銑刀MULTI-MASTER及束魔變色龍鉆SUMOCHAM，可被看作是為智能化工廠量身打造的。明白了這一能力所帶來的益處，也就能更透徹地理解伊斯卡為什么從20年前開發這兩個系列時就對刀具懸伸公差范圍從設計要求上提出必要的嚴苛要求。

圖2 束魔變色龍鉆SUMOCHAM

圖3 切斷切槽刀MULTI-F-GRIP

多任務機床

采用夾持可換頭組合式刀具還能帶來額外的優點，就是其具有能根據工件的特定要求而自行靈活組裝的能力。多任務機床能在一個工步中實現多樣化的切削加工，這在當今工業領域越來越普遍。這些機床具有驅動刀柄，這樣就能將旋轉刀具與非旋轉刀具組合在一起使用，從而能顯著提高生產率。此外，作為對標準數控車床的補充，機床制造商們提供了豐富多樣的驅動刀柄選項，能將數控車床轉化為多任務機床。典型的驅動刀柄單元的功率特性與典型的小型加工中心的功率特性相近。變形金剛立銑刀MULTI-MASTER系列具有豐富多樣的刀體，伊斯卡還為刀體提供各式接柄、縮徑桿、延長桿，以確保為特定加工提供優選結構的刀具，并能最小化刀具懸伸（見圖4）。這十分有助于減小作用于驅動刀柄單元機構的彎曲載荷，提高刀具的性能及刀具壽命。

圖4 變形金剛立銑刀應用于多任務機床

結語

將工業4.0概念落地到金屬加工業的例證是將“無需對刀”概念整合進去，納入夾持可換刀頭的組合式刀具。這并不只在于節省硬質合金材料，科技的發展帶來的重要能力，就是能最大限度地提高加工產能，降低生產成本。不過，要精準地擁有這樣的能力，需對相關設計參數提出更嚴苛的要求，特別是收緊軸向重復定位公差范圍。