高性能數(shù)控切削刀具的管理技術

南京航空航天大學機電學院 李 亮 趙 威 王盛璋

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)生產中占據主流。在數(shù)控切削方式的變革中，生產質量管理也發(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，相對于大批量生產的汽車制造行業(yè)，在零件切削加工生產中，由于零件材料的難加工和零件結構的難加工特性，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對數(shù)控生產質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只涉及刀具的物流管理。在汽車發(fā)動機等批量化生產中應用的刀具管理技術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、刀具調整與刀具修磨、CAM接口、刀具用量預測等。通過刀具管理技術的應用，可以把量產中的刀具獨立出來，由專業(yè)化的刀具管理服務團隊進行管理，在生產現(xiàn)場實現(xiàn)刀具配送，降低生產成本。針對航空航天制造業(yè)的特殊生產方式，這種刀具管理技術存在諸多問題。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)，刀具相關的物流管理功能已經具備。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，多依賴實際加工結果進行粗略評價。

切削數(shù)據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

隨著航空結構件復雜程度的不斷提升，涵蓋的難加工特征結構越來越多，以往通過基礎切削試驗來選取的刀具在針對不同結構特征時往往表現(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構特征時，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構件銑削刀具的性能，和尋求適合航空鈦合金結構件的銑削刀具，有必要在了解和熟悉航空鈦合金復雜結構件結構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，設計了多種結構的鈦合金測試件。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。

圖1 銑削刀具基準測試件

如以刀具壽命、金屬切除率作為粗加工評價指標，構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，根據加工試驗數(shù)據的模糊隸屬度評測，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、刀具調整和刀具更換等環(huán)節(jié)。

刀具選型的基本流程是根據被加工零件的結構、材料，通過刀具樣本，獲取相關的刀具、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?，F(xiàn)有的車間生產管理體系中，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，如果進行相關的數(shù)據統(tǒng)計又會造成現(xiàn)場管理工作量激增。如何在生產中高效、及時、全面獲取相關刀具應用效果的數(shù)據，仍有待進一步探討。

根據國內航空航天制造業(yè)對數(shù)控切削零件質量問題的調查，多數(shù)質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用、刀具長度錯誤、刀具過度磨損等問題尤為常見。應用技術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)，根據每臺機床當天任務，提供刀具清單，由專門人員在刀具預調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量。在批量生產中，由于機床-工件的組合、生產率相對固定，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，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、刀具安裝調整、機床刀具配置等過程進行刀具相關數(shù)據管理，同時還要在工藝編制過程中提供刀具幾何數(shù)據、切削參數(shù)，以及在生產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)據接口環(huán)境示意圖。

圖2 典型刀具管理系統(tǒng)數(shù)據接口

隨著制造系統(tǒng)信息化技術在航空航天企業(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)間的關聯(lián)。

大數(shù)據時代下的刀具管理技術

刀具在實際應用中會產生大量的數(shù)據，如每把刀的切削數(shù)據和加工效果統(tǒng)計、加工過程中的狀態(tài)變化數(shù)據，這些數(shù)據對加工質量提高、刀具改進和成本控制等過程的決策具有重要的意義。

刀具在應用中產生的大數(shù)據及其存儲、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)揮作用的關鍵。

刀具管理系統(tǒng)中的數(shù)據集可以分為4類。

圖3 刀具管理系統(tǒng)與制造信息管理中的關聯(lián)

（1）刀具基礎數(shù)據。這部分的數(shù)據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。用戶生產過程中刀具采購、庫存、消耗的數(shù)據，由PLM和ERP系統(tǒng)進行管理和維護。

（3）刀具切削數(shù)據。用于向工藝制定和生產計劃等工藝準備環(huán)節(jié)推薦機床-刀具匹配下的切削參數(shù)，該類數(shù)據實際基于刀具制造商提供的基礎切削用量，結合零件的結構特征，通過加工切削性能評價基準試樣后優(yōu)化的數(shù)據，該類數(shù)據是一種機床動態(tài)性能約束型數(shù)據，有刀具管理系統(tǒng)進行個性化管理。

（4）刀具應用數(shù)據。主要指刀具在生產過程中產生的各類數(shù)據，目前該類數(shù)據在生產中不進行記錄和管理。這類數(shù)據一部分由機床的數(shù)控系統(tǒng)產生，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)據統(tǒng)計；刀具磨損和切削狀態(tài)評價類的數(shù)據，如刀具磨損和表面質量等數(shù)據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)據會在生產過程中持續(xù)產生，形成大數(shù)據，該類數(shù)據的處理將是刀具管理技術未來的發(fā)展趨勢。