智能化工廠應(yīng)無需對(duì)刀，設(shè)備無停機(jī)時(shí)間
2020-2-13 來源：伊斯卡技術(shù)經(jīng)理 作者：Andrei Petrilin
前言
制造業(yè)正處于全面數(shù)字化的前夕，數(shù)字化將以這樣或那樣的方式對(duì)制造業(yè)全流程形成影響，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)，工藝規(guī)劃，到加工，裝配等等。這些變化背后的驅(qū)動(dòng)力是與第四次工業(yè)革命相關(guān)的一大波技術(shù)突破，被稱之為工業(yè)4.0。
“無需對(duì)刀”的組合式刀具
隨著網(wǎng)絡(luò)通信的應(yīng)用，新的數(shù)字技術(shù)將物理生產(chǎn)制造系統(tǒng)與虛擬制造和三維建模相結(jié)合。盡管目標(biāo)是大幅提高產(chǎn)量，但隨著制造系統(tǒng)在智能化程度及決策能力的顯著提高，它們必然演變得更復(fù)雜且更昂貴。無論對(duì)機(jī)床制造商，還是夾具制造商抑或刀具制造商而言，最小化制造系統(tǒng)的停機(jī)時(shí)間對(duì)每一個(gè)系統(tǒng)組件的開發(fā)都是“必須”的。切削刀具不止用于加工金屬，還能縮短停機(jī)時(shí)間，這取決于刀具的設(shè)計(jì)理念。
今天，采用夾持硬質(zhì)合金刀頭的組合式刀具進(jìn)行金屬加工已非常普遍。如果說二十年前采用可換式刀頭原理設(shè)計(jì)的刀具系統(tǒng)尚且非常少，那么現(xiàn)在，幾乎每家領(lǐng)先的刀具制造商都能提供這類產(chǎn)品系列。刀具磨制及重新修磨機(jī)床的先進(jìn)性使得整體硬質(zhì)合金刀具的生產(chǎn)及重新修磨變得更簡(jiǎn)單。這進(jìn)一步促使中小型刀具制造商數(shù)量增多，促進(jìn)重新修磨業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)。可以預(yù)見，整體硬質(zhì)合金刀具的設(shè)計(jì)方式將對(duì)可換頭刀具發(fā)起重大的挑戰(zhàn)，并快速收復(fù)失地。然而，這并未發(fā)生，并且事實(shí)上情況正相反：來自機(jī)床的工程進(jìn)展和當(dāng)前的智能制造趨勢(shì)為夾持可換刀頭的組合式刀具提供了前景可期的未來。
以刀具制造領(lǐng)域的領(lǐng)軍公司伊斯卡作為明顯對(duì)照案例。伊斯卡推出基于“無需對(duì)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(diào)試步驟，故而無需將刀具從機(jī)床取下即可在機(jī)更換刀頭。“無需對(duì)刀”源于組合式刀具的以下特點(diǎn)：刀頭與刀體之間為面接觸，確保刀頭的更換具有高重復(fù)定位精度；對(duì)超出刀體部分的刀頭公差范圍有著嚴(yán)苛的規(guī)約。“無需對(duì)刀”原則成功地應(yīng)用于伊斯卡變形金剛立銑刀MULTI-MASTER（圖1）及束魔變色龍鉆SUMOCHAM（圖2）。在非旋轉(zhuǎn)產(chǎn)品類中，伊斯卡新推出的切斷切槽刀MULTI-F-GRIP （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(gè)刀座，一個(gè)可轉(zhuǎn)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(zhuǎn)位后無需進(jìn)行額外的對(duì)刀。以上兩種“無需對(duì)刀”概念均能大幅縮減機(jī)床停機(jī)時(shí)間。
圖1. 變形金剛刀頭MULTI-MASTER
圖2 束魔變色龍鉆SUMOCHAM
圖3. MULTI F GRIP _切斷切槽刀
除卻縮短停機(jī)時(shí)間，這些組合式刀具還附屬了通用特性。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(yīng)用寬泛，應(yīng)用范圍包括方肩銑、面銑、槽銑或復(fù)雜曲面銑，以及加工孔乃至倒角。MULTI-F-GRIP，非旋轉(zhuǎn)刀具系列，刀座裝夾帶4個(gè)定位槽的刀夾，更換帶不同定位槽的刀夾，就能用于夾持TANG-GRIP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(yōu)點(diǎn)；然而，隨著近些年機(jī)床商的技術(shù)進(jìn)展，特別是基于工業(yè)4.0概念的智能制造發(fā)展趨勢(shì)，將組合式刀具的“無需對(duì)刀”這一特性推至趨勢(shì)前沿。
先進(jìn)的修磨使得磨損的硬質(zhì)合金刀具幾何形狀能得到高精度的修復(fù)。然而，因刀具尺寸的變更，操作者不得不據(jù)此對(duì)數(shù)控程序的初始設(shè)置進(jìn)行恰合的修正以使得修磨后的刀具能執(zhí)行加工。這會(huì)導(dǎo)致有效切削時(shí)間的減少，降低生產(chǎn)率，進(jìn)而提高生產(chǎn)成本。與此相反，快換刀頭設(shè)計(jì)因“無需對(duì)刀”，免除了對(duì)額外的對(duì)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(dāng)切削刀具擁有“無需對(duì)刀”的能力時(shí)就能在智能化金屬加工工廠發(fā)揮重要作用的原因。從這個(gè)視角來看，“無需對(duì)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二十年前開發(fā)這兩個(gè)系列時(shí)就對(duì)刀具懸伸公差范圍從設(shè)計(jì)要求上提出必要的嚴(yán)苛的要求。
多任務(wù)機(jī)床
采用夾持可換頭組合式刀具還能帶來額外的優(yōu)點(diǎn)，就是其具有能根據(jù)工件的特定要求而自行靈活組裝的能力。多任務(wù)機(jī)床使得能在一個(gè)工步中實(shí)現(xiàn)多樣化的切削加工，而這在當(dāng)今工業(yè)領(lǐng)域越來越普遍。這些機(jī)床具有驅(qū)動(dòng)刀柄，這樣就能將旋轉(zhuǎn)刀具與非旋轉(zhuǎn)刀具組合在一起使用，從而能顯著提高生產(chǎn)率。此外，作為對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控車床的補(bǔ)充，機(jī)床制造商們提供豐富多樣的驅(qū)動(dòng)刀柄選項(xiàng)，這能將數(shù)控車床轉(zhuǎn)化為多任務(wù)機(jī)床。典型的驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)桿，以確保為特定加工提供優(yōu)選結(jié)構(gòu)的刀具，并能最小化刀具懸伸（圖4）。這大大有助于減小作用于驅(qū)動(dòng)刀柄單元機(jī)構(gòu)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(yīng)用于多任務(wù)機(jī)床
結(jié)語
將工業(yè)4.0概念落地到金屬加工業(yè)的例證是將“無需對(duì)刀”概念整合進(jìn)去，納入夾持可換刀頭的組合式刀具。這并不只關(guān)乎于節(jié)省硬質(zhì)合金材料；科技的發(fā)展帶來重要的能力，那就是能最大限度地提高加工產(chǎn)能，降低生產(chǎn)成本。不過，要精準(zhǔn)地實(shí)現(xiàn)這樣的能力，需對(duì)相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)提出更嚴(yán)苛的要求，特別是收緊軸向重復(fù)定位公差范圍。
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