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“智能化”刀具的不二選擇

2022-9-19 來源：伊斯卡作者：技術(shù)經(jīng)理 Andrei Petrilin

前言

數(shù)控技術(shù)(CNC)的發(fā)展距今已有七十年歷史。早在二十世紀(jì)五十年代，制造業(yè)的從業(yè)者們還對(duì)數(shù)控加工抱懷疑態(tài)度。然而時(shí)至今日我們已經(jīng)很難設(shè)想沒有數(shù)控機(jī)床加工的世界將會(huì)怎樣。在金屬切削行業(yè)，數(shù)控機(jī)床作為其中的核心環(huán)節(jié)甚至決定了企業(yè)的生產(chǎn)能力。當(dāng)然，數(shù)控技術(shù)自身也仍在不斷地革新和發(fā)展進(jìn)步。數(shù)控加工的領(lǐng)先優(yōu)勢，離不開其它很多相關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)步，諸如主軸和軸承單元，機(jī)床導(dǎo)軌，高速驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)工程學(xué)，液壓技術(shù)，電機(jī)，機(jī)器人技術(shù)，傳感器等。在市場份額上，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床也已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)機(jī)床設(shè)備。

不僅是現(xiàn)在，未來的幾十年內(nèi)數(shù)控加工技術(shù)依然會(huì)是機(jī)械加工方式的主流。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展目標(biāo)是持續(xù)提高設(shè)備的通用性，生產(chǎn)效率，穩(wěn)定性，可靠性和加工精度。這些指標(biāo)的不斷提高將保證未來愈加嚴(yán)格的加工需求。其中加工中心的快速發(fā)展則是得益于“減材”和“增材”技術(shù)的成熟，即金屬切削技術(shù)和3D打印。同時(shí)，工業(yè)4.0和智能制造的概念也帶給我們一個(gè)全新的視角，去重新審視數(shù)控加工技術(shù)。例如智能制造工廠，可以通過數(shù)字化信息交互，連接現(xiàn)實(shí)中的數(shù)控機(jī)床和虛擬的工件，其虛擬的數(shù)字化信息包含了被加工工件的各項(xiàng)特性并賦值理論參數(shù)。通過計(jì)算機(jī)控制單元的匹配和修正，可以智能化地平衡虛擬現(xiàn)實(shí)的邊界條件并建立加工過程對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

切削刀具的數(shù)字化發(fā)展

相比于數(shù)控機(jī)床，刀具尺寸上更小，重量上更輕，結(jié)構(gòu)上通常也更加簡單，但卻是“機(jī)床-工件”系統(tǒng)中非常重要的環(huán)節(jié)。機(jī)床通過刀具直接作用于工件，將多余材料從工件上切除。基于當(dāng)前的技術(shù)水平，刀具通常被認(rèn)為是工藝系統(tǒng)中最薄弱的一環(huán)卻難有根本性革新，這也是制約工業(yè)能力發(fā)展的主要原因之一。因此，刀具技術(shù)的革新發(fā)展將是提高數(shù)控加工技術(shù)的重要條件。（圖1）

圖1. 復(fù)雜形狀的可轉(zhuǎn)位刀片體現(xiàn)了當(dāng)今的工業(yè)制造水準(zhǔn)

傳統(tǒng)的刀具技術(shù)革新主要涵蓋了刀具幾何結(jié)構(gòu)的更新設(shè)計(jì)，使用更先進(jìn)的刀具材料，采用更合理的加工方式，從而提高刀具壽命，獲得更大的金屬去除率(MRR)，實(shí)現(xiàn)更高的加工精度及提高工藝可靠性。然而，工業(yè)4.0則將重點(diǎn)關(guān)注在刀具的數(shù)字化信息的構(gòu)建上。（圖2）

圖2. 可精密調(diào)節(jié)是現(xiàn)代先進(jìn)刀具的特征之一

即使在工業(yè)4.0的概念提出之前，信息化也一直伴隨著刀具行業(yè)，如樣本數(shù)據(jù)，刀具圖紙及切削參數(shù)推薦表等等。曾經(jīng)的這些紙質(zhì)版信息而今都在逐步向電子化信息轉(zhuǎn)變，使之更加快捷有效的服務(wù)于加工現(xiàn)場。同時(shí)，各類輔助軟件也擴(kuò)展了更多形式的數(shù)據(jù)信息獲取，可以為客戶提供全方位的支持，如選定工況下的刀具選型和壽命預(yù)估。通過伊斯卡NEO-ITA和功率計(jì)算模塊，可以快速計(jì)算刀具的切削力，彎矩載荷，功率消耗，找到更合適的刀具牌號(hào)，優(yōu)化刀具方案，分析競爭對(duì)手的產(chǎn)品及其它有用的功能。客戶可以通過電腦和手機(jī)端非常方便的獲取以上相關(guān)信息和數(shù)據(jù)。得益于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，金屬切削也已進(jìn)入了全新的數(shù)字時(shí)代。

數(shù)字化仿真技術(shù)是生產(chǎn)工藝的有效輔助手段。其功能諸如加工建模，模擬碰撞試驗(yàn)，工藝優(yōu)化及加工策略對(duì)比等不勝枚舉。在未來的智能化工廠中，數(shù)字仿真技術(shù)將是最重要的基礎(chǔ)。屆時(shí)智能化刀具室中的每一把刀具都將匹配特定的數(shù)字化信息。

現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的發(fā)展向刀具行業(yè)提出了新的要求。未來一家刀具供應(yīng)商所提供的產(chǎn)品將不僅僅是產(chǎn)品實(shí)物本身，也將包含相應(yīng)的數(shù)字化信息和可支持的軟件運(yùn)行環(huán)境，用以進(jìn)行數(shù)字化仿真的各種應(yīng)用。這就需要將CAD/CAM模塊中的刀具信息與模擬的加工環(huán)境進(jìn)行無縫連接，并直接通過物聯(lián)網(wǎng)將刀具的數(shù)字化打包信息和模擬環(huán)境進(jìn)行傳輸（loT）和匹配。（圖3）

圖3. 包含二維和三維模型及其可用于傳輸?shù)臄?shù)字化信息的.p21文件，組成了伊斯卡標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字化刀具包

為了幫助切削加工和刀具的數(shù)字化信息在不同計(jì)算機(jī)平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和處理，標(biāo)準(zhǔn)ISO13399作為一種獨(dú)立描述切削加工的計(jì)算機(jī)可識(shí)別信息的方法被確立下來。該標(biāo)準(zhǔn)定義了刀具及其附件的三維模型創(chuàng)建和傳遞的內(nèi)容，用來進(jìn)行數(shù)控編程，仿真加工，分析刀具壽命，計(jì)算功耗和模擬加工過程等。

基于ISO13399標(biāo)準(zhǔn)，伊斯卡可提供的刀具數(shù)字化組合，包含如下內(nèi)容：

- 包含多種搜索功能的電子樣本，不斷更新的促銷信息和相關(guān)數(shù)據(jù)。

- .p21文件（一種STEP標(biāo)準(zhǔn)文件）是一種產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)表示和交換的格式，用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)和集成。

- 基于ISO 10303標(biāo)準(zhǔn)(STEP)的刀具三維模型，可用于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和數(shù)控編程。

- DXF格式的刀具二維文件，可用于計(jì)劃工藝文檔，圖紙?jiān)O(shè)計(jì)，刀具布置和裝配圖。

- 模擬刀具裝配功能模塊，用于車削，銑削和孔加工刀具的在線裝配組合，同時(shí)可以直接生成二維和三維裝配文件。

- NEOITA - 伊斯卡在線專家選刀系統(tǒng)，可根據(jù)特定的應(yīng)用場合推薦最優(yōu)的刀具解決方案。

- “加工功耗”和“牌號(hào)優(yōu)化”等應(yīng)用軟件。

結(jié)語

高速發(fā)展的工業(yè)電子信息化將數(shù)控技術(shù)推上了一個(gè)全新的高度，同時(shí)也給刀具制造商帶來了新的變化和挑戰(zhàn)。特別是如何將刀具和相關(guān)的數(shù)字化信息進(jìn)行有效的結(jié)合，將是擺在我們面前的一個(gè)課題。

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