【編者按】切削加工是包含機床安揣、刀具愉适、零件口迟、夾具、工藝的多變量復雜時變系統(tǒng)崎亚，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)啥榜、眾多參數(shù)的影響涉炒，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掏博，刀具廠商往往采用折衷方案殃玻，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)或近似加工案例伊肿，不提供刀具壽命和加工效果預測肆鸿，多依賴實際加工結(jié)果進行粗略評價。

采用數(shù)控機床進行金屬切削加工炒耀，不僅是航空航天制造業(yè)的主要金屬切削方式瞳聊，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名密，生產(chǎn)質(zhì)量管理也發(fā)生了很大的變革藏估。傳統(tǒng)手工機床加工零件拍埠，單獨工序的加工質(zhì)量多依賴工人的技能，而在數(shù)控加工中土居，工藝人員不僅需要負責工藝制定枣购，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)制定擦耀。因此數(shù)控加工效率與加工質(zhì)量受到數(shù)控刀具的影響顯著棉圈。

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眷蜓，相對于大批量生產(chǎn)的汽車制造行業(yè)迄损，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)的難加工特性账磺，不僅對高性能數(shù)控刀具有迫切的需求芹敌，而且合適的刀具管理技術對數(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只涉及刀具的物流管理垮抗。在汽車發(fā)動機等批量化生產(chǎn)中應用的刀具管理技術不僅包含刀具的物流管理氏捞，還包含刀具定義、切削參數(shù)冒版、切削數(shù)據(jù)翅剔、刀具調(diào)整與刀具修磨、CAM接口侈敏、刀具用量預測等迟凫。通過刀具管理技術的應用，可以把量產(chǎn)中的刀具獨立出來嫩视，由專業(yè)化的刀具管理服務團隊進行管理夏岩，在生產(chǎn)現(xiàn)場實現(xiàn)刀具配送，降低生產(chǎn)成本豪荧。針對航空航天制造業(yè)的特殊生產(chǎn)方式矩粒，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筑陡、ERP和PDM等信息管理系統(tǒng)歧蛾，刀具相關的物流管理功能已經(jīng)具備。但是刀具具有其特殊性辱矮，在工藝制定實施中喝爽，不僅需要知道刀具的形狀、尺寸愿瘫，還要知道刀具適合加工的材料和切削參數(shù)的選擇年堆。

切削加工是包含機床、刀具罢屈、零件嘀韧、夾具篇亭、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)锄贷，以及獲取的加工效果受到切削系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)译蒂、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)谊却。作為刀具的主要提供方柔昼，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炎辨，為工藝人員推薦可用的切削參數(shù)或近似加工案例捕透，不提供刀具壽命和加工效果預測，多依賴實際加工結(jié)果進行粗略評價碴萧。

切削數(shù)據(jù)庫主要是為工藝人員制定具體工藝方案時乙嘀，提供機床、刀具選擇方案和優(yōu)化可行的加工參數(shù)勤消。由于微細銑削工藝系統(tǒng)涉及到機床美丝、刀具、工件源糖、工裝夾具替塑、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)時變特性师晨，最優(yōu)工藝參數(shù)往往不易確定看卦。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)的特殊性研神，高性能數(shù)控刀具的管理技術應包含刀具性能評價惩凉、刀具現(xiàn)場應用、刀具物流囊像。

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楔侣，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)出顯著的性能差異禾门。也就是說，同一種刀具在切削加工不同的結(jié)構(gòu)特征時蝴韭，往往會體現(xiàn)出較大差異的切削性能够颠。

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)件的銑削刀具榄鉴，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履磨。

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)的鈦合金測試件庆尘。圖1是參考機床性能測試S形件設計的一種基準樣件剃诅，通過定義統(tǒng)一的切削軌跡巷送，不僅可以對比刀具的切削性能，還能進行機床性能的測試矛辕，為切削參數(shù)的個性化評價提供了一種參考方法笑跛。

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聊品，構(gòu)建刀具性能綜合評判模型飞蹂，通過實際切削試驗，對比評測了WSM35翻屈、WSM35S陈哑、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)的模糊隸屬度評測奋肄，切削S形區(qū)域時的性能依次為WSM35S轿南、WSP45、WSP45S逃口、WSM35耀即；而切削反面槽腔時的性能依次為WSM35S、WSM35畴贵、WSP45厦冤、WSP45S。

采用基準件進行刀具性能評價幅秉，多項對比試驗表明奔豫，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)劃開始的刀具選型渠跷、切削參數(shù)袄洁、壽命預測、磨損管理收罢、刀具調(diào)整和刀具更換等環(huán)節(jié)晤泌。

刀具選型的基本流程是根據(jù)被加工零件的結(jié)構(gòu)、材料耕姊，通過刀具樣本桶唐，獲取相關的刀具、刀柄茉兰、以及推薦切削參數(shù)尤泽。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规脸，同時也會影響數(shù)控加工程序的編制坯约。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，對刀具材料闹丐、刀片槽型以及切削參數(shù)較為敏感横殴，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”卿拴，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衫仑、孔加工的刀具建議；肯納金屬也推出了NOVOTM刀具管理軟件巍棱，利用多種參數(shù)約束的方式為用戶提供刀具建議信撞。上述軟件還能提供切削力和切削扭矩、功率的計算功能穴你。

充分發(fā)揮高性能切削刀具的性能癣垛，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)乓收。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瞻坊，必須要根據(jù)機床狀態(tài)、零件裝夾方式愧棋、加工余量多少對刀具建議的切削參數(shù)進行調(diào)整兼峻。

由于鈦合金和高溫合金易于加工硬化，應選用適當?shù)倪M給量和切削深度罗和，以保持切削在硬化層之下進行神深。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功哮；而在銑削中仅谍，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援奢，應用冷卻液或者微量潤滑時兼犯，會因液體在刀具表面微裂紋中的膨脹加劇裂紋擴張速度，加速刀具破損集漾，應盡量采用風冷或者干切削方式切黔。

在實際加工過程中，刀具切削效果的反饋是刀具具篇、切削參數(shù)改進以及刀具成本控制的重要依據(jù)∥诚迹現(xiàn)有的車間生產(chǎn)管理體系中，對于實際刀具切削壽命驱显、加工過程動態(tài)多為現(xiàn)場操作人員的口頭匯報险领，如果進行相關的數(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)中高效秒紧、及時、全面獲取相關刀具應用效果的數(shù)據(jù)挨下，仍有待進一步探討熔恢。

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)查脐湾，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叙淌，由于切削液噴注隶秒、現(xiàn)場噪聲等因素，操作人員疏忽導致錯誤的刀具調(diào)用摆咽、刀具長度錯誤媒敲、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种功，如在車間建立刀具配送系統(tǒng)透鹊，根據(jù)每臺機床當天任務，提供刀具清單共吞，由專門人員在刀具預調(diào)儀上進行刀具測量確認后召期，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铡急。

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编漆，在精加工階段提高表面質(zhì)量。在批量生產(chǎn)中径露，由于機床-工件的組合跌蛔、生產(chǎn)率相對固定，刀具品種和消耗數(shù)量易于統(tǒng)計摹菠，適宜于刀具管理盒卸。但在航空航天制造業(yè)，小批量辨嗽、多品種的混線生產(chǎn)世落，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糟需。

刀具管理系統(tǒng)不僅要面向制造車間的物流管理屉佳、刀具安裝調(diào)整、機床刀具配置等過程進行刀具相關數(shù)據(jù)管理洲押，同時還要在工藝編制過程中提供刀具幾何數(shù)據(jù)武花、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-刀具匹配杈帐，并能進行效果預測体箕。圖2是TDM刀具管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接口環(huán)境示意圖。

圖2 典型刀具管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口

隨著制造系統(tǒng)信息化技術在航空航天企業(yè)的逐步推進挑童，刀具管理系統(tǒng)應易于和已有的PLM累铅、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)禽岭。

圖3 刀具管理系統(tǒng)與制造信息管理中的關聯(lián)

大數(shù)據(jù)時代下的刀具管理技術

刀具在實際應用中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)诉抱，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)艘励，這些數(shù)據(jù)對加工質(zhì)量提高聂闺、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)及其存儲唆痪、統(tǒng)計和分析咨捕，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(jù)集可以分為4類境株。

（1）刀具基礎數(shù)據(jù)础川。這部分的數(shù)據(jù)主要由刀具廠商提供，包含刀具区孩、刀柄肖婴、配件的幾何信息，以及按照材料分類推薦的基礎切削用量刑嚷，可由刀具制造商進行更新和維護略裹。

（2）刀具物流數(shù)據(jù)。用戶生產(chǎn)過程中刀具采購闽巩、庫存钧舌、消耗的數(shù)據(jù)，由PLM和ERP系統(tǒng)進行管理和維護涎跨。

（3）刀具切削數(shù)據(jù)洼冻。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隅很，結(jié)合零件的結(jié)構(gòu)特征撞牢，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)叔营，有刀具管理系統(tǒng)進行個性化管理屋彪。

（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)绒尊，目前該類數(shù)據(jù)在生產(chǎn)中不進行記錄和管理畜挥。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（功率婴谱、電流）蟹但，可由機床CNC系統(tǒng)提供輸出接口，進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計决太；刀具磨損和切削狀態(tài)評價類的數(shù)據(jù)蓉厕，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)計勾疏，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)生犬洽，形成大數(shù)據(jù)凳福，該類數(shù)據(jù)的處理將是刀具管理技術未來的發(fā)展趨勢。

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