單從加工角度來(lái)看,制造業(yè)堅(jiān)持追求在一定時(shí)間內(nèi)以一定的成本生產(chǎn)出正確精加工的工件,這種做法卻已經(jīng)難以為繼力崇。除非出現(xiàn)突破性的刀具解決方案,否則只注重提高金屬切除率的傳統(tǒng)方法最多只能將產(chǎn)量增加幾個(gè)百分點(diǎn)而已。要想在將來(lái)顯著提高金屬切削的生產(chǎn)率赢织、質(zhì)量和可靠性,需要依靠由數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的第四次制造技術(shù)革命亮靴。制造業(yè)的第一次革命使得以家庭為基礎(chǔ)的手工制作轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蚶眉?a target="_blank" class="mmstipa1" >能源為制造機(jī)械提供動(dòng)力的工廠生產(chǎn)。機(jī)械軸和皮帶將水車或蒸汽產(chǎn)生的動(dòng)力分配給工廠的機(jī)械,接著人們又使用了更加便捷于置、高效的電能茧吊。最初的工廠逐件生產(chǎn)產(chǎn)品,在制造業(yè)的第二次革命中,單件產(chǎn)品生產(chǎn)演變?yōu)榕可a(chǎn),產(chǎn)量隨之?dāng)U大。裝配線和連續(xù)生產(chǎn)線等集成系統(tǒng)的發(fā)展以及自動(dòng)化加速了同種零件的大批量生產(chǎn)八毯。隨著數(shù)字化機(jī)床控制以及后來(lái)的計(jì)算機(jī)化控制和自動(dòng)化的涌現(xiàn),制造業(yè)的第三次革命隨之到來(lái)搓侄。它不但實(shí)現(xiàn)了更高的精度和靈活性,還有利于開展小批量且種類繁雜的零件制造業(yè)務(wù)

現(xiàn)在,制造業(yè)正在經(jīng)歷第四次革命(在歐洲被稱為“工業(yè)4.0”),這次革命將當(dāng)今的數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和共享技術(shù)整合到制造工藝中予乏。聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)會(huì)分析正在進(jìn)行的操作,收集和比較數(shù)據(jù)并將信息發(fā)送給中央服務(wù)器或云服務(wù),以便將其與現(xiàn)有的加工模型進(jìn)行比較偿寥。然后,這些系統(tǒng)利用所得結(jié)果來(lái)指導(dǎo)如何調(diào)整參數(shù)以優(yōu)化加工工藝。

早期監(jiān)控系統(tǒng)

數(shù)據(jù)導(dǎo)向型制造這一概念已經(jīng)誕生了很長(zhǎng)一段時(shí)間蟹游。在20世紀(jì)80年代,金屬加工領(lǐng)域的研究人員就曾設(shè)法制造自適應(yīng)性的刀具監(jiān)控系統(tǒng),以測(cè)量切削條件逐程、將數(shù)據(jù)與設(shè)定的工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較并隨后調(diào)整加工參數(shù),從而實(shí)現(xiàn)工藝的穩(wěn)定性并最大限度減少加工事故的發(fā)生。這些系統(tǒng)采用傳感器和探針來(lái)測(cè)量切削力赞拼、功率飒自、扭矩、溫度璃锻、表面粗糙度及聲發(fā)射等工藝因素秘驻。不幸的是,當(dāng)時(shí)的傳感器技術(shù)非常落后,無(wú)法提供必要的速度和精度以確保測(cè)量結(jié)果完全有效。計(jì)算機(jī)的處理速度慢,需要更大的存儲(chǔ)器來(lái)實(shí)時(shí)處理大量的數(shù)據(jù)玫葡。此外,先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和管理技術(shù)在當(dāng)時(shí)也極其昂貴戳明。這些缺陷導(dǎo)致用戶幾乎不可能在加工期間調(diào)整參數(shù)。這樣就造成了一種魚和熊掌不可兼得或顧此失彼的情況碴穴。如果收集的數(shù)據(jù)超過所設(shè)定的最大限值,加工工藝會(huì)直接停止赋焕。

圖1

圖2

最大限值是在并未充分了解和洞察切削工藝的情況下設(shè)定的参歹。除了缺少足夠先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)外,還未掌握一個(gè)關(guān)鍵的概念:那就是在加工工藝的眾多物理現(xiàn)象中,大多數(shù)現(xiàn)象如溫度、力隆判、負(fù)載等)都并非靜態(tài)參數(shù),而是不斷變化的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)犬庇。例如,某種加工中切削力的平均值可能達(dá)到1000Nm,但在大約一半的時(shí)間內(nèi)這些力要高于1000Nm,并在其余的時(shí)間內(nèi)低于這一水平。如果將系統(tǒng)的停機(jī)閾值設(shè)置為1000Nm,當(dāng)力看起來(lái)過高時(shí),系統(tǒng)將停止加工(見圖1侨嘀、圖2)臭挽。(請(qǐng)注意,這些圖形顯示的是在8μm內(nèi)執(zhí)行的測(cè)量,以展示力的變化速度有多快。)在20世紀(jì)80年代是不可能進(jìn)行如此快速的數(shù)據(jù)處理的咬腕。如今,在將近40年之后,傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)在精度欢峰、速度和價(jià)格方面都有了很大的改觀。制造工藝研發(fā)本身已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)并能夠非常深入地了解關(guān)鍵的加工要素涨共。

收集和關(guān)聯(lián)加工要素

了解各種工藝要素的作用非常重要纽帖。事實(shí)上,有80多種可測(cè)量的要素會(huì)影響到加工操作。實(shí)現(xiàn)所有這些要素的收集举反、關(guān)聯(lián)和互動(dòng)至關(guān)重要抛计。如果忽略了某個(gè)要素,可能會(huì)造成意外且不可控制的影響。在收集和分析之后,還必須根據(jù)每種要素對(duì)加工的影響來(lái)確定數(shù)據(jù)的優(yōu)先順序照筑。很明顯,刀具會(huì)產(chǎn)生非常重要的影響嫡澄。在金屬切削中,會(huì)搭配使用一組生產(chǎn)工具:機(jī)床、CAM系統(tǒng)诽矩、切削刀具改擂、固定和夾緊裝置以及冷卻液,而在工業(yè)4.0中,還包括傳感器、數(shù)據(jù)檢索和傳輸系統(tǒng)(見圖3)租触。

圖3

金屬切削的核心是切削刀具與工件之間的互動(dòng)胶棕。不過,在傳統(tǒng)的加工工藝開發(fā)方法中,通常將切削刀具放在最后考慮。當(dāng)制定工件生產(chǎn)計(jì)劃時(shí),用戶通常首先選擇機(jī)床,然后是夾具蔽宜、冷卻系統(tǒng)和其他設(shè)備,最后才是切削刀具水亮。這就造成了這樣一種情況:切削刀具必須彌補(bǔ)其他并非最佳工藝要素選擇的不足。例如,如果選擇了不太穩(wěn)定的機(jī)床,則需要使用切削力較小的切削刀具來(lái)補(bǔ)償穩(wěn)定性的不足苫颤。不過,這種刀具在加工特定的工件材料時(shí)可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)最高的生產(chǎn)率枢菇。這樣,在最后選擇切削刀具會(huì)導(dǎo)致制造系統(tǒng)低于正常水平,雖然能夠運(yùn)行得良好,但無(wú)法發(fā)揮最大潛力。幸運(yùn)的是,現(xiàn)在制造業(yè)中的很多人意識(shí)到按相反的順序進(jìn)行選擇更為合適俯坐。在考慮成品的形狀噩拼、特性、工件材料和所需的質(zhì)量水平之后,車間應(yīng)當(dāng)首先選擇切削刀具寺晌。切削刀具即是具體的材料和形狀,應(yīng)當(dāng)能夠?qū)崿F(xiàn)最高的生產(chǎn)率并滿足具體的加工要求世吨。接下來(lái),在選擇其他工藝要素時(shí),可側(cè)重于創(chuàng)造一種環(huán)境,讓切削刀具充分發(fā)揮性能。

平衡的加工

車間選擇了加工工藝要素之后,必須平衡這些要素之間的互動(dòng),以實(shí)現(xiàn)最高的生產(chǎn)率和最低的成本。此外,在加工產(chǎn)量和成本方面,制造業(yè)還面臨一些始終沒有解決的問題耘婚。顯而易見的工藝因素包括刀具性能以及刀具成本和加工成本,隱性成本包括由于不可靠的加工工藝生產(chǎn)出質(zhì)量欠佳或不合格的零件而產(chǎn)生的成本,還包括導(dǎo)致意外停機(jī)的時(shí)間成本罢浇。

盡管編程和維護(hù)等計(jì)劃活動(dòng)都發(fā)生在加工時(shí)間以外,但其他因素,例如操作員犯錯(cuò)、刀具破損沐祷、工件損壞以及系統(tǒng)問題,都會(huì)無(wú)謂地導(dǎo)致加工時(shí)間變長(zhǎng)嚷闭、成本增加。在損失的時(shí)間中,切削刀具戈轿、工件材料和工藝異常情況只占很小的比例,工作人員和系統(tǒng)耗費(fèi)的時(shí)間所占據(jù)的比例要高出許多凌受。

工業(yè)4.0非常重視數(shù)字化數(shù)據(jù)采集阵子、互聯(lián)網(wǎng)和云存儲(chǔ),但這些元素只是解決方案的一部分思杯。最后,必須分析所收集的數(shù)據(jù)并制作物理模型或示意圖,以說明存在問題的工藝。在網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)中,會(huì)將所收集的數(shù)據(jù)與示意圖進(jìn)行比較,系統(tǒng)會(huì)生成反饋以執(zhí)行工藝修改,從而產(chǎn)生所需的結(jié)果挠进。工藝由工作人員控制以及能夠在很短時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)并將其與模型進(jìn)行比較的計(jì)算機(jī)共同完成色乾。因此,采用云存儲(chǔ)技術(shù)的模型必須準(zhǔn)確說明加工要素。要制作這樣一個(gè)模型,需要充分了解加工皇驼。但是,加工代表著一種很難準(zhǔn)確描述的現(xiàn)實(shí)情況圾框。例如,因?yàn)楣ぜ捕鹊淖兓瘯?huì)產(chǎn)生不同的切削力,所以模型必須能夠識(shí)別工件材料的動(dòng)態(tài)屬性。不過,要測(cè)量每個(gè)工件的硬度是不可能的畦怒。在某些情況下,工件的硬度可能比材料的標(biāo)稱硬度高10%,導(dǎo)致切削力也要高10%残团。

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