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當(dāng)模具制造與工業(yè)4.0相碰撞--刀具牌號(hào)、加工方式和有助提高生產(chǎn)效率的數(shù)字化集成

2021-8-12 來(lái)源：伊斯卡作者：技術(shù)經(jīng)理Andrei Petrilin

如同其它刀具制造商，模具制造對(duì)于伊斯卡而言也是一大重要客戶群。這一工業(yè)分支不僅消耗了越來(lái)越多的刀具，而且不斷提出新的要求，對(duì)推進(jìn)刀具的進(jìn)步產(chǎn)生了重大影響。這些要求對(duì)所有機(jī)加工領(lǐng)域來(lái)說(shuō)都是典型的：客戶總是對(duì)生產(chǎn)率更高、更可靠和更高精度的刀具感興趣。然而，模具制造的特殊性使其較之一般需求更需做出特殊設(shè)計(jì)考量。

加工材料、加工形狀和加工策略是模具制造的三大顯著特征，對(duì)切削刀具需求有重大影響。伊斯卡認(rèn)為，只有基于這些特征的全盤(pán)刀具開(kāi)發(fā)理念，并結(jié)合對(duì)受工業(yè)4.0啟發(fā)的數(shù)字化發(fā)展的集成，才能為模具行業(yè)帶來(lái)成功的解決方案。

挑戰(zhàn)性工件材料

模具行業(yè)的主要零部件材料通常是淬硬鋼。工件硬度是影響刀具牌號(hào)和切削幾何形狀的主要因素。對(duì)模具磨損或損壞的各種修復(fù)方法包括對(duì)損壞表面進(jìn)行焊接、熱噴涂、激光處理等。對(duì)這些表面的進(jìn)一步加工則需要使用切削刀具來(lái)去除既有堅(jiān)硬又有較軟材料層的部分。這種切削條件會(huì)大大縮短刀具的使用壽命，為此需要刀具制造商盡力來(lái)平衡和確保其必要的耐用性。

復(fù)雜的形狀

模具通常都有復(fù)雜的外形。3D輪廓是一個(gè)模具組的典型加工表面，能夠有效加工3D表面是對(duì)切削刀具的一個(gè)首要要求。刀具制造商需要提供加工形狀精度和表面光潔度所需參數(shù)的刀具，并確保在一次操作中完成工件形狀或特定曲面加工所需的相宜刀具壽命水平。

加工

制造模具涉及多種加工工藝：車(chē)削、銑削、鉆孔、鉸孔等，以銑削為首。這些模具行業(yè)的特定屬性是以非旋轉(zhuǎn)零件為主，加工表面形狀復(fù)雜，必須生產(chǎn)加工去除大量材料的型腔，等等，使得銑刀成為這一領(lǐng)域的重頭刀具。

因其需要不斷提高新產(chǎn)品的生產(chǎn)率，模具行業(yè)往往成為先進(jìn)加工方法的首用者：如高速銑削(HSM)和大進(jìn)給銑削(HFM)，并需開(kāi)發(fā)出高效加工策略。

先進(jìn)方法和技術(shù)的采納對(duì)刀具產(chǎn)生了極大的影響，也對(duì)刀具制造商提出了新的要求。多年來(lái)，提出的要求越來(lái)越嚴(yán)苛。如今的模具制造商代表了最嚴(yán)格的刀具消費(fèi)群體之一，并希望刀具制造商對(duì)此產(chǎn)業(yè)趨勢(shì)做出回應(yīng)。

伊斯卡，作為一家領(lǐng)軍的刀具生產(chǎn)商，多年以來(lái)與模具行業(yè)保持成功合作。通過(guò)推出新產(chǎn)品和升級(jí)現(xiàn)有產(chǎn)品，不斷提升其模具制造解決方案，同時(shí)提供復(fù)雜的刀具項(xiàng)目和相關(guān)咨詢。

刀具牌號(hào)

在模具制造中，可轉(zhuǎn)位玉米（也稱為長(zhǎng)刃）銑刀通常用于型腔和寬槽的粗加工。刀具在高負(fù)載條件下作業(yè)時(shí)，可轉(zhuǎn)位刀片的牌號(hào)是提高刀具壽命的關(guān)鍵因素。不久前，伊斯卡推出了IC845，一種硬質(zhì)合金牌號(hào)，其特點(diǎn)是采用新的韌性硬質(zhì)合金基體及SUMO TEC后處理技術(shù)的新型PVD納米涂層。該牌號(hào)是專為在大沖擊載荷下進(jìn)行切削而設(shè)計(jì)的。使用IC845制成的刀片壽命更長(zhǎng)，進(jìn)而也提高了安裝該刀片的玉米銑刀和槽銑刀的性能。

伊斯卡向整體硬質(zhì)合金立銑刀系列增添了IC702硬質(zhì)合金牌號(hào)，旨在高效加工淬硬材料（硬度≤HRC65）。

技術(shù)前沿的仿形銑削

在加工復(fù)雜表面時(shí)，真正的主力軍是夾持圓刀片的銑刀和球頭銑刀。伊斯卡為模具制造商提供以下設(shè)計(jì)的刀具：可轉(zhuǎn)位刀片式銑刀，可換刀頭式立銑刀和整體硬質(zhì)合金立銑刀。根據(jù)工件硬度從低到高分布的差異，刀具的公稱尺寸、精度、裝夾方式（刀桿式或心軸式）和應(yīng)用范圍都有所不同。中小企業(yè)在模具制造業(yè)中占很大比例。對(duì)于這些制造商來(lái)說(shuō)，刀具的通用性（多功能性）是其刀具選擇的一大要素。

伊斯卡新近的LOGIQ系列推出了一款專門(mén)針對(duì)該挑戰(zhàn)性市場(chǎng)的新產(chǎn)品——TOR6MILL系列可轉(zhuǎn)位式銑刀。TOR6MILL銑刀可裝夾四種不同幾何形狀的刀片。通過(guò)在刀體上匹配相對(duì)應(yīng)的刀片可將其轉(zhuǎn)變?yōu)閳A角銑刀、90°主偏角銑刀、45°主偏角銑刀或大進(jìn)給銑刀。該刀具可用于加工3D曲面、方肩、平面、倒角或用于大進(jìn)給粗銑加工。（圖1）

圖1 TOR6MILL銑刀

創(chuàng)新技術(shù)

經(jīng)驗(yàn)證，大進(jìn)給銑削和高速銑削可顯著提高加工效率，同時(shí)能減少手動(dòng)操作，從而大幅縮短生產(chǎn)制造周期。二十世紀(jì)九十年代，模具行業(yè)在很大程度上憑借及時(shí)引入這些高效方法，成功地填補(bǔ)了急劇增加的生產(chǎn)需求。

大進(jìn)給銑削

如今，刀具生產(chǎn)商們基本都能為客戶提供大量的大進(jìn)給（也稱為快速進(jìn)給或FF）銑刀以供做出選擇，而伊斯卡所提供的選擇范圍看上去是最廣泛的。伊斯卡的標(biāo)準(zhǔn)大進(jìn)給銑削系列包括十?dāng)?shù)種不同刀具系列，它們的設(shè)計(jì)理念（可轉(zhuǎn)位式、整體式、可換頭式）、公稱直徑、切削幾何形狀、安裝方法和適用性（面銑、型腔銑、深腔銑）都各不相同。這種多樣化的范圍便于模具制造商能夠根據(jù)自己的需求選擇最佳刀具。

伊斯卡洞察到采用大進(jìn)給銑刀是提高生產(chǎn)率的重要手段，通過(guò)引進(jìn)新產(chǎn)品系列和升級(jí)現(xiàn)有產(chǎn)品系列持續(xù)推動(dòng)大進(jìn)給銑刀的發(fā)展。不出所料，其在最新的LOGIQ刀具系列就推出了先進(jìn)的大進(jìn)給銑刀。

NAN3FEED和MICRO3FEED，是伊斯卡最新推出的兩款可轉(zhuǎn)位大進(jìn)給銑刀，直徑范圍為8-16mm（.315-.625英寸）。盡管一直以來(lái)整體硬質(zhì)合金立銑刀在這一直徑區(qū)域占據(jù)著主導(dǎo)地位，但伊斯卡的專家認(rèn)為，憑借可轉(zhuǎn)位刀片概念在粗銑加工方面的優(yōu)勢(shì)，將使該系列產(chǎn)品成為替換整體硬質(zhì)合金設(shè)計(jì)的高性價(jià)比替代品。

LOGIQ4FEED系列快速進(jìn)給銑刀的特點(diǎn)是“骨型”雙面刀片。這種獨(dú)特的刀片外形提供了四個(gè)切削刃，令人印象深刻的坡走銑加工能力定義了該系列的主要用途：高效粗銑型腔，尤其是深腔。該銑刀適用于加工硬度≤HRC50的工件。（圖2）

圖2 LOGIQ4FEED銑刀

高速銑削

為了擴(kuò)大高速銑削產(chǎn)品的應(yīng)用范圍，伊斯卡開(kāi)發(fā)了直徑為2-20mm（.250-.750英寸）的多齒整體硬質(zhì)合金立銑刀，用于高速精銑加工和半精銑加工。該立銑刀采用超細(xì)晶粒的IC902硬質(zhì)合金牌號(hào)制成，可加工淬硬材料，切削長(zhǎng)徑比高達(dá)6xD。銑刀最高轉(zhuǎn)速可達(dá)20,000轉(zhuǎn)/分鐘。通過(guò)擺線銑技術(shù)和高金屬去除率(MRR)，整體硬質(zhì)合金立銑刀在槽銑和開(kāi)放式型腔銑方面的粗加工能力已獲得了模具制造商的青睞。

變形金剛立銑刀系列

為產(chǎn)品定制模具的需求是導(dǎo)致模具制造經(jīng)常為小批量生產(chǎn)甚至單件生產(chǎn)的主要因素，這也是為何模具企業(yè)多為中小企業(yè)的原因。對(duì)于這些制造商而言，刀具的有效利用和對(duì)庫(kù)存進(jìn)行良好運(yùn)營(yíng)管理是至關(guān)重要的。然而，定制化通常意味著需要專門(mén)的刀具結(jié)構(gòu)才能加工難以觸達(dá)的零件區(qū)域。并非庫(kù)存的所有刀具都能勝任此類加工，而特殊設(shè)計(jì)的定制化刀具也遠(yuǎn)非最佳方案。

采用伊斯卡的變形金剛MULTI-MASTER系列可換頭式組合刀具可以有效克服這些困難。（圖3）

圖3 變形金剛立銑刀

根據(jù)MULTI-MASTER這一概念，刀頭適合安裝在不同的刀體（刀桿）上，刀桿也可以搭載不同的刀頭。針對(duì)不同的加工應(yīng)用，刀頭形狀、切削幾何形狀和尺寸的設(shè)計(jì)因3D曲面銑、方肩銑、槽銑、倒角和孔加工等而有所不同。圓柱直柄和帶錐頸的刀柄有多個(gè)尺寸可適應(yīng)于不同懸伸量的需要；其設(shè)計(jì)可確保直接夾持于刀柄、卡簧或機(jī)床主軸上。

MULTI-MASTER系列擁有豐富多樣的刀頭、刀桿、縮徑桿、延長(zhǎng)桿，可以裝配出超過(guò)40,000種刀具。因?yàn)楦鼡Q磨損的刀頭時(shí)無(wú)需額外的安裝步驟，MULTI-MASTER系列完全滿足 “無(wú)需對(duì)刀”這一重要原則的要求。無(wú)需將刀具從機(jī)床取下即可在機(jī)更換刀頭，這大大縮減了停機(jī)時(shí)間。以上特點(diǎn)使得MULTI-MASTER系列在模具行業(yè)非常受歡迎。

數(shù)字化刀具集成

模具制造的小批量特性及對(duì)加工形狀的高精度要求，使得規(guī)格上的任何偏差都會(huì)成為致命弱點(diǎn)，即使是一個(gè)微小的錯(cuò)誤也會(huì)威脅到整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量。在工業(yè)4.0發(fā)展的推動(dòng)下，現(xiàn)代制造業(yè)的數(shù)字化為模具制造商提供了克服這一障礙的有效工具——加工工藝的計(jì)算機(jī)建模。這確保了生產(chǎn)加工策略的實(shí)施，刀具路徑和切削數(shù)據(jù)優(yōu)化，并防止可能發(fā)生的碰撞。

伊斯卡通過(guò)在其電子樣本（E-CATA）中加入銑刀組件選項(xiàng)，擴(kuò)展了其數(shù)字化領(lǐng)域，其中包含可訪問(wèn)的、精確的數(shù)字化預(yù)加工刀具數(shù)據(jù)。基于ISO 13399標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建的刀具裝配數(shù)字表達(dá)，有助于在軟件系統(tǒng)之間進(jìn)行刀具信息的準(zhǔn)確傳送。將該新功能集成到模具制造商的CAD/CAM系統(tǒng)中，可以防止在車(chē)間加工過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，而規(guī)劃多個(gè)裝配組件的能力為用戶節(jié)省了時(shí)間和成本。伊斯卡計(jì)劃擴(kuò)展其工業(yè)4.0數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，為模具制造商打通連接現(xiàn)代化制造的數(shù)字和虛擬世界。

結(jié)語(yǔ)

我們身邊的很多產(chǎn)品都是用模具制造的，且大家對(duì)這些產(chǎn)品的需求仍在不斷增長(zhǎng)。各工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)模具制造產(chǎn)生了巨大影響，如模具消費(fèi)的主力軍之一汽車(chē)工業(yè)。對(duì)模具的更多要求也就意味著對(duì)加工刀具的要求也將達(dá)到一個(gè)新的水平。伊斯卡認(rèn)為刀具制造商應(yīng)預(yù)見(jiàn)這些需求，并據(jù)此提供必要的解決方案。

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