MES行業(yè)知識--刀具管理知識及解決方案

1、刀具管理當(dāng)前存在的三大問題刀具補償量如何傳入？刀具參數(shù)如何傳入？刀具壽命如何跟蹤？對刀儀CAM參數(shù)數(shù)控機床刀架1刀具管理知識及方案黃志斌 2017年9月金屬表面加工方法外圓車刀內(nèi)孔車刀螺紋車刀常用車刀面銑刀方肩銑刀仿形銑刀三面刃和螺紋銑刀整體硬質(zhì)合金銑刀常用銑刀鉸刀鉆頭絲錐鉆削刀具刀具組成刀具切削原理刀具管理的價值n 特點是數(shù)量大、品種繁雜、規(guī)格多、精度高，并應(yīng)用了大量的高新技術(shù)。n 工件的尺寸、形狀、位置精度、表面形貌都與刀具有關(guān)，刀具的性能與質(zhì)量直接影響到能否順利加工出所要求的合格產(chǎn)品，影響到加工節(jié)拍和生產(chǎn)效率。n 能否按時和保證質(zhì)量地將修磨好的刀具提供給生產(chǎn)線又將直接關(guān)系到生產(chǎn)能否正常持

2、續(xù)地進行下去。特別是在實施精益生產(chǎn)的生產(chǎn)線上，中間在制品及緩沖區(qū)很少，因而一把關(guān)鍵的刀具不能按時供應(yīng)，會造成整條機加工生產(chǎn)線停產(chǎn)，而沒有應(yīng)急措施或不能快速反應(yīng)，還有可能造成總成裝配線停產(chǎn)。n 刀具及其管理費用是機械加工制造費用中相當(dāng)重要的一部分，一般來說,一個年產(chǎn)幾十萬臺發(fā)動機的工廠，每年刀具費用可能達到幾千萬至上億元人民幣，同時刀具和刀輔具庫存還要占用大量流動資金。刀具的全生命周期投入期-使用期 -報廢期刀具管理的相關(guān)方n 計劃：工藝/設(shè)備/生成提交采購申請n 采購：采購部門負責(zé)對工裝、工具的采購工作；n 存儲：倉庫部門負責(zé)對進行標(biāo)識、儲存、出入庫、建賬；n 工藝：工藝設(shè)計部門負責(zé)制定刀具使

3、用標(biāo)準(zhǔn)、刀具優(yōu)化、改進n 車間：領(lǐng)用刀具，組合、安裝、初步使用狀態(tài)判定n 維保：使用狀態(tài)判定、修磨、修理、報廢n 記賬：資產(chǎn)狀態(tài)和使用耗費（庫存、使用、遺失、報廢、維修）刀具管理的模式模式說明傳統(tǒng)模式與刀具有關(guān)的采購、庫存、調(diào)整、刃磨、修理、加工問題解決、刀具優(yōu)化、成本控制等業(yè)務(wù)由企業(yè)內(nèi)不同的部門分別管理。機械加工廠往往設(shè)有工具科或工具車間，職能主要是刀具刃磨或刀輔具修理以及刀具庫或工具庫管理；車間設(shè)有刀具工程師、技術(shù)員，任務(wù)主要是解決生產(chǎn)現(xiàn)場所遇到與刀具有關(guān)的各類加工問題，同時負責(zé)設(shè)置刀具的最低庫存，提出刀具采購申請；經(jīng)過一系列審批手續(xù)和采購流程，由采購部門進行采購；刀具的領(lǐng)用、調(diào)整由生產(chǎn)車

4、間負責(zé)，刀具優(yōu)化、改進等技術(shù)工作則由工藝等技術(shù)部門負責(zé)。外包管理有的工廠已實現(xiàn)了從刀具采購、庫存、調(diào)整、修磨、現(xiàn)場技術(shù)支持和問題解決直至刀具優(yōu)化和成本控制的與刀具有關(guān)的全部工作的管理外包，與刀具管理外包供應(yīng)商的經(jīng)濟結(jié)算也按照單件產(chǎn)品所需刀具費用根據(jù)產(chǎn)量進行核算；有不少工廠僅是將刀具刃磨以及刀具供貨、庫存管理等工作外包了出去，而將刀具的優(yōu)化與改進等技術(shù)工作仍掌握在自己手中豐田模式豐田公司對刀具管理實行集中式的統(tǒng)一管理，其管理部門內(nèi)設(shè)有專門的刀具管理機構(gòu)，并設(shè)有中央刀具庫，一些工廠共用的刀具和使用量大面廣的標(biāo)準(zhǔn)刀具和刀輔具實行統(tǒng)一采購和訂單拉動式刀具供貨，刀具的備庫工作由供應(yīng)商進行，刀具供應(yīng)商根據(jù)

5、接到的刀具訂單作出即時反應(yīng)，并對刀具使用現(xiàn)場進行技術(shù)支持和現(xiàn)場服務(wù)。各子公司與刀具供應(yīng)商進行的刀具價格談判情況及其所獲得的刀具價格信息能為中央刀具管理機構(gòu)所獲得并得到有益指導(dǎo)，所獲得的優(yōu)惠能為其他子公司所共享，這樣就能確保整個集團內(nèi)各個單位都能獲得最優(yōu)價格。刀具管理的使用的一般流程刀具分類切削刀具是用于將毛坯上多余的材料切除，以獲得預(yù)期的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量要求的零件。n 按應(yīng)用場合分類按應(yīng)用場合分類，刀具可劃分為車刀、鉆頭、銑刀、鉸刀、拉刀、螺紋切削刀具、齒輪切削刀具等。 n 按按到到刀刀的的數(shù)量分類數(shù)量分類，刀具可分為單刃刀具和多刃刀具。n 按刀具的結(jié)構(gòu)分類按刀具的結(jié)構(gòu)分類，刀具分

6、為整體式、焊接式、機夾式三類。n 按刀具的材料分類按刀具的材料分類，高速鋼刀具、硬質(zhì)合金刀具、陶瓷和超硬材料刀具。n 切屑形狀的切屑形狀的分類分類， 切屑的形狀有帶狀切屑、管狀屑、盤旋狀切屑、環(huán)形螺旋、錐形螺旋切屑、弧形切屑、單元切屑、針行切屑八大類。刀具的材料 金屬切削過程除了要求刀具具有適當(dāng)?shù)膸缀螀?shù)外，還要求刀具材料對工件要有良好的切削性能。 刀具切削性能的優(yōu)劣，不僅取決于刀具切削部分的幾何參數(shù)，還取決于刀具切削部分所選配的刀具材料。 金屬切削過程中的加工質(zhì)量、加工效率、加工成本，在很大程度上取決于刀具材料的合理選擇。因此，材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀材料、結(jié)構(gòu)和幾何形狀是構(gòu)成刀具切削性能評估的

7、三要素。常用的刀具材料指標(biāo)：硬度(HR)抗彎強度(GPa)切削溫度切削速度n 工具鋼：包括碳素工具鋼、合金工具鋼和高速鋼。n 硬質(zhì)合金：鎢鈷類硬質(zhì)合金、鎢鈦鈷類硬質(zhì)合金和鎢鈦鉭（鈮）類硬質(zhì)合金。n 涂層刀具材料：在韌性較好的刀具基體上，涂覆一層耐磨性好的難熔金屬化合物，既能提高刀具材料的耐磨性，又不降低其韌性。常用的涂層材料有TiC、TiN、Al203,涂層厚度隨刀具材料不同而異。目前單涂層刀片已很少應(yīng)用，大多采用TiC-TiN復(fù)合涂層或TiC-Al2O3-TiN三復(fù)合涂層。n 超硬刀具材料n 陶瓷n 金剛石n 立方氮化硼（CBN）刀具壽命管理 刀具壽命一般有兩種表達方式，即使用次數(shù)或使用時間

8、，每一種表達方式都存在其相應(yīng)的優(yōu)缺點，對于批量加工或加工內(nèi)容比較固定時采用加工次數(shù)比較合理，否則采用加工時間比較合理，在數(shù)控機床端一般采用調(diào)用次數(shù)來計算。此刀具壽命一般是通過刀具供應(yīng)商提供的參數(shù)，以及工廠的加工經(jīng)驗針對每一把刀具來設(shè)置的。 通過與DNC系統(tǒng)的集成，我們可以讀取加工次數(shù)等信息，監(jiān)控機床每把刀具的在加工過程的使用壽命情況，對于到達壽命的機床提醒操作工人合理換刀，并對工人換刀事件進行管理。 對于局域網(wǎng)類的機床還可以實施到達壽命的刀具強制換刀、即將達到壽命的刀具預(yù)警等。刀具補償在編寫加工程序時，一般按照零件輪廓要求決定零件程序中的坐標(biāo)尺寸，在機床實際加工中，CNC系統(tǒng)控制的是刀具中心（

9、或基準(zhǔn)點）軌跡，靠刀具的刀尖或刀刃的外緣來實現(xiàn)切削，因此，必須根據(jù)刀具的形狀、尺寸等對刀具中心位置進行偏置，將零件編程軌跡轉(zhuǎn)化成刀具中心軌跡，從而保證刀具按其中心軌跡移動，能加工出要求的零件輪廓，這種變換過程就稱之為刀具補償，也叫刀具偏置刀具補償常見的補償加工中心：一個重要組成部分就是自動換刀裝置，在一次加工中使用多把長度不同的刀具，需要有刀具長度補償功能。銑削加工：為刀具中心沿所需軌跡運動，需要有刀具半徑補償功能。車削加工：可以使用多種刀具，數(shù)控系統(tǒng)具備了刀具長度和刀具半徑補償功能，使數(shù)控程序與刀具形狀和刀具尺寸盡量無關(guān)，可大大簡化編程。 具有刀具補償功能，在編制加工程序時，可以按零件實際輪

10、廓編程，加工前測量實際的刀具半徑、長度等，作為刀具補償參數(shù)輸入數(shù)控系統(tǒng)，可以加工出合乎尺寸要求的零件輪廓。補償?shù)姆诸惖毒哐a償一般分為刀具半徑補償和刀具長度補償。n銑刀主要是刀具半徑補償；n鉆頭只需長度補償；n車刀需要兩坐標(biāo)長度補償和刀具半徑補償。刀具的參數(shù)IT化n 刀具靜態(tài)信息，如幾何信息，拼裝信息,切削參數(shù)，工藝信息和刀具壽命信息。n分類：種類、有效長度、刀具刃長，刀具直徑等n材料信息（刀具材料、刀片材質(zhì)、涂層、適用加工材料等數(shù)據(jù)），n幾何參數(shù)：刀具幾何參數(shù)n切削參數(shù)：切削參數(shù)通用計算公式，刀具廠商樣本切削參數(shù)。n適用范圍：加工類型數(shù)據(jù)、機床信息等。刀具的參數(shù)IT化n 刀具組合信息：建立刀柄

11、、刀桿、刀片參數(shù)維護，進行刀具優(yōu)化組合、組裝管理，為刀具的組裝提供優(yōu)選方案。n 使用信息n使用壽命和剩余壽命、n維修信息n 供應(yīng)商信息：廠商名稱、廠商地址、聯(lián)系人選用查詢功能n 按刀具種類查詢：根據(jù)刀具類型、零件的加工材料進行刀具查詢，輸出刀具信息；n 按機加條件查詢：根據(jù)被加工材料、刀具幾何參數(shù)等進行刀具查詢，輸出刀具信息；n 刀具組件拼裝：可以根據(jù)所選擇組件自動查找具有拼裝關(guān)系的其它組件。n 在刀具查詢過程中可以查看該刀具的典型加工工藝，可以查看在典型機加工藝中的切削參數(shù)。n 在選刀時可以查詢所選擇刀具的庫存情況。n 按刀具編號查詢：輸入刀具種類編號或刀具流水編號查詢刀具信息；n 將刀具數(shù)

12、據(jù)以其他格式文件轉(zhuǎn)換輸出（ *.pdf, *.doc, *. xls, *.rpt 等格式）；工具識別方式工具識別方式可有條碼，RFID磁碼，激光打碼人工識別識別方式優(yōu)勢劣勢條碼打印和識別比較方便，價格也便宜，使用成熟方便存儲信息量小；在生產(chǎn)加工過程中，大多數(shù)刀具的使用環(huán)境比較惡劣，常會涉及到高溫、高速旋轉(zhuǎn)，還經(jīng)常需要進行清洗冷卻，還比較容易沾染油污，采用普通方式打印的條碼則容易脫落，表面還容易損壞。有一種較好的采用熱感應(yīng)技術(shù)打印的條碼質(zhì)量可靠，且表面有一層薄膜，可有效地保護條碼，表面有油污時還可清洗，是一種理想的選擇。RFID磁碼儲信息量大，可達幾K，識別方便閱讀需要專門的工具；需要刀具廠商

13、配合安裝，進行動平衡的測試驗證，否則會影響加工的精度，價格比較昂貴，據(jù)估計每把刀具的平均成本增加在一百多元以上，激光打碼這是一種非常簡便實用的刀具識別方式，可以值得推薦。需要專用激光刻字設(shè)備采用激光刻字技術(shù)，在刀柄上刻下刀柄編號，以刀柄編號來作為刀具編號的識別，使用時刀柄編號與刀具編號綁定刀具系統(tǒng)的集成刀具參數(shù)管理難題刀具準(zhǔn)備 刀具出庫 刀具維修 刀具通過打印紙條傳遞信息管理難題 打印紙條 表面污損 打印質(zhì)量欠佳 手寫筆記 難以看清 容易丟失 運往加工中心 26刀具參數(shù)手動傳遞刀具參數(shù)輸入與裝載 手工輸入刀具參數(shù) 目視刀具裝載機床管理難題 據(jù)統(tǒng)計，每300次關(guān)鍵輸入中將有2次錯誤輸入 大多數(shù)機

14、床控制面板在前面，但刀具裝載工位在后面，無法目測刀具是否被裝在正確的位置27刀具壽命無法管理刀具更換 新的任務(wù)/指令、刀具碰撞/損壞、刀具正常維護 對刀儀刀具倉庫磨削車間管理難題 刀具使用情況無記錄，無法進行刀具易用性、耐用性等統(tǒng)計管理 刀具無壽命跟蹤、是否需要返修憑工人經(jīng)驗判斷 刀具不能保證得到最佳利用，利用率不高打印刀具信息28刀具智能管理的范疇補償量寫入標(biāo)簽根據(jù)監(jiān)控壽命和定位工藝參數(shù)和標(biāo)簽關(guān)聯(lián)CNC通過標(biāo)簽讀取工藝參數(shù)和補償量使用RFID管理刀具對刀儀CAM刀架CNC刀具研磨刀具參數(shù)傳遞刀具定位刀具壽命控制29刀具智能管理的流程刀具倉庫RFID芯片置于刀柄之上12組裝刀柄刀桿綁定為一體3

15、綁定刀具和RFID，數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)初始化服務(wù)器4刀具存放在刀具庫或臨時庫中5刀具狀態(tài)及位置跟蹤6刀具參數(shù)測量7刀具安裝到CNC刀庫8刀具研磨刀具參數(shù)存儲在芯片或后臺9刀具參數(shù)傳入CNC監(jiān)控刀具加工次數(shù)，壽命預(yù)警刀柄，刀桿，刀片的庫存控制0CNC機床CNC刀庫對刀儀研磨機1030刀具參數(shù)管理簡單化刀具準(zhǔn)備 刀具出庫 刀具通過RFID電子標(biāo)簽傳遞信息改善 無紙張夾帶，避免表面污染、無效印刷、手工筆記、看不清楚等 刀具和RFID標(biāo)簽相互結(jié)合為一體，信息總是存在于刀具上運往加工中心 31刀具參數(shù)輸入與裝載 自動讀取刀具參數(shù) 自動識別刀具裝載位置刀架到機床改善 沒有刀具信息的手動輸入錯誤 在控制過程中不會有信

16、息遺漏 機床自動記錄所有的刀具信息和刀庫中的正確位置刀具參數(shù)傳遞信息化32刀具壽命監(jiān)控動態(tài)化刀具更換、壽命監(jiān)控 新的任務(wù)/指令、刀具損壞、刀具正常維護 對刀儀刀具倉庫磨削車間改善 刀具歷史使用情況全生命周期追溯，方便進行統(tǒng)計分析 刀具壽命跟蹤、科學(xué)判斷是否需要返修，刀具利用率最大化 有效管控刀具使用次數(shù)，降低廢品率壽命 OK壽命 不 OK刀具參數(shù)將被自動保存RFID識別系統(tǒng)33基于RFID的刀具管理解決方案刀具參數(shù)電子化傳遞 刀具和RFID標(biāo)簽綁定為一體，不會遺漏 刀具的參數(shù)信息和補償信息集成到標(biāo)簽，傳輸不會出差錯 刀具信息電子化，受環(huán)境干擾小刀具定位和信息集成 刀具實時跟蹤，刀具信息隨時查詢

17、 便于刀具統(tǒng)計管理 便于刀具質(zhì)量控制和倉庫控制刀具壽命檢測和控制 刀具使用過程有效記錄，壽命可跟蹤 刀具目標(biāo)壽命合理管理 通過刀具質(zhì)量的穩(wěn)定控制,大幅減少工件報廢數(shù)量 向用戶提供追溯連續(xù)質(zhì)量控制過程的能力34解決方案配套硬件及軟件工業(yè)級高頻讀寫器系列工業(yè)級電子標(biāo)簽系列智能制造軟件套件 高可靠性服務(wù)器及工控機管理配置12臺數(shù)控設(shè)備(CNC)，1200個工業(yè)標(biāo)簽以及軟件套件、服務(wù)器和工控機的成本約為100W35收益分析場景假設(shè)： 每臺機床可帶100把刀,可以控制由12臺此類機床組成的中型生產(chǎn)線 12臺機床，1200把刀具 36收益及投資回報分析停機成本節(jié)約成本 節(jié)約/年人工RFID18600060

18、7700數(shù)量(把/年)17520停機時間(分鐘/把)3030停機成本(元/分鐘)4040成本節(jié)省210000 24000刀具利用率人工RFID刀具價格15001500221700刀具利用率65%92%新刀具500340利用率損失35%8%成本節(jié)省262500 40800輸入人工RFID手動輸入30.5200000設(shè)備每分鐘利用率6464換刀次數(shù)2525工作時間(天)250250設(shè)備臺數(shù)1212240000 4000018個月可收回成本100W成本37中國西電集團公司成立于1959年7月，是以我國“一五”計劃期間156項重點建設(shè)工程中的5個項目為基礎(chǔ)發(fā)展形成的以科研院所和骨干企業(yè)群為核心，集科研、開發(fā)、制造、貿(mào)易、金融為一體的大型企業(yè)集團。 西電集團的主營業(yè)務(wù)為輸配電及控制設(shè)備研發(fā)、設(shè)計、制造、銷售、檢測、相關(guān)設(shè)備成套、技術(shù)研究、服務(wù)與工程承包，核心業(yè)務(wù)為高壓、超高壓及特高壓交直流輸配電設(shè)備制造、研發(fā)和檢測。歷經(jīng)半個世紀(jì)的拼搏與發(fā)展，西電集團已經(jīng)成為中國最具規(guī)模、成套能力最強的高壓、超高壓、特高壓交直流輸配電設(shè)備和其他電工產(chǎn)品的生產(chǎn)制造基地。典型案例分析案例1：西安西電開關(guān)電氣有限公司38 西開刀具智能管理解決方案39解決方案實施現(xiàn)場刀庫中裝有RFID讀寫設(shè)備刀柄中裝有標(biāo)簽現(xiàn)場刀具壽命監(jiān)控40