汽車零部件加工智能化刀具管理研究

張世君

山東浩信浩德精密機械有限公司 261307

俗話說 “三分技術，七分刀具”，刀具在數(shù)控加工的重要性不言而喻，在數(shù)控加工車間，刀具管理成為數(shù)控加工的主要因素。在產(chǎn)品開發(fā)過程中可用到很多刀具，例如：缸體缸蓋及集成的數(shù)控機床加工中，臥加的工步及刀具每序用到的刀具40～90把不等，涉及到大量的刀柄、刀具、刀片、刀具配件。在浩信集團160余種產(chǎn)品加工過程中，涉及到的有3800多種刀柄、刀具、刀片和刀具配件，分布在6個加工分廠十多個車間，那么這些刀具的整個生命周期管理（見表1）就成了是否能控制好加工成本的關鍵。也是企業(yè)導入CIMS/PLM/ERP/DNC/TOOLManager/WMS/MES系統(tǒng)的關鍵。

表1 刀具管理的智能化

刀具標準的編碼導入到PLM產(chǎn)品生命周期管理

1.全面刀具編碼的規(guī)范及標準

公司必須建立起第一層統(tǒng)一刀具編碼，這也是統(tǒng)籌管理若干數(shù)控刀具廠家的唯一編碼（當然開始不可能全面覆蓋，可以分步走，爭取做到全面覆蓋，主要在于覆蓋沒有國際編碼的刀具）。編碼設計是數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)開發(fā)的前提條件，是系統(tǒng)不可缺少的重要內(nèi)容。編碼是指與原來對應名稱對應的編號、符號或記號。它是進行信息交換、處理、傳輸和實現(xiàn)信息資源共享的關鍵。編碼也用于指定數(shù)據(jù)的處理方法、區(qū)別數(shù)據(jù)類型并指定計算機處理的內(nèi)容等，主要作用如下：

（1）有利于提供正確的刀具資料 由于刀具要經(jīng)過訂購、驗收、入庫、領發(fā)、退庫、記錄等多個環(huán)節(jié)，再加之種類、數(shù)量繁多，容易造成名稱錯亂的現(xiàn)象，造成采購、驗收、領發(fā)和記錄不便。對刀具統(tǒng)一編碼后，每一把刀具對應一種編碼，同時也能克服由于手工作業(yè)而造成的刀具漏記現(xiàn)象。

（2）有利于計算機智能管理 有了良好的刀具編碼，再配合計算機的使用，對刀具進行記錄、統(tǒng)計、核算等操作能大大提高工作效率，這樣才能有更多時間讓刀具管理人員在刀具數(shù)量和現(xiàn)場整理方面下功夫，使刀具數(shù)量更加準確。

（3）有利于防止刀具舞弊事件的發(fā)生 刀具統(tǒng)一編碼，并采用計算機管理后，對刀具管理流程，就必須做出嚴格的控制，即規(guī)定原始單據(jù)的填制、審核、計算機資料的記錄、審核和修改，應分別由不同人員按規(guī)定的程序進行管理。這樣經(jīng)過嚴格的程序控制后，可以減少舞弊事件的發(fā)生。

刀具編碼建議采取工序編碼、工步編碼、刀柄編碼、刀具編碼、刀片編碼、配件編碼、刀具制造商（品牌）等編碼要素及原則。

工序編碼是工藝標準化使用，編碼條碼的編制，工步編碼便于程序的閱讀，刀具刀片配件是制定刀具管理編碼。

（1）唯一性 即用意單純，每種規(guī)格的刀具或輔具對應唯一的一個代碼。

（2）系統(tǒng)性 盡量使代碼結構中的每一位都具有實際意義，即盡量適應組織的全部功能需要，并且從信息系統(tǒng)的全局結構考慮，便于分類識別和形成一個系統(tǒng)化的代碼體系。

（3）可擴展性 要考慮將來可能擴展的需要。

（4）通用性 簡介明了，適用面廣，通用性強，便于記憶和校驗，位數(shù)較少，并且盡可能的照顧用戶的使用習慣。

2.刀具編碼

可以按照國家拼音縮寫來編制，也可以依據(jù)國際IS13390標準進行編制，采取英文簡碼的方法來進行編制，數(shù)控刀具編碼規(guī)范表見表2。

表2 數(shù)控刀具編碼規(guī)范表

1）編碼為了更好地服務整個全流程識別，建議增加工序編碼，工步編碼等例如：

ODR-25-80—CNMG120408-MS-VP15TF(外圓粗加工-25刀方-80刀尖角刀片-CNMG120408-MS-VP15TF刀片)。

這樣加工程序與工件程序編號以及工步刀具刀桿及刀片全部信息具有了，下一步就是刀具計劃、采購、購買、入庫、產(chǎn)前準備、在線管理等）。這個刀具編碼及清單就是前期的EBOM或PEOM.

2）工序編碼原則：（英文編碼原則）如表1所示，也可以采取中文評議簡碼的原則進行編碼，見表2。

表2 制造加工工序編碼規(guī)范

3）依據(jù)ISO133990刀具標準，全面梳理數(shù)控車刀具、旋轉(zhuǎn)刀具種類，對刀具刀柄、刀具本體、刀片及刀具配件等刀具要素，進行全面的刀具編碼編制。

根據(jù)編碼原則進行工藝流程的制定，根據(jù)工藝流程進行CAM刀具及加工程序編寫，如圖2所示。根據(jù)世界級刀具制造商的刀具數(shù)據(jù)庫進行刀路編寫、CAM軟件自動產(chǎn)生工藝列表（SetupShee）及刀具列表（ToolList-EBOM），根據(jù)刀具清單進行刀具預準備并產(chǎn)生刀具清單二維碼。

圖2 工藝流程

因此CAM軟件是汽車零部件加工企業(yè)必備，也是加工設計、制造、刀具、程序和機床的樞紐，是智能化、信息化推進的核心技術。這里特別指出的是：歐美國家的CAD/CAM是無縫集成的，設計完畢，有一個簡單的加工流程，開始采取CAM進行制造刀具、程序編制，直接導出工藝類列表和刀具清單等，省略了大量的人力物力去制定工藝清單的時間，這是歐美國家有別于我們的地方，在這方面我國遠遠落后于他們。

根據(jù)編碼清單可以在CAM軟件中生成EXCEL、TEXT文件，導入到刀具管理軟件系統(tǒng)。作為加工產(chǎn)品的前期導入刀具BOM文件，也是進行刀具計劃及現(xiàn)場刀具準備的輸入部分。作為程序管理、程序模擬預覽及刀具準備的輸入信息，也是全面刀具信息化、數(shù)字化管理的抓手。

刀具庫接到CAM制造中心的輸入刀具清單（或通過DNC服務器輸入的帶有刀具清單的加工程序）進行刀具準備，進行刀具預調(diào)，對系列刀具清單打印刀具信息三維碼，通過刀具管理軟件進行臺賬及在線刀具信息管理。對刀儀寫入RFAD。

建立PLM需要的工藝二維碼、加工程序二維碼、刀具清單二維碼，導入到PLM系統(tǒng)，建立起PLM配方與ERP（企業(yè)資源規(guī)劃）及MES（制造可執(zhí)行系統(tǒng)）相關聯(lián)。

根據(jù)PBOM及庫存，生產(chǎn)計劃即進行刀具的需求預測，采購計劃，通過ERP產(chǎn)生刀具采購清單。

CBOM主要根據(jù)現(xiàn)場刀具的消耗與工步清單，建立起標準化的刀具工序工步的使用消耗清單及CBOM成本消耗清單。

CBOM建立起消耗標準后導入到PLM或ERP系統(tǒng)，建立起刀具消耗配方標準與TM系統(tǒng)及WMS庫存的聯(lián)系，也是刀具精細化到產(chǎn)品的標準化管理及配方相適用的標準、消耗、成本、核算和考核的機制。

根據(jù)CBOM清單及刀具管理TM軟件導出刀具消耗及庫存數(shù)據(jù)，直接核算產(chǎn)品的刀具成本，細化到了工序及工步，都是可以做到精細化管理及精益成本核算的。

通過刀具編碼、CAM刀具列表及程序刀具列表的技術舉措的推出，大大縮短產(chǎn)品切換模時間，自2009年到2021年，在幾個工廠實踐推廣過程中，加工中心切換時間縮短至少45%～55%，數(shù)控車縮短35%～45%，精益改善顯而易見，大大促進了SMED精益生產(chǎn)的推進。精益生產(chǎn)效益大大提升。特別是在多品種、小批量的生產(chǎn)企業(yè)更加顯著。在這樣的企業(yè)切換時間是提高效率的關鍵，恰恰刀具清單及刀具配送解決了本難題。

刀具PLM-CBOM的建立及統(tǒng)計

（1）刀具壽命的采集（COST-BOM刀具成本的建立） 刀具壽命管理目前為止有幾種管控方法，分別是數(shù)控系統(tǒng)管理法、人工SPC統(tǒng)計法、人工看板統(tǒng)計法、刀具管理軟件刀具壽命統(tǒng)計法及宏程序刀具壽命管理法等。

數(shù)控系統(tǒng)通過內(nèi)置的刀具壽命數(shù)量來進行暫停報警的方法，來強制換刀，控制預防刀具的失效。

人工SPC法是關鍵尺寸強制換刀法，在關鍵尺寸控制時，務必區(qū)分粗加工、中加工、精加工。這樣可延長刀具的壽命，增加換刀的間隔，從而為機器人無人值守的加工奠定基礎。在SPC統(tǒng)計中，采集定量的刀具壽命（失效）與關鍵尺寸的關系，從而在刀具磨損到一定程度時，避免因刀具磨損失效而導致尺寸的不良或超差。這個也是汽車零部件刀具壽命管理及質(zhì)量管理的重要部分。也是如何降低汽車零部件加工控制刀具成本的關鍵方法。

（2）宏程序刀具壽命管理 動刀具切削刃磨損，保證不了加工尺寸及表面效果，需要讓數(shù)控程序產(chǎn)生報警，提醒或強制作者者更換刀具或修改刀補。

1）為了防止操作者在修改磨損值時輸入錯誤。

2）為了保證工件尺寸精度和表面粗糙度。

那么當?shù)毒叩那邢魅心p到一定程度，就需要讓數(shù)控程序產(chǎn)生報警，提醒或者強制操作者更換刀具。

刀具參數(shù)的標準化

刀具參數(shù)標準化一般是參考刀具廠商推薦的參數(shù)進行加工，重要的是切削參數(shù)、被吃刀量、進給量和冷卻方式所決定，還需要考量機床的剛性、主軸的功率大小、扭矩的大小等。

考量六大材料組的切削性能，選取規(guī)范的、科學的、優(yōu)化的參數(shù)，是提高效率、增加質(zhì)量、降低成本的關鍵。例如：根據(jù)鋼P類產(chǎn)品的牌號，根據(jù)產(chǎn)品硬度來選取切削參數(shù)及刀具，軟鋼，可以采取陶瓷和金屬陶瓷高速加工；淬火鋼可以采取CBN較慢速度加工參數(shù)的方法辯證的選取參數(shù)及刀具，從而提效增質(zhì)降本。加工灰口鑄鐵時較高吃刀量，較高切削速度選取無斷屑槽式的前后角的刀片CBN刀具進行加工，從而效率顯著提升。刀具成本顯著降低。

試切削是參考廠家的工具書的提供建議切削三要素，觀察機床的主軸負載，統(tǒng)計刀具的正常壽命，在優(yōu)化切削參數(shù)時對刀具壽命的統(tǒng)計，來匯總參數(shù)及刀具壽命，產(chǎn)品加工的單位數(shù)量，綜合考量成本的關系，從而優(yōu)化到最佳平衡點，刀具、效率、成本、質(zhì)量最佳的切削參數(shù)是技術人員需要在現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)來支撐與驗證的。而近幾年刀具應用工程師的缺乏，導致汽車零部件加工廠缺乏刀具參數(shù)最佳優(yōu)化的缺陷，從而刀具成本居高不下，效率提升不能找到平衡點。部分加工廠刀具費用高居不下，已經(jīng)超過20%以上，浪費嚴重。

試切削后刀具品牌的相對固定化，納為A類重點刀具的管理，務必采取固化品牌及供應商的方法。

刀具失效模式的診斷及失效預防（編制刀具失效模式的可視化看板），失效模式的診斷培訓及預防。

刀具的智能管理軟件系統(tǒng)

擁有一個完整的數(shù)控刀具管理系統(tǒng)，能對企業(yè)生產(chǎn)過程中的工裝、刀具、夾具和量具進行整體的流程化管理。通過實時跟蹤工裝及刀夾量具的采購、出入庫、修磨、報廢和校準等過程，幫助庫管員、工藝員、制造工程師和工裝及刀夾量具主管等更有效地改善刀具管理過程，降低成本。刀具管理軟件日益成熟。

使用刀具管理系統(tǒng)到優(yōu)勢：減少刀具成本，減少管理倉庫與訂單的成本，優(yōu)化刀具使用，增強刀具的實用性，按刀具訂單結款，直接從CAD/CAM系統(tǒng)找到刀具數(shù)據(jù)和2D/3D圖形，可模擬現(xiàn)有刀具的3D圖形，減少由于刀具產(chǎn)生的停產(chǎn)期。

刀具管理系統(tǒng)外設有幾種途徑：外設刀具條碼管理系統(tǒng)、刀具管理智能柜、對刀儀、加工中心刀具管理終端等。這些智能化、信息化的管理終端及系統(tǒng)大大提升了刀具管理的系統(tǒng)化、智能化、信息化等系統(tǒng)。

刀具管理系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫接口PLM系統(tǒng)、CAM系統(tǒng)、DNC系統(tǒng)、ERP系統(tǒng)、SMC系統(tǒng)、WMS系統(tǒng)、AGV系統(tǒng)等。

圖6 刀具管理系統(tǒng)外部鏈接智能終端射線圖

刀具智能倉庫（柜）的使用

智能刀具柜及智能售貨系統(tǒng)，世界各大刀具廠家都推出了本產(chǎn)品，導入了具有信息化、智能化的刀具管理系統(tǒng)（軟件、硬件、管理理念等），可以作為刀具管理軟件的外設終端使用。加強了刀具管理系統(tǒng)軟件的智能化管理基礎。

1）通過RFID（Radio Frequency Identification）技術。

2）條形編碼系統(tǒng) 。

3）磁芯碼和芯片。

4）傳感器技術。

5）員工（使用人員的ID條碼或芯片系統(tǒng)）。

刀具柜管理APP或管理軟件會自動導出刀具柜刀具清單，設置好安全庫存以后，可以自動生成時間節(jié)點的刀具需求，從而建立起刀具的采購計劃，包括刀具入庫入柜的自動入庫清單。MATRIX刀具柜MAXI機型里的MATRIX自動刀具管理系列產(chǎn)品，提供最廣泛的選擇，最大的存儲容量。適用于各種切削工具及相關工具，如：刀片、鉆頭、刀柄、整體硬質(zhì)合金刀具、量具及檢測設備。

世界先進刀具公司包括山特維克集團、伊斯卡集團等企業(yè)，全部進行了智能刀具柜的制造、推廣與銷售，軟件與智能化的管理融為一體，原理基本與自動銷售柜一樣，具有智能化、信息化、數(shù)字化的特點。國內(nèi)也出現(xiàn)了幾家制造與銷售企業(yè)。

刀具柜的使用流程：刀具供應→至刀具柜→登錄系統(tǒng)（指紋/掃描/工卡）→刀具條碼掃描/輸入產(chǎn)品料號→刀具柜自動彈出對應抽屜→放入/取出對應刀具并關閉抽屜→刀具柜自動計算數(shù)量進行入庫→打印憑證→憑證與單據(jù)審核。

智能售貨柜（刀具柜）的導入極大方便了數(shù)控加工流水線或數(shù)控加工車間的刀具管理，為刀具管理軟件的理念落地奠定基礎。

刀具刃磨及外包或一體化管理

刀具的刃磨是非標刀具降本最重要的手段，也是較為昂貴刀具的策略，需要關注以下問題點：通過工廠自我刀具管理的基礎數(shù)據(jù)，通過精細的成本管理，這樣才可以前后對比，較為科學地精細化地做好大包后的成本核算及外包。如：一汽大眾、上海大眾、奇瑞汽車、上汽通用五菱甚至韓國的汽車公司都曾組織力量研究和了解有關刀具一體化管理的經(jīng)驗，有的也準備采用刀具管理外包這種模式，如現(xiàn)在上海大眾動力總成有限公司已采用刀具管理外包。

建立起公司級或集團級的刀具中心，進行刀具戰(zhàn)略、刀具驗證、刀具計劃、刀具在線管理、刀具智能化管理統(tǒng)籌管理?？梢越档偷毒叱杀镜?%～20%。一個50億元產(chǎn)值的汽車零部件集團，一年刀具費用是1.0億元的話，可降低500萬～2000萬元。豐田公司一直采取本管理措施，刀具成本控制得一直穩(wěn)定。國內(nèi)的山東豪邁集團，也是采取本措施，成立了創(chuàng)新辦，試切削、推廣、標準化、中央刀具管理、自動配送、集中管理、分廠指導、協(xié)調(diào)、調(diào)配、現(xiàn)場服務、培訓等，刀具成本控制得非常好，先進刀具推廣幾年，在國內(nèi)是精益生產(chǎn)的標桿。

對于產(chǎn)品進行精細化管理，從BOM清單的建立、刀具的編碼落地，采購成本的管理、在線刀具的管理、刃磨、調(diào)撥、新刀具的驗證做到全面的管控，提質(zhì)增效降本。

刀具TPM管理

刀具TPM管理，TPM（Total Productive Maintenance）全員生產(chǎn)維護，在汽車零部件加工中顯得重要，一個流的大規(guī)模生產(chǎn)線加工過程中，因為一個刀片、一把刀具的損壞就可能導致整個生產(chǎn)線的停滯，導致OEE低下，因此對于刀具的標準化管理及維護就顯得格外重要。

刀具壽命管理可以防止刀具的磨損和破損，但因為刀具壽命的隨機性，其壽命極限估計往往過于保守，以致大部分刀具未能充分利用。在無人化加工系統(tǒng)中，這將意味著換刀次數(shù)和刀具費用的增加。因此，機加工過程中，定量、定時地掌握刀具切削狀態(tài)，監(jiān)測與診斷刀具磨損、崩刃等損傷故障，對于延長機床設備無故障運行，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要的意義。

刀具的刃磨，刃具的刃磨有整硬銑刀、合金鉆頭、非標復合鉆頭、鉸刀、直槽絲錐等，這些刀具通過強制更換，進行刃磨及涂層，能夠提升刀具壽命，降低刀具成本。這里需要指出的是：刃磨后刀具尺寸發(fā)生變化，需要進行特殊管理，特別在程序上的刀具半徑補償需要特別標識及管理。

刀具的維護維修主要包括刀桿的維修維護、刀具刀體的維修維護，刀具配件的購買準備與維護，檢查盤刀的刀體是否完好，是否存在失效隱患，及時發(fā)現(xiàn)保全，杜絕失效發(fā)生是降低成本的有效措施。例如：盤刀或鏜刀片固定螺栓的強制更換，杜絕失效的發(fā)生，是對刀具全面的TPM的措施之一。

導入刀具技術管理員及刀具工程師是刀具TPM推廣及完善的措施之一，在這方面，汽車零部件加工企業(yè)欠缺較多，往往都是刀具出現(xiàn)失效，造成撞車事故后再換新的刀具的方法，導致毛坯及刀柄的損壞，得不償失，造成生產(chǎn)的停滯。

刀具回收以及利用。世界各大刀具廠商對刀片的回收都有整套方案，包括回收的標準及有償回收要求，主要回收的是整體硬質(zhì)合金刀片類、銑刀類、鉆頭類等，不適合回收的刀具：整體 PCD 刀片、整體PCBN 刀片、金屬陶瓷和陶瓷刀具。因此在廢舊刀具管理過程中需要分類整理，分類進行回收的管理。這樣降低成本，綠色環(huán)保是有意的。

智能化信息化刀具管理的展望

現(xiàn)場刀具管理與CAM制造系統(tǒng)無縫集成，現(xiàn)場刀具及加工程序的無縫集成是涉及到刀具編碼及加工程序標準化編制的規(guī)范化的重要組成部分，是前期技術管理工作的重點。

加工程序及刀具清單無縫集成，是打通加工SMED的關鍵，在這方面是應對快速換產(chǎn)的重要技術要素。

數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置刀具條碼及芯片管理模塊，在MDI加工過程中進行刀具信息錄入，通過程序的運行進行刀具信息及刀具壽命的管理。通過內(nèi)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，隨時可以查詢機床刀具使用狀態(tài)及刀具消耗情況，為無人值守奠定基礎，為成本即時管控帶來可量化的大數(shù)據(jù)。

智能化刀具管理柜通過網(wǎng)絡連接，集成的對刀儀、機床芯片掃碼系統(tǒng)，整合ERP系統(tǒng)，及時對刀具采購計劃進行整合，對采購、庫存、消耗、在線管理、刃磨管理等建立起強大的物聯(lián)網(wǎng)絡。

結語

通過一系列的CAD/CAPP/CAM的技術活動，建立起PLM刀具的開端，導出EBOM、PBOM、CBOM清單，結合訂單、庫存和現(xiàn)場刀具消耗，制定采購計劃，以及庫存入庫、刀具發(fā)放、刀具預調(diào)、準備和配送AGV，刀具的現(xiàn)場管理、刀具的刃磨、壽命管理、TPM管理和刀具的回收管理，整個刀具智能化壽命周期管理建立起來。為整個汽車數(shù)控加工廠車間的數(shù)字化、智能化、信息化打下來堅實的基礎。