网站地图 | Tags | 热门标准 | 最新标准 | 订阅
您当前的位置:首页 > 技术文章2 > 标准内容页

试谈刀具与模块化

时间: 2011-07-02 10:00 来源: 作者: 杨晓 点击:
近些年来,由于科学技术的不断进步和人们消费需求的不断异化,产品的寿命周期缩短了,产品更新换代的速度加快了。这种形势正在迫使许多生产企业走上多品种、小批量的生产方式,以适应市场需求的 多变性及提高本企业产品的市场占有率。这就对为少品种大批量生产奠定基础、开辟道路的标准化活动提出了挑战。阿·托夫勒在《第三次浪潮》中预言,今后的社会是一个“打破标推化”的多样化社会,今后的一切将“越来越不一致和没有标准了”。

但是,标准化技术也在发展,也在前进。作为系统时代的标准化方法,模块化一经在产品设计上使用,就很快显示出其广阔的发展前景。它成功地解决了所谓多样化的挑战,为多样化生产条件下的标准化开辟了一条新路。本文拟就模块化的理论基础、一般概念、建立模块的一般要求等问题,结合对模块化的认识提出笔者的看法,希望对模块化,尤其是刀具模块化比较熟悉的专家、学者能不吝赐教,共同研讨 。

一、模块化的理论基础

笔者认为,模块化的理论基础是系统学。源于组织管理学、系统工程学及机体论生物学的系统学是“ 系统科学”中的基础科学部分,是由研究“系统”的概论、观点、理论、方法等构成的科学体系。系统学 在本质上是研究功能行为和动态的。它并不深究“这是什么东西”,而要研究“它做什么”。换言之,系 统学的方法主要是一种注重功能和行为的研究方法,不深究客体对象基质构成的发展变化原因。它不仅在 静态中考查系统客体,而且也在运动和发展中进行考查。至于物质实体是什么,平常的物理、化学定律是否适用,是无关宏旨的。系统学的显著特征是研究对象的相对性。在系统研究时,同一组要素有时被当作 一个系统,有时又被当作不过是系统的一个部分或子系统,这取决于我们的研究目的。当把研究的对象当 作-个系统时,它以外的因素就可看作是影响它的环境因素, 因而系统与它的环境的划分也是相对的。 一旦系统和环境确定下来,考查环境的影响,考查环境与系统客体的相互作用,就成为系统学方法的一个 重要方面。如企业中的车间,在研究整个工厂时它是一个子系统、而在研究车间本身时,它又是由班组子系统所构成的大系统。系统学认为现代科学是由物质、能量、信息三基元组成。物质由联系构成系统,而 万物间所以会联系是由于能量和信息的作用。系统是由若干相互联系,相互作用的要素所构成的具有特定 功能的有机整体。凡系统都有结构和功能,即系统是结构和功能的统一体。系统与要素是对立的统一,但要素不能直接形成系统的属性和功能,它必须通过结构这个中公,才能变成系统的属性和功能。功能总是具有一定结构的系统的功能,而结构也总是具有一定功能的系统的结构。表示系统空间特征的结构与表示 系统时间特征的功能构成统一不可分的系统空——时特征。结构与功能具有相对的独立性,相同的功能往 往可以由不同的结构来实现。例如人脑与电脑结构不同,功能却在某些方面相同;焊接式与可转位车刀结构不同,功能却也相同。

系统学认为系统具有整体性、层次性等特性。系统的整体性表现为系统的目标、性质、运动规律、系统功能等,只有在整体上才体现出来。对于系统的整体性类型有几种分类方法,其中有一种是从整体的各 部分相互结合的特点来划分的,另一种是按系统整体的结构严密性来划分的。从整体各部分相互结合的特 点划分,可分为各部分在系统保持相对独立性的一类(如可转位刀片、、森林中的树木)和不具有相 对独立性的一类(如水分子中的氧离子和氢离子、人的手和足等)。按系统整体的结构严密性来划分时, 一种是一些部分均是与整体不可分割的,缺少其中之一整体功能就不能实现,如汽车与轮子、钢笔与笔尖 ,动物与躯体等;另一种整体可变性较大,如少一棵树的森林仍是森林,少一本书的图书馆仍是图书馆, 崩了一点刃口的还是铣刀等。

系统的层次性(有序性)表现为系统都有层次态。大系统和子系统是相对的,子系统又是由更小的子系统所构成,而大系统相对千高一层次的大系统,便又成了子系统。系统结构的层次性还决定了一些子系 统在系统中处于支配的地位,而另一些则处于被支配地位,一些处于较高层次,而另一些则层次较低。构成系统时必不可少的子系统称为要素子系统(如人缺了手、足仍是人,但缺了作为要素子系统的心脏和脑便失去了生命)。正是由于系统的这种有序性,才使系统作为一个整体而发挥较高的功效。

分类是一种研究系统的常用方法。系统的分类方法很多,如把系统分为无机系统、生物系统和社会系统,分为自然系统与人造系统;分为封闭系统、开放系统和相对孤立系统;分为静态系统和动态系统;分为输入可靠系统和输入不可靠系统,分为普通系统和大系统等方法,“这里介绍将系统分为实体系统和概念系统的方法。实体系统就是由实物所组成的系统,如机械、矿物、森林等人造物与自然物组成的系统, 而概念系统则是由概念、原理、方法、程序等非物质所组成的系统,而两者在多数情况下常常不可分割。例如在机械工程中某些体的机械工程属于实体系统,而用以指导其制造的方案、计划和步骤则属于概念系统。因此概念系统为实体系统提供方法与策略,即提供服务与指导,而实体系统,则是指导与服务的对象 。

二、模块化的一般概念

模块化是指这样一种过程,它以产品(或系统)的总功能为对象,以功能的分析分解为基础建立模块体系,运用模块组合成产品(或系统)。它是建立在系统学理论基础上的一种标准化方法。按照系统学的观点 ,我们可以把具有某种功能的产品看成一个系统,通过对系统的分析,把系统的总功能分解成若干个子功能,而用以完成这些子功能的要素就是该系统的子系统。如果其中某些子系统可与其他系统中的另一些子系统在功能上通用、互换,又具有口致的接口,这些子系统便可以从母系统中分离出来,形成一个个通用的子系统即模块,这就是分解。为了满足不用的使用要求,我们在模块体系中选择若干模块并按照新的产 品统时要求结合起来,就会产生一个具有新功能的产品系统,这就是组合。这一过程与积木玩具极相似。 例如,我们在某上使用一刀具系统,其装上作为切削模块,用钻夹头作为链接切削模块与环境( )的桥梁──主柄模块,就形成了钻削系统;而如果把切削模块换为,她成了攻丝系统。对于钻削系统,由钻夹头和直柄钻头组成的系统在使用功能上与锥柄麻花钻等效。

模块化的概念还与模块体系、模块等概念相关联。我们是否可以给模块体系下这样的定义:模块体系是由若干组相互联系、相互作用的模块所构成的能完成一定功能的有机整体。由此可知,要构成一个模块体系,必须要有两组以上的模块,而且各组模块在体系中相互联系、相互作用,因而必须特别注意模块体系的完整性和整体性。

那么,什么是模块呢?模块是具有相对独立功能和通用接口的单元。这里的相对独立功能,就是指我们进行功能的分析分解时,它对于体系来说具有独立功能。当然,任何一个组件(或零件),只要它不是冗余物,总具有一定的功能。但如果这一组件(或零件)虽然对产品的某个层次来说具有独立功能,而从整个产品(或系统)来说功能并不独立,我们在组合产品时就不能称其为模块。


图 1

按照系统学的观点,模块也可以分为要素模块和非要素模块。要素模块(或称主体模 块)是指形成产品主体功能的模块,这类模块的功能在模块体系中处于支配地位,是必不可少的。从模块式工具系统看,一般来说主柄模块(诸如自动换刀工具锥柄模块、带冷却环自动换刀工具锥柄模块等)和工作模块(如面铣刀,立铣刀、槽铣刀、钻头、丝锥等)是要素模块,而中间模块(如等径过渡模块、变径过渡模块、弹簧夹头模块;装钻夹头模块等)则属于非要素模块。虽然可转位刀片对于如何转位立铣刀、可转位面铣刀等产品来说具有独立功能,但从整个工具系统来说功能并不独立,因此我们在组合工具系 统产品时不能将可转位刀片称为模块。

模块除了应具有相对独立功能外,它还应具有通用接口。接口(或称界面),是指系统各部分(子系统)间的物质、能量、信息三基元的流通渠道。对于模块来说,接口一般是能量和信息的通道。在这两种基元中,能量流通在硬模块方面占主导地位、信息流通常退居其次 ,而在软模块方面,则通常是信息流通占主导地位。完全适配的接口,能量与信息能得到充分流通,从而使系统的功效能得以充分、有效的发挥,而不完全适配的接口,将导致能量的损耗和信息的湮灾,从而削 弱以致破坏系统的功效。

与系统相似,模块体系也有层次性。以德国WALTER公司的NOVEX F2010模块式面铣刀为例,这一铣刀对于整个工具系统是一个工作模块,但其本身又是一个模块体系。在该铣刀系统中,刀体是链接环境与系统其他模块的主柄模块,刀垫是具有调整刀片工作角度及使刀片与刀体相适配的中间模块,刀片则是工作模块。一个对象究竟是模块体系还是模块体系中的一个模块,甚至只是模块中的一个组成部分,取决于功 能分析分解的角度。可以这样说,工具系统对整个加工中心来说,只是一个工作模块,而对诸如手动(或自动)换刀工具锥柄模块、变径过渡模块、弹簧夹头模块、面铣刀、立铣刀等模块而言、又是模块体系。 因此,一个模块体系对于较高一级的模块体系,它只是一个模块,而一个模块对于较低一级的模块,它又是模块体系。一个模块体系只有相对于构成它的那些模块而言才是模块体系,同样一个模块只有相对由它和其他模块构成的模块体系而言,才是模块。


表1 WALTER模块化铣刀F2010示意

那么,整体的刀具是否也可以在某种程度上认为是模块化的呢?笔者认为,答案应该是肯定的。类似系统可以分为实体系统和概念系统,模块化也可以分为实体模块化和概念模块化。实体模块化是由实物为模块组成产品(系统),而概念模块化则与此相反,一般运用模块化的概念、原理、方法 、使用结构、子程序(子系统)来组成产品(系统)。例如,我们可以将锥柄麻花钻看成由切削部分(工 作模块)、过渡部分(中间模块)和莫氏锥柄(主柄模块)三部分所组成(参见图2)。若将主柄模块换为直柄,将组成直柄麻花钻产品。若将工作模块换为立铣刀,则将组成莫氏锥柄立铣刀产品。通过组合,可组成很多产品,如直柄麻花钻、锥柄麻花钻、锥柄插齿刀、直柄立铣刀、莫氏锥柄立铣刀、7:24锥柄立铣 刀、直柄铰刀、莫氏锥柄铰刀、机用丝锥等(参见图3)。


图 2


图 3

同样,实体模块化和概念模块化在许多情况下也是不可分的 。如模块式面铣刀,其产品属于实体模块化,而用于指导其设计、制造的思想,计算机辅助设计方法及程序,都属于概念模块化。概念模块化为实体模块化提供了原理和方法,而实体模块化则必须由概念模块化引导而来促进概念模块化的发展。

将整体产品从概念上认为是模块化的,有助于计算机辅助设计(CAD)、成组技术应用以及标准化管理。带来设计方法革命的CAD 技术,一般认为必须在建立模块化产品系统的数据库(包括图形库)的基础上,才有可能调用模块在屏幕上进行有效的设计。就刀具产品的CAD而言,笔者认为,在建立了切削数据库、刀具材料库、模块 (包括主柄模块、中间模块、工作模块)数据、图形库、情报资料库等信息库后,设计师可通过计算机查询和调用信息及模块,在屏幕前设计和组合产品。并且,可将CAD与CAM(计算机 辅助制造)结合 起来,形成计算机综合制造系统(CIM),以达到最优的生产控制。运用成组技术,同一系列的模块形状常相似,使每变化一尺寸的刀具可减少工艺文件编制的工作量,减少加工设备,工艺装备和检测手段的更替。在标准化管理中,可对不同的模块采用不同的管理措施。如在刀具的标准化管理中, 主柄模块是产品与环境的接口,其结构尺寸、技术要求(即结构和功能要求)多带有一定的强制性;工作 模块由于加工对象和加工条件的多样化,其结构尺寸应有较大的自由度,可用推荐性标准来加以指导,但作为功能要求的技术条件也有不少带有强制性,至于中间模块,则由于其主要起主柄模块与工作模块间的桥梁,除功能要求可制定一些推荐性标准外,其它可暂不制定标准。

三、建立模块的一般要求

首先,模块是一种功能单元。属于同一功能单元的、安装于同一些部件(或模块)上的一组模块,应具有相同的结合要素(包括相同的安装与联结形式),以保证性能、用途和内部结构不同的模块,在组合成产品时具有互换性。

图4是瑞典山特维克可乐满(Sandvik Coromant)公司的模块 化刀具系统示意。这种模块式刀具系统(Block Tool System)可用于各种自动化程度不同的场合,应用范 围可从普通车床到复杂的数控加工中心车床。与当前使用的装夹式刀具相比,该系统尺寸小、重量轻,易 于使用和贮存。该系统包括自动换刀装置和贮存量较大的刀库,可以全自动化运转。


图 4

可以看出,在这一模块式车削刀具系统中,属于工作模块这一同一功能单元):安装于刀体这一主柄模块上的一组模块,如外圆车削模块、浅孔钻削模块、镗削模块、攻丝模块,割槽模块以及测量模块都具有相同的结合要素。同时,如果在刀体上安的不是工作模块而是中间模块,然后将工作模块安装于中间模块之上,则要求这些中间模块与上述一组工作模块具有相同的结合要求,而安装于中间模块之上的工作模 块不再要求与直接安装于刀体上的工作模块具有相同的结构要素。

其次,建立模块时应使其功能单一、合理细化,以达到灵活性大、适应性强、寿命周期长的效果,并使其适应产品品种和参数变化的要求,具有经济合理的系列化,最大限度地满足用户的不同的需要,同也便于生产、降低成本和提高产品质量。如模块式可转位面铣刀(参见表1),各种刀垫可分别在直径80,1 00,125,160,200,250,315,400,500mm的各种刀体上使用,这样就可以扩大了刀垫的生产批量,提高了产品的技术经济效益。

再次,建立模块应考虑新技术、新工艺、新材料应用的可能性。在以各种可转位刀具 为系统建立模块体系时,我们经常将可转位刀片作为工作模块。建立这一模块,使得使用新材料的可能性 大增。如除使用通用的硬质合金刀片外,可根据需要使用对加工对象及加工条件更为合适的新型硬质合金 材料。若有需要,还可选择陶瓷刀片、氮化硼刀片或聚晶金刚石刀片。这一模块为各种新材料的应用提供 了可能性。同时,将刀片作为模块又为使用不同的断屑槽创造了条件。GB2076-87《切削刀具用可转位刀 片型号表示规则》规定了13种断屑槽的形状。图5是SANDVIK COROMANT公司的3种断屑槽形状,当这3种刀片用于车削时,其适用的切削用量有所不同(见图6)当其用于铣刀时,也能改变铣刀的工作角度。例如,W ALTER的F2010模块式铣刀,如装用A57刀片,轴向前角为0°,装用F55刀片,则轴向前角增至16°,而如装用K88刀片,轴向前角增至25°。以刀片为工作模块的可转位刀具的广泛应用,也为涂层技术的应用提 供了可能性。自1969年出现TiC涂层后,涂层种类逐渐增加,并已从单涂层发展到多涂层。截至1982年,涂层刀片的种类已发展到309种。


图 5


图 6

再次,建立模块还应考虑到各种用户的不同使用要求,以满足不同 用户的需要。图7是INGERSOLL公司模块式螺旋齿立铣刀的示意。这种铣刀系统可选用两种主刀体(削平型 直柄和7:24圆锥柄),可分别安装球头、过中心刃带端面铣削、端部双有效切削刃不带端面铣削和端部四 有效切削刃不带端面铣削共4种不同的头部,使其切削形状和功能发生变化。这种铣刀的头部与刀体之间 ,采用中心后紧式夹紧方式,用拉紧螺钉从柄部伸出而将刀头夹紧。


图7 INGERSOLL公司模块式螺旋齿立铣刀

图8是德国WALTER公司的可换头部立铣刀的示意。这种铣刀采用的是中心前紧式夹紧方式,它的拉紧螺钉不是从柄部而是从头部伸出,从而将刀头夹紧。


图8 WALTER的可换头部立铣刀

显而易见,WALTER铣刀头部由于中心安排了螺钉 的通道,使其不太有可能制成球头或过中心刃的铣刀头。从功能上说,它的发展余地不如INGERSOLL铣刀 大。但是,这种结构却给刀头的拆卸和安装带来方便,它使刀头的拆装既可以在刀库或工具室内进行,也 可以在机床主轴上进行,即不必把主刀体从机床主轴上拆卸下来。因此,这两种方案各有利弊,我们在建 立模块时应根据用户的需要加以合理的选择。

另外,在建立刀具的模块时,还应注意到刀具模块的一些特征。《刃具研究》1991年第1期曾发表了 陈大为硕士的论文《模块化硬质合金可转位铣刀计算机辅助设针系统》,谈及刀具零件的5个特性,笔者 认为这些特性也是其它刀具模块所共有的特征,即:

接口特征:模块与环境连接的接口结构;
几何特征:模块的形状、空间位置,也有人称之为拓朴特征;
系列特征:与同类模块形体的相似性,规格的标准化(有时可在多个方向形成系列);
制造特征:模块本身的加工工艺性;
管理特征:模块在设计、制造、使用中的管理性。

模块化设计一般都具有很大的灵活性和适应性,设计周期短,成本低等一系列优点,而刀具模块化除上述主要对生产企业有利的优点外,对用户也会带来不少好处,如:

减少刀具的储备和修磨,从而改善刀具管理;
减少调整和装拆刀具,发展自动换刀技术(参见图9),从而减少停机时间,减轻工人劳动量;
更换部份模块可改变刀具品种,适应于新材料或新结构,从而有利于用户改进工艺,提高生产效率及发展新产品。

我们相信,作为系统时代标准化方法的模块化设计,将为刀 具行业的产品多品种、小批量生产提供强有力的工具,为切削加工的高效率和国民经济的飞速发展作出贡献,因而它必将具有强大的生命力和广阔的发展前景。

相关资料

评论列表(网友评论仅供网友表达个人看法,并不表明本站同意其观点或证实其描述)
关于本站 | 联系我们 | 下载帮助 | 下载声明 | 信息反馈 | 友情链接 | 网站地图