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在试制小批量生产条件下模块化刀具系统的应用
摘要：在试制及模块化刀具系统的实践研究基础上，本文对模块化刀具系统的种类、原理、性能进行了简要的分析与介绍，阐述了该系统在试制小批量生产中的优势，并对该系统的管理和正确应用做了探讨。
关键词：模块化刀具系统 采购成本 刀具管理 生产周期
引言
长期以来，对新产品的试制程序通常是试制部门拿到产品图纸后制定生产工艺，根据工艺要求提出刀具采购计划，刀具采购员按照计划与刀具供应商联系采购。刀具供应商设计刀具图纸后经用户技术人员会签确认后投入生产，这一过程通常需要4~6周时间。而刀具供应商制造刀具的周期通常也要4~6周，加上新刀具调试合格还要2周时间，如果刀具出现质量问题返修或重新制造则时间会更长。总之，新产品的制造周期至少要4个月以上。
伴随着市场竞争的激烈，我国工业企业为了生存和发展正在大幅提高企业的核心竞争力,许多企业自主研发进程大大加快，新产品试制的频次逐渐增多，生产制造周期越来越短，产品质量越来越高。同时，作为试制单位，往往用过的刀具试制结束后就不再使用，造成大量刀具积压，面对新产品的结构和规格尺寸的变化，又要求新增与之相适应的配套刀具。这不但增加了刀具采购的成本，造成不必要的刀具闲置，也增加了刀具管理的难度。这在客观上对生产试制部门提出了挑战，如何适应生产要求，快速，高质量地向市场推出有竞争力的产品，是每一个生产管理者必须要面对的问题。
1 模块化刀具系统简述
1.1定义：
所谓模块化刀具系统即指刀具可以由2件或2件以上的模块按一定的连接方式组合成一套能完成一定的切削功能的刀具，刀具供应商已将模块标准化，系列化，用户可以根据不同的要求在一定的范围内变换组合，获得不同的刀具尺寸与规格。
1.2目前常用的模块化刀具系统：
（1）圆柱芯轴定位+键传递扭矩模块系统
圆柱芯轴定位+键传递扭矩模块系统示意图如图1所示。
[1]
图1 圆柱芯轴定位+键传递扭矩模块系统示意图
接口规格：有50，63，80三种（数字为刀柄外径，单位为mm）。
结构特点：圆柱外圆与内孔配合,结构简单，易于制造，成本低，定心精度差，在制造精度高时也可达到很高的定位精度，完全满足使用要求，但重复定位精度低。模块用螺栓从后部将两件把紧，安装简便牢固。靠键传递动力，有内冷通过。
选用原则：刀柄拆装不频繁，用户有能力可以自己根据需要改装或自制刀柄与之匹配。加工精度要求不高的场合。
（2）圆柱芯轴定位+滑动销拉紧并传递扭矩的模块系统
圆柱芯轴定位+滑动销拉紧并传递扭矩的模块系统其示意图如图2所示。
图2 圆柱芯轴定位+滑动销拉紧并传递扭矩的模块系统示意图 图3 滑动销在螺钉拧紧力的作用下孔壁变形的示意图
结构特点：结构简单，制造方便，成本低，定心精度优于圆柱芯轴定位+键传递扭矩模块系统。因为在拧紧力的作用下孔会微量变形，这样既消除配合间隙又实现自定心。由于此模块系统拉紧受锥面配在扭矩作用下产生的两模块拉紧的附加轴向力，同时此结构为前部安装，拆装方便。但此结构拉紧调整的规律不易掌握，平衡性稍差，由于零件较多且两侧均为螺纹配合件，松动倾向明显，特别在断续切削情况下更是如此。滑动销与拧紧螺钉为易损零件，应时常检查并对磨损或变形的零件及时更换，当该零件出现问题时刀柄会丧失其应有的刚性和精度。若刀柄意外损伤可能出现不易拆卸的情况。滑动销在螺钉拧紧力的作用下孔壁变形情况如图3所示。
选用原则：适用于模块数量少，拆装次数少，切削力小的轻加工场合。
（3）短圆锥定位+键传递扭矩的模块系统
短圆锥定位+键传递扭矩的模块系统示意图如图4所示。
图4 短圆锥定位+键传递扭矩的模块系统示意图
接口规格：有25，32，40，50，63，80（数字为接柄外元尺寸，单位为mm）。
结构特点：结构简单，但制造难度加大，由于锥体与锥孔装配后应有微量过盈，而此时刀柄两端面刚好接触并产生一定的接触应力。考虑到刀柄的互换性，这就要求刀柄接口的制造精度非常高。属过定位配合。此结构为后拉式把紧，中心冷却。受力后锥孔孔口变形量较大，造成刀柄锥面接触应力分布不均，反复装拆使重复定位精度下降。
（4）三棱短圆锥模块系统—CAPTO
CAPTO外形图如图5所示。
图5 CAPTO外形图 图6 受力后接口应力图
接口规格：有32，40，50，63，80，107（数字为接柄外元尺寸，单位为mm）。
结构特点：特殊的三棱结构，制造工艺复杂，没有传动键，靠多边形非圆结构传递动力。故刀柄结构紧凑，刚性好。刚性——由于此结构锥面过盈配合，端面和锥面均有接触应力存在，故刀杆连接刚性加强。定心精度——特殊的三角形结构使其在回转中心圆周均匀分布（间隔120度）相等的向心力，在受力情况下配合面圆周变形相互抵消，故定心精度高。重复定位精度——在传递动力时内锥面三面受力均匀，接触面积大，所受应力小，频繁更换产生的磨损也很小，故重复定位精度高。连接精度——制造精度高，连接3-4件后其前端径跳小于0.01。此结构在受力情况下的应力分布图如图6所示。
2 模块化刀柄在生产中的实际应用
2.1镗削刀具模块化
（1）刀具接口形式
对于发动机的缸体和缸盖加工，高精度的孔加工是其中最主要的加工内容。如凸轮轴孔，曲轴孔，汽缸孔，定位孔等。针对试制产品孔类规格尺寸变化较大的特点，我们选用结构先进，规格种类齐全的CAPTO 三棱短圆锥接口形式的模块镗刀。
（2）刀具规格范围
精镗刀直径规格从Ф3~Ф270，长度从3倍长径比到7倍长径比（大于4倍长径比通常采用减振模块刀柄），粗镗刀直径规格从Ф23~Ф190长度的范围基本和精镗刀一样也达到3~7倍长径比。
（3）应用效果
任意组合——随着我们库存模块刀具品种的不断完善，很好的解决了新产品试制中的孔加工刀具短缺问题。既减少了刀具成本又缩短了产品生产周期。对于超长的凸轮轴孔和曲轴孔（长径比超过7倍），通常采用掉头镗削利用机床精度保证孔的同轴度控制在0.03以内。
以镗代铰——有了模块式镗刀后，我们在铰孔中以镗代铰，对于孔表面精度要求低于Ra0.8，尺寸精度低于6级的孔,完全达到精度要求又提高了孔的位置度与直线度。同时又不牺牲加工效率,因为对于涂层刀片,其切削速度是铰削的3倍以上。
代替复合刀具——对于阶梯孔及倒角等需要复合刀具的场合—如气门导管孔加工，采用镗削加工分步进行，虽然效率较低，但避免了非标刀具制造周期长（通常国内产品为4~6周，国外产品为6
关键词：模块化刀具系统 采购成本 刀具管理 生产周期
引言
长期以来，对新产品的试制程序通常是试制部门拿到产品图纸后制定生产工艺，根据工艺要求提出刀具采购计划，刀具采购员按照计划与刀具供应商联系采购。刀具供应商设计刀具图纸后经用户技术人员会签确认后投入生产，这一过程通常需要4~6周时间。而刀具供应商制造刀具的周期通常也要4~6周，加上新刀具调试合格还要2周时间，如果刀具出现质量问题返修或重新制造则时间会更长。总之，新产品的制造周期至少要4个月以上。
伴随着市场竞争的激烈，我国工业企业为了生存和发展正在大幅提高企业的核心竞争力,许多企业自主研发进程大大加快，新产品试制的频次逐渐增多，生产制造周期越来越短，产品质量越来越高。同时，作为试制单位，往往用过的刀具试制结束后就不再使用，造成大量刀具积压，面对新产品的结构和规格尺寸的变化，又要求新增与之相适应的配套刀具。这不但增加了刀具采购的成本，造成不必要的刀具闲置，也增加了刀具管理的难度。这在客观上对生产试制部门提出了挑战，如何适应生产要求，快速，高质量地向市场推出有竞争力的产品，是每一个生产管理者必须要面对的问题。
1 模块化刀具系统简述
1.1定义：
所谓模块化刀具系统即指刀具可以由2件或2件以上的模块按一定的连接方式组合成一套能完成一定的切削功能的刀具，刀具供应商已将模块标准化，系列化，用户可以根据不同的要求在一定的范围内变换组合，获得不同的刀具尺寸与规格。
1.2目前常用的模块化刀具系统：
（1）圆柱芯轴定位+键传递扭矩模块系统
圆柱芯轴定位+键传递扭矩模块系统示意图如图1所示。
[1]
图1 圆柱芯轴定位+键传递扭矩模块系统示意图
接口规格：有50，63，80三种（数字为刀柄外径，单位为mm）。
结构特点：圆柱外圆与内孔配合,结构简单，易于制造，成本低，定心精度差，在制造精度高时也可达到很高的定位精度，完全满足使用要求，但重复定位精度低。模块用螺栓从后部将两件把紧，安装简便牢固。靠键传递动力，有内冷通过。
选用原则：刀柄拆装不频繁，用户有能力可以自己根据需要改装或自制刀柄与之匹配。加工精度要求不高的场合。
（2）圆柱芯轴定位+滑动销拉紧并传递扭矩的模块系统
圆柱芯轴定位+滑动销拉紧并传递扭矩的模块系统其示意图如图2所示。
图2 圆柱芯轴定位+滑动销拉紧并传递扭矩的模块系统示意图 图3 滑动销在螺钉拧紧力的作用下孔壁变形的示意图
结构特点：结构简单，制造方便，成本低，定心精度优于圆柱芯轴定位+键传递扭矩模块系统。因为在拧紧力的作用下孔会微量变形，这样既消除配合间隙又实现自定心。由于此模块系统拉紧受锥面配在扭矩作用下产生的两模块拉紧的附加轴向力，同时此结构为前部安装，拆装方便。但此结构拉紧调整的规律不易掌握，平衡性稍差，由于零件较多且两侧均为螺纹配合件，松动倾向明显，特别在断续切削情况下更是如此。滑动销与拧紧螺钉为易损零件，应时常检查并对磨损或变形的零件及时更换，当该零件出现问题时刀柄会丧失其应有的刚性和精度。若刀柄意外损伤可能出现不易拆卸的情况。滑动销在螺钉拧紧力的作用下孔壁变形情况如图3所示。
选用原则：适用于模块数量少，拆装次数少，切削力小的轻加工场合。
（3）短圆锥定位+键传递扭矩的模块系统
短圆锥定位+键传递扭矩的模块系统示意图如图4所示。
图4 短圆锥定位+键传递扭矩的模块系统示意图
接口规格：有25，32，40，50，63，80（数字为接柄外元尺寸，单位为mm）。
结构特点：结构简单，但制造难度加大，由于锥体与锥孔装配后应有微量过盈，而此时刀柄两端面刚好接触并产生一定的接触应力。考虑到刀柄的互换性，这就要求刀柄接口的制造精度非常高。属过定位配合。此结构为后拉式把紧，中心冷却。受力后锥孔孔口变形量较大，造成刀柄锥面接触应力分布不均，反复装拆使重复定位精度下降。
（4）三棱短圆锥模块系统—CAPTO
CAPTO外形图如图5所示。
图5 CAPTO外形图 图6 受力后接口应力图
接口规格：有32，40，50，63，80，107（数字为接柄外元尺寸，单位为mm）。
结构特点：特殊的三棱结构，制造工艺复杂，没有传动键，靠多边形非圆结构传递动力。故刀柄结构紧凑，刚性好。刚性——由于此结构锥面过盈配合，端面和锥面均有接触应力存在，故刀杆连接刚性加强。定心精度——特殊的三角形结构使其在回转中心圆周均匀分布（间隔120度）相等的向心力，在受力情况下配合面圆周变形相互抵消，故定心精度高。重复定位精度——在传递动力时内锥面三面受力均匀，接触面积大，所受应力小，频繁更换产生的磨损也很小，故重复定位精度高。连接精度——制造精度高，连接3-4件后其前端径跳小于0.01。此结构在受力情况下的应力分布图如图6所示。
2 模块化刀柄在生产中的实际应用
2.1镗削刀具模块化
（1）刀具接口形式
对于发动机的缸体和缸盖加工，高精度的孔加工是其中最主要的加工内容。如凸轮轴孔，曲轴孔，汽缸孔，定位孔等。针对试制产品孔类规格尺寸变化较大的特点，我们选用结构先进，规格种类齐全的CAPTO 三棱短圆锥接口形式的模块镗刀。
（2）刀具规格范围
精镗刀直径规格从Ф3~Ф270，长度从3倍长径比到7倍长径比（大于4倍长径比通常采用减振模块刀柄），粗镗刀直径规格从Ф23~Ф190长度的范围基本和精镗刀一样也达到3~7倍长径比。
（3）应用效果
任意组合——随着我们库存模块刀具品种的不断完善，很好的解决了新产品试制中的孔加工刀具短缺问题。既减少了刀具成本又缩短了产品生产周期。对于超长的凸轮轴孔和曲轴孔（长径比超过7倍），通常采用掉头镗削利用机床精度保证孔的同轴度控制在0.03以内。
以镗代铰——有了模块式镗刀后，我们在铰孔中以镗代铰，对于孔表面精度要求低于Ra0.8，尺寸精度低于6级的孔,完全达到精度要求又提高了孔的位置度与直线度。同时又不牺牲加工效率,因为对于涂层刀片,其切削速度是铰削的3倍以上。
代替复合刀具——对于阶梯孔及倒角等需要复合刀具的场合—如气门导管孔加工，采用镗削加工分步进行，虽然效率较低，但避免了非标刀具制造周期长（通常国内产品为4~6周，国外产品为6
