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试谈刀具与模块化 |
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作者： |
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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，结合对刀具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；焊接式车刀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、齿轮、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， 崩了一点刃口的铣刀还是铣刀等。
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，我们在某车床上使用一刀具系统，其装上钻头作为切削模块，用钻夹头作为链接切削模块与环境（ 机床）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丝锥，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。(end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(11/21/2004) |
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