解析我国先进工艺切削技术的差距与基于可调模型的系统工程的技术对策

上海敖智信息有限公司 范亚炯

南京能新电力实业有限公司 杨芸

兰州电务段 于帆

解析我国先进工艺切削技术的差距与基于可调模型的系统工程的技术对策

上海敖智信息有限公司 范亚炯

南京能新电力实业有限公司 杨芸

兰州电务段 于帆

我国制造业的规模与总量已进入世界前列，成为全球制造大国，但发展模式仍比较粗放，核心工艺技术创新能力薄弱，先进工艺切削技术相对制造强国仍有较大差距。以精密、高效、低成本、绿色为特征的现代现代先进切削技术，在发达国家已成为先进制造业主体技术群的关键技术，综合效应得到空前提高。相比我国引进的许多高档数控机床和先进刀具却未充分发挥效益。如何抓住机遇，迎接挑战，以更快的速度、更高的质量、更低的成本、更少的消耗实现刀具核心工艺切削技术的全面突破与飞跃，需要我们尽快熟悉正向设计全面创新的过程要求，并建立、健全相应的机制与对策。

我国制造业的规模与总量已进入世界前列，成为全球制造大国，但发展模式仍比较粗放。核心工艺技术创新能力薄弱，先进工艺切削技术相对制造强国仍有较大差距。以精密、高效、低成本、绿色为特征的现代现代先进切削技术，在发达国家已成为先进制造业主体技术群的关键技术，综合效应得到空前提高，相比我国引进的许多高档数控机床和先进刀具却未充分发挥效益。可能侧重于逆向工程的跟踪研仿，未注重于正向设计可调式刀具的自主创新是其原因之一。

如何抓住机遇，迎接挑战，以更快的速度、更高的质量、更低的成本、更少的消耗实现刀具核心工艺切削技术的全面突破与飞跃，需要我们尽快熟悉正向设计全面创新的过程要求，并建立、健全相应机制与对策。

一、可调式刀具正向设计

1．功能分解与系统综合的创新特征

相对不可调刀具，可调式刀具技术的含量与复杂程度将越来越高，为缩短研发周期、降低成本，工艺切削设计需在早期综合考虑刀具的一维模型、三维模型、控制模型等，并在概念阶段对产品的架构进行验证和优化，以在研发早期发现和解决工艺切削系统高层设计中适应现代制造业的新要求与新问题。基于可调模型的现代刀具应用系统工程（MBSE）的解决方案，为刀具的研制与应用提供了一个模型驱动的系统工程工作环境，即从现代工艺切削系统的需求阶段开始即通过模型（而非文档）的不断演化、迭代，实现刀具全生命周期的系统设计，为各节点提供一个公共、通用、无二义性的信息交流平台。因而能通过模型的结构化定义，在设计初期清晰刻画刀具的初始架构、功能与行为等各方面协调的需求，并通过仿真测试对设计方案进行验证和优化。

刀具的正向设计包含概念设计的全部内涵，就是根据刀具生命周期各阶段工艺切削需求的具体要求进行其使用功能关联与有效性的市场需求与服务分析，确定其功能分解与综合的原理、功能载体的选择和方案组成等。这种设计使不可调刀具的单向可转位、单项可调换、不重磨低层次的可调创新提高到刀具切削参数综合可调的全面创新与效用的突破。因而，刀具系统的效用手段与方法，即系统目标必须具有的控制、调节等功能，进入与目标相适应的状态，并能排除一定的非线性干扰，即：转位、调整、重磨 、调换、紧固、自保系列使用功能效用的有序关联，映射到操作程序就能表达了刀具动态参数动态优化与工序能力指数与集中程度的提高。其执行机构在接触弧面上有限往返，生成工艺动作的多样性安全、可靠，保证了能力拓展的有效性。可调式刀具综合工具系统（发明专利号：20130171116.7）刀头构件的弧面接触低运动副就是其成功实施的案例，具体说明了可调式刀具正向设计的创新特征。

2．工艺切削系统作业环境分析

由于被切削材料性能和切削条件的千变万化，考虑刀具应用工程开放系统时，除要了解系统的具体特征外，还必须了解工艺切削环境等因素对系统的影响方式和程度。所以，及时抓住正向设计工艺需求、功能分解、系统综合的发展创新要求，就能将工程科学、刀具技术专业（包括可转位刀片材质、涂层与系统参数等）知识、经验、技巧，以及科学工艺加工方法和产品模块化与供应链协调等各方面知识融合在一起，进行刀具的系统挖掘与创新。这需要我们全面深刻认识刀具系统的效用手段和方法的全程性，对延续刀具全生命周期各阶段使用功能进行深入的系统解析，有效协调各使用功能序列的关联技术，使刃口切削参数的分布式控制功能的实现，不是由一个控制者子系统来执行，而是分散地由系统的和各组成部分协同地、按一定概率分布发出的控制信号来加以实现，这种自组织机制能保证工艺切削质量的提升和系统效益的全面提高。

二、刀具系统效用手段、方法的综合机理

1．刀具使用功能的系统效用性与应用意义

我国的机械加工行业始终未能将延续刀具全生命周期的效用手段、方法，即各阶段上的使用功能：转位、调整、重蘑、调换、紧固、自保技术经过系统综合和协调的反思、考量和评估，从而提出工艺切削参数动态优化的最佳途径和方法，运用于现代制造业整体效益与质量的提升，以最小的优化资源满足现代制造业的最新要求。现不可调刀具在延续刀具生命周期的关键节点上，缺乏效用的系统性，一直局限在转位、调换与重磨与不重磨功能的单向延伸上，不在延长其生命周期上对各使用功能的有序关联与系统综合上做相关延长刀具生命周期的动态研究与推广。静态参数的优化，提升不到刀具使用功能的动态领域，说明刀具机构有限运功的可靠性研究与分析方法赶不上时代对制造业的新需求，以致刀具几何参数缺乏动态优化理论的支持，海量参数无法形成能够聚类分析的核心关联技术、相应的流程与自组织机制。以致刀具适应性不广，工序能力指数不高，发展无动力。

2.不可调刀具静态结构的保守性

刀具应用工程系统指出：即使在刀具—工件材料副与涂层技术上获得较大发展，耐用度与适应性在高速、硬切削工艺性能上有较大提高，而在动态结构（—有结构部件，又有一定活动性）的综合功能上无所突破，只是硬技术的单向延伸。因为，一个整体功能的实现，不是也不可能是某个要素单独作用的结果。这种硬系统思维方式，对于刀具系统功能与刃口几何参数的认识局限于分散的点的阶段，还未延伸至能相互联系、作用的链段的较高层次。因而，无法突破转位、调整、重磨与不重磨、调换（刀片）以及刀头构件分散的孤立关系，难以随工艺系统目标、条件与资源的变化而随机变化，也无法根据其在系统中的有效关联，指导其集约与绿色化进程，而呈现其静态的保守性。

只有对不可调刀具工艺切削性能单一、加工参数落后的现象进行相关不协调的综合分析，才能指出其仅讲静态结构功能和刀具材料之间的硬性关系；否则，工艺切削集中能力的提高就不大，不能突破其系统庞杂的弊病。虽然，其机构也有单项运动和简单的线性变换功能，但其部件数量、运动副连接方式都不足以形成刀具结构综合可调的新的系统特性，以至工艺的分散设计性强，系统效应不高。

现代先进机床、先进刀具未充分发挥效益的重要原因之一，在于沿用单刃与多刃刀具的加工方法——即传统的加工方法（Conventional Cutting）,存在着工件被加工成形时能量利用率低和难于适应超级耐热合金、非结晶金属等缺陷。切削参数静态优化能力通用强、超精密切削的微量进刀和刃口偏角的微量调整操作与高质量、高效率的工艺难题得不到完善的新的解决方法，以及断屑可控性不足，这都说明不可调刀具技术使延续刀具使用寿命、拓展其工艺加工深度与宽度性能的拓展面很小或为零，完全割离了转位、重磨各使用功能的关联性，使得单项与综合技术均得不到提高。因而，工序能力指数只能处于B 级 （1.33 ＞Cpk ≥ 1.0 ）的一般状态，制程因素稍有变异即有产生不良的危险，应利用各种资源及方法将其提升为A级，这都说明其参数静态优化功能需要向变参数的动态优化功能拓展 。

3.可调式刀具动态结构的可调机制

以上解析说明改变刀具的静态结构或简单系统（线性系统）结构，就能改变其单项工艺切削性能适应性不广、生产系统效应不高的弊病。刀具结构的动态功能具有长远的创新意义，也说明了刀具系统硬技术、硬系统方法论需要软系统方法论补充与支持。

其过程为：发现工艺切削问题——确定问题状况——分析、定义工艺关联事项、挖掘关联技术——设计层次较高决策——前馈合理、可行的预期使用功能变化方案——改善与延长系统生命状况。

所以，其复合机构中包含了刀具诸多适应工艺切削性能随机变化的因素和过程。因而，可调式刀具工具系统效用手段与方法的综合可调模式就包括切削参数的集成效应与关联技术的指导、服务与流程的诠释，打破了不可调刀具在工艺程序上分散模式与短期被动式的低价值反应，侧重于较长生命周期的高质量、高效能、低成本的集中效应。至少能考虑经过一段工艺时间后，刀具在正常磨损与意外损耗后，如何运用效用手段与方法，分别协调转位、调整、重磨、调换等效用手段，修复优化刃口系统参数，顺应加工条件与工艺要求的变化，其工序能力指数就可能提升为A级（ 1.67 ＞ Cpk ≥ 1.33 ）能力良好，状态稳定，还有可能提升为A+级（A+ 级 2.0 ＞Cpk ≥ 1.67 ），这符合现代制造业的最新要求。

三、刀具工艺集中的自组织特征与工艺程序

不可调刀具应对工艺决策的层次一般是较低是分散式程序，因而信息量大，经验性强，关联性缺少，形成了刀具类型与品种的庞杂体系。加之工件强度与硬度以及刀具耐用度的分散性，其决策必须考虑其最高标准与最低状态，静态优化参数只是一种总体的相对优化，不能保证工艺各个节点均处于优化，只能是缺乏刀具工艺集中的自组织特征与前馈的保守状态。不可否认，这也确定了可调的空间尺码与可行性。

1.可调式刀具实用模型MBSE的演进新方法

可调式刀具重视了市场需求的牵引，并从刀具生命周期平台在体系中的定位出发，细化多批量、少品种不同生产类型的工艺切削系统作业协调的概念，可调式刀具简化模型表达了其工艺切削综合性能迭代需求，打造正向设计能力，实现在需求和功能方面创新的可能性与现实性。如图1所示。

图 1

可调式刀具的简化模型实是一种工艺切削性能集中的简化模型，说明刀具完整的系统设计，除包括三个重要活动：需求定义、功能分解和系统综合外，还包括系统分析与控制活动。与三项技术活动不同的是系统分析与控制活动属于管理范畴，其在可调式刀具设计体系中是较为独立的过程，但管理活动和技术活动整合起来研究才能有所创新和突破。完整的系统设计使其工艺切削效用手段和方法具有集成的功能，例如：刃口动态优化参数可调、断屑能力、冷却润滑、切削力超载刀头跌落自保、刀柄（刀杆与方形加持套的组合机构）配合弹性力的调整等功能都能集成于一体，也便于灵活操作与系统的集中管理。当然也不是一成不变的。它能根据工艺目标、条件和资源的变化而简约形成一定的特定结构模块。

2.工艺切削需求的系统新特点

现代制造业的刀具行业朝着体系与体系、系统与系统对抗的方向发展，网络、信息使系统内部各要素之间的联系更加紧密，系统综合效能的提高日益依赖于各要素之间的集成，体系结构体现了“组成系统的各部件之间的关系以及支配它们设计和演变的关联原则”。可调式刀具实用简化模型的方法对体系结构进行描述，进而开发合理的体系结构，从而为刀具工艺切削功能指数的提高增添了丰富的内涵。可以肯定，不可调刀具对工艺切削问题认识仅停留在可预知的平稳工艺环境、可预知的动态工艺环境和随机的平稳工艺环境中，分析其系统作业与协调问题，即可按封闭系统对待，也可概率论描述其概率分布特征 。其通用的静态结构或刚性执行机构，不能考虑与实施工艺集中、绿色、环保等多项现代制造业的新要求，也不适应定制化不同批量生产形式集约化的经济要求。

我国上世纪60年代开发可转位刀具技术，80年代、90年代基本成长、成熟，至今所推出的刀具性能参数只有少量的增加，进一步完善已有技术所产生的效益不大，企业应研究新的可调式刀具核心技术，以便在适当的时候替代现有的不可调刀具核心技术。

如图2所示，表示了新旧技术性能随时间的变化规律S型曲线的状况。

图 2

所以，刀具机构应由通用性较强的功能—行为—结构（FBS）功能求解模型，向针对性较强的工艺行为—执行动作—执行机构（PAM)功能求解模型发展，这需要工艺程序设计与刀具机构学结合起来,进行刀具复合机构的综合设计。

四、可调式刀具的基本特征与创新点分析

基于模型的工艺切削系统，它强调的是中央系统模型，与不可调刀具技术的不同在于，能同时捕捉以精密、高效、低成本、绿色为特征的现代制造业的整体需求和满足这些需求的工艺切削的高层设计与节点的具体决策，并通过模拟系统模型来验证成本、性能拓展和设计选择。我国工具企业至今还未掌握这种正向设计中的需求定义、功能分解、系统综合等基于模型的系统工程（MBS）的新方法，并对其流程有全面的认识与经验的突破，以致核心工艺切削技术相对制造强国尚有一定的距离。

由于不可调刀具未通过建立并使用一系列模型对整个自动化生产过程，以及各种生产类型的工艺切削系统工程的原理、过程和实践进行初步控制，也未通过连续、集成、综合等覆盖全周期的综合使用功能迭代驱动工作进程，大幅降低管理的复杂性，提高系统的鲁棒性和精确性。所以，可调式刀具系统机构的演变能说明，不可调刀具功能的互操作应由独立向基于共享资源的交互演进，接口定义由功能性的聚合、松耦合向高度综合、紧耦合的方向发展，集成工作由简单功能向更加复杂的功能发展，系统的互联由离散向高度网络化的互联发展，系统失效模式由透明化的简单行为向不透明的复杂综合行为发展，刀具的动态结构与核心工艺技术才能得到长足的发展与提高。

刀具是工艺切削性能的主要载体，单一使用功能机构不能满足与适应其复杂的工艺过程。所以，其刀头、刀杆、刀柄均是创新型复合机构。其核心技术不仅要满足各使用功能机构的复合要求，还要满足各单项机构的多功能要求。因而，刀具构件必须进行多功能的综合设计，各构件之间可调运动副的从属与并联的有机联系就显出刀具可调的系统目标，组成了与原各机构特点不同的创新型可调复合机构。

1.刀头机构

刀头的形位设计技术基本要求：

a.满足刀台与刀片安装角的各项装配与接合强度要求；

b.满足主偏角与前、后角调整幅度与重磨次数的调整预留尺度的二维要求；

c.满足刀头尾部加持部分后侧肘节机构调整刀头；

d.满足刀头绕刀杆轴线旋转调整，刀片刃口前、后角调整对刀台配合刀片的高度要求；

e.满足刀片旋转、定位与接合面二维变化的浮动夹紧和矢量调整等的一系列要求。

2.刀柄机构

刀柄机构是由刀杆子机构、刀套子机构、肘节子机构及弹力调整子机构复合组成。其构成要素所包括的保证体系的闭锁结构力也是可调的，因为刀杆前段为中空短椎、中部为中空圆柱套导杆与其固联，导杆尾部拉伸紧固外螺纹、紧固外螺纹尾部配内螺纹堵销，所以刀杆结合面的压强包括传递切削力矩所需要的最小压强Pmin，与零件不失效所允许的最大压强Pmax，所需要的最小过盈量不足，就可通过刀杆尾部螺纹销增加其弹性力，通过刀柄上部螺纹增压机构增加其最小过盈量与不产生塑性变形所允许的最大过盈量 ，因而能保证系统动态调整与动作协调的可靠性，在质量与精度所要求的范围内，根据系统中出现的相近几何参数，指导其工序集中与功能集成的流程，加工信息含量与工艺决策层次都较高。所以，能从被动式的分散工艺切削技术转为适应定制化不同批量生产条件下的自组织工艺过程，所以也是现代制造业工艺切削核心技术提高的最佳途径。

刀头、刀柄可调机构说明，可转位不重磨刀具虽然初步解决了刀具的识别技术、监控技术及管理技术的提高问题，但对于现代制造业的新需求，却未完全适应。因为它未反映，如IBM Rational Harmony for Systems Engineers 等广泛应用的MBSE 流程重点关注的是系统功能分析，并关注如何将功能要求转换为一致的系统操作描述，且灵活使用系统操作获得所分配系统架构块之间的端口和接口。这些接口形成了各子系统之间的正式切换基础，但在不可调刀具的静态技术范畴内得不到实现，刀具工艺加工能力指数与工艺集中能力均不高就是避免不了的矛盾。

3.进一步体现突破的关键技术

通过分析现有不可调刀具技术满足不了现代制造业工艺切削要求的实际状况，需要进一步突破其静态优化技术的局限。

现不可调刀具的加工参数优化模型多数是对切削速度、切削深度、进给量等工艺参数进行优化，其背景主要针对一台机床与一种工件材料，使得优化模型的实用功能受到很大限制。这主要受制于刀具几何参数优化静态技术。所以，切削参数优化空间的进一步拓展，不管是单向目标向多目标延伸，优化算法由离线调整向在线自适应控制拓展，优化目标由定参数向变参数拓展，还是由确定型向模糊化拓展，都说明了应对刀具工艺切削需求作系统的关联性分析与定义，以便和功能分解相互作用形成回路。即对延续刀具使用寿命与提高其工序能力指数，拓展其工艺加工性能的各功能事务的相关兴趣度作系统的深入调研、推广与应用。

不可调刀具的工艺切削流程传递信息的方式，仅仅局限在某个大批量少品种生产条件的参考体系内，信息之间的相互依赖性是隐形的，是静态信息，缺乏整体。MBSE传递的模型，是包括需求、结构、行为和参数在内的动态信息。MBSE方法论是用于支持在“基于模型的”或“模型驱动的”背景环境中系统诸多相关流程、方法和工具的集合。通过标准系统建模语言，构建需求模型、功能模型、架构模型，实现需求、功能到 架构的分解和分配，通过模型执行实现系统需求和功能逻辑的“验证”和“确认”，并驱动联合仿真、产品设计、实现、测试、综合、验证和确认环节。模型使整个组织中各类专业工程和技术领域人员更加直观地理解和表达系统，确保全程传递和使用的是基于同一模型。其流程如图3所示。

五、结论

可调刀具技术模型的系统工程（MBSE）强调在前期对需求开展充分的分析和验证工作，并基于需求开展功能分析和架构设计，而过去不可调刀具技术以仿制为主，对需求的分析能力不足，重视程度不够。所以，刀具企业的转型升级，应表现在刀具研制模式转型升级的过程中，需要对刀具工艺切削条件、操作需求开展深入和细致的分析，并在需求基础上进行功能分析和架构设计，实现需求层层传递细化。所以，基于需求开展正向设计，是刀具技术不容忽视，值得重视的重要课题。□

1.田锋 精益研发2.0 ：面向中国制造2025的工业研发 机械工业出版社 2016年4月；

2.顾培亮《系统分析与协调》 天津大学出版社 2008年6月P30--31；

3.闻邦椿 《机械系统概念设计与综合设计》机械工业出版社 2014年12月；

4.李瑰贤 《机构设计》化学工业出版社 2013年3月

5.闻邦椿 《创新设计与绿色设计》2014年12月；

6.机械设计手册《连接与紧固》 机械工业出版社 2007年3月

7. 高亮 扬扬 李新宇《数控加工参数优化的研究现状与进展》航空制造技术2010年第22期 P49-51

8. 范亚炯 浅议车床类刀具综合可调功能各方面的关联分析与挖掘技术《世界制造技术预装配市场》2016（4）P83

9.仇启源 庞思勤 《现代金属切削技术》 华中科技大学出版社 1989年

10.李大磊 王栋 机械制造工艺学机械工业出版社 2014年8月