汽车零部件加工智能化刀具管理研究

张世君

山东浩信浩德精密机械有限公司 261307

俗话说 “三分技术，七分刀具”，刀具在数控加工的重要性不言而喻，在数控加工车间，刀具管理成为数控加工的主要因素。在产品开发过程中可用到很多刀具，例如：缸体缸盖及集成的数控机床加工中，卧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。在浩信集团160余种产品加工过程中，涉及到的有3800多种刀柄、刀具、刀片和刀具配件，分布在6个加工分厂十多个车间，那么这些刀具的整个生命周期管理（见表1）就成了是否能控制好加工成本的关键。也是企业导入CIMS/PLM/ERP/DNC/TOOLManager/WMS/MES系统的关键。

表1 刀具管理的智能化

刀具标准的编码导入到PLM产品生命周期管理

1.全面刀具编码的规范及标准

公司必须建立起第一层统一刀具编码，这也是统筹管理若干数控刀具厂家的唯一编码（当然开始不可能全面覆盖，可以分步走，争取做到全面覆盖，主要在于覆盖没有国际编码的刀具）。编码设计是数据库系统开发的前提条件，是系统不可缺少的重要内容。编码是指与原来对应名称对应的编号、符号或记号。它是进行信息交换、处理、传输和实现信息资源共享的关键。编码也用于指定数据的处理方法、区别数据类型并指定计算机处理的内容等，主要作用如下：

（1）有利于提供正确的刀具资料 由于刀具要经过订购、验收、入库、领发、退库、记录等多个环节，再加之种类、数量繁多，容易造成名称错乱的现象，造成采购、验收、领发和记录不便。对刀具统一编码后，每一把刀具对应一种编码，同时也能克服由于手工作业而造成的刀具漏记现象。

（2）有利于计算机智能管理 有了良好的刀具编码，再配合计算机的使用，对刀具进行记录、统计、核算等操作能大大提高工作效率，这样才能有更多时间让刀具管理人员在刀具数量和现场整理方面下功夫，使刀具数量更加准确。

（3）有利于防止刀具舞弊事件的发生 刀具统一编码，并采用计算机管理后，对刀具管理流程，就必须做出严格的控制，即规定原始单据的填制、审核、计算机资料的记录、审核和修改，应分别由不同人员按规定的程序进行管理。这样经过严格的程序控制后，可以减少舞弊事件的发生。

刀具编码建议采取工序编码、工步编码、刀柄编码、刀具编码、刀片编码、配件编码、刀具制造商（品牌）等编码要素及原则。

工序编码是工艺标准化使用，编码条码的编制，工步编码便于程序的阅读，刀具刀片配件是制定刀具管理编码。

（1）唯一性 即用意单纯，每种规格的刀具或辅具对应唯一的一个代码。

（2）系统性 尽量使代码结构中的每一位都具有实际意义，即尽量适应组织的全部功能需要，并且从信息系统的全局结构考虑，便于分类识别和形成一个系统化的代码体系。

（3）可扩展性 要考虑将来可能扩展的需要。

（4）通用性 简介明了，适用面广，通用性强，便于记忆和校验，位数较少，并且尽可能的照顾用户的使用习惯。

2.刀具编码

可以按照国家拼音缩写来编制，也可以依据国际IS13390标准进行编制，采取英文简码的方法来进行编制，数控刀具编码规范表见表2。

表2 数控刀具编码规范表

1）编码为了更好地服务整个全流程识别，建议增加工序编码，工步编码等例如：

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

这样加工程序与工件程序编号以及工步刀具刀杆及刀片全部信息具有了，下一步就是刀具计划、采购、购买、入库、产前准备、在线管理等）。这个刀具编码及清单就是前期的EBOM或PEOM.

2）工序编码原则：（英文编码原则）如表1所示，也可以采取中文评议简码的原则进行编码，见表2。

表2 制造加工工序编码规范

3）依据ISO133990刀具标准，全面梳理数控车刀具、旋转刀具种类，对刀具刀柄、刀具本体、刀片及刀具配件等刀具要素，进行全面的刀具编码编制。

根据编码原则进行工艺流程的制定，根据工艺流程进行CAM刀具及加工程序编写，如图2所示。根据世界级刀具制造商的刀具数据库进行刀路编写、CAM软件自动产生工艺列表（SetupShee）及刀具列表（ToolList-EBOM），根据刀具清单进行刀具预准备并产生刀具清单二维码。

图2 工艺流程

因此CAM软件是汽车零部件加工企业必备，也是加工设计、制造、刀具、程序和机床的枢纽，是智能化、信息化推进的核心技术。这里特别指出的是：欧美国家的CAD/CAM是无缝集成的，设计完毕，有一个简单的加工流程，开始采取CAM进行制造刀具、程序编制，直接导出工艺类列表和刀具清单等，省略了大量的人力物力去制定工艺清单的时间，这是欧美国家有别于我们的地方，在这方面我国远远落后于他们。

根据编码清单可以在CAM软件中生成EXCEL、TEXT文件，导入到刀具管理软件系统。作为加工产品的前期导入刀具BOM文件，也是进行刀具计划及现场刀具准备的输入部分。作为程序管理、程序模拟预览及刀具准备的输入信息，也是全面刀具信息化、数字化管理的抓手。

刀具库接到CAM制造中心的输入刀具清单（或通过DNC服务器输入的带有刀具清单的加工程序）进行刀具准备，进行刀具预调，对系列刀具清单打印刀具信息三维码，通过刀具管理软件进行台账及在线刀具信息管理。对刀仪写入RFAD。

建立PLM需要的工艺二维码、加工程序二维码、刀具清单二维码，导入到PLM系统，建立起PLM配方与ERP（企业资源规划）及MES（制造可执行系统）相关联。

根据PBOM及库存，生产计划即进行刀具的需求预测，采购计划，通过ERP产生刀具采购清单。

CBOM主要根据现场刀具的消耗与工步清单，建立起标准化的刀具工序工步的使用消耗清单及CBOM成本消耗清单。

CBOM建立起消耗标准后导入到PLM或ERP系统，建立起刀具消耗配方标准与TM系统及WMS库存的联系，也是刀具精细化到产品的标准化管理及配方相适用的标准、消耗、成本、核算和考核的机制。

根据CBOM清单及刀具管理TM软件导出刀具消耗及库存数据，直接核算产品的刀具成本，细化到了工序及工步，都是可以做到精细化管理及精益成本核算的。

通过刀具编码、CAM刀具列表及程序刀具列表的技术举措的推出，大大缩短产品切换模时间，自2009年到2021年，在几个工厂实践推广过程中，加工中心切换时间缩短至少45%～55%，数控车缩短35%～45%，精益改善显而易见，大大促进了SMED精益生产的推进。精益生产效益大大提升。特别是在多品种、小批量的生产企业更加显著。在这样的企业切换时间是提高效率的关键，恰恰刀具清单及刀具配送解决了本难题。

刀具PLM-CBOM的建立及统计

（1）刀具寿命的采集（COST-BOM刀具成本的建立） 刀具寿命管理目前为止有几种管控方法，分别是数控系统管理法、人工SPC统计法、人工看板统计法、刀具管理软件刀具寿命统计法及宏程序刀具寿命管理法等。

数控系统通过内置的刀具寿命数量来进行暂停报警的方法，来强制换刀，控制预防刀具的失效。

人工SPC法是关键尺寸强制换刀法，在关键尺寸控制时，务必区分粗加工、中加工、精加工。这样可延长刀具的寿命，增加换刀的间隔，从而为机器人无人值守的加工奠定基础。在SPC统计中，采集定量的刀具寿命（失效）与关键尺寸的关系，从而在刀具磨损到一定程度时，避免因刀具磨损失效而导致尺寸的不良或超差。这个也是汽车零部件刀具寿命管理及质量管理的重要部分。也是如何降低汽车零部件加工控制刀具成本的关键方法。

（2）宏程序刀具寿命管理 动刀具切削刃磨损，保证不了加工尺寸及表面效果，需要让数控程序产生报警，提醒或强制作者者更换刀具或修改刀补。

1）为了防止操作者在修改磨损值时输入错误。

2）为了保证工件尺寸精度和表面粗糙度。

那么当刀具的切削刃磨损到一定程度，就需要让数控程序产生报警，提醒或者强制操作者更换刀具。

刀具参数的标准化

刀具参数标准化一般是参考刀具厂商推荐的参数进行加工，重要的是切削参数、被吃刀量、进给量和冷却方式所决定，还需要考量机床的刚性、主轴的功率大小、扭矩的大小等。

考量六大材料组的切削性能，选取规范的、科学的、优化的参数，是提高效率、增加质量、降低成本的关键。例如：根据钢P类产品的牌号，根据产品硬度来选取切削参数及刀具，软钢，可以采取陶瓷和金属陶瓷高速加工；淬火钢可以采取CBN较慢速度加工参数的方法辩证的选取参数及刀具，从而提效增质降本。加工灰口铸铁时较高吃刀量，较高切削速度选取无断屑槽式的前后角的刀片CBN刀具进行加工，从而效率显著提升。刀具成本显著降低。

试切削是参考厂家的工具书的提供建议切削三要素，观察机床的主轴负载，统计刀具的正常寿命，在优化切削参数时对刀具寿命的统计，来汇总参数及刀具寿命，产品加工的单位数量，综合考量成本的关系，从而优化到最佳平衡点，刀具、效率、成本、质量最佳的切削参数是技术人员需要在现场大量数据来支撑与验证的。而近几年刀具应用工程师的缺乏，导致汽车零部件加工厂缺乏刀具参数最佳优化的缺陷，从而刀具成本居高不下，效率提升不能找到平衡点。部分加工厂刀具费用高居不下，已经超过20%以上，浪费严重。

试切削后刀具品牌的相对固定化，纳为A类重点刀具的管理，务必采取固化品牌及供应商的方法。

刀具失效模式的诊断及失效预防（编制刀具失效模式的可视化看板），失效模式的诊断培训及预防。

刀具的智能管理软件系统

拥有一个完整的数控刀具管理系统，能对企业生产过程中的工装、刀具、夹具和量具进行整体的流程化管理。通过实时跟踪工装及刀夹量具的采购、出入库、修磨、报废和校准等过程，帮助库管员、工艺员、制造工程师和工装及刀夹量具主管等更有效地改善刀具管理过程，降低成本。刀具管理软件日益成熟。

使用刀具管理系统到优势：减少刀具成本，减少管理仓库与订单的成本，优化刀具使用，增强刀具的实用性，按刀具订单结款，直接从CAD/CAM系统找到刀具数据和2D/3D图形，可模拟现有刀具的3D图形，减少由于刀具产生的停产期。

刀具管理系统外设有几种途径：外设刀具条码管理系统、刀具管理智能柜、对刀仪、加工中心刀具管理终端等。这些智能化、信息化的管理终端及系统大大提升了刀具管理的系统化、智能化、信息化等系统。

刀具管理系统通过数据库接口PLM系统、CAM系统、DNC系统、ERP系统、SMC系统、WMS系统、AGV系统等。

图6 刀具管理系统外部链接智能终端射线图

刀具智能仓库（柜）的使用

智能刀具柜及智能售货系统，世界各大刀具厂家都推出了本产品，导入了具有信息化、智能化的刀具管理系统（软件、硬件、管理理念等），可以作为刀具管理软件的外设终端使用。加强了刀具管理系统软件的智能化管理基础。

1）通过RFID（Radio Frequency Identification）技术。

2）条形编码系统 。

3）磁芯码和芯片。

4）传感器技术。

5）员工（使用人员的ID条码或芯片系统）。

刀具柜管理APP或管理软件会自动导出刀具柜刀具清单，设置好安全库存以后，可以自动生成时间节点的刀具需求，从而建立起刀具的采购计划，包括刀具入库入柜的自动入库清单。MATRIX刀具柜MAXI机型里的MATRIX自动刀具管理系列产品，提供最广泛的选择，最大的存储容量。适用于各种切削工具及相关工具，如：刀片、钻头、刀柄、整体硬质合金刀具、量具及检测设备。

世界先进刀具公司包括山特维克集团、伊斯卡集团等企业，全部进行了智能刀具柜的制造、推广与销售，软件与智能化的管理融为一体，原理基本与自动销售柜一样，具有智能化、信息化、数字化的特点。国内也出现了几家制造与销售企业。

刀具柜的使用流程：刀具供应→至刀具柜→登录系统（指纹/扫描/工卡）→刀具条码扫描/输入产品料号→刀具柜自动弹出对应抽屉→放入/取出对应刀具并关闭抽屉→刀具柜自动计算数量进行入库→打印凭证→凭证与单据审核。

智能售货柜（刀具柜）的导入极大方便了数控加工流水线或数控加工车间的刀具管理，为刀具管理软件的理念落地奠定基础。

刀具刃磨及外包或一体化管理

刀具的刃磨是非标刀具降本最重要的手段，也是较为昂贵刀具的策略，需要关注以下问题点：通过工厂自我刀具管理的基础数据，通过精细的成本管理，这样才可以前后对比，较为科学地精细化地做好大包后的成本核算及外包。如：一汽大众、上海大众、奇瑞汽车、上汽通用五菱甚至韩国的汽车公司都曾组织力量研究和了解有关刀具一体化管理的经验，有的也准备采用刀具管理外包这种模式，如现在上海大众动力总成有限公司已采用刀具管理外包。

建立起公司级或集团级的刀具中心，进行刀具战略、刀具验证、刀具计划、刀具在线管理、刀具智能化管理统筹管理。可以降低刀具成本的5%～20%。一个50亿元产值的汽车零部件集团，一年刀具费用是1.0亿元的话，可降低500万～2000万元。丰田公司一直采取本管理措施，刀具成本控制得一直稳定。国内的山东豪迈集团，也是采取本措施，成立了创新办，试切削、推广、标准化、中央刀具管理、自动配送、集中管理、分厂指导、协调、调配、现场服务、培训等，刀具成本控制得非常好，先进刀具推广几年，在国内是精益生产的标杆。

对于产品进行精细化管理，从BOM清单的建立、刀具的编码落地，采购成本的管理、在线刀具的管理、刃磨、调拨、新刀具的验证做到全面的管控，提质增效降本。

刀具TPM管理

刀具TPM管理，TPM（Total Productive Maintenance）全员生产维护，在汽车零部件加工中显得重要，一个流的大规模生产线加工过程中，因为一个刀片、一把刀具的损坏就可能导致整个生产线的停滞，导致OEE低下，因此对于刀具的标准化管理及维护就显得格外重要。

刀具寿命管理可以防止刀具的磨损和破损，但因为刀具寿命的随机性，其寿命极限估计往往过于保守，以致大部分刀具未能充分利用。在无人化加工系统中，这将意味着换刀次数和刀具费用的增加。因此，机加工过程中，定量、定时地掌握刀具切削状态，监测与诊断刀具磨损、崩刃等损伤故障，对于延长机床设备无故障运行，提高产品质量具有重要的意义。

刀具的刃磨，刃具的刃磨有整硬铣刀、合金钻头、非标复合钻头、铰刀、直槽丝锥等，这些刀具通过强制更换，进行刃磨及涂层，能够提升刀具寿命，降低刀具成本。这里需要指出的是：刃磨后刀具尺寸发生变化，需要进行特殊管理，特别在程序上的刀具半径补偿需要特别标识及管理。

刀具的维护维修主要包括刀杆的维修维护、刀具刀体的维修维护，刀具配件的购买准备与维护，检查盘刀的刀体是否完好，是否存在失效隐患，及时发现保全，杜绝失效发生是降低成本的有效措施。例如：盘刀或镗刀片固定螺栓的强制更换，杜绝失效的发生，是对刀具全面的TPM的措施之一。

导入刀具技术管理员及刀具工程师是刀具TPM推广及完善的措施之一，在这方面，汽车零部件加工企业欠缺较多，往往都是刀具出现失效，造成撞车事故后再换新的刀具的方法，导致毛坯及刀柄的损坏，得不偿失，造成生产的停滞。

刀具回收以及利用。世界各大刀具厂商对刀片的回收都有整套方案，包括回收的标准及有偿回收要求，主要回收的是整体硬质合金刀片类、铣刀类、钻头类等，不适合回收的刀具：整体 PCD 刀片、整体PCBN 刀片、金属陶瓷和陶瓷刀具。因此在废旧刀具管理过程中需要分类整理，分类进行回收的管理。这样降低成本，绿色环保是有意的。

智能化信息化刀具管理的展望

现场刀具管理与CAM制造系统无缝集成，现场刀具及加工程序的无缝集成是涉及到刀具编码及加工程序标准化编制的规范化的重要组成部分，是前期技术管理工作的重点。

加工程序及刀具清单无缝集成，是打通加工SMED的关键，在这方面是应对快速换产的重要技术要素。

数控系统内置刀具条码及芯片管理模块，在MDI加工过程中进行刀具信息录入，通过程序的运行进行刀具信息及刀具寿命的管理。通过内网或互联网，随时可以查询机床刀具使用状态及刀具消耗情况，为无人值守奠定基础，为成本即时管控带来可量化的大数据。

智能化刀具管理柜通过网络连接，集成的对刀仪、机床芯片扫码系统，整合ERP系统，及时对刀具采购计划进行整合，对采购、库存、消耗、在线管理、刃磨管理等建立起强大的物联网络。

结语

通过一系列的CAD/CAPP/CAM的技术活动，建立起PLM刀具的开端，导出EBOM、PBOM、CBOM清单，结合订单、库存和现场刀具消耗，制定采购计划，以及库存入库、刀具发放、刀具预调、准备和配送AGV，刀具的现场管理、刀具的刃磨、寿命管理、TPM管理和刀具的回收管理，整个刀具智能化寿命周期管理建立起来。为整个汽车数控加工厂车间的数字化、智能化、信息化打下来坚实的基础。