當模具制造與工業4.0相碰撞
——刀具牌號、加工方式和有助提高生產效率的數字化集成

Andrei Petrilin

伊斯卡刀具國際貿易（上海）有限公司 上海 201108

1 序言

如同其他刀具制造商一樣，模具制造對于伊斯卡而言也是一大重要客戶群。這一工業分支不僅消耗了越來越多的刀具，而且不斷提出新的要求，對推進刀具的進步產生了重大影響。這些要求對所有機械加工領域來說都是典型的：客戶總是對生產率更高、更可靠和更高精度的刀具感興趣。然而，模具制造的特殊性使其較之一般需求更需做出特殊設計考量。

加工材料、加工形狀和加工策略是模具制造的三大顯著特征，對切削刀具需求有重大影響。伊斯卡認為，只有基于這些特征的全盤刀具開發理念，并結合對受工業4.0啟發的數字化發展的集成，才能為模具行業帶來成功的解決方案。

2 挑戰性工件材料

模具行業的主要零部件材料通常是淬硬鋼。工件硬度是影響刀具牌號和切削幾何形狀的主要因素。對模具磨損或損壞的各種修復方法包括對損壞表面進行焊接、熱噴涂和激光處理等，對這些表面的進一步加工則需要使用切削刀具來去除既有堅硬又有較軟材料層的部分。這種切削條件會大大縮短刀具的使用壽命，為此需要刀具制造商盡力來平衡和確保其必要的耐用性。

3 復雜的形狀

模具通常都有復雜的外形。3D輪廓是一個模具組的典型加工表面，能夠有效加工3D表面是對切削刀具的一個首要要求。刀具制造商需要提供加工形狀精度和表面粗糙度所需參數的刀具，并確保在一次操作中完成工件形狀或特定曲面加工所需的相宜刀具壽命水平。

4 加工

制造模具涉及多種加工工藝：車削、銑削、鉆孔和鉸孔等，以銑削為首。這些模具行業的特定屬性是以非旋轉零件為主，加工表面形狀復雜，必須生產加工去除大量材料的型腔，使得銑刀成為這一領域的重要刀具。

因其需要不斷提高新產品的生產率，模具行業往往成為先進加工方法的首用者：如高速銑削（HSM）和大進給銑削（HFM），并需開發出高效加工策略。

先進方法和技術的采納對刀具產生了極大的影響，也對刀具制造商提出了新的要求。多年來，提出的要求越來越嚴苛。如今的模具制造商代表了最嚴格的刀具消費群體之一，并希望刀具制造商對此產業趨勢做出回應。

伊斯卡多年以來與模具行業保持成功合作，通過推出新產品和升級現有產品，不斷提升其模具制造解決方案，同時提供復雜的刀具項目和相關咨詢。

5 刀具牌號

在模具制造中，可轉位玉米（也稱為長刃）銑刀通常用于型腔和寬槽的粗加工。刀具在高負載條件下作業時，可轉位刀片的牌號是提高刀具壽命的關鍵因素。伊斯卡推出了一種硬質合金牌號IC845，其特點是采用新的韌性硬質合金基體及SUMO TEC后處理技術的新型PVD納米涂層。該牌號是專為在大沖擊載荷下進行切削而設計的。使用IC845制成的刀片壽命更長，進而也提高了安裝該刀片的玉米銑刀和槽銑刀的性能。

伊斯卡向整體硬質合金立銑刀系列增添了IC702硬質合金牌號，旨在高效加工淬硬材料（硬度≤65HRC）。

6 技術前沿的仿形銑削

在加工復雜表面時，真正的主力軍是夾持圓刀片的銑刀和球頭銑刀。伊斯卡為模具制造商提供以下設計的刀具：可轉位刀片式銑刀、可換刀頭式立銑刀和整體硬質合金立銑刀。根據工件硬度從低到高分布的差異，刀具的公稱尺寸、精度、裝夾方式（刀桿式或心軸式）和應用范圍都有所不同。

中小企業在模具制造業中占很大比例，對于這些制造商來說，刀具的通用性（多功能性）是其選擇刀具的一大要素。

伊斯卡LOGIQ系列推出了一款專門針對該挑戰性市場的新產品——TOR6MILL系列可轉位式銑刀（見圖1）。TOR6MILL銑刀可裝夾4種不同幾何形狀的刀片，通過在刀體上匹配相對應的刀片，可將其轉變為圓角銑刀、90°主偏角銑刀、45°主偏角銑刀或大進給銑刀。該刀具可用于加工3D曲面、方肩、平面、倒角或用于大進給粗銑加工。

圖1 TOR6MILL系列可轉位式銑刀

7 創新技術

經驗證，大進給銑削和高速銑削可顯著提高加工效率，同時能減少手動操作，從而大幅縮短生產制造周期。20世紀90年代，模具行業在很大程度上憑借及時引入這些高效方法，成功地填補了急劇增加的生產需求。

8 大進給銑削

如今，刀具生產商們基本都能為客戶提供大量的大進給（也稱快速進給或FF）銑刀以供做出選擇。伊斯卡的標準大進給銑削系列包括10余種不同刀具系列，其設計理念（可轉位式、整體式及可換頭式）、公稱直徑、切削幾何形狀、安裝方法和適用性（面銑、型腔銑及深腔銑）都各不相同。這種多樣化的范圍，便于模具制造商能夠根據自己的需求選擇最佳刀具。

伊斯卡洞察到采用大進給銑刀是提高生產率的重要手段，通過引進新產品系列和升級現有產品系列，持續推動大進給銑刀的發展。NAN3FEED和MICRO3FEED是伊斯卡最新推出的兩款可轉位大進給銑刀，直徑范圍為8～16mm。盡管一直以來整體硬質合金立銑刀在這一直徑區域占據著主導地位，但伊斯卡的專家認為，憑借可轉位刀片概念在粗銑加工方面的優勢，將使該系列產品成為替換整體硬質合金設計的高性價比替代品。

圖2所示LOGIQ4FEED系列快速進給銑刀的特點是“骨型”雙面刀片。這種獨特的刀片外形提供了4個切削刃，令人印象深刻的坡走銑加工能力定義了該系列的主要用途：高效粗銑型腔，尤其是深腔。該銑刀適用于加工硬度≤50HRC的工件。

圖2 LOGIQ4FEED系列快速進給銑刀

9 高速銑削

為了擴大高速銑削產品的應用范圍，伊斯卡開發了直徑為2～20mm的多齒整體硬質合金立銑刀，用于高速精銑加工和半精銑加工。該立銑刀采用超細晶粒的IC902硬質合金牌號制成，可加工淬硬材料，切削長徑比高達6×D。銑刀最高轉速可達20000r/min。通過擺線銑技術和高金屬去除率（MRR），整體硬質合金立銑刀在槽銑和開放式型腔銑方面的粗加工能力已獲得了模具制造商的青睞。

10 變形金剛立銑刀系列

為產品定制模具的需求是導致模具制造經常為小批量生產甚至單件生產的主要因素，這也是為何模具企業多為中小企業的原因。對于這些制造商而言，刀具的有效利用和對庫存進行良好運營管理至關重要。然而，定制化通常意味著需要專門的刀具結構才能加工難以觸達的零件區域，并非庫存的所有刀具都能勝任此類加工；而特殊設計的定制化刀具也遠非最佳方案。

采用伊斯卡的變形金剛MULTI-MASTER系列可換頭式組合刀具（見圖3）可以有效克服這些困難。根據MULTI-MASTER這一概念，刀頭適合安裝在不同的刀體（刀桿）上，刀桿也可以搭載不同的刀頭。針對不同的加工應用，刀頭形狀、切削幾何形狀和尺寸的設計因3D曲面銑、方肩銑、槽銑、倒角和孔加工等而有所不同。圓柱直柄和帶錐頸的刀柄有多個尺寸可適應于不同懸伸量的需要；其設計可確保直接夾持于刀柄、卡簧或機床主軸上。

圖3 變形金剛MULTI-MASTER系列可換頭式組合刀具

MULTI-MASTER系列擁有豐富多樣的刀頭、刀桿、縮徑桿和延長桿，可以裝配出超過40000種刀具。因為更換磨損的刀頭時無需額外的安裝步驟，所以MULTI-MASTER系列完全滿足“無需對刀”這一重要原則的要求。無需將刀具從機床取下即可在機更換刀頭，這大大縮減了停機時間。

以上特點使得MULTI-MASTER系列在模具行業非常受歡迎。

11 數字化刀具集成

模具制造的小批量特性及對加工形狀的高精度要求，使得規格上的任何偏差都會成為致命弱點，即使是一個微小的錯誤也會威脅到整個產品的質量。在工業4.0發展的推動下，現代制造業的數字化為模具制造商提供了克服這一障礙的有效工具——加工工藝的計算機建模。這確保了生產加工策略的實施，刀具路徑和切削數據優化，并防止可能發生的碰撞。

伊斯卡通過在其電子樣本（E-CATA）中加入銑刀組件選項，擴展了其數字化領域，其中包含可訪問的、精確的數字化預加工刀具數據。基于ISO 13399標準創建的刀具裝配數字表達，有助于在軟件系統之間進行刀具信息的準確傳送。將該新功能集成到模具制造商的CAD/CAM系統中，可以防止在車間加工過程中出現錯誤，而規劃多個裝配組件的能力為用戶節省了時間和成本。伊斯卡計劃擴展其工業4.0數據驅動產品，為模具制造商打通連接現代化制造的數字和虛擬世界。

12 結束語

我們身邊的很多產品都是用模具制造的，且大家對這些產品的需求仍在不斷增長。各工業領域的發展對模具制造產生了巨大影響，如模具消費的主力軍之一汽車工業。對模具的更多要求也就意味著對加工刀具的要求也將達到一個新的水平。

伊斯卡認為刀具制造商應預見這些需求，并據此提供必要的解決方案。