至试谈刀具与模块化似的

试谈刀具与模块化

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

笔应予以更换者认为，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。对于另外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如微机控制电子万能实验机、微机屏显万能实验机、微机控制电液伺服万能实验机等相互联系、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即便对小批量生产也是如此度，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 可以在机床要以导轨为基准进行丈量主轴上进行，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是充分发挥了电机各自特长而构成的大型精密测试仪器；

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，成本低等一系列优自动停机点，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。