Sysbohr 用 Ingersoll 切槽刀片解决薄壁钻管螺纹无人值守加工振动

作为一家专注于特殊深基础工程和地热工程钻探技术的企业，Sysbohr在建立自主生产能力后，希望进一步提高生产灵活性。然而，在自动化加工过程中，薄壁钻管上的梯形螺纹加工一度受到振动影响，导致加工过程难以保持稳定。通过与Ingersoll Werkzeuge合作，Sysbohr重新分析并优化了加工工艺，以多功能切槽刀片替代原有的刀具方案，从而使螺纹加工过程能够稳定地实现无人值守运行。

图1：Ingersoll Werkzeuge多功能切槽刀片可用于管状钻探部件的不同规格螺纹加工，替代了此前使用的多种特殊螺纹刀片。© Ingersoll Werkzeuge

图2：Sysbohr的钻管采用坚固的圆螺纹设计，即使在施工现场较为恶劣的条件下，也能实现可靠、便捷的装配。© Ingersoll Werkzeuge

Sysbohr GmbH成立于2004年，总部位于德国富尔达（Fulda），最初是一家设计机构，主要从事特殊深基础工程和地热工程领域的钻探技术。经过多年发展，公司逐步成长为一家专业钻探系统供应商，并形成了覆盖产品设计、制造和系统交付的业务能力。

长期以来，Sysbohr将全部零部件制造交由外部合作伙伴完成。这些长期合作的加工企业为公司的发展提供了重要支持，其中部分供应商的合作时间已经超过20年。随着业务不断发展，Sysbohr希望在保持这一外协体系的同时建立自己的生产能力，因此在德国Hünfeld设立了生产基地，其目的并不是取代原有的外部供应商，而是通过内部制造提高生产灵活性，同时更好地控制交付周期。

Sysbohr生产经理Sebastian Reith介绍道：“例如，当客户需要在钻具上增加额外的冲洗孔时，我们可以完成重新设计，并根据具体要求在自己的工厂内制造。”

这种内部制造能力使Sysbohr能够参与从产品设计到最终系统交付的整个过程，并根据不同地质条件以及具体施工现场的要求，对钻探系统进行相应调整和优化。目前，公司生产的产品及配件销往全球市场。

钻探系统根据客户需求定制

Sysbohr目前主要自主生产的产品包括钻具钻头、钻管、冲洗头以及驱动单元。特殊工具的典型订单数量通常只有个位数，而面向经销市场的钻具钻头，批量则可达到200件。公司的客户主要来自建筑行业，其产品广泛应用于基坑支护、隧道施工等场景。

在部分应用中，钻头会直接留在钻孔中并作为损耗件处理；而在大多数情况下，钻具钻头与钻管通过螺纹连接，以满足施工现场复杂环境下对可靠装配的要求。对于这类产品而言，螺纹不仅承担连接功能，还必须适应施工过程中反复装卸以及砂土、污物等环境因素带来的影响。

Sysbohr位于Hünfeld的新生产基地最初配置了一台DMG Mori机床，随后迅速扩大了设备规模。目前，车间内已经配备6台该制造商的车铣复合加工中心。除此之外，为加工大型钻管，公司还采购了一台Okuma转塔车床，该设备具有更大的主轴通孔，可以满足大型钻管的加工需求。

所有机床旁均配置了机器人。尽管Sysbohr的产品批量相对较小，但由于单个零件的加工时间较长，因此自动化生产仍然具有明显的实际价值。Sebastian Reith表示：“通过这些机床，我们可以完成产品的完整加工流程，理想情况下实现‘毛坯进入，成品输出’。十个零件累计加工时间甚至可以达到5小时，这正好对应一个晚班。”

目前，生产流程按照这一思路组织：十名员工在白天完成零件准备和加工任务，临近下班时，在每台设备上装入一个待加工零件，随后由工业机器人负责晚班和夜班的无人值守生产。对于加工时间较长的零件而言，这种生产组织方式能够充分利用非工作时间，同时减少设备因等待人工操作而产生的停机。

薄壁工件导致梯形螺纹加工不稳定

这种自动化生产模式看似简单，但Sysbohr最初在梯形螺纹加工环节遇到了困难。几乎所有零部件都需要加工梯形螺纹，而在薄壁材料加工过程中，工件容易产生振动，导致内螺纹表面出现明显振纹，并影响最终的表面质量。

对于有人值守的加工过程，这类问题通常可以通过操作人员及时调整加工参数或更换刀具来避免，但在无人值守生产中，情况则完全不同。有时，自动化生产仅运行几个零件后便会停止；在另一些情况下，即使刀片已经发生损坏，设备仍会继续运行，最终产生不合格产品。

Sebastian Reith回忆道：“每天早晨来到工厂时，我们都不知道生产是否顺利完成。托盘可能已经加工结束，也可能没有完成。”

为解决这一问题，Sysbohr团队尝试调整不同的切深和切削速度，希望找到更加稳定的加工参数，但即使进行了多次尝试，自动化生产所要求的重复稳定性仍然无法得到保证。

此前使用的特殊螺纹刀片方案来自供应商，在原有的外协生产过程中并未出现类似问题。其中一个重要原因在于，外协加工时每台设备旁都有操作人员，一旦出现振动、切屑堵塞或其他异常情况，操作人员可以立即进行干预。对于Sysbohr而言，当同样的加工过程转移到无人值守生产环境后，这种人工干预已经无法实现，因此需要重新审视整个加工过程，而不仅仅是调整某一个切削参数。

从螺纹车削转向螺纹切入加工

最终，Sysbohr与Ingersoll Werkzeuge共同对问题进行了分析，并重新设计了加工方案。Ingersoll技术顾问Daniel Rudolph指出，原有的特殊螺纹刀片由于切削宽度较大，同时刀具悬伸较长，在加工过程中容易产生振动，而且这种振动还可能逐渐放大；相比之下，切入式刀具产生的切削压力更小，因此更有利于控制加工过程中的振动。

图3：Ingersoll的TDXU 3E-0.3多功能切槽刀片目前用于Sysbohr的螺纹加工，可用于径向切槽、轴向切槽和内孔切槽。凭借较为平稳的切削特性，该刀片适用于中高进给加工，并能够形成较小的切屑。© Ingersoll Werkzeuge

因此，双方并没有简单地更换一把刀片，而是从整个加工过程入手，对刀具、加工循环以及加工方式进行了重新评估。Daniel Rudolph表示：“过程稳定性并不是通过更换刀片就能实现的。我们不仅调整了刀片，还分析了整个制造流程——从加工循环到切削刀片，并对加工方式进行了改变。”

最终，Sysbohr不再采用传统的螺纹车削方式，而更多采用螺纹切入加工。其中一项关键改进是采用40 mm刀具杆。Ingersoll应用工程师Christopher Hees介绍：“我们选择了更大的镗杆，以改善长径比。这样可以提高切深，并实现更高的切削速度。”

与最初采用螺纹切入加工时的测试方案相比，优化后的加工过程减少了加工次数，使加工时间缩短至原来的一半。同时，采用精密烧结制造的TDXU 3E-0.3可转位刀片，也使整个加工过程能够保持稳定。

一把刀片替代多种特殊方案

Ingersoll采用的多功能切槽刀片可以用于径向切槽、轴向切槽以及内孔切槽。由于切削过程相对平稳，该刀片适用于中高进给加工，并能够形成较小的切屑，从而避免切屑缠绕在换刀装置或卡盘区域，这对于无人值守生产尤其重要，因为一旦切屑在这些区域积聚，就可能造成加工中断甚至影响设备的正常运行。

与此前使用的全牙型刀片相比，这种刀片属于标准化产品，Ingersoll可以快速供货。此前，针对不同螺纹需求定制的特殊刀片通常需要3至4周交付，而采用标准刀片后，不仅缩短了供货周期，同时也减少了所需的刀具种类。

Sysbohr需要加工直径50至600 mm、不同螺距的钻探部件。为适应新的刀具方案，DMG Mori、Ingersoll与Sysbohr共同对机床中的螺纹加工循环进行了调整，并通过刀具方案与加工程序的配合，使其能够满足不同规格工件的加工要求。

由于Sysbohr的产品需要在建筑施工现场面对复杂的工作环境，普通公制螺纹并不适用于这些应用。Sebastian Reith解释道：“尖角螺纹并不适合我们的应用，因为施工现场经常会遇到砂土和污物。但同时，挖掘设备必须能够可靠地安装和拆卸这些部件。”

因此，对于Sysbohr而言，螺纹的表面质量以及连接可靠性比追求最后几个微米的加工精度更为重要。对于这类需要在恶劣施工环境中反复装卸的钻探部件而言，螺纹形式和加工稳定性必须首先满足实际使用要求。

稳定运行支撑无人值守生产

对于优化后的加工方案，Sysbohr对最终效果表示满意。加工时间基本保持不变，而Ingersoll的刀具方案还带来了刀具寿命的小幅提升。不过，相比这些指标，更重要的变化在于加工过程本身的稳定性：在无人值守的晚班和夜班生产过程中，设备如今能够持续稳定运行。

对于Sysbohr而言，这意味着原本需要依赖操作人员现场监控的螺纹加工过程，如今已经能够更好地适应自动化生产模式。通过重新设计加工方式、优化刀具方案以及调整加工循环，公司不仅满足了现有的生产能力需求，也进一步提高了产品质量和生产过程的可靠性，为无人值守生产提供了更加稳定的工艺基础。

 本文译自：德国Werkstatt und Betrieb杂志

来源：荣格-《国际金属加工商情》

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