刀具和參數對機加工的成功起著至關重要的作用

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發表于 2016-1-27 21:05:39 | 只看該作者 |倒序瀏覽 |閱讀模式

山高刀具集團技術培訓經理 Patrick de Vos

盡管制造商處理的零件、工件材料和加工工藝千差萬別，但他們都有一個共同的目標，那就是在指定的時間內，以適當的成本，生產出一定數量的、滿足質量要求的工件。

為了實現他們的目標，制造商通常會采用一個片面的模型，這種模型首先著眼于選擇和應用刀具，然后按照兵來將擋、水來土掩的思路解決問題。但如果將這種方法反其道而行之，則可以降低成本、提高效率。制造商不應等到問題出現之后再對個別加工操作進行調整，而應首先致力于制定旨在消除不合格零件和意外停機時間的前瞻性預案。建立了穩定可靠的工藝之后，通過運用生產經濟學的理念，可以幫助制造商在生產速度和制造成本之間找到平衡。隨后，通過仔細選擇切削刀具和加工參數，制造商可以全面優化他們的加工操作并實現生產目標。

刀具和切削條件的選擇
金屬切削刀具的選擇通常以應用為導向：車間尋找可以加工某些工件材料（例如鋼件或鋁件）的刀具，或者可以執行特定操作（例如粗加工或精加工）的刀具。一個更有利的刀具選擇方法是首先考慮如何讓加工操作與制造商的整體業務相吻合。

此類方法的首要任務是確保工藝可靠性，并消除不合格的零件和計劃外停機。一般來說，可靠性是一個尊重規則的問題。如果生產車間不承認和尊重切割力、熱力和化學力對刀具的影響，那么可靠性將無從談起，取而代之的是刀具故障。

在建立穩定的工藝后，應選擇刀具的特性和切削條件，以便符合金屬加工業務的總體目標。例如，在大批量的簡單零件生產中，以最低的成本實現最大的產量通常是首要考慮的因素。但另一方面，在品類雜、小批量的高價值復雜零件生產中，總可靠性和精確性要比解決制造成本更重要。對于此類小批量生產場合，裝夾系統需要滿足靈活性要求（參見附注）。

如果成本效益是主要目標，則必須根據每個切削刃的成本來選擇刀具，并且必須選擇與所選刀具相平衡的切削條件。加工參數應強調較長的刀具壽命和工藝可靠性。反之，如果工件質量是優先考慮事項，則在適當的切削條件下采用高性能的精密刀具是正確的方法。不管目標是什么，每一組不同的目標都會導致選擇不同的切削條件和刀具。

選擇和調整切削條件
在對新的零件加工進行初步規劃時，刀具和切削條件的選擇應首先考慮加工方法、刀具槽型和刀具材料。所加工的零件將在很大程度上決定這些要求。例如，一個航空用鎳基零件可能提示采用具有正角槽型的硬質合金立銑刀進行輪廓銑。該選擇以生產車間對于工件生產速度、成本和質量的基本目標為導向，并且還取決于所采用的、旨在實現這些目標的切削深度、進給量和切削速度。

為了修改現有的零件加工操作以實現更出色的生產率、經濟性或可靠性，可以采用不同的選擇過程。在這些情況下，建議采用漸進的方法，首先改變切削條件，然后是槽型、切削材料、刀具概念，最后是加工方法。值得注意的是，大多數生產車間的做法與此相反，在嘗試改進加工成果時，首先考慮的是改變刀具或加工方法。

一個更容易且通常有效的初始方法是從改變切削參數入手。切削條件有著廣泛的影響，而對切削速度或進給量稍加改變或許可以解決問題或提高生產率，并且不會因更換刀具而浪費時間和金錢。

如果修改切削參數不能達到預期的效果，可以改變切削刀具的槽型。然而，與簡單地改變切削參數相比，這一步驟更為復雜，將需要采用新的刀具，并會增加刀具和機器時間成本。另一種選擇是改變切削刀具的材料，但也將涉及更多的時間和金錢投資。改變切削刀具或或刀柄本身可能是必要的，但這增加了采用定制刀具的可能性，所有這些都會進一步導致制造成本的上升。

如果所有這些步驟都不能提供理想的結果，那么可能需要改變加工方法。關鍵是要以深思熟慮的、逐步的方式來探索改變，從而明確哪些因素可以真正產生預期的成果。

CAM 系統似乎是一個快速而簡單的方法，許多車間使用它來指導他們的刀具選擇。在許多情況下，該方法是有效的，但可能不會提供最佳的結果。CAM 系統并不會全面地考慮各個不同的操作特性。舉例來說，應用銑刀并不非只是輸入一下速度、進給量和切削深度那么簡單。最佳的應用涉及眾多因素，例如刀具的刃口數、如何出色地排屑、刀具的強度、銑床的穩定性等等。您需要認識到所有這些因素才能全面實現您的加工操作目標，即金屬去除率、刀具壽命、表面粗糙度或經濟性。

切削速度、進給量和切削深度
許多車間管理者認為，只需簡單地增加切削速度便會在一定的時間內生產出更多的零件，因此降低了生產成本。然而，生產成本的因素有很多，并非只有產量。例如，一個中途需要更換刀具的操作，將會對零件質量和加工時間產生不利的影響。

提高切削速度確實會加快生產速度，但刀具壽命會縮短。加工成本將會因更頻繁的刀具替換和更長的機器停機時間（更換刀具期間）而上升。

提高切削速度會縮短刀具壽命，并可能導致操作不穩定，而改變切削深度或進給量對刀具壽命影響極小。因此，要獲得最好的結果，需要采用平衡的方法，即在減少切削速度的同時相應比例地增加進給量和切削深度。采用盡可能大的切削深度會減少走刀次數，從而縮短加工時間。進給量也應該采用最大值，盡管過大的進給量會影響工件的質量和表面粗糙度。

一個頗具代表性的例子是，當將切削速度從 180 米/分鐘提升到 200米/分鐘時，金屬去除率大約僅會增加 10%，但會對刀具壽命產生不利影響；然而，當將進給量從 0.2 毫米/轉提升到 0.3 毫米/轉時，金屬去除
率會提升 50%，而且幾乎不會影響刀具壽命。

在大多數情況下，在相同或較低的切削速度下增加進給量和切削深度將會增加操作的金屬去除率，其效果與單純通過提高切削速度所實現的效果相同。組合采用較低的切削速度、更大的進給量和較小的切削深度時，獲得的好處是減少能源消耗。

優化切削條件的最后一步是選擇一個適當的最低成本或最大生產率標準，然后使用切削速度來優化該標準的結果。20 世紀初，美國的機械工程師 F.W. Taylor 開發出了一個用于指導該選擇的模型。

該模型顯示，對于給定的切削深度和進給量組合，在特定的切削速度范圍內，刀具的損耗是安全、可預測且可控制的。在此范圍內工作時，可以量化切削速度、刀具磨損和刀具壽命之間的關系。目標是提高切削速度以降低加工時間成本，但加快的刀具磨損并不會過度增加切削刀具成本。

刀具基體和槽型
優化刀具應用的其它步驟包括對刀具基體和槽型的特性進行微調。正如調整切削條件需要根據所需的結果進行權衡一樣，通過改變刀具基體來最大化生產率也需要在基體的各個屬性之間進行權衡。

因為刀具的切削刃必須比它所切削的材料更硬，因此硬度是一個重要的刀具特性。更高的硬度，特別是在高速加工會產生較高溫度的情況下，將會延長刀具壽命。然而，刀具越硬，也就越脆。在粗加工中遇到不均勻的切削力時，尤其是在涉及不同規模或切削深度的斷續切削中，硬刀具更容易斷裂。此外，不穩定的機床、夾具或工件也會誘發故障。

相反，通過增加鈷粘結劑的含量來提高刀具的韌性，可使刀具擁有更強的抗沖擊能力。但與此同時，這也降低了刀具的硬度，導致刀具在高速操作中或加工磨蝕性工件時發生較快的磨損和/變形。關鍵是要根據所加工的工件材料來平衡刀具的特性。

選擇刀具槽型也涉及到權衡問題。正角切削槽型和鋒利的切削刃可以減少切削力并最大化切屑流。然而，鋒利切削刃的強度不如鈍化的切削刃。倒棱、倒角等幾何特征可改善切削刃的強度。

通過在正角槽型中設置倒棱（切削刃后面的加強區域），可以提供足夠的強度來應對特定的操作和工件材料，并且可以盡可能減小切削力。倒角可以支撐鋒利切削刃的最薄弱部位，代價是增加了切削力。“硬”的切屑控制
槽型通過一個相對尖銳的角來引導切屑并立即使它們卷曲和折斷。這些槽型對長切屑材料來說是有效的，但在切削刃上增加了額外的負荷。“軟”的切屑控制槽型在切削刃上產生較小的負荷，但會產生較長的切屑。不同
的幾何特征以及刀具刃口處理（例如研磨）可以相互結合，從而優化刀具在特定工件材料中的切削性能。

運營成本
用于計算加工成本的模型也可以采用微觀視角和宏觀視角。微觀模型會從狹隘的視角考慮切削成本，并將切削條件直接與切削成本相關聯。而宏觀經濟模型則從更廣的視角切入，側重于生產指定的工件時所需的總計
時間。

制造商通過多種方式來測量生產速度，包括一段時間內完成的工件數量乃至完成加工所需的總計時間。很多因素會影響生產速度，包括工件形狀要求和材料特性、整個工廠的產品流、人員的投入、維護、周邊設備以及環保、回收和安全問題（請參見附注）。

制造成本中的某些要素是固定的。工件的復雜程度和材料通常決定了制造零件時所需的加工操作的類型和數量。工廠機床的采購成本、維護成本和電力成本基本上是固定成本。人工成本雖然比較靈活，但至少在短期內能夠有效地固定下來。這些成本必須由所加工的零件換取的銷售收入來抵消。提高生產速度 — 也就是工件轉
換為成品的速度 — 可以抵消固定成本。

結論
必須指出的是，盡管車間人員和生產工程師（如果有）都非常關心他們所提供的切削條件和生產率，但高層管理人員不太關心這些數字，因為它們與生產運營的業務目標是一個整體。那些負責選擇切削條件和刀具的人員應該首先考慮他們公司的加工操作的更廣泛目標，并根據它們來選擇有助于實現這些目標的切削條件和刀具。

附注
適用于現代化生產的刀具多功能性
由于及時生產策略的使用越來越普及和外包服務的不斷擴大，制造業正在呈現出從大批量生產向品類雜、小批量生產模式發展的趨勢。分包商的生產也開始呈現出小批量、間歇性、重復性的特點。出于平衡生產力和刀具成本的考慮，需要刀具能夠在廣泛的加工應用中提供出色的多功能性和靈活性。通過將車間內不同刀具的數量減至最少，可以縮短刀具處理時間并增加用于加工操作的時間。

在長期加工相同零件的個別操作中，提高生產率的傳統方法是采用專門為此設計的刀具。如果費用可以在長期的生產運行中攤銷，則設計和采用專用刀具是值得的。

然而，由于平衡生產率和刀具成本的考慮，對于品種雜、小批量的生產場合，最好是采用能夠在眾多應用中執行靈活加工的“通用”刀具。這些刀具無需在更換工件時更換新的刀具，因此盡可能縮短了停機時間。此外，它們還消除了安裝和試用新刀具的必要。

此類刀具的一個示例是山高的 Turbo 銑刀系列。這些刀具在廣泛的應用中具有卓越的通用性，可以提供出色的成本效益和高性能。這些刀具具有正角切削槽型，可降低功耗、延長刀具壽命并盡可能增加切削深度和進給量。

通用刀具的另一方法是裝配一套適用于各種應用的刀具。山高精選刀具專為提供靈活性而設計。所選的刀具組包括有限數量的刀具，它們或許不能在所有應用中提供絕對的最大生產率或成本效益，但在加工日益變化的各種工件材料和部件所需的最大靈活性方面，它們卻是最經濟的最佳選擇。

刀具

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