选择切削刀具和加工参数可全面优化加工操作并实现生产目标

为了实现他们的目标,制造商通常会采用一个片面的模型,这种模型首先着眼于选择和应用刀具,然后按照兵来将挡、水来土掩的思路解决问题。但如果将这种方法反其道而行之,则可以降低成本、提高效率。制造商不应等到问题出现之后再对个别加工操作进行调整,而应首先致力于制定旨在消除不合格零件和意外停机时间的前瞻性预案。建立了稳定可靠的工艺之后,通过运用生产经济学的理念,可以帮助制造商在生产速度和制造成本之间找到平衡。随后,通过仔细选择切削刀具和加工参数,制造商可以全面优化他们的加工操作并实现生产目标。 

刀具和切削条件的选择 

金属切削刀具的选择通常以应用为导向:车间寻找可以加工某些工件材料(例如钢件或铝件)的刀具,或者可以执行特定操作(例如粗加工或精加工)的刀具。一个更有利的刀具选择方法是首先考虑如何让加工操作与制造商的整体业务相吻合。 

此类方法的首要任务是确保工艺可靠性,并消除不合格的零件和计划外停机。一般来说,可靠性是一个尊重规则的问题。如果生产车间不承认和尊重切割力、热力和化学力对刀具的影响,那么可靠性将无从谈起,取而代之的是刀具故障。 

在建立稳定的工艺后,应选择刀具的特性和切削条件,以便符合金属加工业务的总体目标。例如,在大批量的简单零件生产中,以最低的成本实现最大的产量通常是首要考虑的因素。但另一方面,在品类杂、小批量的高价值复杂零件生产中,总可靠性和精确性要比解决制造成本更重要。对于此类小批量生产场合,装夹系统需要满足灵活性要求(参见附注)。 

如果成本效益是主要目标,则必须根据每个切削刃的成本来选择刀具,并且必须选择与所选刀具相平衡的切削条件。加工参数应强调较长的刀具寿命和工艺可靠性。反之,如果工件质量是优先考虑事项,则在适当的切削条件下采用高性能的精密刀具是正确的方法。不管目标是什么,每一组不同的目标都会导致选择不同的切削条件和刀具。

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选择和调整切削条件 

在对新的零件加工进行初步规划时,刀具和切削条件的选择应首先考虑加工方法、刀具槽型和刀具材料。所加工的零件将在很大程度上决定这些要求。例如,一个航空用镍基零件可能提示采用具有正角槽型的硬质合金立铣刀进行轮廓铣。该选择以生产车间对于工件生产速度、成本和质量的基本目标为导向,并且还取决于所采用的、旨在实现这些目标的切削深度、进给量和切削速度。 

为了修改现有的零件加工操作以实现更出色的生产率、经济性或可靠性,可以采用不同的选择过程。在这些情况下,建议采用渐进的方法,首先改变切削条件,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,大多数生产车间的做法与此相反,在尝试改进加工成果时,首先考虑的是改变刀具或加工方法。

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一个更容易且通常有效的初始方法是从改变切削参数入手。切削条件有着广泛的影响,而对切削速度或进给量稍加改变或许可以解决问题或提高生产率,并且不会因更换刀具而浪费时间和金钱。 

如果修改切削参数不能达到预期的效果,可以改变切削刀具的槽型。然而,与简单地改变切削参数相比,这一步骤更为复杂,将需要采用新的刀具,并会增加刀具和机器时间成本。另一种选择是改变切削刀具的材料,但也将涉及更多的时间和金钱投资。改变切削刀具或或刀柄本身可能是必要的,但这增加了采用定制刀具的可能性,所有这些都会进一步导致制造成本的上升。 

如果所有这些步骤都不能提供理想的结果,那么可能需要改变加工方法。关键是要以深思熟虑的、逐步的方式来探索改变,从而明确哪些因素可以真正产生预期的成果。 

CAM 系统似乎是一个快速而简单的方法,许多车间使用它来指导他们的刀具选择。在许多情况下,该方法是有效的,但可能不会提供最佳的结果。CAM 系统并不会全面地考虑各个不同的操作特性。举例来说,应用铣刀并不非只是输入一下速度、进给量和切削深度那么简单。最佳的应用涉及众多因素,例如刀具的刃口数、如何出色地排屑、刀具的强度、铣床的稳定性等等。您需要认识到所有这些因素才能全面实现您的加工操作目标,即金属去除率、刀具寿命、表面粗糙度或经济性。

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切削速度、进给量和切削深度 

许多车间管理者认为,只需简单地增加切削速度便会在一定的时间内生产出更多的零件,因此降低了生产成本。然而,生产成本的因素有很多,并非只有产量。例如,一个中途需要更换刀具的操作,将会对零件质量和加工时间产生不利的影响。 

提高切削速度确实会加快生产速度,但刀具寿命会缩短。加工成本将会因更频繁的刀具替换和更长的机器停机时间(更换刀具期间)而上升。 

提高切削速度会缩短刀具寿命,并可能导致操作不稳定,而改变切削深度或进给量对刀具寿命影响极小。因此,要获得最好的结果,需要采用平衡的方法,即在减少切削速度的同时相应比例地增加进给量和切削深度。采用尽可能大的切削深度会减少走刀次数,从而缩短加工时间。进给量也应该采用最大值,尽管过大的进给量会影响工件的质量和表面粗糙度。

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一个颇具代表性的例子是,当将切削速度从 180 米/分钟提升到 200米/分钟时,金属去除率大约仅会增加 10%,但会对刀具寿命产生不利影响;然而,当将进给量从 0.2 毫米/转提升到 0.3 毫米/转时,金属去除率会提升 50%,而且几乎不会影响刀具寿命。 

在大多数情况下,在相同或较低的切削速度下增加进给量和切削深度将会增加操作的金属去除率,其效果与单纯通过提高切削速度所实现的效果相同。组合采用较低的切削速度、更大的进给量和较小的切削深度时,获得的好处是减少能源消耗。 

优化切削条件的最后一步是选择一个适当的最低成本或最大生产率标准,然后使用切削速度来优化该标准的结果。20 世纪初,美国的机械工程师 F.W. Taylor 开发出了一个用于指导该选择的模型。 

该模型显示,对于给定的切削深度和进给量组合,在特定的切削速度范围内,刀具的损耗是安全、可预测且可控制的。在此范围内工作时,可以量化切削速度、刀具磨损和刀具寿命之间的关系。目标是提高切削速度以降低加工时间成本,但加快的刀具磨损并不会过度增加切削刀具成本。 

刀具基体和槽型 

优化刀具应用的其它步骤包括对刀具基体和槽型的特性进行微调。正如调整切削条件需要根据所需的结果进行权衡一样,通过改变刀具基体来最大化生产率也需要在基体的各个属性之间进行权衡。 

因为刀具的切削刃必须比它所切削的材料更硬,因此硬度是一个重要的刀具特性。更高的硬度,特别是在高速加工会产生较高温度的情况下,将会延长刀具寿命。然而,刀具越硬,也就越脆。在粗加工中遇到不均匀的切削力时,尤其是在涉及不同规模或切削深度的断续切削中,硬刀具更容易断裂。此外,不稳定的机床夹具或工件也会诱发故障。 

相反,通过增加钴粘结剂的含量来提高刀具的韧性,可使刀具拥有更强的抗冲击能力。但与此同时,这也降低了刀具的硬度,导致刀具在高速操作中或加工磨蚀性工件时发生较快的磨损和/变形。关键是要根据所加工的工件材料来平衡刀具的特性。 

选择刀具槽型也涉及到权衡问题。正角切削槽型和锋利的切削刃可以减少切削力并最大化切屑流。然而,锋利切削刃的强度不如钝化的切削刃。倒棱、倒角等几何特征可改善切削刃的强度。 

通过在正角槽型中设置倒棱(切削刃后面的加强区域),可以提供足够的强度来应对特定的操作和工件材料,并且可以尽可能减小切削力。倒角可以支撑锋利切削刃的最薄弱部位,代价是增加了切削力。“硬”的切屑控制槽型通过一个相对尖锐的角来引导切屑并立即使它们卷曲和折断。这些槽型对长切屑材料来说是有效的,但在切削刃上增加了额外的负荷。“软”的切屑控制槽型在切削刃上产生较小的负荷,但会产生较长的切屑。不同的几何特征以及刀具刃口处理(例如研磨)可以相互结合,从而优化刀具在特定工件材料中的切削性能。

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运营成本 

用于计算加工成本的模型也可以采用微观视角和宏观视角。微观模型会从狭隘的视角考虑切削成本,并将切削条件直接与切削成本相关联。而宏观经济模型则从更广的视角切入,侧重于生产指定的工件时所需的总计时间。 

制造商通过多种方式来测量生产速度,包括一段时间内完成的工件数量乃至完成加工所需的总计时间。很多因素会影响生产速度,包括工件形状要求和材料特性、整个工厂的产品流、人员的投入、维护、周边设备以及环保、回收和安全问题(请参见附注)。 

制造成本中的某些要素是固定的。工件的复杂程度和材料通常决定了制造零件时所需的加工操作的类型和数量。工厂机床的采购成本、维护成本和电力成本基本上是固定成本。人工成本虽然比较灵活,但至少在短期内能够有效地固定下来。这些成本必须由所加工的零件换取的销售收入来抵消。 

提高生产速度 — 也就是工件转 
换为成品的速度 — 可以抵消固定成本。 

结论 

必须指出的是,尽管车间人员和生产工程师(如果有)都非常关心他们所提供的切削条件和生产率,但高层管理人员不太关心这些数字,因为它们与生产运营的业务目标是一个整体。那些负责选择切削条件和刀具的人员应该首先考虑他们公司的加工操作的更广泛目标,并根据它们来选择有助于实现这些目标的切削条件和刀具。 

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