淺談金屬加工中的六種提效方法

劉強(qiáng)

上?，斉临Q(mào)易有限公司 上海 201103

1 序言

我國制造業(yè)的飛速發(fā)展，為我國甚至全球創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。隨著市場競爭日益激烈，降本增效成為各個企業(yè)必須面對的問題。為了有效地降本增效，需要分析生產(chǎn)成本的構(gòu)成。生產(chǎn)成本由直接材料、直接人工和制造費(fèi)用三部分組成。直接材料是指在生產(chǎn)過程中的勞動對象，通過加工使之成為半成品或成品，它們的使用價值隨之變成了另一種使用價值。直接人工是指生產(chǎn)過程中所耗費(fèi)的人力資源，可用工資額度和福利費(fèi)用等計算。制造費(fèi)用則是指生產(chǎn)過程中使用的廠房、機(jī)器、車輛及設(shè)備等設(shè)施及物料和輔料，它們的耗用一部分是通過折舊方式計入成本，另一部分是通過維修、定額費(fèi)用、機(jī)物料耗用和輔料耗用等方式計入成本。本文通過優(yōu)化幾種刀具使用方法，減少刀具消耗成本，提高加工效率，從而達(dá)到節(jié)省機(jī)床使用成本的效果。

2 更改刀具材質(zhì)提高加工效率

常用的刀具材質(zhì)有以下幾種：高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷、CBN和PCD。CBN和PCD具有較高硬度、最高耐磨性，其材質(zhì)相對很脆。高速鋼韌性最佳，但硬度很低，耐磨性差。

高速鋼是高碳合金鋼，主要合金元素有鎢、鉻、鉬、鈷、釩和鋁等，含有大量的碳化物。高速鋼刀具具有較高的韌性，其硬度相對很低，優(yōu)點(diǎn)是價格便宜，可塑性高，而且?guī)缀蹩梢约庸に胁馁|(zhì)，是早期切削刀具使用的主要材質(zhì)；缺點(diǎn)是對于操作人員要求較高，需要人工磨刀，而且高速鋼材質(zhì)可承受的切削速度很低。例如工件材質(zhì)為45鋼，硬度為250HBW，切削速度為30～60m/min，切削效率較低。

目前最常用的刀具材質(zhì)是涂層硬質(zhì)合金，涂層硬質(zhì)合金刀具硬度、耐熱性等優(yōu)于高速鋼刀具?？梢猿惺芨叩那邢魉俣?，切削速度為100～300m/min[1]。

以車削鋼件外圓為例，采用硬質(zhì)合金車刀替換高速鋼車刀，切削速度可以由50m/min提高至180m/min，效率提高3倍以上，而且硬質(zhì)合金刀具也有更高的刀具壽命。可換刀片硬質(zhì)合金車刀則不需要修磨，更換刀片即可，不需要操作人員具有磨刀技術(shù)。

除了高速鋼和硬質(zhì)合金刀具之外，還有陶瓷、CBN和PCD，這3種材質(zhì)具有更高的切削速度——1000m/min以上，但其應(yīng)用范圍有限。陶瓷和CBN通常用于加工鑄鐵類工件以及50HRC以上高硬度的鋼類工件。PCD通常用于加工鋁、塑料、木材以及硬質(zhì)合金，但是不能加工鑄鐵類零件[2]。

以鋁合金銑刀為例，高速鋼銑刀切削速度為120～300m/min， Mapal（瑪帕） 品牌硬質(zhì)合金銑刀HP615材質(zhì)推薦的切削速度為700m/min，而PCD材質(zhì)銑刀可以使用的切削速度為1500～2000m/min。

3 切削參數(shù)對刀具壽命和生產(chǎn)效率的影響

為了提高加工效率和刀具壽命，要判斷切削參數(shù)是否合理，分析各個切削參數(shù)對刀具壽命和效率的影響。切削參數(shù)包括切削速度（線速度）、進(jìn)給速度和背吃刀量，也被稱為切削三要素。

3.1 切削速度vc

切削速度vc與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系公式為vc＝πDn/1000，其中D為刀具/工件的有效直徑（單位為mm），n為機(jī)床轉(zhuǎn)速（單位為r/min）。

切削速度過高時，后刀面磨損加劇，工件表面質(zhì)量會變差，切削速度極高時刀片還會發(fā)生塑性變形。切削速度對刀具壽命的影響曲線如圖1所示。

圖1 切削速度對刀具壽命的影響曲線

3.2 進(jìn)給速度vf

進(jìn)給速度的計算公式為vf＝fZZnn，fZ為刀具進(jìn)給量（單位為mm/z），Zn為有效切削刃數(shù)（單位為個），n為機(jī)床轉(zhuǎn)速（單位為r/min）。進(jìn)給速度過高，切屑不受控制，加工表面質(zhì)量會變差，切削功率大，切屑對刀具或已加工面造成沖擊。進(jìn)給速度對刀具壽命的影響曲線如圖2所示。

圖2 進(jìn)給速度對刀具壽命的影響曲線

3.3 背吃刀量ap

背吃刀量是指未切削表面與已切削表面間的差值，背吃刀量對刀具壽命的影響曲線如圖3所示。

圖3 背吃刀量對刀具壽命的影響曲線

切削三要素中切削速度、進(jìn)給速度和背吃刀量都對刀具壽命有影響。背吃刀量的影響最小，進(jìn)給速度的影響較背吃刀量大，切削速度對刀片的壽命影響最大。

為獲得最高刀具壽命，優(yōu)化參數(shù)的方向是：最大化背吃刀量以減少走刀次數(shù)；最大化進(jìn)給速度以縮短切削時間；降低切削速度以獲得最佳刀具壽命。

提高粗加工效率，可以從優(yōu)化背吃刀量開始，如果刀路較多，通過增大背吃刀量，減少刀路的方法，或者通過增大背吃刀量，降低切削速度，提高刀具壽命，增加進(jìn)給速度，保證加工效率。

3.4 應(yīng)用實(shí)例

某汽車零件加工廠生產(chǎn)的法蘭如圖4所示，現(xiàn)有的加工方案效率較低，需要優(yōu)化各項(xiàng)切削參數(shù)，以提高刀具壽命和生產(chǎn)效率。

圖4 法蘭

通過增大背吃刀量、減少刀路、降低切削速度等方式，優(yōu)化加工方案。優(yōu)化前刀路較多而且較亂，優(yōu)化后刀路清晰，如圖5、圖6所示，優(yōu)化前后參數(shù)見表1。優(yōu)化后刀具壽命由可加工15件零件增至可加工31件。

表1 優(yōu)化前后參數(shù)

圖5 優(yōu)化前刀路

圖6 優(yōu)化后刀路

衡量刀片切削性能的因素是切削速度，數(shù)控系統(tǒng)讀取的是主軸轉(zhuǎn)速，很多編程人員在設(shè)計程序時僅考慮了轉(zhuǎn)速，而忽略了直徑因素，但是在實(shí)際加工中直徑因素的影響也較大。以車削為例，當(dāng)工件直徑D為50mm、機(jī)床轉(zhuǎn)速n為1000r/min時，線速度vc＝157m/min。當(dāng)工件直徑D為100mm、機(jī)床轉(zhuǎn)速n為1000r/min時，線速度vc＝314m/min。

查詢刀具樣本可知，切削速度314m/min是非常高的，接近硬質(zhì)合金刀片可承受的極限，切削速度高可加快刀具的磨損進(jìn)程，降低刀具的使用壽命。

由此可知相同的機(jī)床轉(zhuǎn)速，不同的工件直徑、刀具切削速度，當(dāng)?shù)毒邏勖^低時，可以檢查是否由于切削速度過高造成。

4 修光刃對切削效率的影響

修光刃刀片是由3～9個不同半徑的圓弧組成的刀尖角，圓弧半徑可達(dá)到900mm以上。刀尖圓角、進(jìn)給量與表面質(zhì)量的關(guān)系為

式中，fn為進(jìn)給量（mm/r）；r為刀尖圓角半徑（mm）；Rmax為切削表面波峰與波谷的高度差（mm）。

該方式適用于精加工車削或鏜削，修光刃刀具自身沒有快進(jìn)給功能。但根據(jù)前面公式，可以推斷出修光刃刀具的特性為：加工參數(shù)相同時，修光刃刀具的表面質(zhì)量可以提高1倍；相同表面質(zhì)量時，修光刃刀具的進(jìn)給速度可以提高1倍。

在要求相同表面質(zhì)量時，使用修光刃刀具，可以使用更高的進(jìn)給速度。

以加工輸出殼端面為提效案例，工件材質(zhì)QT500，要求表面粗糙度值Ra≤1.6μm。為了提高節(jié)拍，使用修光刃刀片，在達(dá)到相同表面粗糙度要求的前提下，進(jìn)給速度由0.36mm/r提高至0.5mm/r，實(shí)測表面粗糙度值Ra＝1.33μm，刀片壽命相同。使用普通車刀片與修光刃刀片的各項(xiàng)加工參數(shù)見表2，優(yōu)化后輸出殼端面如圖7所示。

表2 普通車刀片與修光刃刀片的各項(xiàng)加工參數(shù)

圖7 優(yōu)化后輸出殼端面

5 主偏角對切削效率的影響

前面簡述進(jìn)給速度的概念中提到了每齒進(jìn)給量，一些品牌的刀具樣本推薦切削參數(shù)使用的是最大切屑厚度hex，而不是每齒進(jìn)給量。因?yàn)闆Q定進(jìn)給量大小的是最大切屑厚度hex，以及刀具的主偏角Kr。換算公式為hex＝fzsinKr。

當(dāng)主偏角為90°時，fz＝hex，刀具最大切屑厚度與每齒進(jìn)給量相同。隨著主偏角減小，進(jìn)給速度可以隨之增大。

以方肩銑刀（見圖8）為例進(jìn)行說明，90°方肩銑刀齒數(shù)ZN為5刃，n＝1000r/min，hex＝0.2mm，fz＝0.2mm/z， 機(jī)床進(jìn)給速度vf＝0.2×5×1000＝1000（mm/min）。

圖8 90°方肩銑刀

45°主偏角面銑刀（見圖9）ZN為5刃，n＝1000r/min，hex＝0.2mm，fz＝hex/sin45°＝0.282mm/z，則機(jī)床進(jìn)給速度vf＝0.282×5×1000＝1410（mm/min）。

圖9 45°方肩銑刀

圖10 10°方肩銑刀

1 0°主偏角面銑刀（見圖1 0）ZN為5 刃，n＝1000r/min，hex＝0.2mm，fz＝hex/sin10°＝1.156 mm/z，則機(jī)床進(jìn)給速度vf＝1.156×5×1000＝5780（mm/min）。

綜上所述，同種刀片在相同的轉(zhuǎn)速下，主偏角越小，可以使用的進(jìn)給速度越高。值得注意的是90°方肩銑刀主要承受徑向力，軸向力趨近于零，隨著主偏角減小，以10°主偏角銑刀為例，其主要承受軸向力，徑向力很小。主偏角越小，振動趨勢加大，所消耗的功率也越高。

6 加工方式對切削效率的影響

切削刀路對加工效率也有很大的影響。例如一種最近比較流行的動態(tài)銑削方式，是一種大背吃刀量、小切削寬度的高效擺線銑削方式，與常規(guī)的擺線銑削區(qū)別在于動態(tài)銑削過程是嚴(yán)格遵守恒定的切屑厚度hex，具有很高的金屬去除率。由于動態(tài)銑削可以確保刀具切削過程中切削力恒定，所以加工速度快速穩(wěn)定。

以銑削閥體外輪廓為例說明加工方式對切削效率的影響，工件材質(zhì)為不銹鋼，難點(diǎn)在于刀具長徑比達(dá)4倍徑，加工時產(chǎn)生振動。原方案使用可換刀片方肩銑刀，由于長徑比大，導(dǎo)致切削振動大。無法正常加工。優(yōu)化為采用硬質(zhì)合金立銑刀，大背吃刀量、小切削寬度，動態(tài)銑削方式加工。動態(tài)銑削刀路模擬如圖11所示，對比參數(shù)見表3。

圖11 動態(tài)銑削刀路模擬

7 利用復(fù)合刀具提高加工效率

對于大批量產(chǎn)品，通常使用復(fù)合刀具提高生產(chǎn)效率，例如倒角鉆、復(fù)合鏜刀（見圖12）等。

圖12 復(fù)合鏜刀

復(fù)合刀具是將多個工步刀具用1支刀具完成加工，提高了加工效率，同時也節(jié)省了多支刀具的換刀時間。復(fù)合刀具也有很多缺點(diǎn)，最大缺點(diǎn)就是沒有通用性，僅針對某個工件設(shè)計刀具，和其他工件無法通用[3]。

8 結(jié)束語

本文提供了六種優(yōu)化刀具的方式，對于提高生產(chǎn)效率，降低成本能起指導(dǎo)作用。優(yōu)化刀具方法應(yīng)該是靈活的，需要在實(shí)踐基礎(chǔ)上完成。優(yōu)化前需要分析瓶頸工序，有針對性的優(yōu)化刀具，根據(jù)生產(chǎn)具體情況，抓住重點(diǎn)，解決問題。