刀具和參數(shù)對(duì)機(jī)加工的成功起著至關(guān)重要的作用

寂靜天花板

山高刀具集團(tuán)技術(shù)培訓(xùn)經(jīng)理 Patrick de Vos
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盡管制造商處理的零件,、工件材料和加工工藝千差萬(wàn)別,，但他們都有一個(gè) 共同的目標(biāo)，那就是在指定的時(shí)間內(nèi),，以適當(dāng)?shù)某杀�,，生產(chǎn)出一定數(shù)量的,、滿足質(zhì)量要求的工件,。

為了實(shí)現(xiàn)他們的目標(biāo),，制造商通常會(huì)采用一個(gè)片面的模型，這種模型首先著眼于選擇和應(yīng)用刀具,，然后按照兵來(lái)將擋,、水來(lái)土掩的思路解決問(wèn)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(yīng)等到問(wèn)題出現(xiàn)之后再對(duì)個(gè)別加工操作進(jìn)行調(diào)整,，而應(yīng)首先致力于制定旨在消除不合格零件和意外停機(jī)時(shí)間的前瞻性預(yù)案,。建立了穩(wěn)定可靠的工藝之后，通過(guò)運(yùn)用生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)學(xué)的理念,，可以幫助制造商在生產(chǎn)速度和制造成本之間找到平衡,。隨后，通過(guò)仔細(xì)選擇切削刀具和加工參數(shù),，制造商可以全面優(yōu)化他們的加工操作并實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)目標(biāo),。
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刀具和切削條件的選擇
金屬切削刀具的選擇通常以應(yīng)用為導(dǎo)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(zhí)行特定操作（例如粗加工或精加工）的刀具,。一個(gè)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(yè)務(wù)相吻合,。

此類方法的首要任務(wù)是確保工藝可靠性，并消除不合格的零件和計(jì)劃外停機(jī),。一般來(lái)說(shuō)，可靠性是一個(gè)尊重規(guī)則的問(wèn)題,。如果生產(chǎn)車間不承認(rèn)和尊重切割力,、熱力和化學(xué)力對(duì)刀具的影響，那么可靠性將無(wú)從談起,，取而代之的是刀具故障,。
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在建立穩(wěn)定的工藝后，應(yīng)選擇刀具的特性和切削條件,，以便符合金屬加工業(yè)務(wù)的總體目標(biāo),。例如，在大批量的簡(jiǎn)單零件生產(chǎn)中,，以最低的成本實(shí)現(xiàn)最大的產(chǎn)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(jià)值復(fù)雜零件生產(chǎn)中,，總可靠性和精確性要比解決制造成本更重要,。對(duì)于此類小批量生產(chǎn)場(chǎng)合，裝夾系統(tǒng)需要滿足靈活性要求（參見附注）,。
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3 {: B$ V5 D3 S' q; Q9 f; T/ m如果成本效益是主要目標(biāo),，則必須根據(jù)每個(gè)切削刃的成本來(lái)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(shù)應(yīng)強(qiáng)調(diào)較長(zhǎng)的刀具壽命和工藝可靠性,。反之，如果工件質(zhì)量是優(yōu)先考慮事項(xiàng),，則在適當(dāng)?shù)那邢鳁l件下采用高性能的精密刀具是正確的方法,。不管目標(biāo)是什么，每一組不同的目標(biāo)都會(huì)導(dǎo)致選擇不同的切削條件和刀具,。

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選擇和調(diào)整切削條件
1 W" }# j7 I5 I' ~9 H  ~* c# X在對(duì)新的零件加工進(jìn)行初步規(guī)劃時(shí),，刀具和切削條件的選擇應(yīng)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(gè)航空用鎳基零件可能提示采用具有正角槽型的硬質(zhì)合金立銑刀進(jìn)行輪廓銑,。該選擇以生產(chǎn)車間對(duì)于工件生產(chǎn)速度,、成本和質(zhì)量的基本目標(biāo)為導(dǎo)向，并且還取決于所采用的,、旨在實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的切削深度,、進(jìn)給量和切削速度。
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! H- M/ P. Q% h. ]# R$ W為了修改現(xiàn)有的零件加工操作以實(shí)現(xiàn)更出色的生產(chǎn)率,、經(jīng)濟(jì)性或可靠性,，可以采用不同的選擇過(guò)程。在這些情況下,，建議采用漸進(jìn)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(shù)生產(chǎn)車間的做法與此相反，在嘗試改進(jìn)加工成果時(shí),，首先考慮的是改變刀具或加工方法,。
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% E% z6 c4 _# s" ?8 |- P' D5 Q4 U一個(gè)更容易且通常有效的初始方法是從改變切削參數(shù)入手。切削條件有著廣泛的影響,，而對(duì)切削速度或進(jìn)給量稍加改變或許可以解決問(wèn)題或提高生產(chǎn)率,，并且不會(huì)因更換刀具而浪費(fèi)時(shí)間和金錢,。

如果修改切削參數(shù)不能達(dá)到預(yù)期的效果，可以改變切削刀具的槽型,。然而,，與簡(jiǎn)單地改變切削參數(shù)相比，這一步驟更為復(fù)雜,，將需要采用新的刀具,，并會(huì)增加刀具和機(jī)器時(shí)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(shí)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(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致制造成本的上升,。
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. l+ T  U5 R. G1 {如果所有這些步驟都不能提供理想的結(jié)果，那么可能需要改變加工方法,。關(guān)鍵是要以深思熟慮的,、逐步的方式來(lái)探索改變，從而明確哪些因素可以真正產(chǎn)生預(yù)期的成果,。
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8 D! e8 ^) u0 B1 hCAM 系統(tǒng)似乎是一個(gè)快速而簡(jiǎn)單的方法,，許多車間使用它來(lái)指導(dǎo)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(huì)提供最佳的結(jié)果。CAM 系統(tǒng)并不會(huì)全面地考慮各個(gè)不同的操作特性,。舉例來(lái)說(shuō),，應(yīng)用銑刀并不非只是輸入一下速度、進(jìn)給量和切削深度那么簡(jiǎn)單,。最佳的應(yīng)用涉及眾多因素,，例如刀具的刃口數(shù)、如何出色地排屑,、刀具的強(qiáng)度、銑床的穩(wěn)定性等等,。您需要認(rèn)識(shí)到所有這些因素才能全面實(shí)現(xiàn)您的加工操作目標(biāo),，即金屬去除率、刀具壽命,、表面粗糙度或經(jīng)濟(jì)性,。
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) U# {% L% R" [5 [' k3 Y% r切削速度、進(jìn)給量和切削深度
9 O, Z* q. Q- m8 ?許多車間管理者認(rèn)為,，只需簡(jiǎn)單地增加切削速度便會(huì)在一定的時(shí)間內(nèi)生產(chǎn)出更多的零件,，因此降低了生產(chǎn)成本,。然而，生產(chǎn)成本的因素有很多,，并非只有產(chǎn)量,。例如，一個(gè)中途需要更換刀具的操作,，將會(huì)對(duì)零件質(zhì)量和加工時(shí)間產(chǎn)生不利的影響,。

提高切削速度確實(shí)會(huì)加快生產(chǎn)速度，但刀具壽命會(huì)縮短,。加工成本將會(huì)因更頻繁的刀具替換和更長(zhǎng)的機(jī)器停機(jī)時(shí)間（更換刀具期間）而上升,。
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4 I- S  e! s3 A- r% a/ q' h; K提高切削速度會(huì)縮短刀具壽命，并可能導(dǎo)致操作不穩(wěn)定,，而改變切削深度或進(jìn)給量對(duì)刀具壽命影響極小,。因此，要獲得最好的結(jié)果,，需要采用平衡的方法,，即在減少切削速度的同時(shí)相應(yīng)比例地增加進(jìn)給量和切削深度。采用盡可能大的切削深度會(huì)減少走刀次數(shù),，從而縮短加工時(shí)間,。進(jìn)給量也應(yīng)該采用最大值，盡管過(guò)大的進(jìn)給量會(huì)影響工件的質(zhì)量和表面粗糙度,。

一個(gè)頗具代表性的例子是,，當(dāng)將切削速度從 180 米/分鐘提升到 200米/分鐘時(shí)，金屬去除率大約僅會(huì)增加 10%,，但會(huì)對(duì)刀具壽命產(chǎn)生不利影響,；然而，當(dāng)將進(jìn)給量從 0.2 毫米/轉(zhuǎn)提升到 0.3 毫米/轉(zhuǎn)時(shí),，金屬去除
" R# ~6 X3 X' F% n. P率會(huì)提升 50%,，而且?guī)缀醪粫?huì)影響刀具壽命。

在大多數(shù)情況下,，在相同或較低的切削速度下增加進(jìn)給量和切削深度將會(huì)增加操作的金屬去除率,，其效果與單純通過(guò)提高切削速度所實(shí)現(xiàn)的效果相同。組合采用較低的切削速度,、更大的進(jìn)給量和較小的切削深度時(shí),，獲得的好處是減少能源消耗。
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優(yōu)化切削條件的最后一步是選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)淖畹统杀净蜃畲笊�產(chǎn)率標(biāo)準(zhǔn),，然后使用切削速度來(lái)優(yōu)化該標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)果,。20 世紀(jì)初，美國(guó)的機(jī)械工程師 F.W. Taylor 開發(fā)出了一個(gè)用于指導(dǎo)該選擇的模型,。
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  d) D* l0 i, Z8 m! F$ x該模型顯示,，對(duì)于給定的切削深度和進(jìn)給量組合,，在特定的切削速度范圍內(nèi)，刀具的損耗是安全,、可預(yù)測(cè)且可控制的,。在此范圍內(nèi)工作時(shí)，可以量化切削速度,、刀具磨損和刀具壽命之間的關(guān)系,。目標(biāo)是提高切削速度以降低加工時(shí)間成本，但加快的刀具磨損并不會(huì)過(guò)度增加切削刀具成本,。
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刀具基體和槽型
優(yōu)化刀具應(yīng)用的其它步驟包括對(duì)刀具基體和槽型的特性進(jìn)行微調(diào),。正如調(diào)整切削條件需要根據(jù)所需的結(jié)果進(jìn)行權(quán)衡一樣，通過(guò)改變刀具基體來(lái)最大化生產(chǎn)率也需要在基體的各個(gè)屬性之間進(jìn)行權(quán)衡,。

' B! z" M* X3 p. U9 [因?yàn)榈毒叩那邢魅斜仨毐人�所切削的材料更��,，因此硬度是一個(gè)重要的刀具特性。更高的硬度,，特別是在高速加工會(huì)產(chǎn)生較高溫度的情況下,，將會(huì)延長(zhǎng)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(shí),，尤其是在涉及不同規(guī)�,；蚯邢魃疃鹊臄嗬m(xù)切削中，硬刀具更容易斷裂,。此外,，不穩(wěn)定的機(jī)床、夾具或工件也會(huì)誘發(fā)故障,。

相反,，通過(guò)增加鈷粘結(jié)劑的含量來(lái)提高刀具的韌性，可使刀具擁有更強(qiáng)的抗沖擊能力,。但與此同時(shí),，這也降低了刀具的硬度，導(dǎo)致刀具在高速操作中或加工磨蝕性工件時(shí)發(fā)生較快的磨損和/變形,。關(guān)鍵是要根據(jù)所加工的工件材料來(lái)平衡刀具的特性,。

' @5 u- I+ ]- S/ T6 C選擇刀具槽型也涉及到權(quán)衡問(wèn)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(qiáng)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(qiáng)度,。

! m* C$ z, l3 e5 z+ j# Z6 a通過(guò)在正角槽型中設(shè)置倒棱（切削刃后面的加強(qiáng)區(qū)域），可以提供足夠的強(qiáng)度來(lái)應(yīng)對(duì)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(jià)是增加了切削力,�,！坝病钡那行伎刂�
槽型通過(guò)一個(gè)相對(duì)尖銳的角來(lái)引導(dǎo)切屑并立即使它們卷曲和折斷。這些槽型對(duì)長(zhǎng)切屑材料來(lái)說(shuō)是有效的,，但在切削刃上增加了額外的負(fù)荷,。“軟”的切屑控制槽型在切削刃上產(chǎn)生較小的負(fù)荷,，但會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的切屑,。不同
: ~/ f' r# B3 e( L+ r) G+ k1 m的幾何特征以及刀具刃口處理（例如研磨）可以相互結(jié)合，從而優(yōu)化刀具在特定工件材料中的切削性能,。
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運(yùn)營(yíng)成本
用于計(jì)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(huì)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(guān)聯(lián),。而宏觀經(jīng)濟(jì)模型則從更廣的視角切入,，側(cè)重于生產(chǎn)指定的工件時(shí)所需的總計(jì)
+ v& L0 L; B6 ~+ b時(shí)間。

制造商通過(guò)多種方式來(lái)測(cè)量生產(chǎn)速度,，包括一段時(shí)間內(nèi)完成的工件數(shù)量乃至完成加工所需的總計(jì)時(shí)間,。很多因素會(huì)影響生產(chǎn)速度，包括工件形狀要求和材料特性,、整個(gè)工廠的產(chǎn)品流,、人員的投入、維護(hù),、周邊設(shè)備以及環(huán)保,、回收和安全問(wèn)題（請(qǐng)參見附注）。

8 l- [) v) T2 C9 o  L$ d( x制造成本中的某些要素是固定的,。工件的復(fù)雜程度和材料通常決定了制造零件時(shí)所需的加工操作的類型和數(shù)量,。工廠機(jī)床的采購(gòu)成本、維護(hù)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(nèi)能夠有效地固定下來(lái)。這些成本必須由所加工的零件換取的銷售收入來(lái)抵消,。提高生產(chǎn)速度 — 也就是工件轉(zhuǎn)
4 C; \( s9 R% T" G換為成品的速度 — 可以抵消固定成本,。
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結(jié)論
必須指出的是，盡管車間人員和生產(chǎn)工程師（如果有）都非常關(guān)心他們所提供的切削條件和生產(chǎn)率，但高層管理人員不太關(guān)心這些數(shù)字,，因?yàn)樗鼈兣c生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)目標(biāo)是一個(gè)整體,。那些負(fù)責(zé)選擇切削條件和刀具的人員應(yīng)該首先考慮他們公司的加工操作的更廣泛目標(biāo)，并根據(jù)它們來(lái)選擇有助于實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)的切削條件和刀具,。
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附注
* ^$ I6 r' Q0 K5 A+ b適用于現(xiàn)代化生產(chǎn)的刀具多功能性
: u  e/ k$ O3 u$ ?由于及時(shí)生產(chǎn)策略的使用越來(lái)越普及和外包服務(wù)的不斷擴(kuò)大,，制造業(yè)正在呈現(xiàn)出從大批量生產(chǎn)向品類雜、小批量生產(chǎn)模式發(fā)展的趨勢(shì),。分包商的生產(chǎn)也開始呈現(xiàn)出小批量,、間歇性、重復(fù)性的特點(diǎn),。出于平衡生產(chǎn)力和刀具成本的考慮,，需要刀具能夠在廣泛的加工應(yīng)用中提供出色的多功能性和靈活性。通過(guò)將車間內(nèi)不同刀具的數(shù)量減至最少,，可以縮短刀具處理時(shí)間并增加用于加工操作的時(shí)間,。

/ P6 s) ]$ a- m在長(zhǎng)期加工相同零件的個(gè)別操作中，提高生產(chǎn)率的傳統(tǒng)方法是采用專門為此設(shè)計(jì)的刀具,。如果費(fèi)用可以在長(zhǎng)期的生產(chǎn)運(yùn)行中攤銷,，則設(shè)計(jì)和采用專用刀具是值得的。
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然而,，由于平衡生產(chǎn)率和刀具成本的考慮,，對(duì)于品種雜、小批量的生產(chǎn)場(chǎng)合,，最好是采用能夠在眾多應(yīng)用中執(zhí)行靈活加工的“通用”刀具,。這些刀具無(wú)需在更換工件時(shí)更換新的刀具，因此盡可能縮短了停機(jī)時(shí)間,。此外,，它們還消除了安裝和試用新刀具的必要。
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此類刀具的一個(gè)示例是山高的 Turbo 銑刀系列,。這些刀具在廣泛的應(yīng)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(zhǎng)刀具壽命并盡可能增加切削深度和進(jìn)給量。
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通用刀具的另一方法是裝配一套適用于各種應(yīng)用的刀具,。山高精選刀具專為提供靈活性而設(shè)計(jì),。所選的刀具組包括有限數(shù)量的刀具，它們或許不能在所有應(yīng)用中提供絕對(duì)的最大生產(chǎn)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(jīng)濟(jì)的最佳選擇。
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yushui2011

看完占個(gè)樓

shiqizhen

受教了,，謝謝大大
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leasos

受教了

鄭yijun

真不錯(cuò)

魚滿多

學(xué)習(xí),、再學(xué)習(xí)！