工具和参数仍然在加工成功中发挥关键作用

简介

尽管他们使用的零件、工件材料和加工工艺差异很大，但所有制造商的共同目标是在指定的时间内以适当的成本加工出一定数量的所需质量的工件。

制造商通常通过遵循从工具选择和应用开始并在被动基础上解决问题的狭隘视角模型来实现他们的目标。扭转这种做法将降低成本并提高效率。制造商不应等待问题出现然后对个别加工操作进行调整，而应首先关注旨在消除不合格零件和停机时间的主动预先计划。在建立稳定可靠的工艺后，可以应用生产经济学的概念来实现生产率和制造成本之间的平衡。然后，通过仔细选择刀具和加工参数，制造商可以充分优化他们的操作并实现他们的生产目标。

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：车间寻找一种刀具来加工某种工件材料，如钢或铝，或执行特定操作，如粗加工或精加工。更有益的刀具选择方法首先要考虑加工操作如何适应制造商的整体业务。

这种方法的首要任务是确保过程可靠性并消除不合格零件和计划外停机的发生。可靠性，笼统地描述，是一个尊重规则的问题。如果车间不承认和尊重切削力、热力和化学力对工具的影响，则可靠性将被工具故障所取代。

在建立稳定的工艺后，应选择与金属加工业务的总体目标相匹配的工具特性和切削条件。例如，以最低成本实现产量最大化可能是大规模生产简单零件的首要考虑因素。但另一方面，在有价值的复杂零件的高混合、小批量制造中，在解决制造成本之前必须强调总体可靠性和准确性。灵活性是应用于此类小批量场景的工具系统的要求。

如果成本效率是主要目标，则必须根据每个切削刃的低成本选择工具，并且切削条件的选择必须与该选择保持平衡。加工参数应强调较长的刀具寿命和工艺可靠性。相反，如果工件质量是重中之重，则在适当的切削条件下应用高性能精密工具将是正确的方法。无论目标是什么，每组不同的目标都会导致选择不同的切削条件和工具。

选择和调整切削条件

在加工新零件的初始规划中，刀具和切削条件的选择应首先考虑加工方法、刀具几何形状和刀具材料。正在加工的零件将在很大程度上决定这些要求。例如，镍基航空部件可能要求使用正几何形状整体硬质合金立铣刀进行轮廓铣削。选择以车间在生产率、成本和工件质量方面的基本目标为指导，并取决于可用于实现这些目标的切深、进给率和切削速度。

不同的选择过程适用于修改现有的零件制造操作，以在生产率、经济性或可靠性方面产生更好的结果。在这些情况下，建议采用循序渐进的方法，从改变切削条件开始，然后是几何形状、切削材料、刀具概念，最后是加工方法。值得注意的是，大多数车间的工作顺序相反，在尝试提高加工效果时首先考虑更换刀具或加工方法。

一种更简单且通常有效的初始方法是从改变切削参数开始。切削条件的影响范围很广，将切削速度或进给量改变一个标称量可以解决问题或提高生产率，而无需花费更换刀具的费用或时间。

如果修改切削参数不能产生预期的效果，可以更改切削刀具的几何形状。然而，这一步比简单地更改参数更复杂，需要使用新工具，并且会增加工具和机器时间成本。刀具材料的转换是另一种选择，但也将涉及更多的时间和金钱投资。更换切削工具或刀柄本身可能是必要的，但这增加了转向定制工具的可能性，所有这些都会进一步增加制造成本。

如果所有这些步骤都不能提供所需的结果，则可能需要改变加工方法。关键是要以一种深思熟虑、循序渐进的方式探索变化，从而明确哪些因素实际上会产生预期的结果。

因为它似乎是一种快速简便的方法，所以许多商店使用 CAM 系统来指导他们的工具选择。该方法在许多情况下是有效的，但可能无法提供最佳结果。 CAM 系统没有考虑到各个操作特性的全部范围。例如，应用铣刀不仅仅是插入速度、进给率和 DOC 的情况。最佳应用涉及的因素包括刀具的齿数、排屑的好坏和刀具的强度，以及铣床的稳定性。有必要认识到所有这些因素以充分实现制造操作的目标，无论是金属去除率、刀具寿命、表面粗糙度还是经济性。

速度、进给和切削深度

许多车间经理认为，简单地提高切削速度将在一段时间内生产更多零件，从而降低制造成本。然而，制造成本的要素远不止产量本身。例如，在操作过程中更换刀具会对零件质量和加工时间产生不利影响。

提高切削速度会提高生产速度，但刀具寿命会下降。由于更频繁的刀具更换和更长时间的机器停机时间，加工成本将会上升。

提高切削速度会缩短刀具寿命，并可能使操作不稳定，而改变切削深度或进给率对刀具寿命的影响很小。因此，最好的结果来自一种平衡的方法，该方法包括降低切削速度与成比例地增加进给率和切削深度相匹配。利用可能的最大切削深度可减少所需的切削次数，从而减少加工时间。进给速度也应最大化，但过快的进给速度会影响工件质量和表面光洁度。

在一个普遍的例子中，将切削速度从 180 m/min 提高到 200 m/min 只会将金属去除率提高约 10%，但会对刀具寿命产生负面影响。将进给率从 0.2 mm/rev 提高到 0.3 mm/rev 将使金属去除率提高 50%，而对刀具寿命的影响很小（如果有的话）。

在大多数情况下，在相同或更低切削速度下增加进给率和切削深度将提高操作的金属去除率，达到仅通过更高切削速度实现的程度。结合使用较低切削速度、较大进给率和较小切深的好处之一是可以减少能源消耗。

优化切削条件的最后一步是根据最低成本或最高生产率选择适当的标准，并使用切削速度来微调该标准的实现。美国机械工程师 F.W. Taylor 在 20 世纪初开发的模型可以指导这一选择。

该模型表明，对于给定的切削深度和进给组合，存在一定的切削速度窗口，其中刀具磨损是安全、可预测和可控的。在该窗口中工作时，可以限定和量化切削速度、刀具磨损和刀具寿命之间的关系。目标是提高切削速度，以减少机器时间成本，但不会因加速刀具磨损而过度提高切削刀具成本。

工具基材和几何形状

优化工具应用的其他步骤可以包括微调工具基材和几何形状的特性。正如调整切削条件涉及根据所需结果进行权衡处理一样，通过改变工具基板来最大限度地提高生产率需要在基板属性之间进行权衡。

因为刀具的切削刃必须比它所切削的材料更硬，所以硬度是刀具的一个关键特性。高硬度，特别是在高速加工中产生的高温下，将延长刀具寿命。然而，更硬的工具也更脆。粗加工中遇到的不均匀切削力，尤其是在涉及氧化皮或不同切深的断续切削中，可能会导致硬切削工具断裂。机床、夹具或工件的不稳定也会导致故障。

相反，例如，通过包含更高百分比的钴粘合剂来提高工具的韧性，将使工具能够抵抗冲击。但同时，硬度降低会使刀具在高速操作或加工磨料工件时容易快速磨损和/或变形。关键是要根据被加工的工件材料平衡刀具性能。

选择刀具几何形状也涉及权衡。正切削几何形状和锋利的切削刃可降低切削力并最大限度地提高切屑流动。然而，锋利的边缘不如圆形的强。可以通过处理 T 形焊盘和倒角等几何特征来强化切削刃。

以正角设置的 T 型刃带 - 切削刃后面的加强区域 - 可以提供足够的强度来处理特定操作和工件材料，并尽可能减少切削力。倒角将锋利切削刃的最薄弱部分磨平，代价是增加切削力。 “硬”切屑控制几何形状通过相对锐角引导切屑卷曲并立即将其破坏。这些几何形状对长切屑材料很有效，但会给切削刃带来额外的负荷。 “软”切屑控制槽型对切削刃施加的负荷较小，但会产生更长的切屑。不同的几何特征——以及诸如珩磨等刀具边缘处理——可以结合起来优化特定工件材料的切削性能。

结论

必须注意的是，虽然车间人员和生产工程师非常关心切削条件和它们所代表的生产力，但更高级别的管理人员并不像关心整个制造业务的业务目标那样关心这些数字。选择切削条件和刀具的人应首先考虑其公司加工操作的更广泛目标，并使用它们来指导选择能够提供性能的切削条件和刀具，从而实现这些目标。

适用于现代生产场景的工具多功能性

由于即时生产策略的使用增加和外包的增长，制造业正在从大批量的大规模生产转向多品种、小批量的加工方案。分包商越来越多地间歇性但重复地生产较小的批量。平衡生产力和工具成本考虑需要在广泛的应用窗口中提供多功能性和灵活性的工具。尽量减少车间中不同工具的数量，从而减少工具处理时间并增加可用于加工操作的时间。

在涉及长期运行相同零件的单个操作中提高生产率的传统方法是应用专门为该特定过程设计的工具。当费用可以在长期的生产运行中摊销时，设计和实施特殊工具是值得的。

然而，在多变、小批量的情况下平衡生产力和工具成本考虑，最好使用多功能“通用”工具来实现，该工具在广泛的应用窗口中提供灵活性。这些工具通过最大限度地减少工件更换时更换新工具所需的时间来减少停机时间。它们还消除了设置和测试运行新工具的需要。

此类刀具的一个示例是山高 Turbo 铣刀系列。这些工具在广泛的应用中提供多功能性，以提供成本效益和高性能的组合。刀具的正切削几何形状降低了功耗，从而延长了刀具寿命，并有可能增加切削深度和进给量。

通用工具的另一种方法涉及组装一套适合各种应用的工具。山高选择工具旨在提供灵活性。所选组包括数量有限的工具，这些工具不一定能在每个应用程序中提供绝对最大的生产力或成本效率。然而，当需要最大的灵活性来加工快速变化的各种工件材料和组件时，这些工具将是最佳和最经济的选择。

以前在 SecoTools.com 上出现过。