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刀具成本与加工生产率
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 在经济学里,生产率是对生产过程的产出与投入之比的度量指标。在制造业中,投入包括从厕纸到公司为首席执行官配发的座车在内的所有成本。这种成本/利润比率的确定对于每一个加工车间都各不相同。
对于切削刀具来说,确定其生产率通常要受到成本概念的阻碍。但是,刀具的成本应该仅仅是确定整个车间加工生产率的很小一部分。无论是使用非常昂贵的高档刀具,还是使用低成本的刀片技术,在确定刀具的实际成本时,都应该考虑刀具的生产率。本文将通过比较刀具成本与刀具生产率,对加工生产率进行评估。
过去,刀具寿命是根据刀具在需要更换之前可以使用的时间长短来衡量的。而现在,则必须用刀具能够完成的加工量以及完成这些加工所花费的全部时间来衡量刀具寿命。如果简单地按物理时间来衡量刀具寿命,就有可能忽视刀具的生产率和盈利能力。
新型的高技术刀具能够以更高的切削速度和进给率进行切削加工,从而更快地完成加工任务;或者能以稍低的加工速度切削更大的表面积,从而实现无人化程度更高的自动加工。无论采用以上哪一种加工方式,其最终结果都要远远优于使用技术水平较低的标准刀具。
加工实例
在使用大多数先进刀具时,加工车间都可以在更快完成加工任务或者以加工时间较长为代价来延长刀具寿命这二者之间进行选择。以下的切削试验将显示模具加工车间对模芯的粗加工与精加工实例,以及高技术、高成本刀具与低成本刀具之间的区别。
(1)模芯的粗加工
粗加工实例1:工件:P20钢模芯;刀具:双刃圆刀片纽扣LD乐动体育(直径25.4mm);转速:4,500r/min;进给速度:3m/min;刀片成本:每个8美元(刀片必须每隔2小时转位一次,才能完成一个模芯的加工);刀片总成本:16美元;加工循环时间:5小时30分;车间运行成本率:100美元/小时;每个模芯粗加工总成本:566美元。
粗加工实例2:工件:P20钢模芯;刀具:整体硬质合金4刃大进给LD乐动体育(直径12.7mm);转速:5,000r/min;进给速度:8.9m/min;刀具成本:每把100美元(刀具无需操作者干预就能完成模芯加工);加工循环时间:2小时;车间运行成本率:100美元/小时;每个模芯粗加工总成本:300美元。
结论:显而易见,在粗加工实例2中,刀具的成本要高得多。但是,这两个加工实例有3个显著区别:①即使粗加工实例2的刀具成本是粗加工实例1的6倍,但其粗加工每个相同模芯的总成本却要低得多;②在粗加工实例1中,由于刀片必须转位,操作者要额外花时间进行人工干预,而这种手工操作的成本和时间并未包括在加工循环时间中;③在粗加工实例2中,模芯用直径较小的刀具加工,由于加工后的工件更接近最终尺寸,因此省去了二次粗加工工序。
(2)模芯的精加工
精加工实例1:工件:大型P20钢模芯;精LD乐动体育片成本:30美元;刀具直径:19mm;转速:12,000r/min;进给速度:6m/min;一枚刀片能加工一个模芯;精加工一个模芯的循环时间:6小时;车间运行成本率:100美元/小时;每个模芯精加工总成本:630美元。
精加工实例2:工件:大型P20钢模芯;精LD乐动体育片成本:30美元;刀具直径:19mm;转速:6,000r/min;进给速度:3m/min;一枚刀片能加工2个模芯;精加工一个模芯的循环时间:12小时;车间运行成本率:100美元/小时;每个模芯精加工总成本:1,215美元。
结论:显然,在精加工实例1中,每个模芯的加工成本要低得多,因此许多模具车间都选择这种加工方法。更短的循环时间(6小时)使其能加工更多型腔或模芯。如果车间一天24小时连续生产,每天可以加工3-4个模芯。而在精加工实例2中,每天最多只能加工2个模芯。对于只能安排操作工人每天上白班或两班倒的车间,可能只有采用无人值守加工或在晚上进行“熄灯加工”,这样的话,精加工实例2的成本可能仍然较高,因为当机床处于停机状态时,车间运行成本基本为零。虽然在精加工实例2中,一枚刀片能加工2个模芯,但这只能节省15美元,与每小时的车间运行成本(100美元)相比微不足道。
不过,也可以将两种加工方式结合起来:在白天有人值守加工时,选用较高的切削参数;在晚上,则换上新的刀片,并降低切削参数,从而使机床能在无需人工干预的情况下整晚进行加工。
刀具选择
通常,采用刀片式刀具或技术水平较低的刀具很难达到模具精加工的精度要求。如果对最终产品的尺寸精度要求很高,那么对其加工表面的光洁度要求应该也很高。手工进行钳工修整或光整相当耗费时间,而且会降低尺寸精度。采用较先进的刀具,可以同时加工出很高的表面质量和尺寸精度,从而可以省略——或至少大幅削减——获得光洁表面所需要的钳工修整加工。
关于模具精加工的尺寸精度和表面光洁度,一个典型的例子是使用一种标准型压制刀片加工,这种刀片的价格可能很便宜,但加工精度相当差,加工出的表面光洁度也不好。此外,用这种刀具加工时通常只能采用较低的转速和进给量。虽然刀具本身可能比较便宜,但由于加工循环时间较长,再加上还需要进行钳工修整,因此模具的最终加工成本会大幅增加。
更先进的整体硬质合金立LD乐动体育具有较粗的芯径,因此刀具的强度较好。较粗的芯径还可以使加工时产生的切削热传导更快(即散热性较好),从而能够延长刀具寿命。
加工支持
跟踪了解刀具及其涂层的最新创新成果至关重要。车间管理人员和技术人员应该与刀具供应商的加工支持人员建立和保持密切的协作关系,以确保能采用最新型和最先进的刀具产品和涂层。
仅仅通过阅读刀具广告或介绍文章,很难获得对于特定加工可能有用的信息。大多数刀具广告都只有一些一般信息,并不一定适用于你的车间。如果你看到一些感兴趣的信息,还必须与刀具供应商联系,研究这种产品是否适合自己的加工。如果该刀具看起来似乎有用,你还必须对其进行切削试验。虽然切削试验会占用一些加工时间,但最终往往可以为你节省更多的时间和金钱。
在与刀具制造商联系时,你应该求教于他们的加工支持人员,而不是销售人员。很多销售人员通常只具备一些刀具基本常识,而不熟悉针对特定加工环境的加工知识。你向加工支持人员提出的第一个问题应该是:“您是否精通高效切削加工工艺?”如果回答是否定的,你就需要向其他行家求教。
在与刀具供应商的应用工程师交流时,你应该向他们提供一些基本的加工信息,例如:被加工材料的种类和硬度、你拥有的机床类型、机床主轴的最高转速、机床的最大进给速度、你需要加工的总切削深度、主轴接口(HSK、CAT40)、所用刀具夹头的类型等。如果你希望获得关于某种特定工件的加工建议,你还应该提供一些该工件的详细加工要求(如转角半径大小等)。这样有助于在最短时间内获得高质量的咨询意见。
收到了刀具供应商提供的相关信息以后,你还应该确定是否需要对刀具进行切削试验,你可以了解一下刀具供应商关于刀具试验的相关规定,然后进行切削试验。切削试验是了解所选刀具是否能改进你的加工工艺、提高生产率的唯一途径。
加工工艺
很长一段时期以来,关于采用高效加工(HPM)工艺的讨论就一直没有停止过,但仍有一些加工车间不愿意变革切削工艺。实际上,一旦你了解了这些新工艺的基本规则,就会发现,它们其实并不复杂。现在,几乎所有的编程软件公司都已将这些高效加工工艺植入了其加工软件包中。密切关注加工软件的升级更新至关重要,这样可以确保你能使用最新版本的最佳加工工艺。
通过采用高效加工工艺,即使在主轴转速较慢的老式机床上,也能提高加工生产率。事实证明,一些新设计的大进给刀具在转速较慢的老式机床上也能获得非常不错的切削性能。这些刀具的设计理念是,以较低的切削速度和较高的每齿进给率来实现高效加工。该工艺仍然采用较小的切削深度,但却采用了大得多的切屑负荷(可达每齿1mm)。
高效加工工艺总是采用较小的切深(通常为刀具直径的6%-10%)和步距(即切宽,通常为刀具直径的10%-40%)。这种加工方式听起来好像不如采用大切深那样快,但实际上,在大多数加工条件下,其加工效率要高得多。通过采用浅薄的切深,工件经过粗加工后非常接近其最终形状(净形状),从而使后续的半精加工和精加工能够更快地完成。根据不同的工件几何形状,有些半精加工甚至可以完全取消。因此,HPM粗加工工艺通常比传统的常规工艺生产率更高。
小结
在长期与用户们探讨刀具成本问题之后,有一些企业仍然坚持购买最便宜的刀具,而另一些企业已经发现,必须全面考察刀具的性价比,而不是只看价格,要考虑对哪种刀具投资能获得最佳的综合效益。
通过对多家刀具制造商的产品进行对比切削试验,你往往就会发现,价格最低的刀具并非总是最佳选择。如果你仅仅根据价格来选购刀具,最终很可能会付出更为高昂的代价。你还会错失采用更先进的刀具能够获得的所有好处。对价格更贵的高效刀具进行的一些切削试验表明,刀具寿命和/或生产率的提高可以高达20倍。
正确选择刀具以及相应的工艺方法,可以大幅度缩短加工循环时间,从而能以同样数量的员工和机床实现更大的生产能力。

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