數控機床

  
      上海, 2016 年 01 月 - 盡管製造商處理（lǐ）的零件、工件材料和加工工藝千差萬別，但他們都有（yǒu）一個共（gòng）同的目標，那就是在指定的時間內，以（yǐ）適當（dāng）的成（chéng）本，生（shēng）產（chǎn）出一（yī）定數量的、滿足質量要求的工件。為（wéi）了實現他們的目標，製（zhì）造商通常會采用一個片麵的模型，這種模型首先著眼於選擇和應（yīng）用刀具，然後按照兵（bīng）來將擋、水來土掩的思路解決問題。但（dàn）如果將這種方法反其道而行之，則（zé）可以降低成本、提高效率。製造商不應等到問題出（chū）現之後再對個別加工操作進行調整，而（ér）應首先致（zhì）力於製定（dìng）旨在消除不合格（gé）零（líng）件（jiàn）和（hé）意外停機時間的前瞻性預案。建立了穩定可靠的工藝之後，通過運用生產經濟學的理念，可以（yǐ）幫助製造（zào）商在生產速度和製造成本之間找到平衡。隨後，通過仔細選擇切削刀具（jù）和加工（gōng）參數，製造商可以全麵優化他們的加工操作（zuò）並實現（xiàn）生產目標。

      刀具和切削條件的選擇

      金屬切削刀具的選擇通常以應用為導向：車間尋找可以加工某些工件材料（例（lì）如鋼件或鋁件）的刀具，或者可以執行特定操作（例如粗加工或精加工）的刀具。一（yī）個更有利的刀具選擇方法是首先考慮如何（hé）讓加工操作與製造商的（de）整體業務相吻合。

      此類方法的（de）首要任務是（shì）確保工藝可靠性，並（bìng）消除不合格的零件和計（jì）劃外停機。一般（bān）來說（shuō），可靠性是一個尊重規則的問題。如果生產車間不承（chéng）認和（hé）尊重切割力、熱力和化學（xué）力對刀具的影響，那（nà）麽可靠性將無從談起，取而代之的是刀具故（gù）障。
 

      在建立穩定的工藝後，應選擇刀具的特性和切削條件，以便符合金屬加工業務的總體目標。例如，在大批量的簡（jiǎn）單（dān）零件生產中，以最低的成本實現最大的產量通常是首要考（kǎo）慮的因素。但另一方麵，在品類雜、小批量的高價（jià）值複雜零件生產中，總可靠性和精（jīng）確性要比解決製造成本更（gèng）重要。對（duì）於此類小批量生產場合，裝夾係統需（xū）要滿足靈（líng）活性要求（參見附注）。

      如果（guǒ）成本效益是主要目（mù）標，則必須根據每個切削刃的成本來選擇刀具（jù），並且必須選擇與所選（xuǎn）刀具相平衡的（de）切削條件。加工參數應強調較長的刀具壽命和工（gōng）藝（yì）可靠性。反（fǎn）之，如果（guǒ）工件質量是優先考慮事項，則在適當的切削條件下（xià）采用高性能的精密刀具是正確的方法。不管目標是什麽（me），每一組不同（tóng）的目標都會導致選擇不同的（de）切削條件和刀具。

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      選擇和調整切削條件

      在對新的零件加工進行初（chū）步規劃時（shí），刀具和切削條件的選擇應首先考（kǎo）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，一個航空用鎳基零（líng）件可能提示采用具有正角槽型的硬質合金立銑刀進行輪廓銑。該選擇以生產車間對（duì）於工件生產速度、成本和質量的基（jī）本目標（biāo）為導向，並且還取決於所采用的、旨在實現這些目標的切削深度、進給量和切削（xuē）速度。

      為了修（xiū）改現有的零件（jiàn）加工操作以實現更出色的生（shēng）產率、經濟性或可靠性，可以采用（yòng）不同（tóng）的選擇過（guò）程。在這些情況下，建議采用漸進的方法，首先改變切削條件，然後是槽型、切削材料、刀具概念，最（zuì）後是加工方法。值得注意的是，大多數（shù）生產車間的做法與此相反，在（zài）嚐試（shì）改進加工（gōng）成（chéng）果時，首先考慮的（de）是改變刀具或加工（gōng）方法（fǎ）。一個更容易且通常有效的初始方法是從改變切削參數入（rù）手。切削（xuē）條件有著廣泛的影響，而對切削速度或進給（gěi）量稍加改變或（huò）許可以解決問（wèn）題或提高生產率，並且不會因更換刀具而浪費時間和金錢。

      如果修改切削參數不能達（dá）到預期的效果，可以改變切削刀具（jù）的槽（cáo）型。然而，與簡單地改變切削參數相比，這一（yī）步驟更為複（fù）雜，將需要采用新的刀具，並會增加刀具和（hé）機器（qì）時間成本。另一種選（xuǎn）擇是改變切削刀具的材料（liào），但也將涉及更多（duō）的（de）時間和金（jīn）錢投資。改變切削刀具或或刀柄本身可能（néng）是必要的，但（dàn）這增加了采用（yòng）定製刀具的可能性，所有這些（xiē）都會進一步導致製造成本（běn）的上升。

      如果所有這些步驟都不能提供理想的（de）結果，那（nà）麽可能需要改變加工方法。關鍵是要以深思（sī）熟慮的、逐步的方式
來探索改變，從（cóng）而明確哪些因（yīn）素（sù）可以真正產生（shēng）預期的成果。

      CAM 係統似乎是一個（gè）快速而簡單的（de）方法，許多車間使用它來指導他們的刀具（jù）選擇。在許多情況下（xià），該方法是（shì）有效的，但可能不會提供最佳的結果（guǒ）。CAM 係（xì）統並不會全麵地考慮各個不同的（de）操作特性。舉例來說，應用銑刀並不非隻是輸入一下速度、進給量和切削深度那麽簡單。最佳的應用涉（shè）及眾（zhòng）多因素（sù），例如刀具（jù）的刃口數、如何出色地排屑（xiè）、刀具的強度、銑床的穩定性等等。您需要認識到（dào）所有這些因素才能全麵實現您的加工操作目標，即金屬去除率、刀具壽命、表麵粗糙度或經濟性（xìng）。

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      切削（xuē）速度、進給量和（hé）切削深度（dù）

      許多車間管理者認為，隻需簡單地增（zēng）加切削速度便（biàn）會在（zài）一定的時間內生產出更（gèng）多的零件，因此降低了生產成本（běn）。然（rán）而，生產成本的因素有很（hěn）多，並非隻（zhī）有產量。例如，一個中途（tú）需要更換刀具（jù）的操作，將會對零（líng）件質量和加工時間產生不利的影響。

      提高切削速度確實會（huì）加快生產速度，但刀具（jù）壽命會（huì）縮短。加工（gōng）成本將會因更頻繁的刀具替換和更長的機器停（tíng）機時間（更換刀具期間）而上升。

  
      提高切削速度會縮短刀具壽命，並可能（néng）導致操作不穩定，而（ér）改變切削深度或進給量對刀具壽命影（yǐng）響（xiǎng）極小。因此，要獲得最好的結果，需要采用平衡的方法，即在減少切削速度的同時相應（yīng）比例（lì）地增加進給量和切削深度。采用盡可能大的切削深度會（huì）減少（shǎo）走刀次數，從而縮短（duǎn）加工時間。進給量也應該采用最大值，盡管過大（dà）的進給量會影響（xiǎng）工件的（de）質量和表麵粗糙度（dù）。

      一個頗具代（dài）表性的例子是，當將（jiāng）切削速度從 180 米/分鍾提升到 200米/分鍾時，金屬去除率大約僅會增加10%，但會對刀具壽命產生不利影響；然而，當將進給量從 0.2 毫米/轉提升到 0.3 毫米/轉時，金屬去除率會提升 50%，而且幾乎不（bú）會影響刀具壽命。

      在大多數（shù）情況下，在相同或較低（dī）的切削（xuē）速度下增加進給量和切削深度將會增加操作的金屬去除率，其效（xiào）果與（yǔ）單純通過（guò）提高切（qiē）削速（sù）度（dù）所實現的效（xiào）果相同。組合采用較（jiào）低的切削速度、更（gèng）大的（de）進（jìn）給量和較小的切削深度（dù）時，獲得的好處是減少能（néng）源消耗。

    
       優化切削條件的最後一步是選擇一個適（shì）當的最低成（chéng）本或最大生產（chǎn）率標準，然後使用切削速度來優化該標準（zhǔn）的（de）結果。20 世紀初，美（měi）國的機械工程師 F.W. Taylor 開發出了一個用於指導該選擇的模型。

      該模型顯示，對於給定（dìng）的切削深度和進給（gěi）量組合，在特定的切削速度範圍內，刀具的損耗是安全、可預測且（qiě）可控製的。在此範圍內工作時（shí），可以量（liàng）化切削速度、刀具（jù）磨（mó）損和刀具壽命之間的關係。目標是提高切削速度以降低加工時間成本，但加快的刀具（jù）磨損並不會（huì）過度增加切削刀具成本。

      刀具基（jī）體和槽（cáo）型

      優化刀具應用的其它步驟包括對刀具基體和槽型的特性進行微調。正如調整切削條件需要根據所需的結果進行權衡一樣（yàng），通過改變刀（dāo）具基體來最大化生產率也需要在基體的各個屬性之間進行權衡。

  
      因為刀具的切削刃（rèn）必須比它所切削的材料更硬，因此硬度是（shì）一個重要的刀具特性。更高的硬度（dù），特（tè）別是在高速（sù）加工會產生較高溫度的情況下，將會延長刀具壽命。然而，刀具越（yuè）硬，也就越脆。在粗加工中遇到不均勻（yún）的切削力時，尤其是在涉及不同規模或切削深（shēn）度的斷續切削中，硬（yìng）刀具更容易斷裂。此外，不穩定的機床、夾具或工件也會誘發故障（zhàng）。

      相反，通過增加鈷粘結劑（jì）的含量來提高刀具的韌（rèn）性，可使刀具（jù）擁有更強的抗衝（chōng）擊能力。但與此同時，這也降低了刀（dāo）具的硬（yìng）度，導致刀具在高速操（cāo）作中或加工磨蝕性（xìng）工件時發生較快的（de）磨損和/變形。關鍵（jiàn）是要根據所加工的工件材料來平衡（héng）刀具的特性。

      選擇刀具槽型也涉及到權衡問題。正（zhèng）角切削槽型和鋒利的切削刃可以減少切削力（lì）並最大化切屑流。然而，鋒利切削刃的（de）強度不如鈍化的切削刃。倒棱、倒角等幾何特征可改善（shàn）切削刃（rèn）的強度。

      通過在正角槽型中設置（zhì）倒棱（切削刃（rèn）後麵的加強區（qū）域），可以提供足夠（gòu）的強（qiáng）度來應對特定的操作和工（gōng）件材料（liào），並且可以（yǐ）盡（jìn）可能減小（xiǎo）切削力。倒角可以支撐鋒利切（qiē）削刃的最薄弱部位，代價是增加了切削力。“硬”的切屑控製槽型通過一（yī）個相對尖銳的角來引導切屑並立即使（shǐ）它們卷曲和折斷。這些槽型對長（zhǎng）切屑材料來說是有效的，但在切削刃上增加了額外的負荷。“軟（ruǎn）”的切屑控製槽型在切削（xuē）刃上（shàng）產生較小（xiǎo）的負荷，但會產生較長的切屑。不同的幾何特征以及刀具刃口處理（例如研磨）可以相互結合，從而優化刀具在（zài）特定工件材料中的切削性能。    

       運營成本

      用於計算加工成本的模型也可以采用微（wēi）觀視角（jiǎo）和宏觀視角。微觀模型會從狹隘的視角考慮切削成本，並將切削條件（jiàn）直接與切削成本相關聯。而宏觀經（jīng）濟（jì）模型則從更廣的（de）視角切入，側重於生產指定的工件時所需的總計時（shí）間。

      製造商通過多種方式來測量生產速度，包括一段時間內完（wán）成的工件數量乃至完成加工所需（xū）的總（zǒng）計時間。很（hěn）多（duō）因素會（huì）影響生產速度，包（bāo）括工件形狀要求和材（cái）料特（tè）性、整個工廠的產品流、人員的投入、維護、周邊設備以及環保、回收和安全問題（請參見附注）。

      製造成本中的某些要素是固定的。工（gōng）件的複雜程度和材料（liào）通常決定了製造零件時所需的加工操作（zuò）的類型和數量（liàng）。工廠機床的采購（gòu）成本、維護成本和電力成本基本上是固定成本。人（rén）工成本（běn）雖然比較靈活（huó），但至少在短期內能夠有效地固定下來。這些成（chéng）本必須由所加工的（de）零件換取的銷售收入來抵消。提高生（shēng）產速度 — 也（yě）就是工（gōng）件轉換（huàn）為成品的速度 — 可以抵消固（gù）定成本。

      結論

 
      必須指（zhǐ）出的是（shì），盡管車間人員和生產工程師（如果有）都非（fēi）常關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心這些數字，因為它們與生產運營的業務目標是（shì）一（yī）個整（zhěng）體。那些負責選擇切削條件和刀具的人員應該首先考慮他們（men）公司的加工操作的更廣泛目標，並根據它（tā）們來選擇有（yǒu）助（zhù）於實現這些（xiē）目（mù）標的切削條件和刀具。

       附注

       適用於現代化生產的刀（dāo）具（jù）多功能性

      由於及時生產（chǎn）策略的使用越來越普及和外包服務的（de）不斷擴大，製造業正在呈現出從大批量生產（chǎn）向品類雜、小批（pī）量生產模式發展（zhǎn）的趨勢。分包商的（de）生（shēng）產也開始呈現出（chū）小批量、間歇性、重複性的特（tè）點。出於（yú）平衡生產力和刀具成本的考慮，需（xū）要刀具能夠（gòu）在廣泛的加工應用中提供出色（sè）的多功能性（xìng）和靈活性（xìng）。通過（guò）將車間內不同刀（dāo）具的數量減至最（zuì）少，可以縮短刀具處理時間並增加用於加工操作的時間（jiān）。

      在長期加工相同零（líng）件的個別操作中，提高生產率的傳統方法是采（cǎi）用專門為此設計（jì）的刀具。如果費用可以（yǐ）在長期的生產運行（háng）中（zhōng）攤銷，則設計和采用專（zhuān）用（yòng）刀具是值得的（de）。然而（ér），由於平衡生（shēng）產率和刀具成本的（de）考慮，對於品種雜、小批量的生產場合，最好（hǎo）是采用能夠在眾多應用中執行靈活加（jiā）工的“通用”刀具。這些（xiē）刀具無需在更（gèng）換工件時更換新的刀具，因此盡可（kě）能縮短（duǎn）了停機時間。此外，它們還消除了安裝和試用新（xīn）刀（dāo）具（jù）的必要。

      此類刀具的一個示例（lì）是山高的 Turbo 銑刀係列。這些刀具在廣泛（fàn）的（de）應用中具有卓越的通用（yòng）性，可以提供出色的成本效益和高性能。這些刀具（jù）具有正角切削槽型，可降低功耗、延長刀（dāo）具壽命並盡可（kě）能增（zēng）加切削深度和進給量。

      通（tōng）用刀具的另一方法是裝配一套適用（yòng）於各種應用的刀具。山高精選刀具專（zhuān）為提供靈活性而設計。所選的（de）刀具組包括有限數量的（de）刀具，它們或許不能在所有應用中（zhōng）提供絕對的最大生產率或成本效益，但在加工（gōng）日益變化的（de）各種工件材（cái）料和部件所需的最大靈活性方麵，它們卻是最（zuì）經濟的最佳選擇。

      
  
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