數(shù)控刀具磨削之“自力更生”

    加工廠應(yīng)該考慮開(kāi)展CNC刀具磨削，其理由很多，包括CNC刀具磨削可以加工出高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命刀具，具有較高的工藝靈活性和可控性，同時(shí)還節(jié)省開(kāi)支等。

    由于刀具磨削并不是加工廠核心能力的一部分，因此為了確認(rèn)廠內(nèi)磨削是否合理，必須進(jìn)行仔細(xì)分析。

    加工廠必須能夠指定一名全職操作員操作機(jī)床。對(duì)操作員進(jìn)行CNC刀具磨削培訓(xùn)并不難，但是他必須擁有操作CNC機(jī)床5年左右的經(jīng)驗(yàn)。此外，操縱員還必須具有良好的刀具加工知識(shí)。加工廠可以基于財(cái)務(wù)和靈活性等原因考察配備一臺(tái)CNC磨床是否合理。從財(cái)務(wù)方面看，采用標(biāo)準(zhǔn)刀具的加工廠每年在刀具重磨方面至少需要花費(fèi)20萬(wàn)美元。但是，采用非標(biāo)刀具或頻繁換刀的加工廠，若配備內(nèi)部重磨設(shè)施，那么可以快速重磨這些刀具。

CNC磨削的優(yōu)點(diǎn)

    采用手動(dòng)磨床在公司內(nèi)部磨削刀具而臨若干問(wèn)題。例如，磨一把刀具就需要多臺(tái)機(jī)床。譬如磨一把鉆頭就需要一臺(tái)開(kāi)槽機(jī)、一臺(tái)外圓磨床及一臺(tái)磨尖機(jī)。這就需要進(jìn)行多次裝夾。相反，一臺(tái)CNC磨床完成一成套磨削卻只需要一次裝夾。同時(shí)，一臺(tái)CNC磨床的占地面積比多臺(tái)手動(dòng)磨床要小。另一個(gè)問(wèn)題是非封閉式手動(dòng)機(jī)床產(chǎn)生的硬質(zhì)合金切屑形成的臟污問(wèn)題。最重要的是，手動(dòng)磨床依賴于操作員的熟練技能，而這點(diǎn)如今已經(jīng)成為一種越來(lái)越稀缺的資源。

    最后一點(diǎn)，手動(dòng)磨削的時(shí)間要比CNC磨削的長(zhǎng)得多。隨著刀具幾何形狀變得更復(fù)雜，磨削時(shí)間會(huì)大幅增加。

    外協(xié)牽涉到的一個(gè)問(wèn)題是缺乏靈活性。例如，如果加工廠采用的刀具具有特殊的幾何結(jié)構(gòu)，或者參與了需要快速解決刀具特征的開(kāi)發(fā)工作，有可能會(huì)遇到非常長(zhǎng)的重磨時(shí)間。此外，加工廠對(duì)外協(xié)刀具重磨質(zhì)量可控性很小。在外協(xié)過(guò)程中，由重磨廠確定各個(gè)項(xiàng)目的時(shí)間安排，因此加工廠很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)自己待重磨的刀具排到了長(zhǎng)長(zhǎng)一列隊(duì)伍的最后。而進(jìn)行內(nèi)部磨削的加工廠卻可以對(duì)優(yōu)先性及重磨刀具的時(shí)間安排加以控制。

表1 刀具磨削時(shí)間：手動(dòng)與數(shù)控方式比較

刀具 手動(dòng)方式 數(shù)控方式

設(shè)置次數(shù) 磨削時(shí)間 設(shè)置次數(shù) 磨削時(shí)間

1英寸4槽硬質(zhì)合金立銑刀 3 16分鐘 1 4分鐘

2英寸3槽套料鉆 4 22分鐘 1 4分鐘47秒

4.14英寸×20錯(cuò)齒銑刀 10 134分鐘 2 10分鐘

1英寸6槽臺(tái)階鉆 6 30分鐘

(外加檢查每個(gè)臺(tái)階) 1 3分鐘40秒

一致性問(wèn)題

    CNC磨削不僅比手動(dòng)磨削更快，同時(shí)還可以加工出更好、一致性更高的刀具，因?yàn)樗�不依賴于操作員的技能。許多高速加工中心采用具有復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)的刀具，諸如每個(gè)齒其有不同螺旋線結(jié)構(gòu)的鉆頭，或者整個(gè)刀具上螺旋線不斷變化的鉆頭。這樣的刀具很難或者說(shuō)不可能通過(guò)手動(dòng)磨削形成很好的結(jié)果。而通過(guò)多種軟件選項(xiàng)，新的CNC機(jī)床卻可以很方便地磨削復(fù)雜的刀具幾何結(jié)構(gòu)。

    鉆頭的CNC磨削可以確保在直徑、齒間空間、刀具半徑方面不存在偏差，因此每把刀具都將均勻切削。這些特征的非一致性可能導(dǎo)致在各個(gè)刀齒上產(chǎn)生額外應(yīng)力，從而降低刀具壽命。刀具的一致性可以保證長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行不間斷切削，因此換刀時(shí)間可以依據(jù)實(shí)際情況規(guī)定，從而徹底用完刀具的可用壽命。此外，一件工件需要的刀具把數(shù)可以通過(guò)生產(chǎn)調(diào)度精確確定，從而減少刀具庫(kù)存。好的刀具發(fā)熱最少，振動(dòng)低，因此機(jī)床壽命更長(zhǎng)，維護(hù)更少，同時(shí)加工出的表面粗糙度更高。另外，CNC磨削還可以采用韌度更高的刀具材料，這種刀具可以保證更高的切削速度，形成更好的表面粗糙度。

    通常，手動(dòng)磨削是在干磨削狀態(tài)下完成的，而CNC磨削則具有許多冷卻液選項(xiàng)。采用高壓冷卻液可以防止切削刃發(fā)熱，從而保證切削速度更高，刀具壽命更長(zhǎng)。

    實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)型高生產(chǎn)率最重要的因素是切削速度，而不是刀具成本或刀具壽命。例如，工業(yè)數(shù)據(jù)表明，刀具成本降低30%只能使每件產(chǎn)品的成本降低1%。類似地，刀具壽命提高50%也只能使產(chǎn)品成本降低1%。但是，切削速度提高20%（盡管刀具成本增加50%）卻可以使每件產(chǎn)品的成本降低15%。 CNC磨削成的高質(zhì)量刀具很容易就能讓切削速度比手動(dòng)磨削刀具的高20%。

外協(xié)成本

    外協(xié)重磨刀具的總成本涉及到生產(chǎn)工具的成本，外加在重磨刀具期間維持生產(chǎn)所必須的備件成本，以及服務(wù)和運(yùn)輸成本，更重要的是，在重磨服務(wù)發(fā)生拖延事件時(shí)生產(chǎn)損失方面的成本。這些成本在年度開(kāi)支上會(huì)增加很大的一筆費(fèi)用。例如，一把外徑0.5英寸(12.7mm)、長(zhǎng)3英寸(75mm)的方尾立銑刀，換刀20次，每次切削4小時(shí)，工況是每年250天每班8小時(shí)，假設(shè)重磨的周轉(zhuǎn)時(shí)間為10天，那么采用外協(xié)刀具磨削每年的開(kāi)支為20.6萬(wàn)美元。若同一把刀具換刀40次，負(fù)載循環(huán)縮短為2小時(shí)，那么每年的開(kāi)支則上升到82.4萬(wàn)美元。內(nèi)部CNC磨削刀具的真正成本包括機(jī)床成本、操作員成本及車間雜用開(kāi)支，比外協(xié)刀具磨削的成本要低得多。例如，購(gòu)買(mǎi)和運(yùn)行一臺(tái)價(jià)值24萬(wàn)美元的CNC磨床每小時(shí)均攤的成本為28.09美元(算上折舊、利息、占地、能源、維護(hù)和機(jī)床易耗件等方而的成本)。一般的操作員成本為18.33美元/小時(shí)，運(yùn)行這樣一臺(tái)CNC磨床的總成本為46.42美元/小時(shí)。對(duì)于上例外徑0.5 英寸、長(zhǎng)3英寸換刀20次或40次的方尾立銑刀，每年的內(nèi)部刀具重磨成本大約為外協(xié)重磨的1/4。

表2 外協(xié)和內(nèi)部CNC刀具磨削的費(fèi)用匯總

外協(xié) 負(fù)荷循環(huán)(小時(shí)) 換刀次數(shù) 總年度費(fèi)用

4 20 206000美元

2 40 824000美元

刀具：外徑0.5英寸．長(zhǎng)3英寸，方尾硬質(zhì)合金立銑刀。每天加工8小時(shí)，每年250天，每次重磨需要離廠10天。

內(nèi)部CNC磨床 負(fù)荷循環(huán)(小時(shí)) 換刀次數(shù) 總年度費(fèi)用

4 20 50881美元

2 40 203523美元

刀具：同上，包括CNC磨床的每小時(shí)46.42美元成本