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发表于 2015-11-11 14:26:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
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高速加工中机床和刀具的选择与管理

高速加工中机床和刀具的选择与管理

        设备和刀具的选用及管理对高速加工的影响非常重要,尤其对生产效率和制造成本影响更大。在当今日益激烈的市场竞争中,科学地选用设备和刀具、有效完善的设备和刀具管理,会显著提高生产效率,降低制造成本。
        高速加工(HSM)通常是指在合理的速度和较高的表面进给速度下进行的加工。例如,在发动机铝合金缸体、缸盖的加工中,材料去除率很高,这种加工就是我们所说的“高速加工”。高速加工能使我们以尽量短的时间加工出质量合格的零件,提高企业的市场反应能力。因此,高速加工越来越受到制造业的关注,尤其以企业新建的工程为主,他们在建设新工厂、新项目及生产线改造时,首先会考虑高效加工的装备,顺应行业高速加工的趋势,使生产的产品更具竞争优势。
        高速加工是一个系统工程,它需要各个方面的配合以形成完整的高速切削加工工艺(见图1)。在各环节中,高速加工机床无疑对整个工艺过程起着决定性作用。以铣削机床为例,高速铣削加工中心与普通加工中心相比,在机床结构、切削主轴、进给驱动装置、冷却和润滑方式、安全防护以及数控系统等方面都要与其高速性能相匹配。
        高速加工对机床的要求
        高速加工机床的基本特征有:主轴转速高,达到10000 ~20000r/min;切削速度高,可达到100~8 000 m/min;进给速度高,达到50~100 m/min。因此,适应高速加工,要求机床满足以下要求:高速主轴系统、高速进给系统、高速控制系统、高效冷却系统、安全门罩、高吸振性能以及较高的动力学性能。
       

高速加工中机床和刀具的选择与管理

高速加工中机床和刀具的选择与管理

        图1  高速加工的各个因素

        1.高速主轴系统
        要求主轴系统具有足够的刚度、热稳定性及耐热性,能承受较高的离心力,变形和热膨胀因数要小,动平衡性能好,回转精度高,且有足够的力矩和功率,带有准确的测温装置和高效的冷却装置,常采用高精度陶瓷轴承和新润滑技术。
        2.高速进给系统
        要求进给具有足够的精度和稳定性,高进给速度加减速特性要好,并且要求快速进给速度要达到60 m/min以上,程序可编辑进给速度达到40 m/min,轴向正逆向加速大于10 m/s2。常采用直线电动机进行驱动,以实现机床进给系统的零传动,并使用大导程多头高速滚珠丝杠,其中滚珠用小直径氮化硅陶瓷球,以减少其离心力和陀螺力矩。
        3.高速控制系统
        要求控制系统具有高速、大容量的数据计算处理能力,一般采用32位CPU或64位CPU,带有小型数据库,有强大的图形功能和CAM功能,并具有通信功能,控制加、减速及优化执行程序的功能,以及自动测量功能。通常,控制系统都有故障诊断人工智能功能,而且还可以计算系统参数产生的预期误差,并根据实际需要进行修正。此外,还要求控制系统能够精确地跟踪编程轨迹,消除跟踪误差。
        4.高效冷却系统
        采用强力高压冷却系统,同时使用温控循环冷却系统对主轴电动机、主轴轴承、滚珠丝杠、直线电动机以及液压油箱进行冷却。
        5.安全门罩
        高速切削机床普遍采用全封闭式安全门罩、高强度透明材料制成的观察窗等更完备的安全保障措施,从而保证机床操作者及机床周围现场人员的安全,避免机床、刀具和工件等有关设施受到损伤。
        6.高吸振性能和动力学性能
        要求设备床身具有可靠的支撑,这是保障设备动态/静态高稳定性、高抗振性、高精度及高刚度的基础。
        对机床供应商的要求
        高效切削是一个系统问题,机床、工艺、夹具、切削液以及刀具等都对效率发挥有着显著的影响,其中机床装备是诸多因素中最重要的一个因素。
        图2所示为铝合金缸体生产线上使用的德国HELLER高速加工中心,该机床的主轴转速为16000r/min,最大快移速度为60mm/min,加速度为10m/s2,节拍为2.6min的生产线仅用9台设备,由此可见其加工效率之高。
       

高速加工中机床和刀具的选择与管理

高速加工中机床和刀具的选择与管理

        图2  德国HELLER MCI 16.1高速加工中心

        作为用户,我们希望机床供应商能提供以下服务,这也是选择设备主要考虑的问题:
        1.提供可靠的机床
        机床是生产线最主要的因素,设备的运行质量,是生产线正常生产的前提。因此,希望机床装备供应商能提供可靠的机床。这就要求其在现有条件下,通过对老用户进行走访,多了解机床的使用情况,针对出现的问题,进行有针对性的研究,并给出解决方案。
        2.良好的技术服务
        良好的技术服务是一个好的装备供应商实力的体现,如对用户程序编制人员、操作人员、机械和电气维修人员的培训,一定期限的免费保修指导等;对于整线交钥匙的机床装备供应商,还希望其协助用户对典型工件做工艺分析,进行加工可行性工艺试验、试切工件以及承担成套技术服务。
        3.良好的售后服务
        好的设备也需要有良好的售后服务,这是用户在选购设备时重点要考虑的问题,原因在于再好的设备也需要进行预防性维护或维修。这就要求机床装备供应商要有专门的售后服务中心,有经验丰富的技术人员和现场售后服务人员,有便捷的备件中心。设备出现问题时,机床装备供应商30 min内能有反馈,并根据地理位置,服务人员能在8~48h内抵达,保证客户正常生产。
        高速加工对刀具的选择
        当确定好机床后,就要着手对刀具进行选择。刀具选用的合理与否将直接影响工件质量和加工效率,具体来说应从以下几方面着手:
        1.加工设备
        首先要了解加工设备的性能,这样才能选用合适的刀具来匹配,否则,会影响设备和刀具效率的发挥。近年来的相关资料表明,一把价值几万元的刀具有可能影响一台价值几百万元设备效率的发挥,规划过程中对刀具的设计和安排在很大程度上决定了生产阶段的制造成本和刀具费用。
        2.刀具材质
        制造技术的高速发展,对切削刀具的要求越来越高。为适应高速切削的要求,新材料刀具已经被广泛使用,并且使切削效率大大提高。高钴高钒高性能高速钢刀具的耐用度可比普通高速钢提高1.5~3.0倍,粉末冶金高速钢的强度可提高20%~30%,韧性提高1.5~2.0倍,并且可靠性比普通高速钢明显提高,而CBN(立方晶氮化硼)、PCD(聚晶金刚石)刀具和陶瓷刀具等代表当今技术发展水平的超硬刀具,切削速度可比硬质合金提高数倍,大大提高了加工效率。图3为高速加工中使用的各种刀具。
       

高速加工中机床和刀具的选择与管理

高速加工中机床和刀具的选择与管理

        图3  高速加工使用的各种刀具

        3.刀具刀柄
        刀具刀柄随着切削速度的提高,主轴/刀柄联接性能在离心力的作用下发生很大变化,直接影响工件的加工精度和表面粗糙度,因此,适应数控机床和高速加工需要的刀具夹持及其与机床的连接件,如HSK刀柄、热套刀柄、液压刀柄以及其他新型刀柄等被广泛应用。图4为使用了HSK刀柄的缸孔镗刀
        4.刀具结构方式
        为了提高生产效率,减少换刀时间,在汽车零部件的加工中越来越多地使用了各种复合刀具,如钻镗复合、钻铰复合、钻孔和螺纹加工复合等。结构复杂的展开式刀具满足了很多特殊的加工要求,有些刀具甚至已发展成机、电、液一体化的装置,远远超越了传统的刀具概念。由于动力总成加工中大量采用的是流水线生产,上道工序的生产直接影响到下道工序的生产,因此,为了提高生产效率和降低生产成本,又采用了大量的组合式刀具及由此延伸的非标刀具。
        5.刀具的成本
        刀具消耗量与很多因素有关,需要具体情况具体分析。在考虑总的刀具消耗费用的同时,更重要的是看单件加工产品消耗的刀具成本,了解刀具对生产效率的影响及其消耗的总的制造成本的变化,而不仅仅只是关注直接的刀具成本;新刀具的性能、寿命及其采购价格对刀具费用的影响非常大,而可重磨刀具的数量、重磨次数及修磨费用的高低对刀具的总成本也有着显著影响。因此,要考虑一次性设备和刀具投资与长期性刀具消耗费用之间的关系,综合考量、权衡。
        6.工艺方法
        为了充分发挥高效率柔性线的作用,刀具对工艺提出了许多新的要求,如尽量考虑同一种刀具能更多地完成同一工件不同工序的加工、努力减少刀具库存量、限制换刀频率以及降低制造成本等。同时,还要针对一些工艺难点,设计专用刀具、复合刀具或智能刀具,以解决加工精度和加工效率之间的问题。

7.刀具供应商
        由于工艺的变化,机床、夹具、切削液、切削参数都对刀具的寿命有显著影响,而影响加工性能的刀具本身的结构形式、材料及表面涂层等的确定又与工艺、切削参数及切削液等紧密相连,因此选用的刀具都必须经过切削试验之后,才能确定对产品及供应商的选择。此外,现代汽车制造业还要求刀具供应商不仅能提供切削加工整体解决方案,而且还能提供及时、有效的现场技术支持,与汽车制造企业建立合作伙伴关系。
        高速加工中的设备管理
        切削方式采用了高速、高效加工,理论上应该能够提高生产效率,但对于实行了流水作业的生产线来说,能否真正提高生产效率,还需要对生产线的设备和刀具进行科学的管理。设备管理需要既能保证生产线及时开动且能生产出符合要求的工件,又要使库存设备备件的数量保持在最低水平,从而使流动资金的占用及其引起的财务费用最低。同时,在发生异常时能及时快速地反应,确保生产正常进行。
       

高速加工中机床和刀具的选择与管理

高速加工中机床和刀具的选择与管理

        图4  使用了HSK刀柄的缸孔镗刀

        设备管理应从以下几方面开展:首先,要做好使用前的准备工作,在新型设备投入使用前,应由设备科机械、电器技术员详细研究设备使用说明书及技术资料,制定出操作使用维护规程,并对使用、维修人员进行培训后,才能交付使用;其次,在使用中要跟踪检查,技术及设备管理人员要经常检查设备运行情况,并及时反馈信息;第三,严格制度管理,主要设备应实行包机制,操作工必须执行设备交接班制度,设备均应有详细运行记录,并放在工作现场,以便设备管理人员随时检查,更深入地了解设备运行状况;第四,建立以班组长为中心、点检定修制为重点的现场管理体制,在生产第一线,打破传统的直线管理方式,其管理中心下移,充分发挥班组长和点检员在基层的管理作用,生产班组长和设备点检人员本着工序服从原则开展工作,确保设备点检和定修工作顺利开展;第五,建议全员参与TPM管理,建立完善的设备管理体系,以设备的高效运行为最高目标,开展各种设备管理的自主活动,制定生产和设备的明确分工及日常点检卡,定时、定点、定标准对设备点检,打破生产方只管生产,不管设备的观念,使设备的日常保养良好,精度优良。同时,应用设备状态监测与故障诊断技术,实现故障倾向管理,不断掌握和积累故障诊断技术的知识和经验,提高分析判断设备故障的准确率,使设备管理由静态向动态发展。另外,还要加强定修项目的准确率,将定修与改善维修相结合,将年修与设备改造相结合,在维修中采用新技术、新工艺、新材料和新机具,提高定修效率,达到设备可靠性维修的目的,最终达到延长定修、年修周期的目标。此外,还要以设备的实际运行状态为依据,制订科学合理的设备检修标准和计划,严格执行各类设备的检修标准及精度要求,加强检修人员素质的提高和检修工艺过程的质量控制,防止设备失修和维修质量过剩的现象。最后,还要重视备件的计划管理,严格计划审批程序和点检员责任考核,重视备件计划的编制,定期清理、分析和调整库存结构,降低库存占用资金,推进备件国产化工作,提高库存周转率。
        高速加工中的刀具管理
        除了设备的管理,刀具管理也是高速加工中的重要工作。为确保生产线能及时得到符合要求、数量足够且性价比优异的刀具,必须在刀具的维护和保养、预调整和检测及刀具寿命等方面实施有效控制。
        当发生加工问题或刀具问题时,要做到对生产线的快速响应和支持,迅速分析和解决问题,将各种损失降低到最低限度,因此,刀具管理应从以下几方面进行:
        1.刀具耐用度、换刀频次及时间
        刀具的耐用度、换刀频次及时间直接影响机床开动率,需合理设定刀具的寿命,并对换刀时间进行严格控制。在一台机床上更换刀具时,需要考虑如何使生产线设备的停机时间最少,以及刀具磨损到何种程度时进行换刀能获得较好的刃磨效果和最长的刀具寿命。
        2.生产线上的瓶颈设备
        要控制生产线上各台设备的效率,使其相对均衡,否则,会由于生产线上某些设备的瓶颈效应而无法实现整线通过高速加工达到高生产效率的目的。
        3.刀具的预调整和检测
        高效加工刀具的预调整和检测极为重要,调刀一次合格率对生产效率的影响极大,因此,要有完善的系统和一系列有效管理来确保生产线及时获得符合要求且数量足够的刀具,并在发生加工问题或刀具问题时得到快速响应和支持,迅速分析和解决问题,以使生产正常进行。
        4.刀具非正常消耗的预防和控制
        设法控制有可能造成刀具非正常消耗的各个变量,如工件的毛坯质量、机床的稳定运行、切削液的质量、刀具及其涂层的质量稳定性和一致性等,需采取有效的控制手段和预防措施。
        5.刀具的保养和维护
        建立类似于设备维护保养那样的刀具维护保养制度,定期对结构复杂的刀具进行拆检、清洗及润滑等工作。
        结语
        设备和刀具的选用及管理对高速加工的影响非常重要,尤其对生产效率和制造成本影响更大。在当今日益激烈的市场竞争中,科学地选用设备和刀具、有效完善的设备和刀具管理,会显著提高生产效率,有效降低制造成本,使企业在激烈的竞争中处于有利地位。
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