刀具和参数在加工成功中仍然起着关键作用

尽管他们使用的零件、工件材料和加工工艺差异很大，但所有制造商都有一个共同的目标，即在规定的时间内以适当的成本加工一定数量的所需质量的工件。

介绍

制造商通常通过遵循狭义模型来实现他们的目标，该模型从刀具选择和应用开始，然后被动地解决问题。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，然后对单个加工作进行调整，而应首先关注主动预规划，以消除不合格零件和停机时间。在建立了稳定可靠的过程后，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，通过精心选择切削刀具和加工参数，制造商可以充分优化其运营并实现其生产目标。

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，一般地描述，是一个尊重规则的问题。如果车间不认识和尊重切削力、热力和化学力对工具的影响，可靠性将被刀具故障所取代。

建立稳定的工艺后，应选择刀具特性和切削条件，以匹配金属加工业务的总体目标。例如，以最低的成本实现最大的产量可能是批量生产简单零件的首要考虑因素。但另一方面，在贵重复杂零件的大混合、小批量制造中，在解决制造成本问题之前，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模具系统的要求（参见侧边栏）。

如果成本效益是主要目标，则必须根据每个切削刃的低成本来选择刀具，并且切削条件的选择必须与该选择相平衡。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，那么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刀具。

选择和调整切割条件

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。被加工的零件将在很大程度上决定这些要求。例如，镍基航空航天零件可能要求使用正前角几何形状整体硬质合金立铣刀进行轮廓铣削。选择以车间的基本目标为指导，即工件的生产率、成本和质量，并取决于为实现这些目标而可能应用的切削深度、进给速度和切削速度。

不同的选择过程适用于修改现有的零件制造作，以便在生产率、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，从切削条件的变化开始，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，大多数车间以相反的顺序工作，在尝试改善加工结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从改变切削参数开始。切削条件具有广泛的影响，将切削速度或进给率更改标称量可能会解决问题或提高生产率，而无需花费费用或时间来更换刀具。

如果修改切削参数无法产生所需的效果，则可以更改切削刀具的几何形状。然而，这一步比简单地改变参数更复杂，需要应用新刀具，并且会增加刀具和机床的时间成本。改用切削刀具材料是另一种选择，但也将涉及更多的时间和金钱投资。可能需要更换切削刀具或刀柄本身，但这会增加改用定制刀具的可能性，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理想的结果，则可能需要更改加工方法。关键是要以一种深思熟虑的、循序渐进的方式探索这些变化，这将清楚地说明哪些因素实际上产生了预期的结果。

由于这似乎是一种快速简便的方法，因此许多车间使用 CAM 系统来指导他们选择刀具。该方法在许多情况下有效，但可能无法提供最佳结果。CAM 系统没有考虑所有单独的操作特性。例如，使用铣刀不仅仅是插入速度、进给率和切深的情况。最佳应用涉及的因素包括从刀具中的齿数、排屑的程度和刀具的强度，到铣床的稳定性。要完全实现制造运营的目标，必须认识到所有这些因素，无论是金属去除率、刀具寿命、表面粗糙度还是经济性。

速度、进给和切深

许多车间经理认为，简单地提高切削速度就会在一段时间内生产更多的零件，从而降低制造成本。然而，制造成本的要素不仅仅是产量。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的作。

提高切削速度将导致更快的生产，但刀具寿命会缩短。由于更换刀具的频率更高，更换期间机床停机时间增加，加工成本将上升。

提高切削速度会缩短刀具寿命，并可能使工序不稳定，而改变切削深度或进给率对刀具寿命的影响最小。因此，最佳结果来自平衡方法，该方法包括降低切削速度，同时按比例增加进给率和切削深度。利用尽可能大的切削深度可以减少所需的切削走刀次数，从而缩短加工时间。进给率也应最大化，尽管工件质量和表面光洁度会受到进给率过高的影响。

在一个广义的示例中，将切削速度从 180 m/min 提高到 200 m/min 只会使金属去除率提高约 10%，但会对刀具寿命产生负面影响。将进给率从 0.2 mm/rev 增加到 0.3 mm/rev 将使金属去除率提高 50%，而对刀具寿命的影响最小（如果有）。

在大多数情况下，在相同或较低的切削速度下增加进给率和切削深度会将工序的金属去除率提高到仅通过提高切削速度所能达到的水平。将较低的切削速度与较高的进给率和较小的切削深度相结合，其好处之一是减少了能源消耗。

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合适的标准，并使用切削速度来微调该标准的实现情况。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种选择。

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，其中刀具劣化是安全、可预测和可控的。在该窗口中工作时，可以鉴定和量化切削速度、刀具磨损和刀具寿命之间的关系。目标是提高切削速度，从而降低机床时间成本，但不会因加速刀具磨损而过度增加切削刀具成本。

刀具基材和几何形状

优化刀具应用的其他步骤可能包括微调刀具基体和几何形状的特性。正如调整切削条件需要根据所需结果进行权衡一样，通过改变刀具基体来最大限度地提高生产率需要在基体特性之间进行权衡。

由于刀具的切削刃必须比其切削的材料更硬，因此硬度是刀具的一个关键特性。高硬度，尤其是在高速加工过程中产生的高温下，会延长刀具寿命。然而，较硬的工具也更脆。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，会导致硬切削刀具断裂。机床、夹具或工件的不稳定也会导致故障。

相反，例如，通过加入更高比例的钴粘合剂来提高刀具的韧性，将使刀具能够抵抗冲击。但与此同时，硬度降低会使刀具在高速作或加工磨蚀性工件时受到快速磨损和/或变形。关键是根据被加工的工件材料来平衡刀具特性。

选择刀具槽型也涉及权衡。正前角切削槽型和锋利的切削刃可降低切削力并最大限度地提高切屑流。然而，锋利的切削刃不如圆型切削刃坚固。可以用T 形刃带和倒角等几何特征以加强切削刃。

T 型刃带 – 切削刃后面的加固区域 – 设置为正角度可以提供足够的强度来处理特定作和工件材料，并尽可能减少切削力。倒角将锋利切削刃最薄弱的部分变方，但代价是切削力增加。“硬”切屑控制槽型引导切屑通过相对锐角，使其卷曲并立即断裂。这些槽型对于长切屑材料可能有效，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载较小，但产生的切屑更长。可以组合不同的几何特征以及珩磨等刀具切削刃处理，以优化特定工件材料的切削性能。

结论

必须指出的是，虽然车间人员（可能还有生产工程师）非常关心切削条件和他们所代表的生产率，但更高级别的经理并不像他们关心整个制造业务的业务目标那样关心这些数字。选择切削条件和切削刀具的企业应首先考虑公司加工业务的更广泛目标，并利用它们来指导切削条件和刀具的选择，以提供实现这些目标的性能。

适用于现代生产场景的刀具多功能性

由于即时生产策略的利用率增加和外包的增长，制造业正在从大批量大规模生产转向高混合、小批量加工方案。分包商越来越多地间歇性但重复地生产较小的批量。平衡生产率和刀具成本考虑需要刀具在广泛的应用窗口内提供通用性和灵活性。最大限度地减少车间中不同刀具的数量可以减少刀具处理时间，并增加可用于加工作的时间。

在涉及长时间运行相同零件的单个作中，提高生产率的传统方法是使用专为该特定工艺设计的刀具。当费用可以在长期生产运行中摊销时，设计和实施特殊刀具是值得的。

然而，在可变、小批量的情况下，平衡生产率和刀具成本考虑可以通过多功能的“通用”刀具更好地实现，这些刀具可以在广泛的应用窗口内提供灵活性。这些刀具通过在工件更换时最大限度地减少更换新刀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。

此类刀具的一个例子是山高旋风铣刀系列。这些刀具在广泛的应用中提供多功能性，以实现成本效益和高性能的结合。铣刀的正前角切削槽型降低了功耗，从而延长了刀具寿命，并有可能增加切削深度和进给。

通用刀具的另一种方法涉及组装一组适合各种应用的刀具。山高精选刀具经过精心设计，可提供灵活性。所选组包括有限数量的刀具，这些刀具不一定在每个应用中提供绝对最大的生产力或成本效益。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部件时，这些刀具将是最佳和最经济的选择。

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