数控刀具磨削之“自力更生”

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加工厂应该考虑开展CNC刀具磨削，其理由很多，包括CNC刀具磨削可以加工出高质量、长寿命刀具，具有较高的工艺灵活性和可控性，同时还节省开支等。 & j5 R" k) S1 k. c/ q, r7 q/ l

由于刀具磨削并不是加工厂核心能力的一部分，因此为了确认厂内磨削是否合理，必须进行仔细分析。 ' V! v; o1 ~. _

加工厂必须能够指定一名全职操作员操作机床。对操作员进行CNC刀具磨削培训并不难，但是他必须拥有操作CNC机床五年左右的经验。此外，操纵员还必须具有良好的刀具加工知识。加工厂可以基于财务和灵活性等原因考察配备一台CNC磨床是否合理。从财务方面看，采用标准刀具的加工厂每年在刀具重磨方面至少需要花费200,000 美元。但是，采用非标刀具或频繁换刀的加工厂，若配备内部重磨设施，那么可以快速重磨这些刀具。

CNC磨削的优点

采用手动磨床在公司内部磨削刀具而临若干问题。例如，磨一把刀具就需要多台机床。譬如磨一把钻头就需要一台开槽机、一台外圆磨床及一台磨尖机。这就需要进行多次装夹。相反，一台CNC磨床完成一成套磨削却只需要一次装夹。同时，一台CNC磨床的占地面积比多台手动磨床的要小。另一个问题是非封闭式手动机床产生的硬质合金切屑形成的脏污问题。最重要的是，手动磨床依赖于操作员的熟练技能，而这点如今已经成为一种越来越稀缺的资源。
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表1 刀具磨削时间：手动与数控方式比较

刀具	手动方式		数控方式
	设置次数	磨削时间	设置次数	磨削时间
1英寸4槽硬质合金立铣刀	3	16分钟	1	4分钟
2英寸3槽套料钻	4	22分钟	1	4分钟47秒
4.14英寸×20错齿铣刀	10	134分钟	2	10分钟
1英寸6槽台阶钻	6	30分钟 (外加检查每个台阶)	1	3分钟40秒

最后一点，手动磨削的时间要比CNC磨削的长得多。表1中的数据是一个汽车厂家提供的，其中对手动和CNC 刀具磨削时间进行了比较。随着刀具几何形状变得更复杂，磨削时间会大幅增加。

外协牵涉到的一个问题是缺乏灵活性。例如，如果加工厂采用的刀具具有特殊的几何结构，或者参与了需要快速解决刀具特征的开发工作，有可能会遇到非常长的重磨时间。此外，加工厂对外协刀具重磨质量可控性很小。在外协过程中，由重磨厂确定各个项目的时间安排，因此加工厂很可能会发现自己待重磨的刀具排到了长长一列队伍的最后。而进行内部磨削的加工厂却可以对优先性及重磨刀具的时间安排加以控制。 2 S' V: c+ x) P0 O0 ?

一致性问题

CNC磨削不仅比手动磨削更快，同时还可以加工出更好、一致性更高的刀具，因为它不依赖于操作员的技能。许多高速加工中心采用具有复杂几何结构的刀具，诸如每个齿其有不同螺旋线结构的钻头，或者整个刀具上螺旋线不断变化的钻头。这样的刀具很难或者说不可能通过手动磨削形成很好的结果。而通过多种软件选项，新的CNC机床却可以很方便地磨削复杂的刀具几何结构。 ' M4 N* Q% M2 a. L2 p

钻头的CNC磨削可以确保在直径、齿间空间、刀具半径方面不存在偏差，因此每把刀具都将均匀切削。这些特征的非一致性可能导致在各个刀齿上产生额外应力，从而降低刀具寿命。刀具的一致性可以保证长时间进行不间断切削，因此换刀时间可以依据实际情况规定，从而彻底用完刀具的可用寿命。此外，一件工件需要的刀具把数可以通过生产调度精确确定，从而减少刀具库存。好的刀具发热最少，振动低，因此机床寿命更长，维护更少，同时加工出的表面粗糙度更高。另外，CNC磨削还可以采用韧度更高的刀具材料，这种刀具可以保证更高的切削速度，形成更好的表而粗糙度。

通常，手动磨削是在干态下完成的，而CNC磨削则具有许多冷却液选项。采用高压冷却液可以防止切削刃发热，从而保证切削速度更高，刀具寿命更长。

实现经济型高生产率最重要的因素是切削速度，而不是刀具成本或刀具寿命。例如，工业数据表明，刀具成本降低30%只能使每件产品的成本降低1%。类似地，刀具寿命提高50%也只能使产品成本降低1%。但是，切削速度提高20% (尽管刀具成本增加50% )却可以使每件产品的成本降低15%。CNC磨削成的高质量刀具很容易就能让切削速度比手动磨削刀具的高20%。
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表2 外协和内部CNC刀具磨削的费用汇总

外协	负荷循环(小时)	换刀次数	总年度费用
	4	20	206000美元
	2	40	824000美元
	刀具：外径0.5英寸．长3英寸，方尾硬质合金立铣刀。每天加工8小时，每年250天，每次重磨需要离厂10天。
内部CNC磨床	负荷循环(小时)	换刀次数	总年度费用
	4	20	50881美元
	2	40	203523美元
	刀具：同上，包括CNC磨床的每小时46.42美元成本

外协成本

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外协重磨刀具的总成本涉及到生产工具的成本，外加在重磨刀具期间维持生产所必须的备件成本，以及服务和运输成本，更重要的是，在重磨服务发生拖延事件时生产损失方面的成本。这些成本在年度开支上会增加很大的一笔费用。例如，一把外径0.5英寸(12.7mm)、长3英寸(75mm)的方尾立铣刀，换刀20次，每次切削4小时，工况是每年250天每班8小时，假设重磨的周转时间为10天，那么采用外协刀具磨削每年的开支为206000 美元，如表2 。若同一把刀具换刀40次，负载循环缩短为2小时，那么每年的开支则上升到824000美元。内部CNC磨削刀具的真正成本包括机床成本、操作员成本及车间杂用开支，比外协刀具磨削的成本要低得多(表2)。例如，购买和运行一台价值240,000美元的CNC磨床每小时均摊的成本为28.09美元(算上折旧、利息、占地、能源、维护和机床易耗件等方而的成本)。一般的操作员成本为18.33美元/小时，运行这样一台CNC磨床的总成本为46.42美元/小时。对于上例外径0.5英寸、长3英寸换刀20次或40次的方尾立铣刀，每年的内部刀具重磨成本大约为外协重磨的1/4 。 【MechNet】

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