刀具選擇的效率原則和精度原則

1、刀具選擇的效率原則和精度原則在金屬切削加工中，刀具選擇幾乎是每一個(gè)工藝工程師必須面臨的問題。刀具選擇要考慮許多問題，相應(yīng)地就有許多原則，如效率原則、加工精度 原則、穩(wěn)定性原則、經(jīng)濟(jì)性原則等等。首先談一下效率原則。效率原則其實(shí)與其他原則不可分割，尤其是經(jīng)濟(jì)性原則。要求效率的主要 目的，就是保證整個(gè)加工的經(jīng)濟(jì)性。但效率特別重要，所以我把它獨(dú)立出 來，單獨(dú)討論一下。效率原則首先是在保證可接受的加工精度和可接受的穩(wěn)定性前提下的效率。沒有這個(gè)基本條件，效率無從談起。就像我們希望我們的交通工具（譬 如汽車）能夠給我們帶來更快的速度，但安全常常是第一位的。一旦有飛機(jī) 失事后，許多人會(huì)慎重考慮是否真的繼續(xù)選擇

2、飛機(jī)出行，航空公司也會(huì)重 新審視已有的安全策略。沒有安全，飛機(jī)就不會(huì)成為首選的交通工具，刀 具的選擇同樣如此。其次，我們也不會(huì)在所有的條件下都強(qiáng)調(diào)效率，追求效率有我們的一些約 束條件。一個(gè)零件的加工效率提高需要與其他零件的效率相適應(yīng)，一個(gè)工 序的效率提高更需要與其他工序的效率相適應(yīng)。如果忽視這些約束條件， 一味追求效率，會(huì)吃力不討好的。就像上海到北京的火車，現(xiàn)在在晚上 點(diǎn)左右發(fā)車，第二天早上 10點(diǎn)到達(dá)。如果能夠提前到 8點(diǎn)到達(dá)，也許最 受歡迎；但如果提前到 6點(diǎn)，也許受歡迎程度反而下降。因?yàn)榱熊噯T都會(huì)在到站前提前一個(gè)小時(shí)甚至兩個(gè)小時(shí)整理旅客床鋪，早上4點(diǎn)或5點(diǎn)起床大部分旅客不會(huì)太樂意的。工廠

3、也是如此，尤其在流水線生產(chǎn)的條件下更 是如此。我們需要解決的是整個(gè)流水線中的瓶頸”工序。只要提高了這個(gè)工序的生產(chǎn)能力，就能夠提高整條生產(chǎn)線的生產(chǎn)能力，提高整個(gè)產(chǎn)品的生 產(chǎn)能力，縮短制造周期，這是許多企業(yè)所期望的。而單機(jī)或柔性制造系統(tǒng)的需求又不一樣。他們所受的約束較少，即與其他 工序的相關(guān)度較小。由于柔性化，某個(gè)零件或某個(gè)工序制造周期的縮短常 常意味著能夠使該設(shè)備投入其他零部件或其他工序的生產(chǎn)，從而創(chuàng)造更多 的效益。我認(rèn)為在市場競爭日益激烈的今天，企業(yè)對(duì)工藝工程師的期望已經(jīng)不是解 決簡單的工藝問題，而是期望工藝工程師們能對(duì)企業(yè)有更大的貢獻(xiàn)度。如 果我們的工藝工程師能從企業(yè)全局出發(fā)，為企業(yè)改進(jìn)制造

4、流程作出貢獻(xiàn)， 一定會(huì)獲得企業(yè)主的首肯和贊許。就國外現(xiàn)代金屬加工企業(yè)調(diào)查的數(shù)據(jù)，刀具本身在制造成本中所占的比例 并不是很高，通常在 2%4%之間，高的會(huì)到7%左右。但刀具對(duì)加工效 率的影響卻非常巨大。20多年前我參加機(jī)械部組織的2000年機(jī)械產(chǎn)品 振興目標(biāo)研究時(shí)接觸的一個(gè)觀點(diǎn)給我留下了極其深刻的影響，10年外企 的工作經(jīng)歷，使我對(duì)這個(gè)觀點(diǎn)有了更深刻、更具體的感受。那就是所謂 臺(tái)幾十萬美元的設(shè)備能否發(fā)揮應(yīng)有的作用，常常取決于一把幾美元的刀具。我曾經(jīng)得到過的一個(gè)成本分析實(shí)例表明，減少30%的采購價(jià)格（指刀具性能沒有任何改變）或延長50%的刀具壽命（通常需要依賴刀具制造者的技 術(shù)進(jìn)步）都只能降低制造

5、成本1%左右一一因?yàn)榈毒呖偝杀局皇钦嫉街圃斐?本的4%,但如果提高20%的加工參數(shù)，大約可以降低15%的制造成本一一 雖然如果提高的是切削速度 20%,刀具成本會(huì)提高50%,但因?yàn)榧庸ぶ芷?縮短，總成本還是有大幅度的下降。我曾經(jīng)拜訪過一家上海的模具企業(yè)。這是一家技術(shù)曾經(jīng)非常領(lǐng)先的企業(yè)，我們家保存的一塊機(jī)械部質(zhì)量信得過獎(jiǎng)?wù)碌哪＞呔褪撬麄冏龅?。但?dāng)我成 為一家國外公司的刀具銷售工程師前去拜訪的時(shí)候，他們已經(jīng)日薄西山， 沒有什么競爭能力了。我走進(jìn)他們的車間，眼前的一幕使我震驚。他們進(jìn) 口了價(jià)值幾百萬人民幣的德國馬豪公司的5軸聯(lián)動(dòng)加工中心，卻在這些加工中心上使用價(jià)格極低、效率同樣極低的高速鋼銃刀進(jìn)行加

6、工。我仿佛看 到了他們衰落的問題所在，當(dāng)然可能這不是惟一的原因。加工理念和管理 理念的落后，導(dǎo)致他們的生產(chǎn)效率低下；高昂的設(shè)備折舊，又使他們的制 造成本完全沒有競爭能力。因此，從這點(diǎn)上說，如何選擇刀具，是否重視 加工效率，也許就關(guān)系著企業(yè)的生死存亡。除了加工效率原則之外，刀具對(duì)加工精度的影響也是需要考慮的，尤其是 在精加工等加工精度、表面質(zhì)量要求比較高的應(yīng)用場合。在粗加工的條件下，我們一般都會(huì)采用效率優(yōu)先原則。在這一階段，快速去除工件毛坯上的加工余量，快速接近工件完工尺寸的凈尺寸”狀態(tài)，是 我們考慮刀具選擇及加工參數(shù)的第一因素。但在精加工的條件下，情況會(huì)有很大差別。精加工時(shí)我們應(yīng)該采用精度優(yōu)先

7、原則， 即首先保證加工的尺寸精度、表面粗糙度和表面質(zhì)量?，F(xiàn)在典型的一種以保證精度為優(yōu)先考慮的刀具被國外許多刀具廠商所青 睞，這就是接近完美 90。主偏角的立銃刀。我們從數(shù)學(xué)上可以得出，如果 用一個(gè)平面（對(duì)于刀具是前刀面）去截一個(gè)圓柱面（理想的切削刃繞刀具軸 線所形成的表面），只有在該平面包含圓柱面軸線 （即刀具軸向前角為零） 時(shí)，其截交線才會(huì)是一段直線。但這時(shí)刀刃受力通常不理想，我們常常需 要用一個(gè)正的軸向前角來改善刀具的切削性能。但這樣一來就產(chǎn)生了回轉(zhuǎn) 面的形狀精度問題：一根交錯(cuò)的直線 （切削刃）繞刀具軸線回轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的不 是圓柱面，而是雙曲面。只有切削刃成為橢圓的一部分時(shí)，它繞刀具軸線 回轉(zhuǎn)

8、的結(jié)果才會(huì)形成圓柱面。于是國外一些刀具公司先后開發(fā)了這樣的刀具：肯納金屬的被稱為 Mill 1 ,山特維克可樂滿的被稱為 R390,而瓦爾特 的則被稱為F4042。這些刀具的本質(zhì)都是一樣的，他們用一段曲線形的切 削刃來構(gòu)筑接近完美的圓柱面。雖說不同直徑的銃刀應(yīng)該有不同的曲線， 而刀片生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性要求又不允許這樣做，各廠用在不同直徑上選用不同 軸向前角的方法來改善其中的差異。這種產(chǎn)品開發(fā)的思路值得國內(nèi)廠家好好學(xué)習(xí)。研究用戶的需要，分析目前 存在的問題，進(jìn)而想方設(shè)法去為客戶解決這些問題，是企業(yè)不斷創(chuàng)新、不 斷進(jìn)步、不斷滿足客戶增長的需求的有效手段。還有一些刀具是經(jīng)過改進(jìn)，能夠一次加工達(dá)到最終質(zhì)量要

9、求的。也就是在 原本用于粗加工的刀具上引入精度改進(jìn)方案，從而使一次加工獲得更好的 精度和表面質(zhì)量。車削上的Wiper刀片和鋁合金鉆孔的三刃鉆（如肯納的TF鉆）都是這樣的例子。圖1是Wiper刀片例子。紅色線條為傳統(tǒng)刀片，藍(lán)色刀片為 Wiper刀片, 如果我們采用相同的進(jìn)給量（如0.05mm）,傳統(tǒng)刀片加工的表面粗糙度比 Wiper刀片的高到5倍。這樣加工精度得到了保證，許多時(shí)候甚至可以以 車代磨。2006年5月在辦州舉行的高速加工國際研討會(huì)(ICHSM, InternationalConference of High Speed Machine)上，德國達(dá)姆斯特大學(xué)的PTW研究所介紹了他們對(duì)鉆削的一些研究成果。其中有一部分就是關(guān)于鉆頭不對(duì)稱對(duì)鉆削精度的影響。研究表明，對(duì)稱的鉆頭的兩個(gè)切削刃形成的是一個(gè)完整的圓形，如圖2(黑色是鉆芯軌跡紅色與藍(lán)色分別是兩個(gè)鉆尖拐角的軌跡即削刃1切酊刃2鉆芯而如果鉆芯不對(duì)稱，則會(huì)形成非圓的形狀，