Оптимизация выбора инструмента и параметров: краеугольный камень превосходства в обработке

Введение

Хотя детали, материалы заготовок и процессы обработки широко различаются, все производители делят цель: обработать определенное число деталей требуемого качества, за заданное время, по адекватной стоимости.

Производители обычно достигают целей через узкоперспективную модель, начинающуюся с выбора инструмента и применения и решающей проблемы реактивно. Переворот этого подхода даст снижение затрат и рост эффективности. Вместо ожидания проблем и последующих корректировок отдельных операций, производители должны фокусироваться на проактивном предварительном планировании, направленном на устранение брака и простоев. После установления стабильного и надежного процесса, концепции производственной экономики могут быть применены для баланса между темпом производства и затратами. Затем, через тщательный выбор режущих инструментов и режимов резания, производители могут полностью оптимизировать операции и выполнять производственные цели.

Выбор инструментов и режимов резания

Выбор металлорежущего инструмента обычно приложенно-ориентирован: цех ищет инструмент для обработки определенного материала (сталь, алюминий) или конкретной операции (черновка, финиш). Более выгодный подход начинается с рассмотрения того, как операция вписывается в бизнес производителя в целом.

Первый приоритет — обеспечить надежность процесса и устранить брак и неплановые простоя. Надежность, в общем, — вопрос соблюдения правил. Если цех не признает и не уважает влияние режущих, тепловых и химических сил на инструмент, надежность сменяется поломкой инструмента.

После установления стабильного процесса, характеристики оснастки и режимы резания должны подбираться под общие цели металлообрабатывающего бизнеса. Например, максимизация выпуска при минимальных затратах может быть приоритетом в массовом производстве простых деталей. Но в высокосмешанном, малобатчевом производстве ценных сложных деталей — полная надежность и точность должны быть акцентированы до адресации затрат. Гибкость — требование к оснасточным системам в таких малобатчевых сценариях.

Если целесообразность затрат — главная цель, оснастка должна подбираться по низкой стоимости на режущую кромку, и выбор режимов должен быть в балансе с этим выбором. Режимы должны акцентировать долгий ресурс и надежность процесса. Если, наоборот, качество детали — топ-приоритет, высокоточная высокопроизводительная оснастка при соответствующих режимах — правильный подход. Какие бы цели ни были, каждый набор целей ведет к выбору разных режимов и инструментов.

Выбор и корректировка режимов резания

В начальном планировании обработки новой детали, выбор оснастки и режимов должен начинаться с рассмотрения метода обработки, геометрии инструмента и материала режущей кромки. Деталь в значительной степени определяет эти требования. Например, никелевая авиадеталь может диктовать профильную фрезеровку позитивной геометрией цельного карбидного торца. Выбор направляется базовыми целями цеха по темпу производства, затратам и качеству, и зависит от глубины резания, подачи и скорости резания, применимых для достижения целей.

Другой процесс подбора уместен для модификации существующих операций для лучших результатов по продуктивности, экономии или надежности. В таких случаях рекомендуется поэтапный подход: нач. с изменения режимов резания, затем геометрий, материалов режущей кромки, концепций инструментов и наконец методов обработки. Заметно, большинство цехов работают в обратной последовательности — сначала думают о смене инструментов или методов при попытке улучшить результаты.

Гораздо более простой и обычно эффективный начальный подход — изменение режущих параметров. Режимы имеют широкий диапазон влияния, и номинальное изменение скорости или подачи может решить проблему или поднять продуктивность без затрат и времени на смену инструмента.

Если модификация параметров не дает эффекта, меняют геометрию режущего инструмента. Но этот шаг сложнее простой смены параметров, потребует новых инструментов, увеличист затраты на инструмент и машино-время. Смена материала режущей кромки — еще альтернатива, но тоже с большими инвестициями времени и денег. Смена самих инструментов или державок может быть необходима, но поднимает возможность кастомных инструментов, что еще больше увеличивает затраты.

Если ни один шаг не дает результата — может понадобиться смена метода обработки. Ключ — исследовать изменения в целенаправленном поэтапном стиле, проясняющем, какие факторы действительно дают желаемый результат.

Потому что кажется быстрым и легким, многие цехи используют CAM-системы для руководства выбором инструментов. Этот метод эффективен во многих случаях, но может не дать оптимальных результатов. CAM-система не учитывает полный спектр индивидуальных операционных характеристик. Применение фрезы — не просто вбивание скорости, подачи, глубины. Оптимальное применение включает факторы от числа зубьев фрезы до качества выноса стружки и прочности инструмента, до устойчивости фрезерного станка. Необходимо признать все эти факторы для полного достижения целей производства — интенсивности снятия металла, ресурса инструмента, шероховатости или экономии.

Скорость, подача и глубина резания

Многие менеджеры цехов верят: простое повышение скорости резания даст больше деталей за время и снизит затраты. Но элементов производственных затрат больше, чем только объем выпуска. Пример: операция, где смена инструмента в процессе вредно для качества и времени.

Повышение скорости даст более быстрое производство, но ресурс упадет. Затраты вырастут из-за более частыхсмен инструмента и больших простоев станка при сменах.

Повышение скорости сокращает ресурс и может сделать операцию менее стабильной, в то время как изменение глубины резания или подачи минимально влияет на ресурс. Соответственно, лучшие результаты от сбалансированного подхода: сниженные скорости, соотнесенно увеличенные подача и глубина резания. Использование максимально возможной глубины резания уменьшает число проходов и тем самым время обработки. Подачу тоже нужно максимизировать, хотя чрезмерная подача может влиять на качество и чистоту поверхности.

В обобщенном примере: повышение скорости с 180 до 200 м/мин увеличивает интенсивность снятия металла всего ~10%, но негативно влияет на ресурс. Повышение подачи с 0,2 до 0,3 мм/об увеличивает интенсивность на 50% с минимальным, если вообще, эффектом на ресурс.

В большинстве случаев увеличение подачи и глубины при той же или более низкой скорости поднимет интенсивность снятия металла до уровня, достигаемого только более высокими скоростями. Среди выгод работы с комбинацией более низких скоростей, больших подач и меньшей глубины — сниженное потребление энергии.

Финальный шаг оптимизации режимов — выбор подходящего критерия: минимальные затраты или максимальная продуктивность — и тонкая настройка скорости резания для достижения критерия. Модель, разработанная в начале XX века американским механическим инженером Ф.У. Тейлором, может направить этот выбор.

Модель демонстрирует: для заданной комбинации глубины резания и подачи существует определенное окно скоростей, где износ инструмента безопасен, предсказуем и контролируем. Работая в этом окне, можно квалифицировать и количественно определить связь между скоростью, износом и ресурсом. Цель — более высокая скорость, снижающая машино-время, но не чрезмерно повышающая затраты на инструмент через ускоренный износ.

Подложка и геометрия инструмента

Дополнительные шаги оптимизации применения инструмента могут включать тонкую настройку характеристик подложки и геометрии. Как и настройка режимов, связанная с компромиссами в зависимости от желаемых результатов, максимизация продуктивности через изменения подложки требует баланса компромиссов среди свойств подложки.

Поскольку режущая кромка должна быть тверже обрабатываемого материала, твердость — ключевая характеристика. Высокая твердость, особенно при повышенных температурах высокоскоростной обработки, продлевает ресурс. Но более твердый инструмент — также более хрупкий. Неровные режущие силы в черновке, особенно в прерывистых резаниях с нагаром или переменной глубиной, могут вызвать ломку твердого режущего инструмента. Нестабильность станка, оснастки или заготовки тоже могут спровоцировать отказ.

Наоборот, повышение вязкости инструмента включением большего % кобальт-связующего, например, даст устойчивость к ударам. Но при этом сниженная твердость делает инструмент подверженным быстрому износу и/или деформации в высокоскоростных операциях или при обработке абразивных заготовок. Ключ — баланс свойств инструмента с учетом обрабатываемого материала.

Выбор геометрий тоже подразумевает компромиссы. Позитивная режущая геометрия и острая кромка снижают режущие силы и максимизируют вынос стружки. Но острая кромка не так сильна, как затупленная. Геометрические особенности вроде T-земель (T-lands) и фасок могут усиливать режущую кромку.

T-зель — усиливающая зона за режущей кромкой — под положительным углом может дать достаточную прочность для конкретных операций и материалов и минимизировать режущие силы насколько возможно. Фаска затупляет слабое место острой кромки ценой повышенных режущих сил. «Жесткие» геометрии управления стружкой направляют стружку через острый угол для скручивания и немедленного ломания. Эффективны с длинностружечными материалами, но кладут доп. нагрузку на кромку. «Мягкие» геометрии управления стружкой кладут меньше нагрузки на кромку, но дают более длинную стружку. Разные геометрические особенности — а также обработки кромки вроде заточки (hones) — могут комбинироваться для оптимизации режущей производительности в конкретных материалах.

Заключение

Следует отметить: пока цеховые инженеры и производственные инженеры заботятся о режимах и их продуктивности, высшее управление не так заботится об этих числах, как о бизнес-целях производственных операций в целом. Те, кто выбирает режимы и инструменты, должны думать сначала о более широких целях компании и использовать их для навигации выбора режимов и инструментов, дающих производительность, делающую достижение целей возможным.

Универсальность инструмента для современных производственных сценариев

Производство движется от массового высокообъемного к высокосмешанному, низкообъемному в результате роста just-in-time стратегий и аутсорсинга. Подрядчики всё чаще производят малые партии на прерывистом, но повторяющемся основании. Балансировка продуктивности и затрат на инструмент требует оснастки, предлагающей универсальность и гибкость по широкому окну применения. Минимизация числа разных инструментов в цехе снижает время на манипуляции инструментом и увеличивает время для обработки.

Традиционный способ повышения продуктивности в отдельной операции с длинными сериями одинаковых деталей — применение оснастки, специально спроектированной для этого процесса. Проектирование и внедрение спец-оснастки оправдано, когда затраты амортизируются над длинным производственным запуском.

Однако балансировка продуктивности и затрат в переменных, малобатчевых ситуациях лучше достигается универсальной оснасткой, предлагающей гибкость по широкому окну. Эти инструменты снижают простой, минимизируя время смены инструмента при смене заготовки. Также устраняют необходимость наладки и пробного запуска новых инструментов.

Пример такой оснастки — линейка фрез Seco Turbo. Они предлагают универсальность в широком диапазоне применений для сочетания целесообразности затрат и высокой производительности. Позитивная режущая геометрия фрез снижает потребление мощности, ведя к более длинному ресурсу и возможности увеличенных глубин резания и подач.

Другой подход к универсальной оснастке — сборка набора инструментов, подходящего для разнообразия применений. Seco Selection инструменты спроектированы для гибкости. Выбранная группа включает ограниченное число инструментов, которые не обязательно дают абсолютный максимум продуктивности или целесообразности в каждом применении. Но они будут лучшим и наиболее экономичным выбором, когда максимальная гибкость желательна для обработки быстро меняющегося разнообразия материалов и компонентов.

Ранее на SecoTools.com.