機械加工自動線的刀具壽命設定

citiclee

對于節拍短、生產線長、產品復雜的發動機加工自動線來說，在刀具進行優化之前，要合理設定機床供應商原配備刀具(機加工自動線所用刀具絕大多數為非標刀具)的刀具壽命，是一個十分值得注意的工作重點。
設定得合理可以保證產品質量，降低刀具成本;反之，刀具成本上升，工件廢品連續出現，機床開動率降低，加劇機床損壞，從而達不到精益生產的目的。

    刀具壽命的合理設定，其目的就是在保證產品質量的前提下，用最低的刀具成本加工出最多的合格產品。但對機加工自動線來說，它不同于單人單機。機床的生產能力———節拍，決定了刀具的切削參數，因此不能為了提高刀具壽命而降低切削參數。在節拍既定的前提下，影響刀具壽命的條件因素也是既定事實時，要給每把刀具設定較合理的壽命，可以說它需要一個TEAM的群策群力。刀具供應商、刀具修磨工、刀具調整工、生產操作工及技術支持部門各方通力合作，才能給定一個合理值。我們通過摸索、試驗，最終達到能較合理地定值各種刀具的壽命。具體介紹如下。

8 G7 m% N7 l1 A5 f9 h9 v

    1借鑒

    設定刀具壽命首先可以合理借鑒推薦值。推薦值即為刀具供應商所薦之值。但有些推薦值因機床、冷卻液、工件材質、切削參數、工件加工技術要求等因素不同，也有不適宜實際使用情況的，故必須有一定的認證過程。盲目實施或許會嘗苦果。

    例如我們動力總成廠V6發動機缸蓋線，OP90工位有一把刀具(編號為CH9003)是加工缸蓋座圈導管的先導刀，刀具切削刃材質為PCD。刀具供應商給該先導刀的壽命推薦值為24h，機床加工一只導管孔為4.4s，一個工位加工3只導管孔，需414×3=13.2s。即先導刀的壽命為24×3600÷13.2=6545件。\\r\\n機床供應商在設備驗收階段，該刀具能滿足產品加工要求。但當設備驗收結束后，預試生產階段不久，卻出現了不能滿足加工技術要求的廢品工件(即座圈對導管的跳動量超差)。當初我們以為是后續工序的6刃CBN鉸刀原因，但調換新鉸刀后仍有廢品出現。最后經過多方查找才發覺是CH9003先導刀所致。CH9003刀具經過幾次的使用，發現該刀具每次加工到700多件缸蓋時，由于刀具磨損后加工出缸蓋達不到產品要求，跳動出現超差。最后我們將該刀具壽命設定為700件，終于使缸蓋的座圈對導管的跳動量100%滿足技術要求。

& d9 r5 V+ E$ r" |

    2試驗

    根據不同的刀具，不同的加工工件，不同的加工方法，我們可以觀察刀具達到正常磨損VB量的刀具壽命;也有采用在規定的加工條件下，按質完成額定工作量的可靠性壽命;還可以保持工件尺寸精度的尺寸壽命及刀具達到規定承受的沖擊次數的疲勞壽命等。

: V. ]& Y4 M6 M2 H# ?0 G$ j

    一般刀具我們可以通過實際使用綜合設定值，即通過幾個階段的工件加工情況最后確定加工件數。如銑刀盤我們根據其粗加工與精加工的不同情況，根據刀片的磨損量，工件加工的粗糙度，工件邊緣的崩口情況，工件加工尺寸、毛坯余量的變化來確定其壽命。一般來說，確定銑刀盤、鉸刀、鏜刀的壽命比較容易，確定鉆頭比較難定，尤其是易斷的深孔鉆頭更加難定。但各種刀具壽命的數據采集幾乎一樣。具體操作舉深孔鉆一例

/ ~4 D( W( |/ \1 C# N2 g$ {

    新鉆頭剛使用時沒什么推薦值。鉆頭壽命數據采集的方法為:第一根新鉆頭加工3000件時鉆頭折斷;第二次加工3980件時孔徑偏小(不可取);

    第三次加工2500件時切削刃崩刃。

    根據以上三次加工數據，可以設定鉆頭第一次壽命為2500×80%=2000件，以后鉆頭每加工2000件正常調換。如果鉆頭不折斷、不崩刃、孔徑正常，刀具未嚴重磨損等，那么連續三次以后再可調整壽命為2500×90%=2250件。繼續使用三次后正常，再調整壽命為2500×95%=2375件。以后每三次提高5%壽命，直至最后刀具出現VB磨損量超標或其它如刃口崩刃等現象時。其刀具壽命比出現異常時減10%，為現階段的壽命。

5 k# _- i |9 G( m* Y6 |; \8 o

    反之，在第一次初設壽命后，鉆頭在加工1980件時出現折斷或1800件時折斷，那么壽命要降低。如第四根鉆頭加工至1800件時折斷，那么第五根鉆頭加工到1800×80%=1440件時要拆下來檢查鉆頭磨損情況。對橫刃、主切削刃、副切削刃、主后面、后角等進行目檢，如一切正常，可以在第六根時提高到1800×90%=1620件。當加工到1620件時再檢查刀具，如一切正常，第七根加工至1800件時再拆下來進行目檢。如正常，第八根和第九根繼續加工1800件，再進行刀具檢查，如仍正常，那么可以認為第四根鉆頭在1800時折斷是偶然因素。同樣方法可以確認1980件折斷的原因。

% ?9 N- K7 R8 u l6 A& a4 i

    刀具使用一段時間后確認壽命

$ z' t! [* y# t- I- e

    采用這種方法設定壽命更趨合理。如PT發動機車間V6缸體線，OP30工序的7工位、8工位的深孔鉆，當初供應商的推薦值為3000件。OP30加工主油道的深孔鉆易斷是出了名的，當初設備試生產階段這個問題外方就沒有很好解決過。深孔鉆一斷就會造成刀具成本上升，工件報廢，從而增加發動機成本。由于機床的先天原因，深孔加工沒有采用槍鉆而采用麻花鉆，且麻花鉆的硬質合金頭部焊接牢度又不過關，因此易斷似乎成了不可抗拒的事實。

' G) g8 j3 A7 r, r9 b( N# d6 S

    在現存條件下，為減少斷鉆和工件報廢，合理設定刀具壽命，首先，我們查找了缸體線自生產以來深孔鉆的加工數量。通過半年多的加工數據統計，發現實際加工數量不等。偶爾有加工到3000件的，但也有加工幾十件的。大多數加工1000件，發現其中深孔鉆在加工到1000多件折斷占較大比例，1000件以下占較小比例。其次，檢查深孔鉆在加工到1000件多一點時的鉆頭磨損及工件加工質量情況:

7 p! F& ~' p% J3 R

    工件孔徑尺寸加工符合要求，但孔壁粗糙度與新刀相比差一些。

% J2 Y7 s( _* X. E& K

    鉆尖已磨損，出現小圓頭，使切削阻力增大。鉆頭主切削刃尚可，但已有細“白口”。副切削刃則已開始磨損，這不利直徑方向的倒錐度保持，從而影響下次重新修磨及增大切削阻力而造成折斷。根據以上兩方面情況，最終將OP30的深孔鉆設定在1000件調換。自實施以來，斷鉆明顯減少。統計2000年1月至8月生產缸體20222臺，斷鉆69根(一只缸體需用14根深孔鉆來完成4孔油道孔的加工)，即加工293臺缸體要斷一根。調整后，9月至12月加工缸體8926臺，斷鉆21根，即加工425臺缸體斷一根。照這樣推算以年產3萬臺計算，調整前要斷102.39根，調整后只要斷70.59根，鉆頭少斷32根，缸體也少報廢32臺。鉆頭按平均價格每根301.135美元計算，缸體每只1474.00元，那么一年可節約人民幣:301.135×32×8.27+1474×32=126860.37元。

7 u2 j" l( s2 ]8 L/ L

    3依據

    目前的加工中心一般均有加工狀態下的主軸負載值顯示。刀具的磨鈍情況可以根據機床主軸在加工狀態下的負載值決定是否需調換刀具，這樣能更準確地知道刀具需要修磨的信號。但每把刀具由于直徑大小不一樣，切削參數不同，加工方法不一樣等，其顯示負載值也不一樣。圖1為在2.0L缸體線上加工缸體(鑄鐵材料)所用的三種刀具，在工作狀態下從換上刀具到需要刃磨的過程曲線圖。

: K9 p2 i8 t0 i! K& M; o1 j5 g

    曲線三種刀具的主要切削參數如下:B1004f200mm平面銑刀，V=942.5m/min，n=1500r/min，F=0.96mm/r(每把刀片F=0.08mm/r);B3009(f18+f20.8)mm階梯鉆，V=(101.8/117.6)m/min，n=1800r/min，F=012mm/r，加工深度30.8mm;B6011M8×1.25絲錐，V=100.5m/min，n=4000r/min，F=1.25mm/r，加工深度20.5mm。

    機床主軸的負載顯示值不同。由于機床主軸的轉速不同，在無刀具前提下其負載也不同。故刀具的負載顯示值是二者的合值———主軸某一轉速下的負載+刀具切削時的負載。我們可以經過數據分析，最后確定每把刀具在需要調換時的定值。

* P: U7 b3 c! c1 N4 i% c- g

    4監控

3 X7 B6 d$ R4 F9 `

    刀具壽命一旦建立，還必須進行跟蹤及監控，即根據生產線現場的實際加工情況，機加工線操作工和刀具修磨工對刀具進行跟蹤及監控。自動線在加工狀態下一般不易觀察刀具的磨損情況，這時機加工線操作工首先用目檢工件加工狀況來判斷刀具的刀況。例如用鉆頭加工通孔，可以根據孔口的崩刃來判別鉆頭主切削刃與副切削刃交匯處的磨損情況;加工盲孔可以觀察孔的底部118°或140°的錐面粗糙度，判別鉆尖或切削刃是否崩刃;還有銑刀盤也可以從目檢工件邊緣的崩刃來判別刀片的鋒利程度等等。其次，通過對調換下來的刀具由修磨工在修磨前對刀具進行目檢，確認刀具的磨損VB量。再與操作工進行溝通，了解加工工件的質量情況，匯總后由刀具工程師和規劃員修整刀具壽命。經過這種在變化中設定值，在定值時看變化的方法，來設定合理的刀具壽命。

" H* B6 h K( M- m9 _" S5 Z0 c8 ]! G

    根據生產線現場的實際加工情況，VB量對有些刀具來說可能比國家標準要小，但大多數還是可以參照國家標準的。除精加工時，采用刀具磨損量是否影響表面粗糙度和尺寸精度作為磨損判別依據外(這類刀具一般有機加工線操作工檢查換刀前的加工工件的粗糙度或尺寸來定)，而有些刀具則參照國家標準GB/T16461-1996中的標準。根據我廠產品實際加工情況，我們設立了各種刀具的監控VB磨損限度。

/ _8 z4 ?3 R3 M1 S; _# a

    例V6缸體線的其中4把刀具的VB磨損限度為:

7 L) }1 L1 m) Y

    CB01010LH401f14mm硬質合金鉸刀，VB磨損限度0.5mmCB03008RH020(f10.25+f14)mm硬質合金階梯鉆，VB磨損限度0.3mmCB040014RH164f7mm高速鋼麻花鉆，VB磨損限度0.5mm\\r\\nCB11003RHf200硬質合金刀片精加工平面銑刀，VB磨損限度0.4mm

    5平衡

    刀具壽命還應從以下幾方面綜合平衡考慮。既要考慮刀具成本(主要指修磨成本)，也應考慮工件報廢成本。生產中有時為了降低刀具成本，往往有等到刀具使用到非修磨不可時才調換的現象，但這樣斷刀的風險就大大增加。其一，假如刀具折斷，刀具成本就會上升;其二，因刀具折斷，又會使工件報廢。發動機零件一般毛坯價格均在上千元之上，故必須離非修磨不可時有一個安全系數。我們一般選用降10%的壽命。新刀與重新修磨的刀具其壽命也不同，如鉆頭，高速鋼、硬質合金、涂層硬質合金、CBN、PCD等均不一樣。高的可保持新刀具的100%，低的只有新刀的60%~70%。這在很大程序上取決于設備及修磨工的技能。

    設定刀具壽命時，機加工自動線各工序之間要平衡調刀時間。刀具壽命只能是階段性的設定值，而不是永久性的定值。如主軸的軸承磨損，導致振動加劇，會導致刀具壽命降低。工件的批量不同，如硬度等因素，會導致刀具損耗出現較明顯變化。刀具的批量變化。生產中往往碰到使用這批刀具壽命較高，使用下一批刀具時發現壽命較低的現象。碰到這種現象時需重新采集數據重新設定。設定刀具壽命，光根據加工尺寸來判斷并不一定合理。

X1 q |; h5 k# j1 E" x! ]1 F. U

    如鉆頭，一般說來它的孔徑能滿足其要求，但有時鉆頭已嚴重磨損。如鉆頭的倒錐，由于磨損嚴重，鉆頭切削部分直徑變成了順錐，影響下次的鉆頭修磨。為了達到好的切削效果，修磨前必須切掉順錐段，這樣減少了鉆頭修磨次數，刀具成本就有所上升。自動線各工序間的刀具一般最好設定為10或50的倍數，這樣可以不影響前后工序的加工進程。如OP10調刀了，OP20沒刀調換，那么OP20也只能等待OP10操作工調好刀以后才可開機生產;同樣，OP20調刀時OP10沒多久便處于停機狀態，因為后道工序工件堵塞。如果前后工序都能處在較接近的時間調換刀具，那么這樣就能提高機床的開動率。

    6結語

* {! F5 P. G+ R7 z% _$ _

    由上面所敘可知:刀具壽命的設定，只要掌握一定的方式方法，就可以掌握刀具壽命的確定原則———提高生產率，降低生產成本，最終達到精益生產的目的。

一劍飄紅

樓上講的動力總成廠是哪里的動力總成廠？

秦地小機2015

十幾年前能總結出這么好的資料實在是太強了，我們現在還在摸索自動化加工中的刀具壽命管理。