机加工自动线的刀具寿命设定

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对于节拍短、生产线长、产品复杂的发动机加工自动线来说，在刀具进行优化之前，要合理设定机床供应商原配备刀具（机加工自动线所用刀具绝大多数为非标刀具）的刀具寿命，是一个十分值得注意的工作重点。设定得合理可以保证产品质量，降低刀具成本；反之，刀具成本上升，工件废品连续出现，机床开动率降低，加剧机床损坏，从而达不到精益生产的目的。
4 ]' Z8 ?; V: K3 z1 h, u0 D8 R3 p    刀具寿命的合理设定，其目的就是在保证产品质量的前提下，用最低的刀具成本加工出最多的合格产品。但对机加工自动线来说，它不同于单人单机。机床的生产能力——节拍，决定了刀具的切削参数，因此不能为了提高刀具寿命而降低切削参数。在节拍既定的前提下，影响刀具寿命的条件因素也是既定事实时，要给每把刀具设定较合理的寿命，可以说它需要一个TEAM的群策群力。刀具供应商、刀具修磨工、刀具调整工、生产操作工及技术支持部门各方通力合作，才能给定一个合理值。我们通过摸索、试验，最终达到能较合理地定值各种刀具的寿命。具体介绍如下。
    1．借鉴
6 B1 o3 @0 U- e% h( H; S7 g/ Y/ x    设定刀具寿命首先可以合理借鉴推荐值。推荐值即为刀具供应商所荐之值。但有些推荐值因机床、冷却液、工件材质、切削参数、工件加工技术要求等因素不同，也有不适宜实际使用情况的，故必须有一定的认证过程。盲目实施或许会尝苦果。
    例如，我们动力总成厂V6发动机缸盖线，OP90工位有一把刀具（编号为CH9003）是加工缸盖座圈导管的先导刀，刀具切削刃材质为PCD。刀具供应商给该先导刀的寿命推荐值为24h，机床加工一只导管孔为4.4s，一个工位加工3只导管孔，需414×3=13.2s。即先导刀的寿命为24×3600÷13.2=6545件。
    机床供应商在设备验收阶段，该刀具能满足产品加工要求。但当设备验收结束后，预试生产阶段不久，却出现了不能满足加工技术要求的废品工件（即座圈对导管的跳动量超差）。当初我们以为是后续工序的6刃CBN铰刀原因，但调换新铰刀后仍有废品出现。最后经过多方查找才发觉是CH9003先导刀所致。CH9003刀具经过几次的使用，发现该刀具每次加工到700多件缸盖时，由于刀具磨损后加工出缸盖达不到产品要求，跳动出现超差。最后我们将该刀具寿命设定为700件，终于使缸盖的座圈对导管的跳动量100%满足技术要求。
    2．试验
    根据不同的刀具，不同的加工工件，不同的加工方法，我们可以观察刀具达到正常磨损VB量的刀具寿命；也有采用在规定的加工条件下，按质完成额定工作量的可靠性寿命；还可以保持工件尺寸精度的尺寸寿命及刀具达到规定承受的冲击次数的疲劳寿命等。
    一般刀具我们可以通过实际使用综合设定值，即通过几个阶段的工件加工情况最后确定加工件数。如铣刀盘我们根据其粗加工与精加工的不同情况，根据刀片的磨损量，工件加工的粗糙度，工件边缘的崩口情况，工件加工尺寸、毛坯余量的变化来确定其寿命。一般来说，确定铣刀盘、铰刀、镗刀的寿命比较容易，确定钻头比较难定，尤其是易断的深孔钻头更加难定。但各种刀具寿命的数据采集几乎一样。
6 E; S( v# ~  ]0 e5 o    具体操作可举深孔钻一例。新钻头刚使用时没什么推荐值。钻头寿命数据采集的方法为：
    第一根新钻头加工3000件时钻头折断；
9 o. Q! a6 @9 U    第二次加工3980件时孔径偏小（不可取）；
    第三次加工2500件时切削刃崩刃。
1 `. R* y% s# q. k; Q" u    根据以上三次加工数据，可以设定钻头第一次寿命为2500×80%=2000件，以后钻头每加工2000件正常调换。如果钻头不折断、不崩刃、孔径正常、刀具未严重磨损等，那么连续三次以后再可调整寿命为2500×90%=2250件。继续使用三次后正常，再调整寿命为2500×95%=2375件。以后每三次提高5%寿命，直至最后刀具出现VB磨损量超标或其它如刃口崩刃等现象时。其刀具寿命比出现异常时减10%，为现阶段的寿命。
% `9 p( X; @* O" U8 @: E$ |4 m    反之，在第一次初设寿命后，钻头在加工1980件时出现折断或1800件时折断，那么寿命要降低。如第四根钻头加工至1800件时折断，那么第五根钻头加工到1800×80%=1440件时要拆下来检查钻头磨损情况。对横刃、主切削刃、副切削刃、主后面、后角等进行目检，如一切正常，可以在第六根时提高到1800×90%=1620件。当加工到1620件时再检查刀具，如一切正常，第七根加工至1800件时再拆下来进行目检。如正常，第八根和第九根继续加工1800件，再进行刀具检查，如仍正常，那么可以认为第四根钻头在1800时折断是偶然因素。同样方法可以确认1980件折断的原因。
- z' p$ ~3 f2 ~. p& M, w# \, T    刀具使用一段时间后确认寿命
4 g$ d7 K) [% i8 F1 |9 z5 z    采用这种方法设定寿命更趋合理。如PT发动机车间V6缸体线，OP30工序的7工位、8工位的深孔钻，当初供应商的推荐值为3000件。OP30加工主油道的深孔钻易断是出了名的，当初设备试生产阶段这个问题外方就没有很好解决过。深孔钻一断就会造成刀具成本上升，工件报废，从而增加发动机成本。由于机床的先天原因，深孔加工没有采用枪钻而采用麻花钻，且麻花钻的硬质合金头部焊接牢度又不过关，因此易断似乎成了不可抗拒的事实。
8 i. }$ {9 O2 p8 Z    在现存条件下，为减少断钻和工件报废，合理设定刀具寿命，首先，我们查找了缸体线自生产以来深孔钻的加工数量。通过半年多的加工数据统计，发现实际加工数量不等。偶尔有加工到3000件的，但也有加工几十件的。大多数加工1000件，发现其中深孔钻在加工到1000多件折断占较大比例，1000件以下占较小比例。其次，检查深孔钻在加工到1000件多一点时的钻头磨损及工件加工质量情况：
$ A. n, }9 [; t7 j' p; `* X    工件孔径尺寸加工符合要求，但孔壁粗糙度与新刀相比差一些。
- _5 r9 Z, P4 h' Q' F6 b4 J    钻尖已磨损，出现小圆头，使切削阻力增大。
    钻头主切削刃尚可，但已有细“白口”。副切削刃则已开始磨损，这不利于直径方向的倒锥度保持，从而影响下次重新修磨及增大切削阻力而造成折断。
) x2 C6 e; S/ A% G+ D    根据以上两方面情况，最终将OP30的深孔钻设定在1000件调换。自实施以来，断钻明显减少。
   统计2000年1月至8月生产缸体20222台，断钻69根（一只缸体需用14根深孔钻来完成4孔油道孔的加工），即加工293台缸体要断一根。调整后，9月至12月加工缸体8926台，断钻21根，即加工425台缸体断一根。照这样推算以年产3万台计算，调整前要断102.39根，调整后只要断70.59根，钻头少断32根，缸体也少报废32台。钻头按平均价格每根301.135美元计算，缸体每只1474.00元，那么一年可节约人民币：301.135×32×8.27+1474×32=126860.37元。
    3．依据
0 @3 Q' a! W& j& W    目前的加工中心一般均有加工状态下的主轴负载值显示。刀具的磨钝情况可以根据机床主轴在加工状态下的负载值决定是否需调换刀具，这样能更准确地知道刀具需要修磨的信号。但每把刀具由于直径大小不一样，切削参数不同，加工方法不一样等，其显示负载值也不一样。在2.0L缸体线上加工缸体（铸铁材料）所用的三种刀具在工作状态下从换上刀具到需要刃磨的过程曲线图中，三种刀具的主要切削参数如下：
4 ]. n) C8 s8 `$ Q    B1004 f200mm平面铣刀：V=942.5m/min，n=1500r/min，F=0.96mm/r（每把刀片F=0.08mm/r）；
    B3009（f18+f20.8）mm阶梯钻：V=（101.8/117.6）m/min，n=1800r/min，F=012mm/r，加工深度30.8mm；
/ o: W, e. [' |* |    B6011 M8×1.25丝锥：V=100.5m/min，n=4000r/min，F=1.25mm/r，加工深度20.5mm。
/ Q' C8 h/ M" |5 x' k- S    由于机床主轴的转速不同，在无刀具前提下其负载也不同。故刀具的负载显示值是二者的合值——主轴某一转速下的负载+刀具切削时的负载。我们可以经过数据分析，最后确定每把刀具在需要调换时的定值。
    4．监控
    刀具寿命一旦建立，还必须进行跟踪及监控，即根据生产线现场的实际加工情况，机加工线操作工和刀具修磨工对刀具进行跟踪及监控。自动线在加工状态下一般不易观察刀具的磨损情况，这时机加工线操作工首先用目检工件加工状况来判断刀具的刀况。例如用钻头加工通孔，可以根据孔口的崩刃来判别钻头主切削刃与副切削刃交汇处的磨损情况；加工盲孔可以观察孔的底部118°或140°的锥面粗糙度，判别钻尖或切削刃是否崩刃;还有铣刀盘也可以从目检工件边缘的崩刃来判别刀片的锋利程度等等。其次，通过对调换下来的刀具由修磨工在修磨前对刀具进行目检，确认刀具的磨损VB量。再与操作工进行沟通，了解加工工件的质量情况，汇总后由刀具工程师和规划员修整刀具寿命。经过这种在变化中设定值，在定值时看变化的方法，来设定合理的刀具寿命。
    根据生产线现场的实际加工情况，VB量对有些刀具来说可能比国家标准要小，但大多数还是可以参照国家标准的。除精加工时，采用刀具磨损量是否影响表面粗糙度和尺寸精度作为磨损判别依据外（这类刀具一般有机加工线操作工检查换刀前的加工工件的粗糙度或尺寸来定），而有些刀具则参照国家标准GB/T16461－1996中的标准。根据我厂产品实际加工情况，我们设立了各种刀具的监控VB磨损限度。
    例如：V6缸体线的其中4把刀具的VB磨损限度为：
    CB01010LH401 f14mm硬质合金铰刀：VB磨损限度0.5mm；
3 Z- d( Z( b4 \5 ^4 A+ t    CB03008RH020（f10.25+f14）mm硬质合金阶梯钻：VB磨损限度0.3mm；
% h! G9 r+ @5 @2 S: G    CB040014RH164 f7mm高速钢麻花钻：VB磨损限度0.5mm；
9 l3 }- V6 y% O  u" y# ]/ B    CB11003RH f200硬质合金刀片精加工平面铣刀：VB磨损限度0.4m。
    5．平衡
& N) {0 a! t0 v: ~    刀具寿命还应从以下几方面综合平衡考虑。
& u4 k9 M  _" f; k# F  T& B, x    （1）既要考虑刀具成本（主要指修磨成本），也应考虑工件报废成本。生产中有时为了降低刀具成本，往往有等到刀具使用到非修磨不可时才调换的现象，但这样断刀的风险就大大增加。其一，假如刀具折断，刀具成本就会上升；其二，因刀具折断，又会使工件报废。发动机零件一般毛坯价格均在上千元之上，故必须离非修磨不可时有一个安全系数。我们一般选用降10%的寿命。
    （2）新刀与重新修磨的刀具其寿命也不同，如钻头，高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、CBN、PCD等均不一样。高的可保持新刀具的100%，低的只有新刀的60%～70%。这在很大程度上取决于设备及修磨工的技能。
    （3）设定刀具寿命时，机加工自动线各工序之间要平衡调刀时间。
    （4）刀具寿命只能是阶段性的设定值，而不是永久性的定值。
& e3 d; x( H6 }4 @  N    ①如主轴的轴承磨损，导致振动加剧，会导致刀具寿命降低。②工件的批量不同，如硬度等因素，会导致刀具损耗出现较明显变化。③刀具的批量变化。生产中往往碰到使用这批刀具寿命较高，使用下一批刀具时发现寿命较低的现象。碰到这种现象时需重新采集数据重新设定。
( S5 \7 U# ?5 F5 m- P4 [% p    （5）设定刀具寿命，光根据加工尺寸来判断并不一定合理。如钻头，一般说来它的孔径能满足其要求，但有时钻头已严重磨损。如钻头的倒锥，由于磨损严重，钻头切削部分直径变成了顺锥，影响下次的钻头修磨。为了达到好的切削效果，修磨前必须切掉顺锥段，这样减少了钻头修磨次数，刀具成本就有所上升。
; e6 g2 d6 u$ p% S7 |    （6）自动线各工序间的刀具一般最好设定为10或50的倍数，这样可以不影响前后工序的加工进程。如OP10调刀了，OP20没刀调换，那么OP20也只能等待OP10操作工调好刀以后才可开机生产；同样，OP20调刀时OP10没多久便处于停机状态，因为后道工序工件堵塞。如果前后工序都能处在较接近的时间调换刀具，那么这样就能提高机床的开动率。
2 d; k3 j% X  L' a0 V" q8 E& \    6．结语
" @; ~, s  l- ?+ c/ }    由上面所叙可知：刀具寿命的设定，只要掌握一定的方式方法，就可以掌握刀具寿命的确定原则——提高生产率，降低生产成本，最终达到精益生产的目的。
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$ N  @5 j! L5 A7 j- \（原载《制造技术与机床》 作者：上海通用汽车有限公司 许伟达）