Sulla base di molti anni di esperienza pratica di debugging in loco, partendo dai principi del taglio degli utensili metallici, combinati con fattori quali materiale dell'utensile, parametri di taglio, bordo raschiante, angolo di attacco, metodo di lavorazione e utensile composito, vengono introdotti sei metodi di ottimizzazione ridurre i costi di taglio. Lo scopo di migliorare l’efficienza produttiva.
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Prefazione
Il rapido sviluppo dell'industria manifatturiera del mio Paese ha creato enormi vantaggi economici per il nostro Paese e persino per il mondo. Poiché la concorrenza sul mercato diventa sempre più agguerrita, la riduzione dei costi e il miglioramento dell’efficienza sono diventati problemi che ogni azienda deve affrontare. Per ridurre efficacemente i costi e aumentare l’efficienza, è necessario analizzare la composizione dei costi di produzione. Il costo di produzione è composto da tre parti: materiali diretti, manodopera diretta e spese generali di produzione. I materiali diretti si riferiscono agli oggetti di lavoro nel processo di produzione, che vengono trasformati in prodotti semilavorati o prodotti finiti e il loro valore d'uso diventa successivamente un altro valore d'uso. Il lavoro diretto si riferisce alle risorse umane consumate nel processo di produzione, che possono essere calcolate in base a salari, spese sociali, ecc. Le spese di produzione si riferiscono a strutture quali fabbriche, macchine, veicoli e attrezzature, materiali e materiali ausiliari utilizzati nel processo di produzione. Una parte del loro consumo è inclusa nel costo attraverso l'ammortamento e l'altra parte è inclusa nel costo attraverso la manutenzione, le spese fisse, il consumo dei materiali della macchina e il consumo dei materiali ausiliari. Questo articolo ottimizza diversi metodi di utilizzo degli utensili per ridurre i costi di consumo degli utensili e migliorare l'efficienza di elaborazione, ottenendo così l'effetto di risparmiare sui costi di utilizzo delle macchine utensili.
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Cambia il materiale dello strumento per migliorare l'efficienza della lavorazione
I materiali per utensili comunemente utilizzati includono quanto segue: acciaio rapido, carburo, ceramica, CBN e PCD. CBN e PCD hanno una maggiore durezza, la massima resistenza all'usura e i loro materiali sono relativamente fragili. L'acciaio rapido ha la migliore tenacità, ma la sua durezza è molto bassa e la sua resistenza all'usura è scarsa.
L'acciaio rapido è un acciaio legato ad alto tenore di carbonio. I principali elementi della lega sono tungsteno, cromo, molibdeno, cobalto, vanadio e alluminio, ecc. E contengono una grande quantità di carburi. Gli utensili da taglio in acciaio ad alta velocità hanno un'elevata tenacità e una durezza relativamente bassa. I vantaggi sono che sono economici, hanno un’elevata plasticità e possono lavorare quasi tutti i materiali. Erano i materiali principali utilizzati nei primi utensili da taglio. Gli svantaggi sono che richiedono requisiti più elevati per gli operatori e richiedono lavoro manuale. L'affilatura e la velocità di taglio che i materiali in acciaio rapido possono sopportare sono molto basse. Ad esempio, il materiale del pezzo è acciaio 45, la durezza è 250HBW, la velocità di taglio è 30~60 m/min e l'efficienza di taglio è bassa.
Attualmente il materiale per utensili più comunemente utilizzato è il metallo duro rivestito. La durezza e la resistenza al calore degli utensili in metallo duro rivestito sono migliori di quelle degli utensili in acciaio rapido. Può sopportare velocità di taglio più elevate, con velocità di taglio che vanno da 100 a 300 m/min[1].
Prendendo come esempio il cerchio esterno delle parti di tornitura in acciaio, se si utilizzano utensili di tornitura in metallo duro per sostituire utensili di tornitura in acciaio ad alta velocità, la velocità di taglio può essere aumentata da 50 m/min a 180 m/min e l'efficienza aumenta di oltre 3 volte e gli utensili in metallo duro hanno anche utensili da taglio più alti. vita. Gli utensili di tornitura in metallo duro con lame sostituibili non necessitano di essere affilati, basta sostituire la lama e l'operatore non deve avere competenze di affilatura.
Oltre agli utensili da taglio in acciaio rapido e metallo duro, ci sono anche ceramica, CBN e PCD. Questi tre materiali hanno velocità di taglio più elevate, superiori a 1.000 m/min, ma il loro campo di applicazione è limitato. La ceramica e il CBN vengono solitamente utilizzati per la lavorazione di pezzi in ghisa e pezzi in acciaio con elevata durezza superiore a 50 HRC. Il PCD viene solitamente utilizzato per lavorare alluminio, plastica, legno e carburo, ma non può lavorare parti in ghisa [2].
Prendendo come esempio le frese in lega di alluminio, la velocità di taglio delle frese in acciaio ad alta velocità è di 120~300 m/min. La velocità di taglio consigliata per le frese in metallo duro HP615 del marchio Mapal è di 700 m/min, mentre è possibile utilizzare frese in materiale PCD. La velocità di taglio è 1500~2000 m/min.
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Effetto dei parametri di taglio sulla durata dell'utensile e sull'efficienza produttiva
Per migliorare l'efficienza della lavorazione e la durata dell'utensile, è necessario determinare se i parametri di taglio sono ragionevoli e analizzare l'impatto di ciascun parametro di taglio sulla durata e sull'efficienza dell'utensile. I parametri di taglio includono la velocità di taglio (velocità lineare), la velocità di avanzamento e la quantità di taglio posteriore, noti anche come i tre elementi di taglio.
3.1 Velocità di taglio vc
La relazione tra la velocità di taglio vc e la velocità del mandrino è vc=πDn/1000, dove D è il diametro effettivo dell'utensile/pezzo (unità: mm) e n è la velocità della macchina utensile (unità: giri/min ). Quando la velocità di taglio è troppo elevata, l'usura sui fianchi aumenterà e la qualità della superficie del pezzo si deteriorerà. Quando la velocità di taglio è estremamente elevata, anche l'inserto subirà una deformazione plastica. La curva di influenza della velocità di taglio sulla durata dell'utensile è mostrata nella Figura 1.
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Figura 1 Curva degli effetti della velocità di taglio sulla durata dell'utensile
3.2 Velocità di avanzamento vf
La formula di calcolo della velocità di avanzamento è vf=fZZnn, fZ è l'avanzamento dell'utensile (l'unità è mm/z), Zn è il numero di taglienti effettivi (l'unità è unità), n è la velocità della macchina utensile (l'unità è è giri/min). Se la velocità di avanzamento è troppo elevata, i trucioli saranno incontrollati e la qualità della superficie lavorata si deteriorerà. La potenza di taglio è elevata e i trucioli avranno un impatto sull'utensile o sulla superficie lavorata. La curva di influenza della velocità di avanzamento sulla durata dell'utensile è mostrata nella Figura 2.
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Figura 2 Curva degli effetti della velocità di avanzamento sulla durata dell'utensile
3.3 La quantità di coltello posteriore ca
La quantità di taglio posteriore si riferisce alla differenza tra la superficie non tagliata e la superficie tagliata. La curva di influenza della quantità di taglio posteriore sulla durata dell'utensile è mostrata nella Figura 3.
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Figura 3 La curva di influenza della quantità di taglio posteriore sulla durata dell'utensile
Tra i tre fattori di taglio, la velocità di taglio, la velocità di avanzamento e la quantità di impegno posteriore hanno tutti un impatto sulla durata dell'utensile. L'impatto della quantità di taglio all'indietro è minimo, la velocità di avanzamento ha un impatto maggiore rispetto alla quantità di taglio all'indietro e la velocità di taglio ha l'impatto maggiore sulla durata della lama.
Per ottenere la massima durata dell'utensile, la direzione dei parametri di ottimizzazione è: massimizzare l'impegno posteriore per ridurre il numero di passate dell'utensile; massimizzare la velocità di avanzamento per ridurre i tempi di taglio; ridurre la velocità di taglio per ottenere la migliore durata dell'utensile.
Per migliorare l'efficienza della sgrossatura, è possibile iniziare ottimizzando la quantità di taglio posteriore. Se sono presenti molti percorsi utensile, aumentare la quantità di taglio posteriore e ridurre il percorso utensile, oppure aumentare la quantità di taglio posteriore, ridurre la velocità di taglio e migliorare la durata dell'utensile. , aumentare la velocità di avanzamento e garantire l'efficienza della lavorazione.
3.4 Esempi di applicazione
La flangia prodotta da uno stabilimento di lavorazione di componenti di automobili è mostrata nella Figura 4. La soluzione di lavorazione esistente è inefficiente e vari parametri di taglio devono essere ottimizzati per migliorare la durata dell'utensile e l'efficienza produttiva.
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Figura 4 Flangia
Ottimizza il piano di lavorazione aumentando la quantità di taglio posteriore, riducendo i percorsi utensile e riducendo la velocità di taglio. Prima dell'ottimizzazione, i percorsi utensile erano numerosi e caotici, ma dopo l'ottimizzazione, i percorsi utensile erano chiari, come mostrato nelle Figure 5 e 6. I parametri prima e dopo l'ottimizzazione sono mostrati nella Tabella 1. Dopo l'ottimizzazione, la durata dell'utensile è stata aumentata da 15 parti a 31 parti.
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Figura 5 Ottimizzazione del percorso utensile anteriore
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Figura 6 Percorso utensile ottimizzato
Tabella 1 Parametri prima e dopo l'ottimizzazione
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Il fattore che misura la prestazione di taglio della lama è la velocità di taglio. Il sistema CNC legge la velocità del mandrino. Molti programmatori considerano solo la velocità durante la progettazione dei programmi e ignorano il fattore diametro. Tuttavia, nella lavorazione vera e propria, anche il fattore diametro ha un impatto maggiore. Prendendo come esempio la tornitura, quando il diametro del pezzo D è 50 mm e la velocità della macchina utensile n è 1000 giri/min, la velocità lineare vc=157m/min. Quando il diametro del pezzo D è 100 mm e la velocità della macchina utensile n è 1000 giri/min, la velocità lineare vc=314m/min.
Secondo l'utensile campione, la velocità di taglio di 314 m/min è molto elevata, vicina al limite che la lama in metallo duro può sopportare. L'elevata velocità di taglio può accelerare il processo di usura dell'utensile e ridurne la durata.
Da ciò si può vedere che per la stessa velocità della macchina utensile, diversi diametri del pezzo e velocità di taglio dell'utensile, quando la durata dell'utensile è troppo bassa, è possibile verificare se ciò è causato da una velocità di taglio troppo elevata.
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L'influenza del bordo wiper sull'efficienza di taglio
La spazzola del tergicristallo ha un angolo di punta composto da 3 a 9 archi con raggi diversi e il raggio dell'arco può raggiungere più di 900 mm. La relazione tra il raccordo della punta dell'utensile, la quantità di alimentazione e la qualità della superficie è
Rmax＝fn²/8r(1)
Rmax (bordo di pulizia)=Rmax/² (2)
Nella formula, fn è la quantità di alimentazione (mm/giro); r è il raggio di raccordo della punta dell'utensile (mm); Rmax è la differenza di altezza tra il picco e la valle della superficie di taglio (mm).
Questo metodo è adatto per la finitura di tornitura o alesatura. Lo stesso strumento wiper non dispone di una funzione di avanzamento rapido. Tuttavia, secondo la formula precedente, si può dedurre che le caratteristiche dello strumento wiper sono: quando i parametri di lavorazione sono gli stessi, la qualità della superficie dello strumento wiper può essere aumentata di 1 volta; quando la qualità della superficie è la stessa, la velocità di avanzamento dell'utensile raschiante può essere aumentata di 1 volta. .
Quando è richiesta la stessa qualità della superficie, è possibile utilizzare velocità di avanzamento più elevate quando si utilizzano utensili raschianti.
Prendendo la lavorazione della faccia finale del guscio di uscita come esempio di miglioramento dell'efficienza, il materiale del pezzo è QT500 ed è richiesto un valore di rugosità superficiale Ra inferiore o uguale a 1,6μm. Per migliorare il tempo ciclo è stata utilizzata una spazzola tergicristallo. Con la premessa di soddisfare gli stessi requisiti di rugosità superficiale, la velocità di avanzamento è stata aumentata da 0,36 mm/giro a 0,5 mm/giro. Il valore di rugosità superficiale misurato Ra=1.33μm e la durata della lama erano gli stessi. I vari parametri di lavorazione utilizzando inserti di tornitura ordinari e inserti raschianti sono mostrati nella Tabella 2. La faccia finale del guscio di uscita dopo l'ottimizzazione è mostrata nella Figura 7.
Tabella 2 Vari parametri di lavorazione degli inserti di tornitura ordinari e degli inserti raschianti
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Figura 7 Faccia finale del guscio di uscita ottimizzata
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Effetto dell'angolo di deflessione principale sull'efficienza di taglio
L'avanzamento per dente è stato accennato nella precedente breve introduzione al concetto di velocità di avanzamento. Alcune marche di campioni di utensili consigliano lo spessore massimo del truciolo esadecimale come parametro di taglio anziché l'avanzamento per dente. Perché ciò che determina la quantità di avanzamento è lo spessore massimo del truciolo hex e l'angolo di attacco Kr dell'utensile. La formula di conversione è esadecimale=fzsinKr.
Quando l'angolo di deflessione principale è di 90 gradi, fz=hex, lo spessore massimo del truciolo dell'utensile è uguale all'avanzamento per dente. Quando l'angolo di deflessione principale diminuisce, la velocità di avanzamento può essere aumentata.
Prendendo come esempio la fresa per spallamento quadrato (vedere Figura 8), il numero di denti ZN della fresa per spallamento quadrato a 90 gradi è 5 scanalature, n=1000r/min, hex=0,2 mm , fz=0,2 mm/z, velocità di avanzamento della macchina utensile vf =0,2×5×1000=1000 (mm/min).
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a) Schema della struttura della fresa per spallamento quadrato
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b) Oggetti fisici
Figura fresa per spallamento quadrato da 8 90 gradi
Fresa per spianatura con angolo di attacco di 45 gradi (vedere Figura 9) ZN ha 5 scanalature, n=1000r/min, hex=0.2mm, fz=hex /sin45 gradi {{8} }.282mm/z, quindi la velocità di avanzamento della macchina utensile vf=0.282× 5×1000=1410 (mm/min).
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a) Schema strutturale della fresa per spianatura
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b) Oggetti fisici
Figura fresa per spallamento quadrato da 9 45 gradi
Fresa per spianatura con angolo di attacco di 10 gradi (vedere Figura 10) ZN ha 5 taglienti, n=1000r/min, hex=0.2mm, fz= hex/sin10 gradi {{8} }.156mm/z, quindi la velocità di avanzamento della macchina utensile vf=1.156× 5×1000=5780 (mm/min).
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a) Segnale
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b) Oggetti fisici
Figura fresa per spallamento quadrato da 10 10 gradi
In sintesi, a parità di velocità di rotazione dello stesso tipo di lama, minore è l'angolo di deflessione principale, maggiore è la velocità di avanzamento utilizzabile. Vale la pena notare che la fresa per spallamento quadrato a 90 gradi sopporta principalmente la forza radiale e la forza assiale si avvicina allo zero. Quando l'angolo di deflessione principale diminuisce, prendendo come esempio la fresa con angolo di deflessione principale di 10 gradi, essa sopporta principalmente la forza assiale. La forza radiale è molto piccola. Minore è l'angolo di deflessione principale, maggiore è la tendenza alle vibrazioni e maggiore è la potenza consumata.
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L'influenza dei metodi di lavorazione sull'efficienza di taglio
Anche il percorso dell'utensile da taglio ha un grande impatto sull'efficienza della lavorazione. Ad esempio, un metodo di fresatura dinamica recentemente diffuso è un efficiente metodo di fresatura trocoidale con un ampio volume di taglio posteriore e una larghezza di taglio ridotta. La differenza rispetto alla fresatura trocoidale convenzionale è che il processo di fresatura dinamica aderisce rigorosamente all'esagono dello spessore costante del truciolo. Ha un elevato tasso di rimozione del metallo. Poiché la fresatura dinamica può garantire una forza di taglio costante durante il taglio dell'utensile, la velocità di lavorazione è rapida e stabile.
Prendiamo come esempio la fresatura del contorno esterno del corpo della valvola per illustrare l'impatto dei metodi di lavorazione sull'efficienza di taglio. Il pezzo è realizzato in acciaio inossidabile. La difficoltà è che il rapporto lunghezza/diametro dell'utensile raggiunge 4 volte il diametro, il che provoca vibrazioni durante la lavorazione. Il progetto originale utilizzava frese per spallamenti quadrati con inserti sostituibili, che provocavano grandi vibrazioni di taglio a causa dell'ampio rapporto di aspetto. Impossibile elaborare normalmente. Ottimizzato per l'utilizzo di frese in metallo duro, ampia capacità di taglio posteriore, larghezza di taglio ridotta e metodo di fresatura dinamico. La simulazione dinamica del percorso utensile di fresatura è mostrata nella Figura 11 e i parametri di confronto sono mostrati nella Tabella 3.
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Figura 11 Simulazione dinamica del percorso utensile di fresatura
Tabella 3 Confronto dei parametri
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Migliora l'efficienza della lavorazione con utensili compositi
Per i prodotti in grandi volumi, vengono solitamente utilizzati utensili compositi per migliorare l'efficienza produttiva, come punte per smussatura, utensili per alesatura compositi (vedere Figura 12), ecc.
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Figura 12 Utensile per barenatura composta
Gli strumenti compositi utilizzano uno strumento per elaborare più fasi di lavoro, il che migliora l'efficienza di elaborazione e consente di risparmiare tempo di cambio utensile di più strumenti. Anche gli utensili da taglio compositi presentano molti difetti. Lo svantaggio più grande è che non sono universali. Gli utensili da taglio sono progettati solo per un determinato pezzo e non possono essere utilizzati universalmente con altri pezzi [3].
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Conclusione
Questo articolo fornisce sei modi per ottimizzare gli utensili da taglio, che possono fornire indicazioni per migliorare l'efficienza produttiva e ridurre i costi. Il metodo di ottimizzazione dello strumento dovrebbe essere flessibile e deve essere eseguito su base pratica. Prima dell'ottimizzazione è necessario analizzare il collo di bottiglia del processo, ottimizzare lo strumento in modo mirato e cogliere i punti chiave per risolvere il problema in base alle specifiche condizioni di produzione.
