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基于切削用量的机加工成本优化

通用电气航空苏州有限公司 杨俊毅 2020/9/12 16:23:14

   摘要:在竞争日益激烈的社会大环境下,降低成本成了每个企业必须面对的话题。对于一个从事机械加工的工厂而言,机加工成本的降低则是实现利润最大化尤其重要的一环。文章结合本人工作经历,对机加工成本的影响因素进行了分析概述,并以切削用量中的切削线速度和进给量为切入点,结合刀具的磨损使用情况,阐述了机加工成本降低的可能性和具体分析方法,为工厂的机加工成本优化提供了一种参考。
   关键词:机加工;切削用量;成本降低;刀具磨损
  
   1 机加工成本影响因素
   对一个从事机械加工的工厂而言,总的生产成本主要来自于三个方面:1)机床成本;2)工装、刀具成本;3)人工成本。其中,人工成本一般是由社会综合因素决定,是不可随意变动的,因此不列入成本优化的考虑范围。工装成本往往是一次性的成本投入,对已经确定的工艺路线,基本起不到成本优化作用。所以,对于机加工成本而言,控制成本就是控制机床成本和刀具成本。
   加工一个零件的某道工序,其可控成本是机床成本和刀具成本的总和。对于已经选定的机床来说,机床成本就只取决于机床的纯切削时间和运行效率了。刀具成本取决于刀具本身费用和刀具用量。刀具更换的频率主要与刀具寿命相关,刀具寿命的长短又取决于刀具的磨损程度。对于给定的材料、刀具和冷却条件,刀具的寿命主要由切削用量三要素——切削速度、进给和切削深度所决定。
   2 刀具寿命、切削用量和机加成本之间的关系
   像高温合金这样的难加工材料,机加工效率不会很高的最重要限制因素就是刀具的磨损。刀具磨损的主要驱动力是切削温度,由切削三要素(切削速度、进给和切削深度)、材料特性(硬度、导热性)、冷却液性能和冷却方式、刀具性能(种类、几何形状、涂层、厚度)、加工工况等几大因素共同决定。因此,刀具磨损的定量分析是很难的。不论是通过机械学或物理学为基础建立理论模型,还是基于实验数据建立经验模型,都很难建立起一个准确针对刀具磨损的函数模型。尽管已有一些学者建立了利用神经网络进行刀具寿命预测的数学模型,但因为是在特定的条件和刀具实验中测到的数据,且收集的数据量相对来说比较少,因此模型的准确性和通用性都有欠缺。目前还没有一个预测刀具寿命的函数模型,能够适用于所有的磨损情况。这其中非常重要的一个原因就在于,用于修正函数系数的刀具磨损实验是极其昂贵和费时的,尽管也积累了许多实验数据,但由于刀具和刀具间性能表现的差异性,也使得刀具磨损呈现随机性,结果必然就有一定的差异性。现阶段,很少有书籍或数据库中会包含关于刀具寿命的预估数据,即便像Sandvik和Kennametal这样的刀具巨头,也很少提供以推荐切削参数加工时的预测的刀具寿命,这一切都恰恰说明了刀具寿命难以准确的定量计算。
   刀具寿命关于切削用量的关系可以用图1来表示。随着切削用量的增加,刀具寿命均呈下降趋势,且切削速度对刀具寿命的影响很大,进给和切深的影响相对较小。刀具的寿命直接由刀具的磨损量体现,如图2所示,是刀具磨损量随时间的变化趋势。想要刀具发挥到最大效用,便要将刀具尽可能用到寿命极限。
  


   图1 刀具寿命曲线
  

   图2 磨损过程曲线
   假设现在需要加工一个特征,如果所用刀具的寿命比需要的实际切削时间长,说明这把刀(刀尖)还可以继续加工一段时间,这时,总成本主要由机床成本决定。相反,如果所用刀具的寿命比需要的实际切削时间短,则加工完这个特征需要两个甚至更多的刀(刀尖),这时,总成本则主要由刀具成本(包括换刀带来的等待成本)决定。如图3,是成本关于切削用量的关系图。由图可可以看出,机床成本和刀具成本之间存在一个平衡,使得总成本最小化,寻找这个平衡点处的切削用量就是成本优化的关键。
  

   图3 成本曲线
   3 机加工成本
   加工一个工件的一道工序,一般会用到多把刀具,总机加工成本是每一把刀具加工时所对应的机床成本和刀具成本(刀柄费用多为一次性投入,这里不算在内)总和,故可针对每一把刀具来单独计算其对应成本,工序总成本即是多把刀对应成本的累加。
   对于任意一把刀具而言,其对应成本可以用下列公式计算:
  

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