01
序言
我國制造業的飛速發展，為我國甚至全球創造了巨大的經濟效益。隨著市場競爭日益激烈，降本增效成為各個企業必須面對的問題。為了有效地降本增效，需要分析生產成本的構成。生產成本由直接材料、直接人工和制造費用三部分組成。直接材料是指在生產過程中的勞動對象，通過加工使之成為半成品或成品，它們的使用價值隨之變成了另一種使用價值。直接人工是指生產過程中所耗費的人力資源，可用工資額度和福利費用等計算。制造費用則是指生產過程中使用的廠房、機器、車輛及設備等設施及物料和輔料，它們的耗用一部分是通過折舊方式計入成本，另一部分是通過維修、定額費用、機物料耗用和輔料耗用等方式計入成本。本文通過優化幾種刀具使用方法，減少刀具消耗成本，提高加工效率，從而達到節省機床使用成本的效果。
02
更改刀具材質提高加工效率
常用的刀具材質有以下幾種：高速鋼、硬質合金、陶瓷、CBN和PCD。CBN和PCD具有較高硬度、最高耐磨性，其材質相對很脆。高速鋼韌性最佳，但硬度很低，耐磨性差。
高速鋼是高碳合金鋼，主要合金元素有鎢、鉻、鉬、鈷、釩和鋁等，含有大量的碳化物。高速鋼刀具具有較高的韌性，其硬度相對很低，優點是價格便宜，可塑性高，而且幾乎可以加工所有材質，是早期切削刀具使用的主要材質；缺點是對于操作人員要求較高，需要人工磨刀，而且高速鋼材質可承受的切削速度很低。例如工件材質為45鋼，硬度為250HBW，切削速度為30～60m/min，切削效率較低。
目前最常用的刀具材質是涂層硬質合金，涂層硬質合金刀具硬度、耐熱性等優于高速鋼刀具。可以承受更高的切削速度，切削速度為100～300m/min[1]。
以車削鋼件外圓為例，采用硬質合金車刀替換高速鋼車刀，切削速度可以由50m/min提高至180m/min，效率提高3倍以上，而且硬質合金刀具也有更高的刀具壽命。可換刀片硬質合金車刀則不需要修磨，更換刀片即可，不需要操作人員具有磨刀技術。
除了高速鋼和硬質合金刀具之外，還有陶瓷、CBN和PCD，這3種材質具有更高的切削速度——1000m/min以上，但其應用范圍有限。陶瓷和CBN通常用于加工鑄鐵類工件以及50HRC以上高硬度的鋼類工件。PCD通常用于加工鋁、塑料、木材以及硬質合金，但是不能加工鑄鐵類零件[2]。
以鋁合金銑刀為例，高速鋼銑刀切削速度為120～300m/min， Mapal（瑪帕） 品牌硬質合金銑刀HP615材質推薦的切削速度為700m/min，而PCD材質銑刀可以使用的切削速度為1500～2000m/min。
03
切削參數對刀具壽命和生產效率的影響
為了提高加工效率和刀具壽命，要判斷切削參數是否合理，分析各個切削參數對刀具壽命和效率的影響。切削參數包括切削速度（線速度）、進給速度和背吃刀量，也被稱為切削三要素。
3.1 切削速度vc
切削速度vc與主軸轉速的關系公式為vc＝πDn/1000，其中D為刀具/工件的有效直徑（單位為mm），n為機床轉速（單位為r/min）。切削速度過高時，后刀面磨損加劇，工件表面質量會變差，切削速度極高時刀片還會發生塑性變形。切削速度對刀具壽命的影響曲線如圖1所示。
圖1 切削速度對刀具壽命的影響曲線
3.2 進給速度vf
進給速度的計算公式為vf＝fZZnn，fZ為刀具進給量（單位為mm/z），Zn為有效切削刃數（單位為個），n為機床轉速（單位為r/min）。進給速度過高，切屑不受控制，加工表面質量會變差，切削功率大，切屑對刀具或已加工面造成沖擊。進給速度對刀具壽命的影響曲線如圖2所示。
圖2 進給速度對刀具壽命的影響曲線
3.3 背吃刀量ap
背吃刀量是指未切削表面與已切削表面間的差值，背吃刀量對刀具壽命的影響曲線如圖3所示。
圖3 背吃刀量對刀具壽命的影響曲線
切削三要素中切削速度、進給速度和背吃刀量都對刀具壽命有影響。背吃刀量的影響最小，進給速度的影響較背吃刀量大，切削速度對刀片的壽命影響最大。
為獲得最高刀具壽命，優化參數的方向是：最大化背吃刀量以減少走刀次數；最大化進給速度以縮短切削時間；降低切削速度以獲得最佳刀具壽命。
提高粗加工效率，可以從優化背吃刀量開始，如果刀路較多，通過增大背吃刀量，減少刀路的方法，或者通過增大背吃刀量，降低切削速度，提高刀具壽命，增加進給速度，保證加工效率。
3.4 應用實例
某汽車零件加工廠生產的法蘭如圖4所示，現有的加工方案效率較低，需要優化各項切削參數，以提高刀具壽命和生產效率。
圖4 法蘭
通過增大背吃刀量、減少刀路、降低切削速度等方式，優化加工方案。優化前刀路較多而且較亂，優化后刀路清晰，如圖5、圖6所示，優化前后參數見表1。優化后刀具壽命由可加工15件零件增至可加工31件。
圖5 優化前刀路
圖6 優化后刀路
表1 優化前后參數
衡量刀片切削性能的因素是切削速度，數控系統讀取的是主軸轉速，很多編程人員在設計程序時僅考慮了轉速，而忽略了直徑因素，但是在實際加工中直徑因素的影響也較大。以車削為例，當工件直徑D為50mm、機床轉速n為1000r/min時，線速度vc＝157m/min。當工件直徑D為100mm、機床轉速n為1000r/min時，線速度vc＝314m/min。
查詢刀具樣本可知，切削速度314m/min是非常高的，接近硬質合金刀片可承受的極限，切削速度高可加快刀具的磨損進程，降低刀具的使用壽命。
由此可知相同的機床轉速，不同的工件直徑、刀具切削速度，當刀具壽命過低時，可以檢查是否由于切削速度過高造成。
04
修光刃對切削效率的影響
修光刃刀片是由3～9個不同半徑的圓弧組成的刀尖角，圓弧半徑可達到900mm以上。刀尖圓角、進給量與表面質量的關系為
Rmax＝fn2/8r（1）
Rmax（修光刃）＝Rmax/2（2）
式中，fn為進給量（mm/r）；r為刀尖圓角半徑（mm）；Rmax為切削表面波峰與波谷的高度差（mm）。
該方式適用于精加工車削或鏜削，修光刃刀具自身沒有快進給功能。但根據前面公式，可以推斷出修光刃刀具的特性為：加工參數相同時，修光刃刀具的表面質量可以提高1倍；相同表面質量時，修光刃刀具的進給速度可以提高1倍。
在要求相同表面質量時，使用修光刃刀具，可以使用更高的進給速度。
以加工輸出殼端面為提效案例，工件材質QT500，要求表面粗糙度值Ra≤1.6μm。為了提高節拍，使用修光刃刀片，在達到相同表面粗糙度要求的前提下，進給速度由0.36mm/r提高至0.5mm/r，實測表面粗糙度值Ra＝1.33μm，刀片壽命相同。使用普通車刀片與修光刃刀片的各項加工參數見表2，優化后輸出殼端面如圖7所示。
表2 普通車刀片與修光刃刀片的各項加工參數
圖7 優化后輸出殼端面
05
主偏角對切削效率的影響
前面簡述進給速度的概念中提到了每齒進給量，一些品牌的刀具樣本推薦切削參數使用的是最大切屑厚度hex，而不是每齒進給量。因為決定進給量大小的是最大切屑厚度hex，以及刀具的主偏角Kr。換算公式為hex＝fzsinKr。
當主偏角為90°時，fz＝hex，刀具最大切屑厚度與每齒進給量相同。隨著主偏角減小，進給速度可以隨之增大。
以方肩銑刀（見圖8）為例進行說明，90°方肩銑刀齒數ZN為5刃，n＝1000r/min，hex＝0.2mm，fz＝0.2mm/z， 機床進給速度vf＝0.2×5×1000＝1000（mm/min）。
a）方肩銑刀結構示意
b）實物
圖8 90°方肩銑刀
45°主偏角面銑刀（見圖9）ZN為5刃，n＝1000r/min，hex＝0.2mm，fz＝hex /sin45°＝0.282mm/z，則機床進給速度vf＝0.282×5×1000＝1410（mm/min）。
a）面銑刀結構示意
b）實物
圖9 45°方肩銑刀
10°主偏角面銑刀（見圖10）ZN為5 刃 ，n＝1000r/min，hex＝0.2mm， fz＝ hex/sin10°＝1.156mm/z，則機床進給速度vf＝1.156×5×1000＝5780（mm/min）。
a）示意
b）實物
圖10 10°方肩銑刀
綜上所述，同種刀片在相同的轉速下，主偏角越小，可以使用的進給速度越高。值得注意的是90°方肩銑刀主要承受徑向力，軸向力趨近于零，隨著主偏角減小，以10°主偏角銑刀為例，其主要承受軸向力，徑向力很小。主偏角越小，振動趨勢加大，所消耗的功率也越高。
06
加工方式對切削效率的影響
切削刀路對加工效率也有很大的影響。例如一種最近比較流行的動態銑削方式，是一種大背吃刀量、小切削寬度的高效擺線銑削方式，與常規的擺線銑削區別在于動態銑削過程是嚴格遵守恒定的切屑厚度hex，具有很高的金屬去除率。由于動態銑削可以確保刀具切削過程中切削力恒定，所以加工速度快速穩定。
以銑削閥體外輪廓為例說明加工方式對切削效率的影響，工件材質為不銹鋼，難點在于刀具長徑比達4倍徑，加工時產生振動。原方案使用可換刀片方肩銑刀，由于長徑比大，導致切削振動大。無法正常加工。優化為采用硬質合金立銑刀，大背吃刀量、小切削寬度，動態銑削方式加工。動態銑削刀路模擬如圖11所示，對比參數見表3。
圖11 動態銑削刀路模擬
表3 參數對比
07
利用復合刀具提高加工效率
對于大批量產品，通常使用復合刀具提高生產效率，例如倒角鉆、復合鏜刀（見圖12）等。
圖12 復合鏜刀
復合刀具是將多個工步刀具用1支刀具完成加工，提高了加工效率，同時也節省了多支刀具的換刀時間。復合刀具也有很多缺點，最大缺點就是沒有通用性，僅針對某個工件設計刀具，和其他工件無法通用[3]。
08
結束語
本文提供了六種優化刀具的方式，對于提高生產效率，降低成本能起指導作用。優化刀具方法應該是靈活的，需要在實踐基礎上完成。優化前需要分析瓶頸工序，有針對性的優化刀具，根據生產具體情況，抓住重點，解決問題。
