高速加工刀具的选择与管理

【编者按】刀具选用的合理与否以及刀具管理水平的高低，对高速加工的影响非常重要，尤其对生产效率和制造成本影响更大。

高速加工（High Speed Machining，简称HSM），通常指的是在合理的速度和较高的表面进给速度下进行的加工。例如，在发动机铝缸体、缸盖的加工中，材料去除率很高，这种加工就是我们所说的高速加工。高速加工能使我们以尽量短的时间加工出质量合格的零件，提高一个企业的市场反应能力。因此，高速加工越来越受到制造业的关注，尤其以企业新建的工程为主，他们在建设新工厂、新项目、生产线改造时，优先考虑高效加工方式，即顺应行业高速加工发展趋势，又满足生产线精益生产要求，有效降低制造成本，使生产的产品有竞争力。高速加工是一个系统工程，它需要各个方面的配合以形成完整的高速切削加工。在各环节中，除高速加工机床对整个工艺过程起着决定性作用外，刀具也是高速加工中非常重要的一个因素，因此，刀具的选择与管理就非常重要，需要在实施中慎重考虑和精心策划。

一、刀具的选择

为了保证加工中设备效率与生产线节拍平衡，就需要考虑合适的刀具与生产线中的设备匹配。因而，刀具选用的合理与否将直接影响工件质量和加工效率，因此，刀具的选择应从以下几方面进行：

1.加工设备

首先是了解加工设备的性能，只有了解了设备的性能，才能选用合适的刀具来匹配，否则，不管单独选择设备或者刀具，其效率都不能发挥出来。近年来的相关资料都表明，一把价值几万元的刀具，有可能影响一台价值几百万元的设备效率的发挥。规划过程中，对刀具的设计和安排在很大程度上决定了生产阶段的制造成本和刀具费用。

2.刀具材质

制造技术的高速发展，对切削刀具的要求越来越高。为适应高速切削的要求，新材料刀具已经被广泛使用。新材料刀具的使用使切削效率大大提高，高钴、高钒、高性能、高速钢刀具的耐用度可比普通高速钢提高1.5-3倍，粉末冶金高速钢的强度可提高20%-30%，韧性提高1.5-2倍，并且可靠性比普通高速钢明显提高，而CBN（立方晶氮化硼）、PCD（聚晶金刚石）刀具和陶瓷刀具等代表当今技术发展水平的超硬刀具，切削速度可比硬质合金提高数倍，大大提高加工效率。

3.刀具刀柄

刀具刀柄随着切削速度的提高，主轴/刀柄联接性能在离心力的作用下发生很大变化，直接影响工件的加工精度和表面粗糙度，因此，适应数控机床和高速加工需要的刀具夹持及其与机床的连接件，如HSK刀柄、热套刀柄、液压刀柄等以及其他新型刀柄被广泛应用。

4.刀具结构方式

为提高生产效率和减少换刀时间，在汽车零部件的加工中，越来越多地使用了各种复合刀具，如钻镗复合、钻铰复合、钻孔和螺纹加工复合等各类复合刀具。结构复杂的展开式刀具满足了很多特殊的加工要求，有些刀具甚至已发展成机、电、液一体化的装置，已远远超越了传统的刀具的概念；由于动力总成加工中大量采用的是流水生产，上道工序的生产直接影响到下道工序的生产，而为了提高生产效率和降低生产成本，又采用了大量的组合式刀具及由此引起的非标刀具。

5.刀具的成本

刀具消耗量与很多因素有关，需要具体情况具体分析。在看总的刀具消耗费用的同时，更重要的是看单件加工产品消耗的刀具成本。不仅要看直接的刀具成本，更要看刀具对生产效率的影响及其引起的总的制造成本的变化。新刀的性能、寿命及其采购价格对刀具费用的影响非常大，而可重磨刀具的数量、重磨次数及修磨费用高低，对刀具的总成本也有着显着的影响；因此，需要考虑一次性设备和刀具投资与长期性刀具消耗费用之间的关系，需要综合考虑和平衡。

6.工艺方法

为了充分发挥高效率柔性线的作用，刀具对工艺提出了许多新的要求，如尽量考虑同一种刀具能更多地完成同一工件不同工序的加工，努力减少刀具库存量，限制换刀频率，降低制造成本等；同时，还要针对一些工艺难点，设计专用刀具、复合刀具或智能刀具，以解决加工精度和加工效率之间的问题。

7.刀具供应商

刀具的选用包括刀具供应商的确定。由于切削加工是一个系统问题，工艺的变化、机床、夹具、切削液、切削参数都对刀具的寿命有着显着的影响，而影响加工性能的刀具本身的结构形式、刀具的材料、表面涂层等的确定又与工艺、切削参数、切削液等紧密相连。选用的刀具都必须经过切削试验，经过切削试验后确定选用的刀具及其供应商；同时现代汽车制造业还要求刀具供应商不仅能提供切削加工整体解决方案，并能提供及时有效的现场技术支持，形成与汽车制造企业的一种合作伙伴关系。

二、刀具的管理

切削方式采用了高速、高效加工，理论上应能提高生产效率，但对于实行了流水作业的生产线来说，能否真正达到生产效率的提高，就需要对生产线的刀具进行科学的管理。为确保生产线能及时得到符合要求的、数量足够的、性价比优异的刀具，必须对刀具的维护和保养、预调整和检测、刀具寿命等方面实施有效控制。当发生加工问题或刀具问题时，生产线得到快速的响应和支持，迅速分析和解决出现的问题，以使生产正常进行，将各种损失降低到最低限度，因此，刀具的管理从以下几方面进行：

1.刀具耐用度及换刀频次高低、换刀时间长短

以上因素直接影响机床开动率，需合理设定刀具的寿命，并对换刀时间进行严格控制，需要考虑如何在换一台机床上的各把刀时，使生产线设备的停机时间最少，同时，要考虑刀具磨损到何种程度时进行换刀能获得较好的刃磨效果以及最长的刀具寿命。

2.生产线上的瓶颈设备

要控制生产线上各台设备的效率，通过工作使其达到同样的效率，否则，高速加工带来的高效率，由于生产线上某些设备的瓶颈效应，仍然不能实现。

3.刀具的预调整和检测

高效加工刀具的预调整和检测极为重要，调刀一次合格率对生产效率的影响很大，因此，需要考虑要有完善的系统和一系列的管理来确保生产线及时得到符合要求的、数量足够的刀具，并在发生加工问题或刀具问题时得到快速的响应和支持，迅速分析和解决出现的问题，以使生产正常进行。

4.刀具非正常消耗的预防和控制

加强对刀具非正常消耗的预防和控制，设法控制有可能造成刀具非正常消耗的各个变量，如工件的毛坯质量、机床的稳定运行、切削液的质量、刀具及其涂层的质量稳定性和一致性等，要采取各种必要有效的控制手段和预防措施。

5.刀具的保养和维护

建立类似于设备维护保养那样的刀具维护保养制度，定期对结构复杂的刀具进行拆检、清洗、润滑等工作，进行预防性维护保养。

三、结束语

面对现代制造业既要柔性又要高效生产的挑战，面对日益激烈的市场竞争和不断降低制造成本的压力，刀具选用的合理与否以及刀具管理水平的高低，对高速加工的影响非常重要，尤其对生产效率和制造成本影响更大。在当今如此激烈的市场竞争中，科学地选用刀具、有效地管理刀具，将会显着提高生产效率，有效降低制造成本，使企业在激烈的竞争中处于有利地位。

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