|
基于切削用量的機加工成本優(yōu)化
通用電氣航空蘇州有限公司 楊俊毅 2020/9/12 16:23:14
摘要：在競爭日益激烈的社會大環(huán)境下，降低成本成了每個企業(yè)必須面對的話題。對于一個從事機械加工的工廠而言，機加工成本的降低則是實現(xiàn)利潤最大化尤其重要的一環(huán)。文章結(jié)合本人工作經(jīng)歷，對機加工成本的影響因素進行了分析概述，并以切削用量中的切削線速度和進給量為切入點，結(jié)合刀具的磨損使用情況，闡述了機加工成本降低的可能性和具體分析方法，為工廠的機加工成本優(yōu)化提供了一種參考。
關(guān)鍵詞：機加工；切削用量；成本降低；刀具磨損
1 機加工成本影響因素
對一個從事機械加工的工廠而言，總的生產(chǎn)成本主要來自于三個方面：1）機床成本；2）工裝、刀具成本；3）人工成本。其中，人工成本一般是由社會綜合因素決定，是不可隨意變動的，因此不列入成本優(yōu)化的考慮范圍。工裝成本往往是一次性的成本投入，對已經(jīng)確定的工藝路線，基本起不到成本優(yōu)化作用。所以，對于機加工成本而言，控制成本就是控制機床成本和刀具成本。
加工一個零件的某道工序，其可控成本是機床成本和刀具成本的總和。對于已經(jīng)選定的機床來說，機床成本就只取決于機床的純切削時間和運行效率了。刀具成本取決于刀具本身費用和刀具用量。刀具更換的頻率主要與刀具壽命相關(guān)，刀具壽命的長短又取決于刀具的磨損程度。對于給定的材料、刀具和冷卻條件，刀具的壽命主要由切削用量三要素——切削速度、進給和切削深度所決定。
2 刀具壽命、切削用量和機加成本之間的關(guān)系
像高溫合金這樣的難加工材料，機加工效率不會很高的最重要限制因素就是刀具的磨損。刀具磨損的主要驅(qū)動力是切削溫度，由切削三要素（切削速度、進給和切削深度）、材料特性（硬度、導(dǎo)熱性）、冷卻液性能和冷卻方式、刀具性能（種類、幾何形狀、涂層、厚度）、加工工況等幾大因素共同決定。因此，刀具磨損的定量分析是很難的。不論是通過機械學或物理學為基礎(chǔ)建立理論模型，還是基于實驗數(shù)據(jù)建立經(jīng)驗?zāi)Ｐ�，都很難建立起一個準確針對刀具磨損的函數(shù)模型。盡管已有一些學者建立了利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行刀具壽命預(yù)測的數(shù)學模型，但因為是在特定的條件和刀具實驗中測到的數(shù)據(jù)，且收集的數(shù)據(jù)量相對來說比較少，因此模型的準確性和通用性都有欠缺。目前還沒有一個預(yù)測刀具壽命的函數(shù)模型，能夠適用于所有的磨損情況。這其中非常重要的一個原因就在于，用于修正函數(shù)系數(shù)的刀具磨損實驗是極其昂貴和費時的，盡管也積累了許多實驗數(shù)據(jù)，但由于刀具和刀具間性能表現(xiàn)的差異性，也使得刀具磨損呈現(xiàn)隨機性，結(jié)果必然就有一定的差異性�，F(xiàn)階段，很少有書籍或數(shù)據(jù)庫中會包含關(guān)于刀具壽命的預(yù)估數(shù)據(jù)，即便像Sandvik和Kennametal這樣的刀具巨頭，也很少提供以推薦切削參數(shù)加工時的預(yù)測的刀具壽命，這一切都恰恰說明了刀具壽命難以準確的定量計算。
刀具壽命關(guān)于切削用量的關(guān)系可以用圖1來表示。隨著切削用量的增加，刀具壽命均呈下降趨勢，且切削速度對刀具壽命的影響很大，進給和切深的影響相對較小。刀具的壽命直接由刀具的磨損量體現(xiàn)，如圖2所示，是刀具磨損量隨時間的變化趨勢。想要刀具發(fā)揮到最大效用，便要將刀具盡可能用到壽命極限。
圖1 刀具壽命曲線
圖2 磨損過程曲線
假設(shè)現(xiàn)在需要加工一個特征，如果所用刀具的壽命比需要的實際切削時間長，說明這把刀（刀尖）還可以繼續(xù)加工一段時間，這時，總成本主要由機床成本決定。相反，如果所用刀具的壽命比需要的實際切削時間短，則加工完這個特征需要兩個甚至更多的刀（刀尖），這時，總成本則主要由刀具成本（包括換刀帶來的等待成本）決定。如圖3，是成本關(guān)于切削用量的關(guān)系圖。由圖可可以看出，機床成本和刀具成本之間存在一個平衡，使得總成本最小化，尋找這個平衡點處的切削用量就是成本優(yōu)化的關(guān)鍵。
圖3 成本曲線
3 機加工成本
加工一個工件的一道工序，一般會用到多把刀具，總機加工成本是每一把刀具加工時所對應(yīng)的機床成本和刀具成本（刀柄費用多為一次性投入，這里不算在內(nèi)）總和，故可針對每一把刀具來單獨計算其對應(yīng)成本，工序總成本即是多把刀對應(yīng)成本的累加。
對于任意一把刀具而言，其對應(yīng)成本可以用下列公式計算：
（未完，下一頁）
|