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高效加工的技术经济分析

日期:2015-04-23 14:36:06 浏览次数:

中国制造业已发展成为国民经济的重要组成部分,制造业的工业增加值占GDP增加值的44.88%,中国已经成为一个制造大国。但中国还不是一个制造强国。据报道,中国的劳动生产率只有德国的1/18,美国的1/23,日本的1/25。就拿刀具制造企业来说,中国全国2004年的劳动生产率为14.1万元人民币,而山特维克工具的劳动生产率折合人民币为130.8万元,瓦尔特为134.8万元,而肯纳金属的2005财年(从2004年7月1日至2005年6月30日)为136.6万元。从这些数据可以看到我们劳动力的绝对价格是比较低,但有时由于极低的劳动效率,往往分摊到单个产品尤其是高附加值的产品的成本并不低。因此,经常看到一些产品只有在劳动力密集的行业中才有狭小的生存空间。 
  依靠低廉的劳动力取得的竞争优势是不会持久的。政府或劳动者都在为改善人民生活努力,而人民生活水平的提高需要劳动者收入的提高,这种提高就意味着劳动力成本的上升。如果不加以改进,就会随着生活水平的提高而渐渐丧失竞争能力。 
  过去20年,中国的改革开放依靠增大投资、用市场换技术和低成本战略取得了一些成果,人民生活水平也获得了有目共睹的提高。但随之而来的,却已经出现中国大陆轿车的生产成本高于在美国底特律的生产成本,许多加工制造行业却因市场竞争或政府限价,造成利润下降甚至亏损。已经到了必须重视加工效率,从而降低制造成本,提高竞争能力的时候了。 
  为什么要通过提高加工效率而不是其它方法来降低制造成本和提高竞争能力呢?据有关资料,对组成加工成本的各种因素进行的分析表明:作为易耗品的刀具花费在产品制造总成本中仅占约4%,而主要的费用耗费在机床占用时间、企业管理和人工的成本(占75%)以及工件材料(占21%)上。 
  那么,我们向效率要收益的结果会如何呢?如果我们提高20%的切削速度,虽然可能带来刀具成本增加50%,但由于占机时间的缩短,机床费用、管理费用、厂房折旧等都得到下降,总的加工成本反而下降将近15%。而根据资料,如果在加大进给、加大切深的同时辅以略微降低切削速度,我们可以在降低刀具成本的同时通过提高效率而降低加工成本,其成本的下降完全可以超过15%。不过由于刀具成本本身在加工费用中的比例较小,总体成本下降的变化率并不明显。 
  实现高效加工,对于提高企业的竞争力将有极大的帮助。可以降低制造成本,增加利润,为自身的新品开发提供资金支持,为股东更多盈利,吸引优秀员工为企业服务;通过提高加工效率,我们还可以缩短制造周期,从而实现快速制造,为自己的客户创造价值,可以成为客户供应链中可信赖的环节,并且加快资金周转,降低财务费用。 
  高效加工,可以通过在切削时间内提高加工效率和减少非加工时间两大途径加以实现。 
一、提高切削效率 
  切削加工本身具有三大要素:切削速度、进给率、切削深度。我们说提高切削效率,其实质就是提高金属切除率。 
1.提高切削速度 
  提高切削速度是提高切削效率的一个非常有效的途径。100年以来,经过切削专家的不断努力,主流刀具材料经过了从高碳钢、高速钢、硬质合金、涂层硬质合金刀具等几个阶段,切削效率得到了极大的提高。以一个直径65mm、长度1m的钢件车削为例,100年以前大约耗时100分钟,而现在的主流加工方法大约只需要1分钟。由于加工效率的提高,金属加工业者也获得了及其可观的经济效益。某阀门厂进行过一个阀门法兰钻孔的工艺改进。该厂原长期使用高速钢麻花钻加工该法兰上的螺栓孔,加工效率已经成为其产能提高的瓶颈。但他们对于使用高效率的可转位钻头心存疑虑,因为可转位钻头刀体的价格比他们正在使用的高速钢钻头高十多倍,况且高速钢钻头的可刃磨次数不多,使用可转位钻头的经济性也许不太理想。在进行了一系列的试验和分析后,他们看到由于切削效率的提高,加工工时大大减少,分摊在每个工件上的成本大大下降,刀具的消耗费用也有减少,在他们一个工作日上因此节约的加工成本就足以支付采购可转位钻头刀体所需要的费用。 
  刀具材料和涂层技术的发展,为提高加工效率、降低制造成本提供了技术保障。例如,根据肯纳金属提供的一份资料表明,在切削钢件时采用其KC9110材质将有可能对加工效率极有帮助:KC9110的中温CVD和普通CVD组成的镀层总厚度达到24μm,其中α相的氧化铝结构稳定,性能优越,而中温CVD形成的TiCN极大地消除了在硬质合金基体和氧化铝膜层之间脆弱的η相而提高了膜层的结合能力,从而可以大幅度提高切削速度;钴加强的硬质合金基材又对刀具的刃口韧性进行了增强,从而提高了进给率;它的刃口还在涂层之后进行了抛光,从而降低了切屑与刀片之间的摩擦,减少了粘结磨损的发生,提高了刀具寿命。在美国某企业的实际加工中,由于切削速度和进给速度的同步提高,该工序的加工费用由原来的近3.7万美元锐减到不足0.9万美元,下降幅度超过75%。 
  另一个例子是肯纳金属商品名为“赛龙”的须晶增韧陶瓷材料。这种陶瓷刀具材料的主要成分是Al2O3和ZrO2,而用长径比为20~200倍的SiC晶须进行增韧。这种晶须在陶瓷刀具受到扭矩载荷和裂纹扩展时能有效地起到牵制和阻挠作用,而在载荷集中时也能够起到均匀载荷的作用。在进行波音777发动机固定架的高温铣削时,面对硬度为28HRC的镍基合金,其切削速度高达1310m/min,进给速度在2000mm/min,帮助企业将加工周期从45小时减少到14小时,从而大幅度提高了加工效率。 
  刀具材料的颗粒度对刀具性能的影响很大。在铣削62HRC的淬硬材料时,细颗粒硬质合金KC635M加工25min的刀具磨损与超细颗粒硬质合金KC637M加工70min的刀具磨损相当,说明在加工硬材料方面,超细颗粒硬质合金KC637M的耐磨性比细颗粒硬质合金KC635M高将近3倍。 
  在需要高转速时注意刀具的动平衡是确保刀具可以以正常的切削速度进行加工的条件之一。如果存在不平衡,当转速增加一倍时,离心力将增加到原来的4倍,这会迫使我们降低速度,降低效率。因此在高转速时需要注意刀具的动平衡问题。 
2.提高进给速度 
  采用修光刃技术进行大进给加工,既可以提高加工效率,又可以降低制造总成本。 
  大进给铣削已经存在很长时间了,而车削类型的大进给则是近几年来国际上技术领先的刀具供应商都在大力推广的一种新技术。这种技术被普遍称为“Wiper”技术,它用一个短的直线或短的大半径圆弧来联结刀尖圆角和副切削刃,从而降低已加工表面的粗糙度。使用这种技术能在维持原有生产节拍的条件下大幅度降低工件表面粗糙度值,提高表面质量;也可以在保持原来工件质量的前提下大大减少加工时间,提高加工效率。如果使用f=0.63的相同进给率,R0.8普通刀片加工的工件表面粗糙度约为16μm,而使用Wiper刀片(MW槽形)加工的工件表面粗糙度仅为2.5μm,如果用R0.8普通刀片要达到2.5μm的工件表面粗糙度,需要将进给率减小到约f=0.22。 
   使用Wiper技术能在保证相同的表面质量时使用更高的切削参数,这意味着生产效率的提高。那么,Wiper技术的刀片还提供的另一种可能性,即在相同的进给率时能获得更好的表面质量。如果我们原来需要半精加工,也许由于使用Wiper技术就可以不需要了。这就是我们在后面将要论述到的减少加工工序的问题。 
  目前国际上正在推行的所谓“高性能加工”则是铣削上使用大进给的典型代表。不少国际著名刀具厂商都提供这样的刀具。这类刀具普遍采用小的主偏角以降低径向切削力对刀具变形的影响,从而可以将非常大的进给用于实际加工,以提高切削效率。 
  提高进给的另一个常用方法是通过使用更多齿数的刀具来提高进给速度。刀片的进给率常常受刀片厚度影响或表面质量要求而局限在某一个范围内,而采用密齿刀具或其它更多齿数的方法就可以在不改变切削速度和进给率的前提下提高进给速度。以两种多齿扩孔刀具为例,山特维克可乐满的三齿扩孔刀具相对于常见的两齿可调扩孔刀具而言,可以增加50%的进给速度;肯纳金属用于汽车缸体加工的一把不可调扩孔刀具的齿数高达7个,加工效率是常见的两齿扩孔刀具的350%。
3.大切深加工
  大切深加工对于提高加工效率同样非常有效。在加工余量较大的场合,运用大切深加工可以有效减少走刀次数,从而提高金属切除率。
  对于大切深而言,刀具的受力条件会恶化。大量载荷集中作用在切削刃上,这对刀具的韧性提出了更高要求。因此,这时的刀具材料应有更高的韧性,刃口增加倒棱和倒圆,刀体对刀片的支承、夹持系统对刀杆的支持都必须得到加强。同时,选择合理的刀具几何参数,如减少主偏角以避免切削载荷过分集中等,常常都是必须加以考虑的。 
  大切深常常带来大的切削功率需求,在应用时要注意机床和工艺系统的其它部分能否满足其功率需求。同时,大切深加工对刀具结构也有一定要求,如单面负型刀片要优于双面负型刀片,立装刀片要优于卧装刀片等等,具体可向专业刀具技术人员咨询。
4.交互作用
  下面的例子是通过同时提高切削速度和进给率来取得竞争优势。刀具用户原来使用的刀具是12齿铣刀,切削速度为257m/min,每齿进给量0.13mm(每转进给量1.56mm),刀片寿命为60件。为该用户提供的新型铣刀是8齿铣刀,每个刀片的价格比原来的高出26%,粗看没有什么竞争优势。但新的铣刀可以将切削速度提高到337m/min,进给率提高到0.22mm(每转进给量1.76mm),两者的交互作用使实际的加工效率提高了50%。同时,新的铣刀寿命比原刀具增加了50%。改进的结果,是该用户每年可因此节约约6.2万美元。
二、减少非加工时间 
   在生产制造过程中,切削加工的时间所占比例经常是非常有限的。据中国刀协的资料,即使一些生产任务非常饱满、生产设备数控化程度很高、管理也比较先进的大型企业,数控机床的实际切削加工时间也不超过30%。因此,如何减少非加工时间也是提高加工效率的一个重要方面,这里作一个简单的叙述: 
1.减少加工工序 
  有些时候通过使用合理的技术可以减少加工工序。如肯纳金属的SE钻头,钻孔的圆柱度比普通钻头提高很多,在一些场合可以免去扩孔工序;又如硬模具直接铣削,可以大大减少加工工序,缩短模具制造周期。有一个例子是在镍基合金上加工一个孔,原来使用定心钻、高速钢钻头和铰刀三种切削工具分三个工序完成整个加工,现在使用K715硬质合金制造的SE钻头(具有极高的强度和抗粘结磨损能力,含钴量高达9.5%,未涂层),不再需要中心钻和铰刀,钻孔时也不再需要反复退刀,生产非常稳定,孔的定位很好。更重要的是,切削速度由原来的8.54m/min提高到22.88m/min,刀具寿命从18个孔提高到150个孔,加工时间则从原来的54秒减少到5.1秒,减少了超过90%的时间,加工效率得到显著提高。
2.减少换刀时间
  减少换刀时间和换刀后的调整、试切时间,也会对减少非加工时间有帮助。如普通的数控车床在小批轮番生产时,更换工件后需要重新对刀并在数控系统中设置刀长和刀具补偿,而采用可乐满的Capto或肯纳的KM工具系统就能保证以后重新生产时不需要重新对刀、设置刀长和偏置,可以减少换刀时间。这些工具系统都是径向、轴向全面高精度定位,可以确保每次装夹后的尺寸一致性。以数控车床加工每班平均需要换5把刀、工人3班倒、每周工作5天、每年工作46周、每小时工时费用为60美元为标准进行计算,使用普通工具系统的换刀时间需要5分钟,而使用肯纳KM工具系统的换刀时间只需半分钟,每年节约的费用可达15525美元。
  减少换刀时间的另一个途径是运用合理的切削技术来延长刀具的寿命。某些时候会发现刀具寿命特别短,这时也许并不是刀具本身的质量有问题,而是对刀具的选择不正确,或者使用方法有问题。这时需要联系切削刀具专家,听取他们的意见。
   材料力学里的弯曲变形规律可作为研究刀具选择方法时的参考依据。大部分刀具在使用时可以简化为悬臂梁,而悬臂梁的变形与径向载荷的大小、有效悬伸长度、梁的材料弹性模量和梁的直径有关。因此,可以从减少径向载荷、缩短有效悬伸量、选择高弹性模量的刀杆材料、加大有效刀具直径这四个方面着手。例如有些用户在选择切削力不平衡的浅孔钻时,只是考虑长径比大的浅孔钻使用范围更广而选择较大长径比,而忽略了长径比大的浅孔钻刚性非常弱,加工时不得不降低切削速度和进给率以避免刀具发生问题。而加工效率的降低往往意味着经济效益的降低。因此,加工时(尤其在大批量生产中)应选择尽可能小的长径比。
  有时我们还可以选择其它方法来增强刀具刚性,比如当其它条件不变时,简支梁的刚性远远大于悬臂梁。如果我们将刀具的支承方式转化为简支梁方式,就有可能进一步提高加工效率。
3.减少换刀次数 
  刀具厂商开发了一些具有多种功能的刀具,以满足不同的加工需要。如伊斯卡、山高、肯纳、瓦尔特等提供的八角刀片铣刀,能完成各种平面、倒角、圆周插补、型腔粗铣等加工;肯纳的A4车刀和伊斯卡的霸王刀,在车床上能完成双向车削以及方形、台阶等复杂加工任务。
4.复合加工
  复合加工是指将多道工序集中起来一次加工,如钻孔/扩孔/倒角/锪平面常常被复合,钻孔/倒角/铣螺纹近来也多有复合。
  一种粗镗、正向倒角、反向倒角、精镗一体化刀具的刀座可以作径向移动,这样在进行其它工序的加工时非工作刀座的直径较小,以确保不会对加工刀具的正常工作造成干扰。
5.减少工件装夹时间
  通过装夹技术以减少工件因装夹而停止加工的时间也是减少非加工时间的一种方式。采用合适的机床附件可以做到这一点。如卧式加工中心上的交换工作台就是一种可减少因等待工件装夹而停机的典型应用。近来一些机床厂商提供的车铣复合加工机床以及雄克等提供的快速装夹技术,都可以有效减少工件的装夹次数和装夹时间,从而提高加工效率。在生产线上应用随行夹具也是一个减少工件装夹时间的有效方法。


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