切削刀具5大新規(guī)則
為了應(yīng)對(duì)不斷變化的生產(chǎn)需求和越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的工件材料，切削刀具技術(shù)正在快速發(fā)展。當(dāng)今的機(jī)械加工廠需要以一種與過(guò)去不同的方式來(lái)看待它們的切削刀具以及刀具供應(yīng)商。
引言
在金屬切削行業(yè)，除了采用先進(jìn)技術(shù)以外別無(wú)選擇。未來(lái)的加工需求越來(lái)越大，只有采用先進(jìn)加工技術(shù)才能滿足這些需求。
山特維克可樂(lè)滿公司負(fù)責(zé)航空刀具開發(fā)的項(xiàng)目經(jīng)理Chris Mills指出，以航空制造業(yè)為例，為了滿足該行業(yè)今后20年的制造需求，需要將制造加工能力在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加2倍。如何才能做到這一點(diǎn)呢？能否在加工工 藝保持現(xiàn)有水平的情況下簡(jiǎn)單地將加工機(jī)床的數(shù)量增加2倍呢？這幾乎是不可能的。增加現(xiàn)有技術(shù)水平機(jī)床的數(shù)量就意味著要增加同樣比例的機(jī)床操作工人，這是難 以想象的，因?yàn)槿缃竦臋C(jī)械加工廠很難雇用到足夠的合格工人來(lái)操作機(jī)床。因此，加工能力增加2倍的需求必須通過(guò)技術(shù)進(jìn)步來(lái)滿足，即利用現(xiàn)有數(shù)量的切削加工人 員來(lái)完成更多的工作量。
那么，這些技術(shù)進(jìn)步又從何而來(lái)呢？機(jī)床當(dāng)然包括在內(nèi)，它們的速度越來(lái)越快，精度也越來(lái)越高。但是，工件本身并非是以同樣的漸進(jìn)方式在發(fā)展，它們 基本上是在不停地變化。如今，被加工工件不僅在精度、交貨期和質(zhì)量上要求越來(lái)越高，而且越來(lái)越多地采用許多加工車間以前從未遇到過(guò)的難加工材料來(lái)制造。這 些材料包括鈦合金、鎳基合金和蠕墨鑄鐵（CGI），此外還包括各種工程復(fù)合材料（在越來(lái)越多的應(yīng)用場(chǎng)合，復(fù)合材料正在取代金屬材料）。換句話說(shuō)，如今工件 發(fā)展的速度和力度都超過(guò)了用于切削它們的機(jī)床。為了彌補(bǔ)機(jī)床與工件之間存在的差距，并使加工能力趕上加工需求，在如今的金屬切削行業(yè)，最重要的技術(shù)進(jìn)步將 來(lái)自切削刀具。
切削刀具——以及刀具供應(yīng)商——的作用正在發(fā)生越來(lái)越快的變化，超過(guò)了加工流程中的任何其他要素。事實(shí)上，切削刀具的變化如此之大，以至于任何 銳意進(jìn)取的機(jī)械加工廠現(xiàn)在都需要重新評(píng)估其有關(guān)切削刀具的觀念。它們不僅需要研究如何選用特定的刀具，而且需要重新審視影響整個(gè)車間刀具應(yīng)用的基本理念。 在這些核心理念中，有些在今天已經(jīng)陳舊過(guò)時(shí)，因?yàn)榍邢鞯毒叩囊?guī)則已經(jīng)發(fā)生了變化。
最近，有三家與切削刀具相關(guān)的公司提供了一些有關(guān)當(dāng)今的機(jī)械加工廠需要如何以不同方式來(lái)思考刀具應(yīng)用問(wèn)題的精辟見解。這些公司包括：①金剛石創(chuàng) 新公司（Diamond Innovations）：具有世界領(lǐng)先水平的立方氮化硼（CBN）和聚晶金剛石（PCD）刀具材料供應(yīng)商；②精密多馬公司（Precision Dormer）：由兩家提供高效鉆削刀具和螺紋加工刀具的公司組成的聯(lián)合體；③山特維克可樂(lè)滿公司（Sandvik Coromant）：世界排名第一的金屬切削刀具供應(yīng)商。
這些公司的工程專家們列舉了一系列在當(dāng)今影響切削刀具特性和應(yīng)用的要素，其中的一些要素包括：
（1）具有挑戰(zhàn)性的工件材料。包括替代金屬的材料和難加工合金材料。其中有些材料的可加工性還不到鋼的1/4，并且有些材料的價(jià)格可高達(dá)每磅數(shù)百美元。
（2）日益復(fù)雜的工件幾何形狀。例如，薄壁工件和復(fù)雜形狀的航空零部件。
（3）大型尺寸工件。尤其是對(duì)渦輪機(jī)和各種重型機(jī)械零件的需求日益增大。這些工件很高的每件成本對(duì)加工提出了很高要求。
（4）日益特殊的質(zhì)量和性能要求。例如，對(duì)被加工航空零件表面抗疲勞強(qiáng)度的要求。
目前，這些要素正促使一些領(lǐng)先的加工車間以新的方式來(lái)考慮它們的刀具應(yīng)用。上述三家刀具供應(yīng)商特別提出了以下5條刀具新規(guī)則，機(jī)械加工車間和加工廠在考慮它們的刀具應(yīng)用技術(shù)以及刀具供應(yīng)商時(shí)，必須遵循這些規(guī)則。
規(guī)則1：用你的機(jī)床完成更多加工任務(wù)
加工車間將一種刀具改換為另一種不同刀具的最常見理由是提高刀具壽命。如果新的刀具在現(xiàn)有工藝中能獲得更長(zhǎng)的使用壽命，就可以為車間節(jié)約加工成本，包括換刀成本和與更多的換刀操作相關(guān)的人工成本。
追求更高生產(chǎn)效率的加工車間還會(huì)為了提高加工速度而采用新的刀具。如果一種新的刀具可以勝任速度更快的加工工藝，從而大幅提高金屬切除率，它就 能以一種更為顯著的方式為車間節(jié)約加工成本。也就是說(shuō)，刀具能通過(guò)使每個(gè)生產(chǎn)班次加工出更多的工件，而有效提高車間的生產(chǎn)能力。
提高刀具壽命和加工速度這兩種工藝改進(jìn)措施代表了重要的投資回報(bào)方式，以及采用高效刀具的重要理由。但是，對(duì)利用刀具改進(jìn)工藝的各種方式的探索 不應(yīng)該就此止步，因?yàn)榈毒哌�具有更大的潛力，可以實(shí)現(xiàn)更多的成本節(jié)約。致力于提高其生產(chǎn)能力的加工車間需要努力探索各種不同的方式，使先進(jìn)刀具不僅能拓展 或加快現(xiàn)有的加工工藝，而且還能變革加工工藝。
（1）改變鉆削工藝
Precision Dormer公司的產(chǎn)品經(jīng)理Andrew Hunter列舉了一個(gè)看似簡(jiǎn)單，實(shí)際上被嚴(yán)重忽視了的改進(jìn)加工刀具的例證。他明確分析了當(dāng)今精密鉆削加工技術(shù)的現(xiàn)狀。他指出，如今在許多孔加工中，已經(jīng) 不再需要使用鉸刀。現(xiàn)在能以更高的成本效益制造出比過(guò)去質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)更高的鉆頭，從而有可能使加工車間僅僅通過(guò)鉆削工序就能達(dá)到所需要的孔加工精度和質(zhì)量要 求。但是，在許多加工車間，打定心孔→鉆孔→鉸孔的傳統(tǒng)孔加工工序已經(jīng)習(xí)慣成自然，以至于很難認(rèn)識(shí)到這種工序流程正是不必要的加工成本的來(lái)源。
Precision Dormer公司經(jīng)常向加工車間提出建議，某些鉸削工序可能完全沒有必要。通過(guò)改變切削參數(shù)，采用與車間已在使用的大致相當(dāng)?shù)你@頭，就可能加工出符合質(zhì)量 要求的孔。如果達(dá)不到質(zhì)量要求，該公司可以幫助車間快速搜尋和評(píng)估可能性能更佳的其它鉆頭。即使這種新鉆頭的價(jià)格稍貴一些，但與在孔加工中省去了不必要的 刀具以及換刀時(shí)間所節(jié)約的成本相比，新鉆頭增加的成本就顯得微不足道了。
（2）其他工藝變革
山特維克可樂(lè)滿公司產(chǎn)品開發(fā)專家Bill Tisdall參與了該公司大部分新型刀具設(shè)計(jì)的測(cè)試與改進(jìn)工作。他認(rèn)為，通過(guò)其他各種方式對(duì)刀具技術(shù)進(jìn)行根本性變革，可以顯著提高生產(chǎn)率。他敦促加工車間認(rèn)真考慮一下采用正確的刀具可以帶來(lái)以下這些潛在的益處：
①充分利用機(jī)床性能
你所采用的刀具技術(shù)是否能使如今正變得越來(lái)越常見的機(jī)床技術(shù)進(jìn)步得到充分而有效的發(fā)揮？
日益常見的機(jī)床技術(shù)進(jìn)步的一個(gè)重要例證就是在最新式的機(jī)床上，已開始流行高壓冷卻技術(shù)。而只有極少數(shù)加工車間使用的刀具能夠使如今的機(jī)床已有可 能提供的70巴高壓冷卻液的技術(shù)優(yōu)勢(shì)獲得充分利用。山特維克可樂(lè)滿的CoroTurn HP刀具就能充分利用高壓冷卻的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)將高壓冷卻液流精確地聚集于車刀切削刃上方的一點(diǎn)，該刀具能將冷卻液流轉(zhuǎn)化為一個(gè)水楔，從而加快排屑速度，在加 工難加工材料（如Inconel 718高溫合金）時(shí)，刀具壽命可以提高50％，切削速度可以提高20％。
②縮短裝刀時(shí)間
山特維克可樂(lè)滿公司開發(fā)的Coromant Capto刀柄系統(tǒng)已成為一種車削加工快換刀具的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。利用Capto刀柄，可以實(shí)現(xiàn)更換的刀具或另一種新刀被快速鎖緊到位，而不必調(diào)整刀具位置或重 設(shè)刀具偏置量。同樣的Coromant Capto技術(shù)理念也可以應(yīng)用于旋轉(zhuǎn)刀具，因此，新的或用于替換的銑削和鉆削刀具也能快速更換和鎖緊到位，而不會(huì)因?yàn)閾Q刀而造成任何耽擱。
QS系統(tǒng)是該公司開發(fā)的另一種可縮短裝刀時(shí)間的工具系統(tǒng)，主要應(yīng)用于瑞士式車床。使用QS系統(tǒng)，刀具可以快速滑進(jìn)和滑出，自動(dòng)定心并鎖緊到位。 據(jù)一個(gè)瑞士式車削加工車間計(jì)算，一臺(tái)瑞士式車床每年通過(guò)用QS系統(tǒng)縮短裝刀時(shí)間就可以節(jié)約10萬(wàn)美元。基于這一結(jié)果，該車間的老板在其余的瑞士式車床上都 配備了同樣的工具系統(tǒng)。
③實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守加工
除了刀具壽命和切削速度以外，還應(yīng)該考慮和評(píng)估所用刀具的可靠性。許多車間還沒有充分認(rèn)識(shí)可提供高水平性能一致性的刀具所具有的潛在價(jià)值。
為什么刀具性能的一致性具有很高的價(jià)值？因?yàn)樗軐⒓庸み^(guò)程轉(zhuǎn)化為潛在盈利性最高的無(wú)人值守加工方式——通過(guò)將操作工人從機(jī)床上充分解放出來(lái)， 使他們可以去操作額外的機(jī)床、檢測(cè)工件或從事一些與“5S”或其它精益制造相關(guān)的工作，與此同時(shí)，機(jī)床仍能保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)。山特維克可樂(lè)滿公司將其稱為“綠 燈生產(chǎn)”。如果加工車間或加工廠能夠有把握地預(yù)測(cè)出需要更換刀具的確切時(shí)間，那么它們就能放心地以這種無(wú)人值守方式運(yùn)行其加工流程，而無(wú)需操作者時(shí)刻守在 機(jī)床旁照看加工。
山特維克可樂(lè)滿的GC1125和GC1515是專門為“綠燈生產(chǎn)”而設(shè)計(jì)的刀具新牌號(hào)。這些刀片的可靠性來(lái)自于涂層與基體之間的良好平衡。基體 稍微有點(diǎn)軟，以提高刀具的韌性和性能一致性，同時(shí)，涂層的成分又能提供所需要的耐磨性。這些刀具還具有非常鋒利的切削刃，這是“綠燈生產(chǎn)”的另一個(gè)重要特 點(diǎn)。鋒利的切削刃有助于消除毛刺，而消除毛刺對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人值守加工特別重要，因?yàn)椴捎眠@種加工方式的車間不希望在加工完成后，大批工件還必須等待進(jìn)行去 毛刺加工。
規(guī)則2：需要加工專業(yè)知識(shí)
當(dāng)?shù)毒咧圃焐涕_發(fā)更高性能的切削刀具時(shí)，他們通常是通過(guò)為特殊的加工工藝定制刀具和工具系統(tǒng)而獲得這種高性能。隨著刀具供應(yīng)商越來(lái)越頻繁地針對(duì) 日益增多的特定加工用途而開發(fā)刀具，可選刀具的范圍和種類也在不斷增加。其結(jié)果是，對(duì)于那些希望獲得具有競(jìng)爭(zhēng)性的加工性能和生產(chǎn)效率的車間來(lái)說(shuō)，如今已不 可能期望僅僅依賴從普通刀具產(chǎn)品目錄中挑選出來(lái)的通用刀具來(lái)達(dá)到這一目的。
事實(shí)上，由于存在太多的選擇，如今的加工車間已不能期望只依賴它們自己的知識(shí)來(lái)尋找正確的刀具產(chǎn)品。它們需要做的是尋找正確的刀具供應(yīng)商。任何 刀具企業(yè)的專業(yè)知識(shí)不再被認(rèn)為只是一種令人愉悅和偶爾有用的產(chǎn)品附屬物。如今，成熟的加工廠必須期望并要求刀具供應(yīng)商提供有用的刀具專業(yè)知識(shí)，作為購(gòu)買其 刀具產(chǎn)品的一個(gè)組成部分。
這些刀具專業(yè)知識(shí)可能具有不同的形式，主要包括：
（1）有關(guān)材料的專業(yè)知識(shí)
Precision Dormer公司的Andrew Hunter列舉了針對(duì)特定的被加工材料定制鉆頭性能的各種不同方式。在過(guò)去，可能僅僅將刀具分為“涂層刀具”和“非涂層刀具”就足夠了。而現(xiàn)在，存在著 可滿足加工不同工件材料需求的、范圍非常廣泛的各種涂層成分和結(jié)構(gòu)。即使現(xiàn)在人們對(duì)刀具基體也傾注了越來(lái)越多的注意力，但涂層技術(shù)仍然是當(dāng)今刀具研究和開 發(fā)最重要的領(lǐng)域。還有一個(gè)重要領(lǐng)域則是刀具本身幾何結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)。
通過(guò)對(duì)這三個(gè)要素以及其它一些因素的專門設(shè)計(jì)，不僅可以定制切削難加工材料用的刀具，而且也可以定制用于切削看似易于加工材料的刀具。無(wú)論用于切削何種類型的被加工材料，刀具供應(yīng)商都應(yīng)該能夠遴選出可獲得更好加工性能的正確刀具。
以鋁加工刀具為例。一種為鋁加工而設(shè)計(jì)的鉆頭其材料含鎢量很高，從而使刀具表面非常光滑，可避免產(chǎn)生積屑瘤。此外，鉆頭的幾何結(jié)構(gòu)應(yīng)能伸展和分 斷切屑，以抑制鋁易于形成軟而粘切屑的趨勢(shì)。通過(guò)考慮這些要素，可確保該鉆頭在加工任何特定的金屬或非金屬材料時(shí)，都能獲得最佳切削性能。
Precision Dormer公司開發(fā)的CDX-Inox鉆頭是為加工特定材料而定制刀具的另一個(gè)實(shí)例。該鉆頭通過(guò)采用一條細(xì)棱帶，減小與工件表面的接觸，從而可避免在鉆 削不銹鋼時(shí)常見的加工硬化現(xiàn)象。正的幾何角度和內(nèi)冷卻供液孔有助于進(jìn)一步解決不銹鋼的斷屑和排屑問(wèn)題
（2）有關(guān)工件的專業(yè)知識(shí)
對(duì)于選擇刀具同樣至關(guān)重要的另一個(gè)因素是工件的幾何形狀。為了加工一種具有一些可達(dá)性很差的幾何特征的復(fù)雜工件，加工車間可能需要對(duì)非標(biāo)刀具進(jìn) 行大量投資，以克服極具挑戰(zhàn)性的余隙加工難題，以及被迫采用效率很低的切削方式，以應(yīng)對(duì)使用性能不佳的刀具可能造成剛性差和支承不良的問(wèn)題。
一個(gè)專業(yè)刀具供應(yīng)商不僅應(yīng)該具有關(guān)于材料的專業(yè)知識(shí)，而且應(yīng)該具有關(guān)于工件的專業(yè)知識(shí)，能夠提供為難加工的工件類型而定制的加工系統(tǒng)。難加工工 件類型的一個(gè)實(shí)例是渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)輪和機(jī)殼。這些復(fù)雜零件通常是用難加工的合金制成，其廓形特征通常是具有各種困難的公差要求的凹腔。為了應(yīng)對(duì)加工這些零件的 特殊困難，山特維克可樂(lè)滿公司開發(fā)了SL70/40模塊式工具系統(tǒng)。這是一種可組裝的快換工具系統(tǒng)，可以對(duì)幾乎任何渦輪機(jī)轉(zhuǎn)輪或機(jī)殼的幾何特征進(jìn)行穩(wěn)定的 重載加工。通過(guò)將幾種模塊化組件組裝成不同的結(jié)構(gòu)，該工具系統(tǒng)就能以針對(duì)不同渦輪特征的正確公差提供正確的加工支持，同時(shí)，該工具系統(tǒng)還集成了高壓冷卻 （HP）技術(shù)，在加工難加工材料時(shí)可將高壓冷卻液輸送到切削刃上方的正確位置。
（3）有關(guān)終端市場(chǎng)的專業(yè)知識(shí)
不同的行業(yè)具有不同的加工要求，刀具供應(yīng)商應(yīng)該能夠幫助加工車間滿足這些要求。某些材料本身正具有越來(lái)越鮮明的行業(yè)特征，一個(gè)典型的例子就是復(fù)合材料。目前，Precision Dormer公司正為開發(fā)用于航空工業(yè)的復(fù)合材料鉆削刀具及其應(yīng)用技術(shù)而大量投資。
某些零件的加工挑戰(zhàn)也與特定的行業(yè)有關(guān)。山特維克可樂(lè)滿公司的航空項(xiàng)目開發(fā)經(jīng)理Chris Mills以工件的表面完整性為例來(lái)說(shuō)明這一點(diǎn)。在航空工業(yè)以外的其他行業(yè)，表面完整性并非加工車間必須共同面對(duì)的關(guān)鍵考核指標(biāo)。然而，在航空工業(yè)，加工 產(chǎn)生的力和溫度有可能引起工件的顯微硬度變化、塑性變形和殘余應(yīng)力，這些都可能導(dǎo)致精密航空零件的性能不合格。
山特維克可樂(lè)滿研究了這種現(xiàn)象，并重點(diǎn)分析了刀具的切削刃后刀面磨損對(duì)加工表面質(zhì)量的影響。在此基礎(chǔ)上，該公司開發(fā)出了能夠控制這種磨損的刀具和切削技術(shù)，從而使航空零件供應(yīng)商能夠滿足甚至是最嚴(yán)格的表面完整性要求。
（4）定制刀具的技術(shù)咨詢
對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)刀具，可能并不總是需要技術(shù)咨詢。通過(guò)參與工藝設(shè)計(jì)，刀具供應(yīng)商還能確定定制刀具在哪些加工場(chǎng)合能夠真正創(chuàng)造最大價(jià)值。如果刀具供應(yīng)商 具備了與車間的特定加工挑戰(zhàn)相關(guān)的豐富知識(shí)，那么定制刀具時(shí)可能只需要在標(biāo)準(zhǔn)刀具基礎(chǔ)上進(jìn)行不大的改動(dòng)即可，例如，可能只需在已經(jīng)非常接近車間加工要求的 標(biāo)準(zhǔn)刀具上增加一個(gè)特定的角度，就能滿足加工要求。
規(guī)則3：更多地利用PCD、CBN刀具
金剛石和類金剛石刀具（聚晶金剛石PCD刀具、立方氮化硼CBN刀具和金剛石涂層刀具）在先進(jìn)切削加工中的應(yīng)用正在日益增加，所占的份額也在不斷擴(kuò)大。
Diamond Innovations公司的加工產(chǎn)品經(jīng)理Jim Graham認(rèn)為，這是一種必然趨勢(shì)。對(duì)PCD和CBN的研究開發(fā)使這些刀具材料的通用性和成本效益不斷提高。同時(shí)，此類刀具的切削速度和刀具壽命將加工 工藝的性能提高到了硬質(zhì)合金刀具難以企及的水平。
事實(shí)上，金剛石及相關(guān)刀具與上述刀具新規(guī)則的第1條和第2條都有關(guān)系。通過(guò)延長(zhǎng)刀具壽命和加大切削用量，可以降低換刀頻率、提高工件加工速度， 從而提高機(jī)床加工能力。同時(shí)，在刀具專家為不同行業(yè)要求日益嚴(yán)格的切削加工所定制的解決方案中，此類刀具的應(yīng)用也越來(lái)越多。以下是一些例子。
（1）切削加工高性能零件
在汽車制造業(yè)，為了提高發(fā)動(dòng)機(jī)性能，正越來(lái)越多地采用各種難加工材料制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件，如采用特殊合金制造進(jìn)氣和排氣閥座圈，以及采用蠕墨鑄鐵（CGI）制造其他一些發(fā)動(dòng)機(jī)零件。
與傳統(tǒng)的常規(guī)鑄件相比，這些新型鑄件的切削加工難度要大得多。為了應(yīng)對(duì)汽車零件加工的此類挑戰(zhàn)，CBN刀具已被證明是非常有效的解決方案。
不過(guò)，航空制造業(yè)也許可以為采用先進(jìn)的超硬刀具來(lái)提高加工效率提供更大機(jī)遇。新型飛機(jī)的設(shè)計(jì)將對(duì)鈦金屬（包括各種復(fù)合材料－鈦材料）的加工創(chuàng)造 出更大的需求，而加工車間利用其現(xiàn)有的加工工藝將不可能滿足這種需求。為了增加生產(chǎn)能力，許多加工車間必須大幅度提高零件的加工速度，而在正確的加工場(chǎng) 合，金剛石刀具（包括金剛石涂層刀具）能夠大幅度提高鈦合金的加工速度。
在更先進(jìn)的零件與更先進(jìn)的刀具之間有著直接聯(lián)系。隨著汽車制造商不斷采用性能更好的材料來(lái)制造關(guān)鍵零件，金剛石刀具正日益成為加工這些材料最有效的手段。在航空制造業(yè)情況也與此類似，金剛石刀具能夠解決對(duì)鈦合金加工能力的需求不斷增大的難題
（2）鉆削加工復(fù)合材料
金剛石刀具在航空零件加工中的另一種應(yīng)用已經(jīng)超越了嚴(yán)格意義上的“金屬切削”范疇，因?yàn)槠浼庸?duì)象是正在逐步取代某些金屬零件的復(fù)合材料工件。 Precision Dormer公司的鉆削專家將復(fù)合材料加工視為金剛石刀具（以及其他一些高效刀具）能夠大幅度提高加工效率的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。該公司的復(fù)合材料加工刀具產(chǎn)品 經(jīng)理Gary Kirchoff指出，并不是每一種鉆削工藝都具有充分發(fā)揮金剛石刀具性能所需的剛性、穩(wěn)定性和/或很小的徑跳誤差。該公司針對(duì)不同水平的復(fù)合材料加工設(shè) 備（從手動(dòng)進(jìn)給的鉆床到最先進(jìn)的CNC數(shù)控機(jī)床），不斷設(shè)計(jì)開發(fā)各種專用鉆削刀具。
將金剛石涂層或PCD刀具應(yīng)用于復(fù)合材料鉆削加工時(shí)，在降低生產(chǎn)成本、提高加工效率上效果顯著。因?yàn)樵阢@削高磨蝕性的復(fù)合材料時(shí)，硬質(zhì)合金刀具 磨損很快，而金剛石刀具的壽命可比硬質(zhì)合金刀具提高許多倍。金剛石刀具還能大幅提高切削速度，從而在加工需要鉆削大量孔的復(fù)合材料工件時(shí)，可使每件加工時(shí) 間縮短數(shù)小時(shí)。實(shí)際上，在加工復(fù)合材料的同時(shí)，同樣的金剛石刀具也能鉆削某些金屬材料，因此，在裝配由復(fù)合材料/鋁合金或復(fù)合材料/鈦合金組成的復(fù)合疊層 構(gòu)件時(shí)，這種金剛石刀具也能發(fā)揮極高的加工效率。
（3）金剛石刀具的應(yīng)用
但是，并非每種金屬或每種材料都適合用PCD、CBN或金剛石涂層刀具加工。除了航空復(fù)合材料以外，適合用這些刀具加工的材料還包括鈦、鋁和淬 硬鋼。此外，還必須采用合適的機(jī)床，因?yàn)檫@些刀具需要進(jìn)行高速切削，而低速機(jī)床可能無(wú)法實(shí)現(xiàn)此類刀具的全部?jī)r(jià)值。對(duì)機(jī)床的剛性也有一定的要求（盡管這種要 求可能并不像許多人認(rèn)為的那樣高）。近年來(lái)，此類刀具材料的韌性和沖擊韌性已經(jīng)有了顯著提高。
最后，金剛石刀具（以及相關(guān)刀具）特別適合長(zhǎng)時(shí)間切削或大批量加工，原因在于此類刀具的壽命很長(zhǎng)，從而使那些需要充分利用全部可用刀具壽命的加工車間能用它來(lái)完成大量切削任務(wù)。
如何知道你的車間能否通過(guò)使用PCD或CBN刀具而獲益？Graham先生以加工鈦合金航空零件為例，提出了一種簡(jiǎn)單的判別方法：當(dāng)與面臨的加 工需求相比，你的車間的加工能力有限時(shí)（例如，對(duì)于所加工的零件，必須承接更多的訂單，或必須完成更大的產(chǎn)量），采用PCD或CBN刀具可以使你通過(guò)提高 加工速度——而不是通過(guò)購(gòu)買新機(jī)床——來(lái)實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)能力的目標(biāo)。
規(guī)則4：關(guān)注加工成本支出的最大源頭
影響金剛石刀具等高效刀具推廣應(yīng)用最有害的錯(cuò)誤觀念之一就是：認(rèn)為刀具的價(jià)格等同于加工成本。Diamond Innovations公司的加工產(chǎn)品經(jīng)理Jim Graham將其稱為“標(biāo)價(jià)震驚（sticker shock）”誤區(qū)。比如說(shuō)，一個(gè)加工車間將高效CBN刀具的價(jià)格與通用硬質(zhì)合金刀片的價(jià)格進(jìn)行比較，當(dāng)看到價(jià)格差異較大時(shí)，就可能認(rèn)為高效刀具的經(jīng)濟(jì)性 較差。果真如此嗎？
事實(shí)上，高效刀具可能是——也可能不是——正確的選擇，但是，刀具的價(jià)格在做出購(gòu)買決策時(shí)應(yīng)該是一個(gè)很小的考慮因素。盡管刀具的價(jià)格確實(shí)要計(jì)入加工成本之中，但通過(guò)在各個(gè)方面實(shí)現(xiàn)成本節(jié)約，刀具成本也會(huì)從加工成本中減除。
為了更清楚地說(shuō)明這一觀點(diǎn)，可以這樣考慮：加工廠并不向其客戶提供刀具，而是提供工件，因此，工件的成本才應(yīng)該是關(guān)注的焦點(diǎn)。而且，刀具的價(jià)格在工件的成本中只占很小的比例，因此，利用高效刀具來(lái)降低工件的總成本實(shí)際上并非難事。
加工一個(gè)典型零件的成本來(lái)源構(gòu)成表明，刀具成本僅占零件總成本的3%。與此相比，勞動(dòng)力成本和機(jī)床設(shè)備成本所占的比例要大得多（約各占30%）。
實(shí)際上，降低刀具價(jià)格對(duì)于節(jié)約加工成本的作用并不明顯。你是寧愿將刀具價(jià)格降低30%，還是將切削速度提高20%？分析結(jié)果表明，假設(shè)每個(gè)零件 的基準(zhǔn)加工成本為10美元，刀具價(jià)格降低30%只能節(jié)約9美分。與此相比，切削速度提高20%則可以節(jié)約45美分，其節(jié)支效果是刀具降價(jià)的16倍——這一 結(jié)果的假設(shè)條件是：為了實(shí)現(xiàn)將切削速度提高20%，需要將刀具成本提高50%。
現(xiàn)在，你還可以嘗試將刀具價(jià)格從基準(zhǔn)成本提高一倍或兩倍，再進(jìn)行同樣的分析計(jì)算。很容易看出，即使刀具成本的增幅很大，也不會(huì)影響通過(guò)提高加工 效率而獲得的節(jié)支效益。也就是說(shuō)，通過(guò)應(yīng)用高效刀具（即便刀具成本有所增加），從而提高切削速度，在單位時(shí)間（每小時(shí)或每班）內(nèi)加工出更多的工件，就能減 小勞動(dòng)力成本和機(jī)床設(shè)備成本在零件總成本中的影響，最大限度地削減每件加工成本。
此外，有些加工車間通過(guò)應(yīng)用高效刀具，能夠達(dá)到比表1所示更高的節(jié)支水平。可以提供長(zhǎng)壽命和高可靠性的高效刀具使加工車間有可能成功地實(shí)現(xiàn)無(wú)人 化“熄燈”加工（即使它們以前從未采用過(guò)這種加工方式）。如果車間能在工人下班后以無(wú)人值守方式自動(dòng)進(jìn)行加工，它就能充分利用以前被閑置浪費(fèi)的機(jī)床加工能 力，由于加工過(guò)程無(wú)需操作工人照管，而機(jī)床設(shè)備費(fèi)用已由白班加工支付，因此這種加工方式的勞動(dòng)力成本和機(jī)床設(shè)備成本幾乎為零。這就是無(wú)人值守加工可以成為 最有利可圖的加工方式的原因所在，而只有利用高效刀具，這種加工方式的變革才有可能實(shí)現(xiàn)。
規(guī)則5：從工藝設(shè)計(jì)一開始就需要考慮切削刀具
山特維克可樂(lè)滿負(fù)責(zé)機(jī)床投資的產(chǎn)品經(jīng)理Jim Grimes指出，選擇采用何種刀具固然重要，而在何時(shí)選擇刀具同樣非常重要。考慮采用高效刀具的最佳時(shí)機(jī)是在對(duì)任何新的工件或新的加工任務(wù)進(jìn)行工藝分析 和設(shè)計(jì)的開始階段。為了完成新的加工任務(wù)，你將采用何種切削刀具？這一問(wèn)題與“你將采用何種機(jī)床”的問(wèn)題同樣重要。
當(dāng)然，在你選定最合適的加工機(jī)床之前，你還無(wú)法確定所使用的切削刀具。對(duì)于某些工件而言，在開始階段，可能并不清楚是用加工中心還是用車床來(lái)加 工更為合理，因此，在此時(shí)就決定購(gòu)買何種刀具顯然為時(shí)尚早。但是，加工車間往往會(huì)犯與此相反的錯(cuò)誤，它們首先買來(lái)加工機(jī)床，然后再考慮應(yīng)該配置何種刀具。 這種做法所冒的風(fēng)險(xiǎn)幾乎與未確定機(jī)床就先購(gòu)買刀具的風(fēng)險(xiǎn)一樣大，因?yàn)橐坏┵?gòu)買了機(jī)床，加工車間就可能將自己鎖定在由機(jī)床技術(shù)參數(shù)和功能特點(diǎn)所限定的范圍之 內(nèi)，從而使其不可能再采用能發(fā)揮最大加工優(yōu)勢(shì)的高效刀具。換句話說(shuō)，如果不同時(shí)考慮刀具和機(jī)床，加工車間也許就會(huì)剝奪自己本來(lái)有可能實(shí)現(xiàn)的節(jié)約加工成本的 許多機(jī)會(huì)。實(shí)際上，加工車間甚至可能會(huì)在機(jī)床上花費(fèi)更多的冤枉錢，因?yàn)橥ㄟ^(guò)選用正確的刀具，車間就有可能購(gòu)買載荷較小或價(jià)格較低的機(jī)床。
以下是為何應(yīng)在一開始就考慮切削刀具的幾點(diǎn)更為特殊的理由：
（1）優(yōu)化工藝參數(shù)
預(yù)先知道你將采用哪些刀具來(lái)加工某一種或某一類新的工件，你就可以清楚地了解，每一種刀具采用什么樣的主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給率、功率和扭矩最理想。了解了工藝參數(shù)的范圍，加工車間就能選擇能夠精確提供這些工藝參數(shù)的機(jī)床。
此外，較早確定了刀具加工需求的車間可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，僅有一種刀具需要較高的扭矩或功率，也就是說(shuō)，只需要對(duì)一種刀具進(jìn)行性能妥協(xié)，就可以實(shí)現(xiàn)購(gòu)買功率小得多、價(jià)格也便宜得多的機(jī)床的目的。
（2）確定機(jī)床功能
某些機(jī)床功能特點(diǎn)對(duì)于充分利用某些類型的高效刀具必不可少。例如，某些用于車－銑機(jī)床的復(fù)雜刀具要求機(jī)床必須具備B軸定位功能，而加工車間可能不希望今后再在機(jī)床上加裝這種功能。
一個(gè)更能說(shuō)明問(wèn)題的例子是前述山特維克可樂(lè)滿的CoroTurn HP刀具。為了提高切削速度、延長(zhǎng)刀具壽命，該刀具采用精確對(duì)準(zhǔn)加工部位的高壓冷卻液流形成水楔效應(yīng)，將切屑“托起”并排出切削區(qū)。但如果機(jī)床本身不具備 高壓冷卻功能，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)CoroTurn HP刀具的這種優(yōu)勢(shì)。
（3）合并刀庫(kù)存刀位置
模塊化刀具可以在同一個(gè)刀體上快速更換不同的銑削刀頭和鉆削刀頭，從而無(wú)需在每次換刀后都對(duì)刀具重新進(jìn)行測(cè)量。如果加工車間預(yù)先知道將要采用這 種模塊化刀具，就可以選用一種刀庫(kù)中存放刀具位置較少的加工中心。這樣，可以將大部分存刀位置留給機(jī)床經(jīng)常使用的常用刀具，而只需利用少量的模塊化刀體， 就能滿足選用所有其他只是偶爾才會(huì)使用的刀具的需求。
（4）合并加工工序
有些加工車間甚至可以考慮利用先進(jìn)刀具來(lái)削減原來(lái)需要額外購(gòu)置的機(jī)床。例如，為了加工至關(guān)重要的深孔，可能需要采用分序加工方式，為此，車間可 能需要專門購(gòu)置高剛性鏜床，因?yàn)橛糜谕瓿善溆嗉庸と蝿?wù)的車床或加工中心無(wú)法提供深孔加工所需要的穩(wěn)定性。不過(guò)，采用阻尼刀具又如何呢？山特維克可樂(lè)滿公司 已經(jīng)開發(fā)出了采用內(nèi)部阻尼技術(shù)的鏜桿，它能抵消剛性較差的機(jī)床在加工中所產(chǎn)生的振動(dòng)。如果采用這種刀具，就無(wú)需再購(gòu)置高剛性鏜床進(jìn)行分序加工。
并不是所有的加工車間都非常清楚諸如阻尼鏜桿這樣的刀具技術(shù)創(chuàng)新，但這些先進(jìn)刀具確確實(shí)實(shí)存在。經(jīng)驗(yàn)豐富的刀具供應(yīng)商應(yīng)該準(zhǔn)確地知道何時(shí)應(yīng)用這些刀具。
需要重復(fù)強(qiáng)調(diào)的是，刀具供應(yīng)商應(yīng)該盡早參與到工藝分析與設(shè)計(jì)之中！機(jī)床技術(shù)正在不斷發(fā)展，但刀具技術(shù)的發(fā)展速度甚至更快。前述的阻尼鏜桿、金剛 石刀具以及其他許多例子都表明，你正在考慮購(gòu)買的新機(jī)床或許能夠完成比你想象的更多的加工任務(wù)。充分利用當(dāng)今不斷涌現(xiàn)的先進(jìn)刀具，可以使你的新機(jī)床（或原 有的機(jī)床）發(fā)揮最大效用。
小結(jié)
對(duì)本文提出的刀具新規(guī)則小結(jié)如下：
（1）用你的機(jī)床完成更多加工任務(wù)：選擇刀具時(shí)，不要只考慮更長(zhǎng)的刀具壽命和更快的切削速度，創(chuàng)新刀具還能變革加工工藝和拓展機(jī)床的加工能力。
（2）需要加工專業(yè)知識(shí)：鑒于刀具技術(shù)的選擇范圍不斷擴(kuò)大，刀具供應(yīng)商的專業(yè)知識(shí)必須成為刀具產(chǎn)品必不可少的一個(gè)重要組成部分。
（3）更多地利用PCD、CBN刀具：金剛石刀具可以拓展機(jī)床的加工能力，還能用于為要求更苛刻的加工任務(wù)而定制的專門解決方案之中。
（4）關(guān)注加工成本支出的最大源頭：與刀具在加工的其他方面所能實(shí)現(xiàn)的成本節(jié)約相比，刀具的價(jià)格微不足道。
（5）從工藝設(shè)計(jì)一開始就需要考慮切削刀具：不要只是在購(gòu)買了機(jī)床以后再考慮配置刀具。在工藝設(shè)計(jì)開始時(shí)就選擇刀具有助于確保為加工任務(wù)選用正確的機(jī)床。
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