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圖2(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

如果加工工藝可以描繪成一種恒定不變的模型，那么金屬切削技術(shù)的新發(fā)展就能夠產(chǎn)生最大的經(jīng)濟(jì)效益。從綜合或全局的生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性角度來(lái)看，這對(duì)比較不同的可行技術(shù)方案具有極為重要的意義。全局生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性的定義是：“確保加工工藝的最大安全性和可預(yù)測(cè)性，同時(shí)保持最高的生產(chǎn)率和最低的生產(chǎn)成本?！痹趯?duì)單個(gè)加工進(jìn)行詳細(xì)的1:1優(yōu)化之前，必須從宏觀角度對(duì)工藝生產(chǎn)率和成本效益的總體情況進(jìn)行平衡和優(yōu)化。采取這一步驟后，可以通過仔細(xì)調(diào)查適合進(jìn)行1:1優(yōu)化的情形來(lái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的改善。

微觀和宏觀模型

為了實(shí)現(xiàn)最佳金屬切削結(jié)果，傳統(tǒng)方法采用一種狹義的微觀模型，它基于在一次加工中對(duì)單個(gè)刀具進(jìn)行1:1優(yōu)化的情形。而另一方面，宏觀模型考慮的是廣義上的制造。在這些宏觀或全局模型中，生產(chǎn)特定工件所需的總時(shí)間具有更具決定性的作用。全局優(yōu)化的一個(gè)簡(jiǎn)單示例是在流水生產(chǎn)線中利用兩臺(tái)機(jī)床生產(chǎn)部件。如果無(wú)法對(duì)機(jī)床“B”進(jìn)行同樣的改進(jìn)，對(duì)機(jī)床“A”進(jìn)行的切削時(shí)間優(yōu)化和產(chǎn)量增加就毫無(wú)用處。機(jī)床“A”增加的產(chǎn)量只會(huì)造成機(jī)床“B”上等待加工的半成品工件的庫(kù)存增大，導(dǎo)致額外的成本。在本例中，更好的做法是優(yōu)化機(jī)床A上的切削成本。這樣做可能會(huì)限制機(jī)床A的生產(chǎn)率，但會(huì)降低總成本，同時(shí)保持產(chǎn)量。另一方面，在機(jī)床B等待加工機(jī)床A生產(chǎn)出的零件時(shí)，增加機(jī)床A的產(chǎn)量將會(huì)提高總產(chǎn)量。這在很大程度上取決于車間對(duì)其生產(chǎn)加工的組織方式：是采用生產(chǎn)線加工、按批次加工，還是并行加工。雖然無(wú)法概括各種情況，但這些示例都表明需要從全局角度出發(fā)，同時(shí)說(shuō)明了需要非常細(xì)致地開展微觀模型優(yōu)化。從全局角度出發(fā)的要求可適用于機(jī)床本身。典型情況可能是一個(gè)車間一周40小時(shí)滿負(fù)荷運(yùn)行銑床，它決定將其替換為高速機(jī)床。當(dāng)新機(jī)床開始投入運(yùn)營(yíng)時(shí)，卻有一半的時(shí)間都處于閑置狀態(tài)。這使該車間面臨尋找新作業(yè)以使新機(jī)床保持運(yùn)行的挑戰(zhàn)，因此還要支付額外的費(fèi)用，同時(shí)要證明這筆投資的合理性。更好的方法是首先對(duì)全局情況進(jìn)行審視，并預(yù)估新機(jī)床的更大產(chǎn)量會(huì)產(chǎn)生什么結(jié)果。

優(yōu)化切削時(shí)間與切削成本

1:1優(yōu)化關(guān)注的是一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)合和單個(gè)刀具，旨在以盡可能最低的成本產(chǎn)生高金屬切除率。該工藝涉及選擇最適用于加工零件的刀具以及采用可行的最大切削深度和最高進(jìn)給率。當(dāng)然，最大切削深度和進(jìn)給率會(huì)受到機(jī)床功率和扭矩、工件夾緊穩(wěn)定性和刀具夾緊安全性的影響。1:1優(yōu)化的最后一步是選擇最低成本或最大生產(chǎn)率方面的適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)，并利用切削速度進(jìn)一步優(yōu)化該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)。重要的是記住用于決定刀具壽命的泰勒(Taylor)模型。該模型證明，對(duì)于給定的切削深度和進(jìn)給量組合，在刀具損耗仍是安全、可預(yù)測(cè)并且可控制的情況下存在最佳的切削速度范圍。在該范圍內(nèi)作業(yè)時(shí)，有可能對(duì)切削速度、刀具磨損和刀具壽命之間的關(guān)系進(jìn)行定性和量化。起初，隨切削速度的增加，加工時(shí)間減少且生產(chǎn)率提高。但在增加到某一特定速度后，成本再次開始升高。超過特定的切削速度后，刀具壽命開始縮短，以至于需要頻繁更換切削刃。從全局來(lái)看，加工時(shí)間成本降低所產(chǎn)生的影響要小于刀具成本快速增加所產(chǎn)生的影響。因此，刀具存在某個(gè)切削速度，可使兩個(gè)成本總和得以平衡，從而獲得最低總成本。在追求生產(chǎn)率時(shí)，車間必須謹(jǐn)慎，不要過度關(guān)注生產(chǎn)細(xì)節(jié)而未充分考慮全局，即用于生產(chǎn)工件的總工序時(shí)間。

質(zhì)量和生產(chǎn)率：充足但不多余

如今，人們對(duì)零件質(zhì)量水平的要求比過去更加嚴(yán)格。然而，實(shí)現(xiàn)最高質(zhì)量水平有時(shí)會(huì)顯得過猶不及。高質(zhì)量固然很好，但過高的質(zhì)量卻會(huì)浪費(fèi)資金。總結(jié)這一情況的簡(jiǎn)單理論問題就是：“我們?nèi)绾紊a(chǎn)出功能合格的最差工件？”通過僅滿足這個(gè)最低要求，成本可以大大降低，生產(chǎn)率也可以顯著提高。同樣，如果只關(guān)注在較短周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高的生產(chǎn)率，則金屬加工工藝的可靠性就會(huì)降低。當(dāng)在可行性不高的情況下進(jìn)行連續(xù)加工并且超出該限制時(shí)，代價(jià)就是工件不合格或報(bào)廢并且損失時(shí)間。

質(zhì)量、生產(chǎn)時(shí)間和成本

生產(chǎn)效率包括三個(gè)因素：質(zhì)量、生產(chǎn)時(shí)間和成本。此外，還必須考慮能耗、磨損刀具的處置或回收、加工廢物等環(huán)境因素，以及有關(guān)員工健康的安全因素。很多個(gè)體技術(shù)因素會(huì)影響生產(chǎn)效率。對(duì)于金屬切削工藝，有50-70個(gè)個(gè)體因素會(huì)影響效率，而且常常有一個(gè)或多個(gè)因素會(huì)對(duì)效率產(chǎn)生明顯的影響。典型因素包括刀具/刀具系統(tǒng)、工件配置和材料、設(shè)備加工能力和參數(shù)、人力因素、外部設(shè)備和維護(hù)問題。其中一個(gè)最大的影響因素便是刀具和工件相互作用的結(jié)果。了解刀具磨損和失效模式對(duì)控制金屬切削工藝而言至關(guān)重要。磨損跡象通常是逐漸發(fā)生并且可以預(yù)測(cè)的，而其他失效模式，如刀具斷裂，則缺乏必要的可預(yù)測(cè)性，因此無(wú)法維持可靠的切削工藝。

通用刀具

出于平衡生產(chǎn)率、可靠性和刀具成本的考慮，需要使用可在廣泛應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)提供通用性和靈活性的刀具。另外，多用途或通用刀具(see sidebar below)還滿足了制造業(yè)明顯向更小批量發(fā)展的趨勢(shì)。向更小加工批量的轉(zhuǎn)變?cè)从谌藗冊(cè)絹?lái)越多地運(yùn)用準(zhǔn)時(shí)化的生產(chǎn)策略和外包的增加。

圖3(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

圖4(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

圖5(鼠標(biāo)懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

目前，分包商需要定期但并非連續(xù)生產(chǎn)小批次的工件。在過去，自動(dòng)換刀裝置有助于減少換刀造成的停機(jī)時(shí)間，而隨著夾具更換裝置的使用，則減少了工件操控造成的停機(jī)時(shí)間。通用刀具可以縮短在工件更換時(shí)裝入新刀具的時(shí)間，并且消除設(shè)置和測(cè)試新刀具的需要，因此縮短了停機(jī)時(shí)間。另外，由于車間中不同刀具的數(shù)量減少，因此也縮短了刀具處理時(shí)間，并增加了加工操作的時(shí)間。傳統(tǒng)的刀具選擇策略傾向于以應(yīng)用為出發(fā)點(diǎn)：例如尋找專門用于鋼件、不銹鋼的刀具，或者用于粗加工或銑削應(yīng)用的刀具。而比為單一加工選擇刀具更重要的是如何使該加工符合全局要求。這種選擇應(yīng)傾向于從生產(chǎn)率、成本效益或可靠性角度來(lái)看需要哪種刀具，以及哪種刀具最適合于整個(gè)生產(chǎn)工藝。

簡(jiǎn)單的解決方案

從全局的角度進(jìn)行工藝優(yōu)化并不一定很復(fù)雜，它可以采用一些非常基本和簡(jiǎn)單的操作及分析。對(duì)使用過的刀具進(jìn)行檢驗(yàn)就是一個(gè)重要的例子。正確理解刀具所展現(xiàn)出來(lái)的情況能夠全面認(rèn)識(shí)車間中進(jìn)行的工作。例如，如果車間一般采用切削刃為12mm長(zhǎng)的刀片，而刀具上的磨損形式僅達(dá)到2mm或2.5mm，那么該車間所使用的刀片對(duì)于所進(jìn)行的工作來(lái)說(shuō)可能過大。使用切削刃為6mm的刀具應(yīng)該就綽綽有余，而切削刃6mm長(zhǎng)的刀具比切削刃10mm長(zhǎng)的刀具要便宜得多。這種簡(jiǎn)單的觀察可在不降低生產(chǎn)率的情況下減少50%的刀具成本。

刀具制造商的回應(yīng)

今天，刀具制造商認(rèn)識(shí)到客戶越來(lái)越青睞那些生產(chǎn)率高且經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的通用刀具系統(tǒng)，并對(duì)此作出了積極的回應(yīng)。新開發(fā)的通用刀具在提高產(chǎn)量的同時(shí)還降低了刀具庫(kù)存、刀具操控、重新對(duì)刀和測(cè)試成本。此類刀具的一個(gè)示例是山高的Turbo銑刀系列。這些刀具在廣泛的應(yīng)用中具有卓越的通用性和靈活性，可以提供出色的成本效益和高性能。它們旨在提供無(wú)差錯(cuò)的生產(chǎn)和高質(zhì)量的工件表面粗糙度。這些刀具具有正向切削槽型，可降低功耗、延長(zhǎng)刀具壽命并盡可能增加切削深度和進(jìn)給率。這些刀具的能力代表了邁向總體優(yōu)化工藝的第一步。通用刀具的另一方法是裝配一套適用于各種應(yīng)用的刀具。山高精選刀具專為提供靈活性而設(shè)計(jì)。所選的刀具組包括有限數(shù)量的刀具，它們可能未必提供絕對(duì)的最大生產(chǎn)率或成本效益，但在加工日益變化的各種工件和部件所需的最大靈活性方面，它們卻是最經(jīng)濟(jì)的最佳選擇。本質(zhì)上，這種方法并不適合各種需求。例如，與之相對(duì)的便是高度專業(yè)化的產(chǎn)品，如PCBN刀具，專門用于對(duì)特定的工件材料進(jìn)行極高質(zhì)量和/或極高生產(chǎn)率的加工。PCBN刀具非常昂貴，但卻是某些專業(yè)應(yīng)用的最佳選擇。從批量的另一方面來(lái)看，定制工程刀具(CET)是一種專為特殊應(yīng)用的大批量生產(chǎn)而定制的方法。該刀具旨在限制對(duì)不同刀具的庫(kù)存要求，但仍有可能實(shí)現(xiàn)微觀和宏觀優(yōu)化。正如制造車間必須從整個(gè)生產(chǎn)工藝的全局角度出發(fā)來(lái)選擇金屬切削技術(shù)，刀具制造商必須開發(fā)能夠滿足廣泛客戶需求的產(chǎn)品系列