刀片的破裂对生产能力造成的影响将是难以估量的. McGill Machine Works公司的生产协调员Rich Bauer在一次粗铣加工过程中, 就遭遇了这一情景. 不过, 通过对设备重新装配的切削刀具, 如今Ingersoll公司的生产能力已实现了80%的增长, 并且该刀具的使用寿命是原刀具的8倍, Bauer表示.
Bauer所在的机械装备车间共拥有10名员工. 该车间每天运行22h, 每周5天, 而Bauer的主要工作是对高铬钢材料进行粗铣加工, 制成D-2锻件, 用作钉枪机构上的易磨损零件. 经过粗加工后的矩形成品零件尺寸为: 2.5in(1in=25.4mm)长, 1.25in宽, 0.350in厚(最窄处为0.194in). 在粗加工中, 通过面铣和方肩端铣的方式对原材料进行铣削, 使其重量减少了一多半. 这一操作时间占据了整个机械加工流程的80%. 随后进行钻孔, 开槽, 最终将其车成圆角, 来消除存在应力集中的交角. 接着对该零件进行热处理, 使之达到60~ 62HRC, 并涂敷氧化物涂层.
图1 McGill Machine Works使用Ingersoll公司制造的新型Di-Pos Hexa平面铣刀, 对存在操作难度的D-2存货进行了重新装配, 从而改善了粗铣加工操作. 刀具寿命得到了延长, 生产能力提升了80%, 运行过程中的噪声水平降低, 并且也不会因为切削液造成脏乱现象
尽管Bauer最初使用的是专门为高铬钢设计的刀片, 在他看来, 能够在5个此类刀片碎裂之前将其取出来, 就已经是足够幸运的了. 他尝试降低材料去除率, 然而这作用不大. 他说, 当使用Kia vx 500数控立式加工中心来加工零件时, 需要耗费51min才能完成整个粗加工流程. 其中, 该设备采用的是直径为2 in的四节锥角式平面铣刀(采用合成的冷却液), 并且设置为625sfm, 10in/min和切削深度0.050in. 在这些条件下, 每4~ 5个刀片中, 就会有一个出现碎裂. 增加切削深度会导致切屑堵塞. 加工过程通常会产生重击噪声, 以及粉末状的切屑——这是硬质零件机械加工的特点.
'工具的损毁是我们所面临的主要挑战, 但同时我们也在寻求提高生产能力. ' Bauer说道. 促成上述变化的是一封来自Ingersoll公司的宣传电邮: 其中介绍了该公司最新制造的高效Di-Pos Hexa平面铣刀. 在与现场代表Jarett Johnson进行尝试性的沟通后, Bauer获得了一个新工具, 以及随附的推荐参数和对停止使用冷却液的建议.
图2 这种由Ingersoll公司制造的Di-Pos Hexa易切式平面铣刀, 在金属的坚硬表面下进行切削, 产生均匀一致的切屑, 并且将工具和工件在机械加工中产生的切削热带走. 其上的先进涂层减小了摩擦力, 并且为刀片基层提供了隔热保护
Bauer说他没法立刻抽身去试验这种新型刀具, 但当他在随后的几天内采用了随附的参数后, 他决定一试. 尽管来自Quality Tools and Abrasives的经销商Johnson和Mike Toleman试图提供帮助, 但Bauer认为重新装配并不难, 因此不需要手把手的辅导.
在试验中, 他采用了Johnson推荐的参数, 并且按照他的提议停止了对冷却液的使用. 对于直径为2in的六节锥角式Di-Pos Hexa刀具, 其具体设置为: 500sfm, 40in/min和切削深度0.075in. 这类刀具的运转周期仅为28min, 并且刀片的寿命延长到了先前的6倍之久. 同时, 表面修整也得到了改善, 并控制在了30~ 60微英寸的规范水平内. 在提高材料去除率的同时, 主轴负载仪也很少再超过50%的水平, 并且运行过程中的噪声水平也有所降低. 所形成的切屑呈现均匀一致的C型, 表明这是一种充分的易切式操作.
'在坚硬的材料上进行干式处理看起来似乎是不可能的, 但切削液往往会产生热冲击, 这会对现有的高性能刀片的涂层造成损伤. ' Johnson说道, '此外, Di-Pos Hexa刀具在运行时的温度很低, 因此最初无需使用切削液. '
图3 注意该刀片的易切式几何结构. 据Ingersoll公司称, 双面刀片都较薄, 刀具上较大的沟槽是为了方便增加切削深度而设计的
在进行了数次试验后, Bauer减少了进料, 试图令表面修整精度达到25微英寸的水平(此时的设置为20in/min, 其他参数保持不变). 这一变动使周期延长至39min, 但仍然要比之前缩短了25%. 刀具寿命同样也得到了提升, 现如今, 车间使用的一件刀具, 其寿命相当于之前所采用的八件刀具之久, 这成为了McGill公司在该项加工流程中的标准参数. 现今, 刀具碎裂的难题已被攻克. 该公司采用了一种侧面磨损的故障模式, 为加工流程提供更多保障.
'由于缩短了用于工具维修的停机时间, 因此工序时间得到了极大地改善. ' Bauer说道, '我们能够使用一套刀具来完整地运行一次以上的轮班, 并且期间不会发生刀片破裂的事故. ' 他估测, 对刀具的重新装配可以在每年为McGill公司总共节省大约10000美元的成本费用.
除了Di-Pos Hexa刀具材料的加热硬化性能以外, 还有几个关键性的因素可以用来解释其在D-2上的出色表现. '首先, 刀片同时具有轴向和径向的前削度, 切削动作更倾向于劈裂, 而非刮削. 因此, 这会产生切削力和热量. ' Johnson说道.
图4 这张正面及背面视图展示了原料与成品零件的对比. 在经过粗加工后, 原工件的重量减少了一半之多
第二个因素是, 刀片表面的先进涂层减小了摩擦力, 并且为刀片基层提供了隔热保护, 使其免受机械加工产生的热量的影响. '当切屑从切削区域甩落时, 该涂层将机械加工产生的热量转移到了切屑上, 从而冷却了工具和工件. 在对上百次的使用进行统计后, 证实了该涂层一般能够将刀片性能提升35%, 即便所处理的是硬质材料. ' Johnson说道.
Di-Pos Hexa刀具还包括其他特点, 比如刀具上的刀片较厚, 沟槽较大, 这就使其能够实现0.230in的切削深度, 并且不会造成切屑堵塞. Johnson说道: '在处理易于加热硬化的材料时, 诸如D-2, 尤其需要注意增加其切削深度. 无论你是否意识到, 只有当切削刃到达硬化材料的表面下方, 并且进入内层更柔软的材料中时, 你所进行的操作才称得上是对硬质零件的机械加工. '
McGill公司是首个使用由Ingersoll公司生产的Di-Pos Hexa刀具的用户. 这家主营工具加工设备的公司最近引入了这一刀具, 用于方肩铣削和主动斜坡修整操作. 尽管刀片是双面的, 但其切削刃同时具有轴向和径向的前削度.
为了维护车间的良好运行, 经销商Quality Tools and Abrasives公司在现场设置了一台自动售货机, 其内存放了在公司内使用的各种类型的刀片. 在McGill公司购买的刀片中, 产自Ingersoll公司的刀片大约占据了3/4.