刀片的破裂對生產能力造成的影響將是難以估量的. McGill Machine Works公司的生產協調員Rich Bauer在一次粗銑加工過程中, 就遭遇了這一情景. 不過, 通過對設備重新裝配的切削刀具, 如今Ingersoll公司的生產能力已實現了80%的增長, 並且該刀具的使用壽命是原刀具的8倍, Bauer表示.
Bauer所在的機械裝備車間共擁有10名員工. 該車間每天運行22h, 每周5天, 而Bauer的主要工作是對高鉻鋼材料進行粗銑加工, 製成D-2鍛件, 用作釘槍機構上的易磨損零件. 經過粗加工後的矩形成品零件尺寸為: 2.5in(1in=25.4mm)長, 1.25in寬, 0.350in厚(最窄處為0.194in). 在粗加工中, 通過面銑和方肩端銑的方式對原材料進行銑削, 使其重量減少了一多半. 這一操作時間佔據了整個機械加工流程的80%. 隨後進行鑽孔, 開槽, 最終將其車成圓角, 來消除存在應力集中的交角. 接著對該零件進行熱處理, 使之達到60~ 62HRC, 並塗敷氧化物塗層.
圖1 McGill Machine Works使用Ingersoll公司製造的新型Di-Pos Hexa平面銑刀, 對存在操作難度的D-2存貨進行了重新裝配, 從而改善了粗銑加工操作. 刀具壽命得到了延長, 生產能力提升了80%, 運行過程中的雜訊水平降低, 並且也不會因為切削液造成髒亂現象
儘管Bauer最初使用的是專門為高鉻鋼設計的刀片, 在他看來, 能夠在5個此類刀片碎裂之前將其取出來, 就已經是足夠幸運的了. 他嘗試降低材料去除率, 然而這作用不大. 他說, 當使用Kia vx 500數控立式加工中心來加工零件時, 需要耗費51min才能完成整個粗加工流程. 其中, 該設備採用的是直徑為2 in的四節錐角式平面銑刀(採用合成的冷卻液), 並且設置為625sfm, 10in/min和切削深度0.050in. 在這些條件下, 每4~ 5個刀片中, 就會有一個出現碎裂. 增加切削深度會導致切屑堵塞. 加工過程通常會產生重擊雜訊, 以及粉末狀的切屑——這是硬質零件機械加工的特點.
'工具的損毀是我們所面臨的主要挑戰, 但同時我們也在尋求提高生產能力. ' Bauer說道. 促成上述變化的是一封來自Ingersoll公司的宣傳電郵: 其中介紹了該公司最新製造的高效Di-Pos Hexa平面銑刀. 在與現場代表Jarett Johnson進行嘗試性的溝通後, Bauer獲得了一個新工具, 以及隨附的推薦參數和對停止使用冷卻液的建議.
圖2 這種由Ingersoll公司製造的Di-Pos Hexa易切式平面銑刀, 在金屬的堅硬表面下進行切削, 產生均勻一致的切屑, 並且將工具和工件在機械加工中產生的切削熱帶走. 其上的先進塗層減小了摩擦力, 並且為刀片基層提供了隔熱保護
Bauer說他沒法立刻抽身去試驗這種新型刀具, 但當他在隨後的幾天內採用了隨附的參數後, 他決定一試. 儘管來自Quality Tools and Abrasives的經銷商Johnson和Mike Toleman試圖提供幫助, 但Bauer認為重新裝配並不難, 因此不需要手把手的輔導.
在試驗中, 他採用了Johnson推薦的參數, 並且按照他的提議停止了對冷卻液的使用. 對於直徑為2in的六節錐角式Di-Pos Hexa刀具, 其具體設置為: 500sfm, 40in/min和切削深度0.075in. 這類刀具的運轉周期僅為28min, 並且刀片的壽命延長到了先前的6倍之久. 同時, 表面修整也得到了改善, 並控制在了30~ 60微英寸的規範水平內. 在提高材料去除率的同時, 主軸負載儀也很少再超過50%的水平, 並且運行過程中的雜訊水平也有所降低. 所形成的切屑呈現均勻一致的C型, 表明這是一種充分的易切式操作.
'在堅硬的材料上進行乾式處理看起來似乎是不可能的, 但切削液往往會產生熱衝擊, 這會對現有的高性能刀片的塗層造成損傷. ' Johnson說道, '此外, Di-Pos Hexa刀具在運行時的溫度很低, 因此最初無需使用切削液. '
圖3 注意該刀片的易切式幾何結構. 據Ingersoll公司稱, 雙面刀片都較薄, 刀具上較大的溝槽是為了方便增加切削深度而設計的
在進行了數次試驗後, Bauer減少了進料, 試圖令表面修整精度達到25微英寸的水平(此時的設置為20in/min, 其他參數保持不變). 這一變動使周期延長至39min, 但仍然要比之前縮短了25%. 刀具壽命同樣也得到了提升, 現如今, 車間使用的一件刀具, 其壽命相當於之前所採用的八件刀具之久, 這成為了McGill公司在該項加工流程中的標準參數. 現今, 刀具碎裂的難題已被攻克. 該公司採用了一種側面磨損的故障模式, 為加工流程提供更多保障.
'由於縮短了用於工具維修的停機時間, 因此工序時間得到了極大地改善. ' Bauer說道, '我們能夠使用一套刀具來完整地運行一次以上的輪班, 並且期間不會發生刀片破裂的事故. ' 他估測, 對刀具的重新裝配可以在每年為McGill公司總共節省大約10000美元的成本費用.
除了Di-Pos Hexa刀具材料的加熱硬化性能以外, 還有幾個關鍵性的因素可以用來解釋其在D-2上的出色表現. '首先, 刀片同時具有軸向和徑向的前削度, 切削動作更傾向於劈裂, 而非刮削. 因此, 這會產生切削力和熱量. ' Johnson說道.
圖4 這張正面及背面視圖展示了原料與成品零件的對比. 在經過粗加工後, 原工件的重量減少了一半之多
第二個因素是, 刀片表面的先進塗層減小了摩擦力, 並且為刀片基層提供了隔熱保護, 使其免受機械加工產生的熱量的影響. '當切屑從切削區域甩落時, 該塗層將機械加工產生的熱量轉移到了切屑上, 從而冷卻了工具和工件. 在對上百次的使用進行統計後, 證實了該塗層一般能夠將刀片性能提升35%, 即便所處理的是硬質材料. ' Johnson說道.
Di-Pos Hexa刀具還包括其他特點, 比如刀具上的刀片較厚, 溝槽較大, 這就使其能夠實現0.230in的切削深度, 並且不會造成切屑堵塞. Johnson說道: '在處理易於加熱硬化的材料時, 諸如D-2, 尤其需要注意增加其切削深度. 無論你是否意識到, 只有當切削刃到達硬化材料的表面下方, 並且進入內層更柔軟的材料中時, 你所進行的操作才稱得上是對硬質零件的機械加工. '
McGill公司是首個使用由Ingersoll公司生產的Di-Pos Hexa刀具的用戶. 這家主營工具加工設備的公司最近引入了這一刀具, 用於方肩銑削和主動斜坡修整操作. 儘管刀片是雙面的, 但其切削刃同時具有軸向和徑向的前削度.
為了維護車間的良好運行, 經銷商Quality Tools and Abrasives公司在現場設置了一台自動售貨機, 其記憶體放了在公司內使用的各種類型的刀片. 在McGill公司購買的刀片中, 產自Ingersoll公司的刀片大約佔據了3/4.