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改进工厂最高生产率的五大要诀

作者:  信息来源:模具  2006-9-11

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一次改善一个过程 在试图提高工厂生产率时,需要从对现有加工过程的评价开始一次改善一个过程。 案例1 挑战:一个工厂加工硬度为66RC的模具,采用双槽可更换刀片式铣刀。采用12英寸/分钟的加工速度,要用两把刀片才能完成一个凹槽的加工。进给、转...

一次改善一个过程

在试图提高工厂生产率时,需要从对现有加工过程的评价开始一次改善一个过程。下面是用于阐释该过程的两个案例。

案例1

挑战:一个工厂加工硬度为66RC的模具,采用双槽可更换刀片式铣刀。采用12英寸/分钟的加工速度,要用两把刀片才能完成一个凹槽的加工。

解决方案:推荐采用可更换式刀片铣刀以及应用程序。进给、转速及编程路径都改变,试验以36英寸/分钟的速度完成,用一把刀片完成了九个凹槽的加工。

案例2

挑战:一个工厂遇到在精铣应用中无法实现所要求的表面光洁度这个问题。

解决方案:在评价了该应用及过程后,发现机床控制器滤掉了大部分代码。简单地说,程序公差设定为0.0001,而控制器公差设定为0.0004。在将控制器公差改为与程序公差匹配后,光洁度大大改善(参见图1)。


图1:用于高速加工和硬铣的DM铣刀。
感谢Horm USA 公司提供图片。

本文将探讨模具厂家在采用“一次一个过程”的方法实现最大工厂生产率时必须考虑的五大元素:通过硬铣而不是电火花成型加工对零件进行精加工;无人看管加工;了解HSM与普通加工之差异;用硬铣代替坐标磨;以及了解在硬铣前何时该用高速加工。基于上述两案例建立的实例,下面介绍读者可以开始评价自己工厂的生产率并借以提高的五大要诀。

1、用硬铣而不是电火花成型加工对零件进行精加工

硬铣是加工出零件精度和公差的过程。借助于机床、刀夹及铣刀技术的进步,可以实现超出电火花机床10倍的效率。在加工电极的时间里,你可能已经加工出零件。尽管硬铣无法在所有场合完全替代EDM,但是却可以降低在部件上使用的电极数量并提高效率。

全球化的竞争要求我们对自己的加工过程进行调整,以减少自己的制造成本而与全世界范围内的低工资国家进行竞争。降低成本的一个方法是,用硬铣而不是EDM进行精加工。

人们在机床、刀夹及立铣刀方面已经取得了很大的进步,因此客户通过硬铣可以实现10倍的效率。在零件精加工方面当从EDM成型加工转向硬铣时,让我们充分利用这些进步以及合适的机床、软件、刀具、刀夹及培训的重要作用。

在模具制造领域利用最新技术进步将使您始终领先于竞争对手。

◆ 锥度及面接触主轴连接

机床和刀夹方面取得巨大进步的一个领域是锥度及面接触主轴连接。这种连接的锥度及面接触,可以在粗加工中实现几乎高三倍的刀具寿命。在采用锥度及面接触进行加工时,随着主轴温度上升将看到一个负“z”形运动。这种热将迫使刀夹下降,同时,锥面将打开,让刀夹上移。

在实验中发现,针对这些双向作用力,需要采用具有多向运动的刀夹。这些刀夹带有一个整体锥面,保证紧密而精确的TIR,并且带有一个运动法兰来确保所有时间都实现面接触。

测试了带移动法兰的CAT 40、BT 40、HSK 63A及BT 40 FF(面及法兰接触)刀夹,CAT 40的刀具寿命为1.3小时,BT为1.6小时(因与CAT相比,BT的突出部分更短),HSK为2.0小时,BT40 FF为3.6小时。(参见图2及3)。


图2:CAT 40与BT 40及BT 40法兰接触式刀夹比较,Cat 40的刀具寿命
为1.3小时,BT 40为1.6小时,BT 40法兰接触式为2.9小时。
感谢HPI美国公司提供图片。


图3:BT 40法兰接触与BT40带可移动面法兰接触刀夹的比较。
前者的使用寿命为2.6小时,后者3.6小时。

◆ 涂层技术、几何结构与精度

另一个取得进步的领域是立铣刀制造厂家如今提供的涂层技术、几何结构以及精度。取得进步的一个特定领域为以标准方式提供几何结构从而用硬铣替代坐标磨。该过程的使用将使加工时间减少一半,同时还提高零件质量。

合适机床、软件、刀具、刀夹及培训是十分重要的,因此在我们考察刀具前,先要确保机床、软件及刀夹都到位。

◆ 机床、软件及刀夹

首先需要评价所选择的加工中心。第一个测试是球棒测试,测定机床在加工圆时可以实现的精度。用户的本地机床经销商或服务中心应该可以进行这种测试。

在测试机床后,可以在控制器上调节一些参数而提高圆的质量。在某些情况下,可能存在机械问题或控制器设置方面的问题。

其次是零件的编程。对于硬铣这些孔,需要采用螺旋型刀具路径。这种操作要在同一行具有X, Y, Z, I 或J代码。需要在控制器中接通螺旋插补功能。如果你采用编程软件,则需要开发待加工区域的3D模型。孔的直径、深度及位置将依据零件图纸而精确开发。

另一个开发本过程所需代码的方法是采用宏程序B编程,通过它机床操作员可以在控制器内对简单程序进行各种调节从而可以在任何位置在不采用3D模型的情况下加工任何尺寸、任何深度的孔。用户需要在控制器中接通该选项。

在检查了机床并对零件进行编程后,第三步是选择刀夹及立铣刀。要求刀夹将刀具TIR保持小于0.0004英寸,以保证刀具寿命及表面质量。通常,高质量的铣削卡盘或浅锥度的弹簧夹头可以实现这种跳动精度。热收缩是另一种可选方式。

最后但也同样重要的一步是选择正确的立铣刀。推荐采用最大跳动为0.005mm的多槽立铣刀。此外,刀具的刀槽必须非常短,以减少在进入加工孔时的接触面积(参见图4)。


图4:短槽立铣刀

2、无人看管加工

既然可以通过给机床提供足够的时间加工而实现更好的结果,为什么还花上整天的时间在零件上手动加工出所需要的精度?在某些工厂,人们用机床加工一小时,却手工加工4小时,因为他们没有让机床运行更长的循环时间。夜间加工是增加机床加工时间的一个方式。用这种方式,还可以保持模具公差不被手工打磨掉。

无人看管加工是增加工厂机床加工时间的一种方式。它还可以帮助保持住模具公差不被手工加工时破坏掉。如果存在需要在机床上加工数小时或者在抛光部花费好几天时间的零件,那么你可以考虑无人看管加工。
各工厂没有迈出这一步的原因,许多工厂都有不进行无人看管加工的理由。以下是有代表性的三种:

◆ “我们的刀具不能加工8小时。我必须用三把刀具才能加工好一个零件。”

这其实是误解,今天的机床、刀夹和刀具都已拥有这种能力。

◆“我们购买了这些昂贵的立铣刀,在我开始加工时,我在零点切割,而完成切割时,它却在正0.001处切割。”

你的主轴发热,而在程序中却没有考虑这一点,这样将引发这种问题。

◆ “看起来我无法在不进行抛光的情况下就获得所要求的表面粗糙度。”
影响这一点的一个因素可能是所用的软件,以及能否生成足够精确的代码从而可以精加工某零件的能力。

那么如何实施无人看管加工策略呢?首先,你需要评价上面的每个理由,然后确定可能的解决方案,帮助实现无人看管加工。

◆ “我们的刀具不能加工8小时……”

首先,你必须检查所用的刀夹。检查锥度,如果发现刀夹上磨损过大,则表明主轴需要重磨。如果主轴看起来很好,则检测所用刀夹的质量。粗加工采用高质量铣削卡盘、精加工采用平锥度弹簧夹头或热收缩配合是理想的方式。

如果这些都很好,那么检查铣刀。许多时候,客户购买了价钱最好的产品,而不是适合相关材料、硬度及应用的正确立铣刀。如果所有上述项目都正确,那么铣刀将可以运行所需要的循环时间。

◆ “我们购买了这些昂贵的立铣刀,在我开始加工时,我在零点切割,而完成切割时……”

机床预热后,你会发现因(改变主轴与刀夹之间钢锥度的)热影响,刀尖会以正或负Z方式移动。如果主轴为不带面接触的CAT或BT式,那么你将看到刀夹被吸到主轴里。如果你采用的是带面接触的锥度式主轴,那么你将看到由于主轴端部往下增长,刀夹被推出主轴。这种增长将引起零件或正或负的增长。

你可以通过下面这种简单的测试看出机床的增长。如果机床上有一个刀具测头,那么你可以生成一个运行主轴五分钟的程序,然后检查刀具长度。再运行五分钟,再检查刀具长度。这样做一小时,对结果绘制图表。你将看到一个特性曲线,其中表明机床要多长时间才能稳定Z增长。一旦机床达到这个点,主轴制冷器就将它保持在某个适合长时间加工的范围内。如果改变了主轴速度或更换了刀具,那么将丢失稳定性。此时,针对这种新的变化,必须重新对刀具进行稳定化操作。一旦了解了自己的机床,你需要在自己的编程中考虑该特性曲线。

◆ “看起来我无法在……就获得所要求的表面粗糙度。”

这方面的一部分因素是能否创建足够精确的代码以消除抛光的能力。为此,你可以采用专门针对这种过程而制作的专用软件。它将把刀具路径均匀地分布在整个零件上,从而不存在需要打磨的高点。
在所找寻的软件中要包含的其他特征有:

● 高效粗加工:该特征可以进行角度轮廓加工以及余摆线加工等。如果你要加工模具材料,那么这些特征对于延长刀具寿命是必不可少的。通过铣槽与铣余摆线的比较测试发现,差异非常明显。铣余摆线的刀具寿命是铣槽的9倍。

● Z向精加工:该特征可以用于加工表面大于30°角的几何形状。通过接通软件中的补偿选项,可以在很短的时间内完成零件程序。

● 表面精加工:当表面角度小于30°时,采用该特征。这是各工厂主最喜欢的技术。这样将在零件中形成“刷”过般的外观。

● 重新加工:软件中的该特征通过去掉最后使用的倒圆而对零件画出细部图。正是在这里你可以通过微细直径立铣刀往零件中加入细部特征。
在寻找用于模具加工的软件时,要让相关公司到你的车间演示他们如何对你的零件编程。一个好的软件公司应该可以派一名技术人员,能够用当今的技术加工和编程。如果针对你的工艺他们没有专家,那么你应该找一家可以对你的零件提供技术支持的软件公司。

例如,你应该找一种不是为普通加工而开发,而是已经在其中包含了模具加工所需技术的软件。对为普通加工而开发的编程软件和专门为模具加工而开发的编程软件进行测试表明它们之间存在巨大的差异。普通加工软件程序需要2.5小时来编写程序,需要为该软件生成的工艺为四页纸的“精华”内容,操作员必须浏览全部以获取自己所需要的东西。而模具加工软件则只需要15分钟就可以创建零件程序,并且工艺只有1/4页。

多年来,市面上已经出现了多种技术,它们已经有效地改变或补充了各种行业。这些领域包括:从推出各种自动化机械的农业直至在切削材料、CNC控制器及直线驱动等方面取得巨大进步的制造业等。

高速加工(HSM)是改变制造业的另一种技术。它不是一种新技术,因为其原理和实践已经出现多年;但是,它通常被人们误解,和/或不当或非有效利用。理论上,HSM背后的基础——有时候称作高生产性加工(HPM)——是以超出工件熔点的转速和进给速度进行加工。通过这种方式,可以将所有的热都转移到切屑中,并消除工件中的应力。

尽管对HSM具有许多不同的意见和定义,但是所有定义的一个共同点是在保证良好刀具寿命并提高被加工零件精度的同时,尽快去除材料。

3、了解高速加工(HSM)与普通加工之差异

HSM与普通加工之间最大的差异是刀具。普通加工是用高速钢或基本的硬质合金加工的——几何形状是多年前建立的、仅仅采用英寸级尺寸。HSM是用带有高温、铝基涂层的微细粒子硬质合金立铣刀完成的。几何结构与材料、硬度及应用场合相关。这是通过更好的磨削技术实现的——产生更强和更高效的切削刃。

当从普通加工转向HSM或HPM时,需要评价许多不同的可变因素。首先是机床本身。

一般地,用于高速加工的机床被认为主轴转速为20 000~60 000 r/min。这些机床具有非常高的工作台进给速度,并且可以迅速加速。为了实现这些速度,机床可能在刚性方面做出一些牺牲。这仅仅是HSM的开始,并且可以更狭窄地定义为高主轴转速加工(HSSM)。

高主轴转速加工采用非常小的切深,在轴向(ap)及径向(ae)均如此,通常最大为0.008英寸左右,并且通常用于尺寸比较小的零件,诸如手机模具等。

高速加工的另一方面,通常被称作高生产性加工,采用刚性非常高的机床,最大转速为25 000 r/min。机床具有非常快的工作台速度,但是通常不一定如高主轴转速机床的一样快。HPM通常表现为较大的轴向切深(ap)——为刀具直径的2倍——以及相对较小的径向切深(ae)。

采用HSSM或HPM通常要比普通加工更好。可以很容易地实现高5~10倍的生产率。例如,采用传统铣刀普通的转速和进给速度为100~200 英尺/分钟,切屑负载每齿为0.003~0.005英寸,而在HSSM或HPM中,这两个数值分别为600英尺/分钟及0.003~0.005英寸。

加工的零件尺寸及材料将决定采用哪种机床最适合相应的操作。在大多数情况下,为了实现最佳效率,需要将两种方法组合起来。(参见表1)

表1 速度与刀具寿命

◆ 如何在工厂中应用

为了在工厂中应用此技术,第一步需要考察正在加工的材料、该材料的硬度、工件的尺寸及复杂性。

材料

一般地如果你切割的是铝材、合成材料或石墨,则可以考虑HSSM作为一种加工工件非常有效的方法。大多数模具立铣刀制造厂家推荐对于石墨最高采用1800,对铝及合成材料采用2000英尺/分钟的速度。但是,如果你的零件较大,从而不需要采用较小范围的立铣刀(0.400英寸直径及以下),那么你将永远无法达到HSSM的转速,从而HPM可能更有效。

另一方面,如果你要加工P20至A2的模具钢,那么采用HPM可能效率最高,除非你采用0.40英寸或更小的刀具精加工诸如手机模具等小直径零件。在这种直径上,600英尺/分钟的进给将获得57 000 r/min的转速。大多数航空材料将以与模具钢相同的总体参数加工。

硬度

一般建议,在所有工具及模具钢上采用HPM——视工件复杂度以及所需要的刀具直径而定。通常采用表面速度300~600 英尺/分钟;50 + Rc工具钢采用300~400英尺/分钟;而对于较软的钢,则采用400~600英尺/分钟。

工件的复杂度

是采用HSSM还是HPM,工件的复杂度通常是最重要的决定因素。较小的工件通常在拐角处要求半径小至0.003英寸。某些工厂要求刀具直径为0.003英寸。在采用这么小的刀具时,正确的选择是采用HSSM。

4、用硬铣代替坐标磨

市面上的许多加工中心都可以对圆孔进行与坐标磨一样的圆插补。如今有一些立铣刀可以实现与普通坐标磨相同甚至更高的粗糙度及精度。

对一个直径0.750英寸的暗销孔进行坐标磨可能需要10分钟甚至更长的时间。采用硬铣过程,同样的一个孔可以在不到5分钟的时间内加工出来。如果有兴趣在自己的工厂使用该过程,则需要在加工中心上进行球棒实验,以验证机床的能力(参见图5)。


图5:用于HSM与硬铣的DS系统

5、了解在硬铣前何时该用高速加工和热处理

现在讨论最后一部分,何时通过HSSM或HPM进行粗加工,然后热处理或在淬硬状态以硬铣方式加工零件。

在所有情况下都采用硬铣是不合适的。需要在工厂内建立一个标准来确定何时用硬铣进行粗加工及精加工,何时在硬铣前采用HSM及热处理。这一点可以通过需要去除的材料尺寸及形状确定。

图5:用于HSM与硬铣的DS系统

如果模具尺寸大于手机模具,一般地零件要首先用HSM进行粗加工。通过HSM去除大量材料将比用硬铣切掉所有这些材料省时。此外,在以200英寸/分钟以上的速度切割软钢时,高速刀具的寿命可以超出40小时。在热处理后于相同材料中进行硬铣会使循环时间多200%,刀具寿命仅仅为50%。所以建议用硬铣提高精度和公差,而不要用作粗加工过程。

一般性的规律——不是先切割然后干燥——是由零件的尺寸决定的。如果零件为手机大小,那么通常最好是用硬铣完全加工整个零件。此外,如果精加工材料硬度为45~50 Rc,通过硬铣而不是“软态加工、热处理、然后二次加工”很可能可以节省时间和资金。

如果你想通过硬铣加工零件,则本文以及前面两辑中所提到的所有重要特征都非常关键。你应该采用合适的刀夹;跳动为0.0001英寸或更低;刚性很高的机床结构;可以远远超前于本行而读取数据的机床控制器;具有适当几何结构及涂层的刀具;以及消除刀具接触面的CAM软件等。

总结:至此,我们已简单讨论了提高模具工业生产率的五个快速而简单的要诀。这五个基要的要诀已经彻底经过测试,可以在工厂中应用。如果你已经从这些文章中采纳了某个方面,那么意味着该行业可以提供技术进步。要调研这些进步,并就它们如何帮助提高生产率而提出恰当的问题,而最重要的是,要切实实施能为你公司带来好处的技术进步。

提高刀具效率的十条建议

1. 着重于最大限度地减少零件的整个加工费用。而不只着眼于减少刀具消耗费用。从最新的有关统计数据表明,刀具的消耗费用只占整个零件加工费用的3%,这与机床的加工时间和消耗等的97%相比,是微不足道。所以,我们的建议也是着重于减少整个加工费用。

2. 四项目标。当设计一个新的加工方案或修改现有加工程序时,建议将以下四项任务作为主要的解决目标:周期时间,刀具寿命,零件质量和表面粗糙度。并将其具体明确、分等级量化成可检查、验收的指标。同时,在设计加工方案与制定预期目标时,应与刀具销售商共同协商,你将会获得成功,得到更快较好的回报。

3. 理解与掌握好在切削各种材料中,切削力的产生与作用规律。例如,掌握好切削力的作用规律,就可选择能提高零件装夹刚度的切削力方向进行加工。还可以通过考虑减少切削深度的方法,将径向力改变成轴向力的方向进行加工等。

4. 利用刀具几何形状优势,极好地提高生产效率。例如,选择有主偏角的刀具,通过增加进给量,增大切屑厚度,提高切除率等。

5. 找准问题。当加工中出现问题、故障,需认真分析研究,仔细判断是加工过程中的问题,还是刀具使用不当产生的问题。不要太着急地责备刀具使用者。相反,利用刀具失效模型的提示,找出产生故障的根本原因。例如,通过对产生的切屑进行分析,即能按表现出的现象,初步判断出是机床夹具还是刀具的问题。再检查刀具是否损坏,检查机床刚度、切削用量、刀具几何形状、排屑和冷却液等。如果问题是刀具引起,更换、安装好刀具。将加工过程中出现的问题,逐个加以解决。

6. 加工方案的理性选择。提高生产效率的正确答案,有时是需要采取特殊的加工方法。例如,对于大孔零件的单件和短周期生产,使用整体式螺旋铣刀铣孔(与钻大孔相比),将是高效、经济的加工方案。还有另一个更不寻常的加工实例,是选择使用插铣方案,据有关资料透露,它可比用普通立铣刀加工提高4倍以上的生产效率。

7. 对切削温度进行深入细致地研究。即研究它是如何产生、主要产生局域以及有什么利弊等?金属切削通常总是会由摩擦产生高温,给加工带来弊端,但也不全是,尤其在切削钢件时,你还想通过高温软化零件,形成理想切屑。但需要避免在加工中引起零件淬硬、使刀具过热或者产生脱碳等的太高切削温度。

8. 根据加工材料使用经优化设计几何形状的刀具。尤其在需加工各种各样工件材料的产品车间,提防使用所谓的”通用刀具“进行加工。当你改变材料时,一定化时间改换成经优化设计几何形状的刀具。这样将提高生产效率和取得好的经济效益。此外,需注意,有关刀具价格标签上的数字是加工经济学方程中最没有意义经济数字。

9. 优化设计出理想的刀具轨迹。以保证加工过程中,切削系统有最大刚度和能进行大进给量切削。

10. 返回学校。许多公司已经将很多工程师和程序员派遣到我们培训班学习。经过学习后,将所学知识马上用于生产实际,并在很短时间内(几周)取得好的经济效果。能使新技术投资迅速得以回报。另一个好处是,返回到学校能学到最新的刀具和加工技术,否则,只有在2~3年才能学到,这无形中将极大地提高了公司在国际市场的竞争力。
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