用CNC工具磨床进行刀具重磨探讨气缸活塞
2022-09-09 10:31:38 百元机械网
用CNC工具磨床进行刀具重磨探讨
近年来，随着机械零件和模具的高精度化迅速发展，高速高精度CNC机床日益普及，可高效率地生产高精度零件和模具。从切削刀具方面来看，工具厂家在材质和刃形上作了许多改进，已开发出许多高精度、长寿命的刀具产品，正在被生产企业广为采用。但市场上销售的诸多刀具在磨损之后，往往都是采用传统的工具磨床进行重磨。目前，市场上的通用工具磨床受开发初期设计水平和当时磨削理论的限制，对操作者掌握的技能水平依赖性较大，由于操作者个人技能的差异，刀具重磨过程中出现的许多问题往往难以解决。要使刀具恢复原有性能，操作者必须掌握熟练的重磨技术，这已成为当前企业生产合理化过程中的难点之一。特别是那些带有一定角度的刀具，如锥度立铣刀、球头立铣刀、硬质合金钻头的重磨难度更大。如果采用手工重磨，不易保证刀具精度；如果弃之不用，则将导致刀具成本增加。为了解决这些问题，可使用专门为刀具重磨而开发的CNC工具磨床，不过，多轴CNC工具磨床价格昂贵，购置时应进行慎重的成本核算。本文以硬质合金立铣刀和硬质合金钻头为例，侧重从降低成本的角度，谈谈选用CNC工具磨床进行刀具重磨的相关问题。
立铣刀外周刃的重磨时段
通常在判断立铣刀寿命时，是依据切削声响异常、切削锋利度下降、切屑变得细碎等状况，定时进行重磨。当前通行的衡量刀具寿命的方法为测量出外周后刀面磨损宽度，以此作为判断刀具寿命的基准。表1所示为立铣刀的使用目的和需进行重磨时的最大后面磨损宽度，超过表中所列磨损值，则会出现急剧磨损，这将缩短刀具寿命。
表1 立铣刀外周刀刃后面磨损宽度
加工类别－立铣刀直径－后面磨损宽度－被加工材料
粗加工－10mm以下－0.1～0.2mm－钢、铸铁
粗加工－11～30mm－0.2～0.4mm－钢、铸铁
粗加工－30mm以上－0.3～0.5mm－钢、铸铁
精加工－10mm以下－0.1～0.15mm－钢、铸铁
精加工－11～30mm－0.15～0.25mm－钢、铸铁
精加工－30mm以上－0.2～0.3mm－钢、铸铁
为了充分发挥立铣刀的切削性能，应使切削刃经常保持最佳状态，为此应及时进行重磨，避免刀具出现损伤，使刀具始终保持良好的切削性能，获得较高的使用寿命。
重磨成本
切削工具重磨有两种，一种是由重磨专业人员进行，另一种是在切削过程中，由用户自行重磨。前者不论日本国内或国外，均由工具厂家进行，或由专门从事重磨业务的中小企业进行，他们均能向用户提供各种良好的重磨服务。表2所示为重磨价格，表中列出了美国一般的专业重磨行业的价格和日本相应的价格。从价格来看，美国似乎更便宜一些，目前日元和美元的汇兑率大约为130～135日元兑换1美元，总的来看，在重磨价格方面，日本和美国并无太大的差异。这些数据是在进行切削加工的企业购置了CNC工具磨床用于刀具重磨的情况下统计出来的。
表2 刀具重磨成本(单价)(磨削余量0.1mm)
刀具种类－尺寸－单价－重磨部位－重磨时间（所用CNC磨床）
硬质合金二齿立铣刀（日本）－4～10mm－900日元－外周刃后面－约1分30秒(OG-1)
硬质合金二齿立铣刀（日本）－10.1～16mm－1300日元－外周刃后面－约1分30秒(OG-1)
硬质合金二齿立铣刀（日本）－16.1～20mm－1700日元－外周刃后面－约2分10秒(OG-1)
硬质合金二齿立铣刀（日本）－4～10mm－1700日元－外周刃后面，底刃副后面－约4分(CNJ2-30)
硬质合金二齿立铣刀（美国）－9.525mm以下－12美元－外周刃后面，底刃副后面－约4分(CNJ2-30)
硬质合金二齿立铣刀（日本）－10.1～16mm－2100日元－外周刃后面，底刃副后面－约4分30秒(CNJ2-30)
硬质合金二齿立铣刀（美国）－大于9.525mm,小于15.875mm－13.5美元－约4分30秒(CNJ2-30)
硬质合金二齿立铣刀（日本）－16.1～20mm－2700日元－外周刃后面，底刃副后面－约5分30秒(CNJ2-30)
硬质合金二齿立铣刀（美国）－大于15.875mm,小于22.225mm－17美元－外周刃后面，底刃副后面－约5分30秒(CNJ2-30)
硬质合金钻头（日本）－10.1～12mm－1800日元－钻尖后面倒棱－约3分(CNJ2-30)
硬质合金钻头（美国）－小于12.7mm－9.5美元－钻尖后面倒棱－约3分(CNJ2-30)
硬质合金钻头（日本）－16.1～20mm－3500日元－钻尖后面倒棱－
硬质合金钻头（美国）－大于12.7mm,小于19.05mm－16美元－钻尖后面倒棱－约3分(CNJ2-30)
两种新型CNC工具磨床
重磨立铣刀时，往往是根据重磨部位来选择所需的设备。重磨部位中最基本也最重要的是外周刃后面的磨削，其中，主要问题是如何减小第一后面的偏心。在进行此类重磨作业时，可选用3轴CNC控制的OG-1型工具磨床，该磨床的主要参数如表3所示。
表3 OG-1型工具磨床的主要参数
CNC控制轴数：3轴
砂轮轴输出功率：最大为1.5kW
砂轮轴转速:3700～5000r/min
最大砂轮直径:150mm
占用空间:1950mm×1000mm
机床重量:1500kg
OG-1型工具磨床配有接触式传感器，磨削前可在磨床上自动测量立铣刀的螺旋角。如果要刃磨立铣刀底刃或钻头的钻尖角等部位，则应选用由5～7轴控制的CNJ2-30型CNC工具磨床，该磨床的主要参数如表4所示。
表4 CNJ2-30型工具磨床的主要参数
〖WTBZ〗〖STBZ〗〖HT6SS〗
CNC控制轴数：5～7轴
砂轮轴输出功率：最大为7.5kW
砂轮轴转速(无级变速)：2000～8000r/min
最大砂轮直径：150mm
占用空间：2500mm×2100mm
机床重量：2500kg
(1)采用OG-1型工具磨床
刃磨一把立铣刀的外周刃后刀面，需时2.5分钟，立铣刀的装卸时间3分钟，合计需时5.5分钟。姑且把刃磨准备时间分为上午和下午各一次，每次需时30分钟，则(实际工作时间8小时—30分钟×2次)×60分钟÷5.5分钟=76，即每天可刃磨76把立铣刀。按表2所列价格，每刃磨一把立铣刀需900日元，则共需费用900×76=68400日元。以每月20个工作日计算，姑且把工作效率定为80%，则一个月共需刃磨费用为68400×20×0.8=1094400日元。
(2)采用CNJ2-30工具磨床
假设上午(AM8:00～12:00)加工钻头，下午(PM1:00～5:00)加工立铣刀。刃磨一支钻头的时间为3.5分钟，钻头装卸时间3分钟，合计需时6.5分钟，刃磨准备时间30分钟，则可加工件数为3.5小时×60分钟÷6.5分钟=32，即半天时间可刃磨32支钻头。按表2所列刃磨价格，加工一支钻头的平均价格为1800日元，则32支共需费用为1800×32=57600日元。刃磨一把立铣刀的平均时间为6分钟，装卸工件时间3分钟，合计需时9分钟，设刃磨准备时间与钻头一样，需要30分钟，则半日可加工件数为3.5小时×60分钟÷9分钟=23，即半日可刃磨23把立铣刀。同样按表2所列刃磨价格计算，刃磨一把立铣刀需1700日元，则共需刃磨费用为1700×23=39100日元。因此，全天合计，钻头和立铣刀刃磨费用为96700日元，每月以20个工作日计算，工作效率仍定为80%，则一个月共需刃磨费用为97600×20×0.8=1547200日元。
设备运转成本
人工费
OG-1型工具磨床和CNJ2-30型工具磨床均只需1名专职操作人员，每月工资40万日元。
设备购置费
(1)OG-1型工具磨床：购置费为800万日元，如规定在7年内付清购置款(按原价127%偿付)，则每月需交纳12.1万日元。
(2)CNJ2-30型工具磨床：购置费为2000万日元，如规定在7年内付清购置款(按原价127%偿付)，则每月需交纳30.3万日元。
砂轮费用和精密修整费用
(1)OG-1型工具磨床：重磨立铣刀外周刃后面所用砂轮单价约6万日元。在使用过程中，可进行4次精修。如果每月精修1次，则1只砂轮可使用4个月。每月的精修费用为4000日元/1只，则每个月砂轮的购置费用和精修费用为(60000÷4)+(4000×1只×1次)=19000日元。
(2)CNJ2-30型工具磨床：重磨立铣刀的砂轮组(3只砂轮)购置费为18万日元，重磨钻头的砂轮组(2只砂轮)购置费为8万日元。假设在与OG-1型工具磨床完全相同的条件下使用，则每月砂轮费用和精修费用为(180000+80000)÷4个月+4000×5只砂轮×1次=85000日元。
磨削液费用
OG-1型工具磨床和CNJ2-30型工具磨床均按同样标准计算。
(1)使用油性磨削液200升，假定1年更换4次，每升单价350日元，全年所需费用为350×200×4=28000日元，则每月的磨削液费用为2.4万日元。
(2)磨削液的废液处理费用每升约为30日元，每年共需耗费30×200×4=24000日元，则每月的废液处理费用为2000日元。
电力费用
(1)OG-1型工具磨床：经实际测量，加工过程中消耗电力3kwh，准备过程消耗电力1kwh，电力费用每1kWh为17日元(因时段、地区、条件等差别而各有不同)，按此计算：
加工时间：7小时/日×3kWh×17日元×20日=7140日元
准备时间：1小时/日×1kWh×17日元×20日=340日元
每月共需电费：7140+340=7480日元
(2)CNJ2-30工具磨床：经实际测量，加工过程中消耗电力5kWh，准备过程消耗电力1.6kWh，电力费用计算方式与OG-1G型磨床相同。
加工时间：7小时/日×5kWh×17日元×20日=11900日元
准备时间：1小时/日×1.6kWh×17日元×20日=544日元
每月共需电费：11900+544=12444日元
成本比较
将上述数据加以整理，其结果见表5。由表可知，采用合理的重磨工艺，可望取得良好的降低成本的效果。本文所举重磨对象的计算，是在设定的条件下进行的，实际生产过程中，要比本文所介绍的例证复杂得多。目前，各企业大都采取多品种小批量的生产模式，尤其是作为重磨加工的专职企业，随着近年节省资源趋势的日益发展，更加重视重磨项目的多品种化。因此，无论从设备的调整和砂轮的选用等方面来看，应用CNC工具磨床的先进工艺技术，
对提高生产效率有着极大的影响。
表5 重磨拟耗费用和设备运转成本比较(1个月)
OG-1型工具磨床:重磨作业拟耗费用1094400日元；可望降低成本效益： 520920日元
CNJ2-30型工具磨床：重磨作业拟耗费用1547200日元；可望降低成本效益：720756日元
刀具重磨作业CNC化的效果
如前所述，采用CNC工具磨床在降低重磨成本方面可取得良好的效果。在采用普通工具磨床进行刀具重磨时，如果也能实现CNC化加工，则可望取得如下效果：
(1)普通工具磨床难以进行的锥度立铣刀或S形球头立铣刀等刀具的重磨行业，实现CNC化后，将会变得易于进行；
(2)可重磨阶梯式刀具等带有极差的特殊形状刀具；
(3)刀具重磨的精度大为提高，因此，在模具加工过程中，可减少研磨工序；
(4)非熟练操作人员也可进行此项作业；
(5)可减少由于刀具重磨人员素质形成的质量差异，能够比较准确地预测刀具寿命；
6)便于掌握刀具重磨的加工时间，可进行适时刀具重磨作业。
刀具重磨技术的发展动向
随着高速切削技术的日益普及，超高压烧结体刀具(PCD、CBN)的需求日益增长，这类刀具价格昂贵，众多用户都希望重磨后继续使用。然而，这类刀具一旦受到损伤，重磨起来，往往有较大的加工余量；如系木工刀具，则往往为成形结构，只能用金刚石砂轮进行修形，因此，PCD、CBN刀具的重磨难度比一般刀具大得多。为解决这一难题，今后应开发出具有电加工性能的新型CNC工具磨床。另外，在新世纪里，重视环境保护(保持优良生态)和强调经济效益(节省能源)已成为机械工业的主流趋势，因此，不使用磨削液的冷风磨削技术必将受到更大关注。