Toolselectie en Parameters Optimaliseren: De Hoeksteen van Bewerkingsexcellentie

Inleiding

Hoewel de onderdelen, werkstukmaterialen en bewerkingsprocessen waar ze mee werken wijd uiteenlopen, delen alle fabrikanten het doel om een bepaald aantal werkstukken van een gewenste kwaliteit, in een gespecificeerde hoeveelheid tijd, tegen passende kosten te bewerken.

Fabrikanten bereiken hun doelen typisch door een smal-perspectiefmodel te volgen dat begint met toolselectie en -toepassing en problemen op een reactieve basis oplost. Het omkeren van die aanpak zal kostenreducties en verhoogde efficiëntie produceren. In plaats van te wachten op problemen en dan aanpassingen te maken aan individuele bewerkingsoperaties, zouden fabrikanten zich eerst moeten richten op proactieve preplanning gericht op het elimineren van afgekeurde onderdelen en ongeplande downtime. Na het vestigen van een stabiel en betrouwbaar proces, kunnen de concepten van productie-economie toegepast worden om een balans te bereiken tussen productiesnelheid en productiekosten. Dan, door zorgvuldige selectie van snijgereedschappen en bewerkingsparameters, kunnen fabrikanten hun operaties volledig optimaliseren en hun productiedoelen vervullen.

Selectie van tools en snijcondities

Metaalsnijgereedschapselectie is meestal toepassingsgericht: een shop zoekt een tool om een bepaald werkstukmateriaal zoals staal of aluminium te bewerken, of een specifieke operatie zoals ruw- of afwerken uit te voeren. Een meer voordelige aanpak voor toolselectie begint met overweging van hoe de bewerkingsoperatie past in het algemeen van een fabrikant.

De eerste prioriteit van zo'n aanpak is om procesbetrouwbaarheid te garanderen en het voorkomen van afgekeurde onderdelen en ongeplande downtime te elimineren. Betrouwbaarheid, generiek beschreven, is een kwestie van regels respecteren. Als een shop de effecten van snij-, thermische en chemische krachten op de tool niet herkent en respecteert, wordt betrouwbaarheid vervangen door toolstoring.

Na het vestigen van een stabiel proces, zouden toolingkenmerken en snijcondities gekozen moeten worden om de algemene doelen van het metaalbewerkingsbedrijf te matchen. Bijvoorbeeld, output maximaliseren bij minimale kosten kan de primaire overweging zijn in massaproductie van eenvoudige onderdelen. Maar aan de andere kant, in high-mix, low-volume productie van waardevolle complexe onderdelen, moeten totale betrouwbaarheid en nauwkeurigheid benadrukt worden voordat productiekosten adressen worden. Flexibiliteit is een vereiste voor toolingssystemen toegepast in dergelijke kleine-batch scenario's.

Als kostenefficiëntie een primaire doel is, moet de tooling geselecteerd worden op basis van een lage kosten per snijde, en de keuze van snijcondities moet in balans zijn met die selectie. Bewerkingsparameters zouden lange toollevensduur alsook procesbetrouwbaarheid moeten benadrukken. Als, integen, werkstukkwaliteit de topprioriteit is, zal high performance precisie tooling toegepast bij passende snijcondities de juiste aanpak zijn. Wat het doel ook is, elk ander set doelen leidt tot de selectie van verschillende snijcondities en tools.

Selecteren en aanpassen van snijcondities

In de initiële planning van het bewerken van een nieuw onderdeel, moet selectie van tooling en snijcondities beginnen met overweging van de bewerkingsmethode, toolgeometrie en toolmateriaal. Het bewerkte onderdeel zal die vereisten grotendeels bepalen. Bijvoorbeeld, een nikkel-basis luchtvaartcomponent kan profielfreesen met een positieve-geometrie massief hardmetaal eindfrees dicteren. De keuze wordt geleid door de basisdoelen van de shop in termen van productiesnelheid, kosten en kwaliteit van de werkstukken, en is afhankelijk van de snijdiepte, voedsnelheid en snijsnelheid die toegepast kunnen worden om die doelen te bereiken.

Een ander selectieproces is geschikt voor het wijzigen van bestaande onderdeelproductieoperaties om betere resultaten te produceren in termen van productiviteit, economie of betrouwbaarheid. In deze gevallen wordt een stap-voor-stap aanpak aanbevolen, beginnend met veranderingen in snijcondities, dan geometrieën, snijmaterialen, toolconcepten en ten slotte bewerkingsmethoden. Opvallend is dat de meeste shops in de tegenovergestelde volgorde werken en eerst overwegen tools of bewerkingsmethoden te veranderen bij het proberen bewerkingsresultaten te verbeteren.

Een veel eenvoudigere en meestal effectieve initiële aanpak begint met het wijzigen van snijparameters. Snijcondities hebben een wijd bereik van invloed, en het veranderen van snijsnelheid of voedsnelheid met een nominaal bedrag kan een probleem oplossen of productiviteit verhogen zonder de kosten of tijd verbruikt in het veranderen van tools.

Als het wijzigen van snijparameters niet het gewenste effect produceert, kunnen veranderingen worden aangebracht in de snijgereedschapsgeometrie. Echter, deze stap is ingewikkelder dan simpelweg parameters veranderen, zal toepassing van nieuwe tools vereisen, en zal tool- en machinetijdkosten verhogen. Een wisseling in snijgereedschapsmaterialen is een andere alternatief, maar zal ook grotere investering in tijd en geld involveren. Het veranderen van de snijgereedschappen of houders zelf kan nodig zijn, maar dit verhoogt de mogelijkheid van het gaan naar custom-made tools, wat de productiekosten nog meer kan verhogen.

Als al deze stappen niet het gewenste resultaat opleveren, dan kan een verandering in de bewerkingsmethode nodig zijn. De sleutel is om de veranderingen op een bewuste, stap-voor-stap manier te verkennen die duidelijk zal maken welke factoren daadwerkelijk het gewenste resultaat produceren.

Omdat het eruitziet als een snelle en gemakkelijke aanpak, gebruiken veel shops CAM-systemen om hun toolselecties te leiden. Die methode is effectief in veel gevallen, maar mag geen optimale resultaten opleveren. Een CAM-systeem houdt geen rekening met het volledige bereik van individuele operationele kenmerken. Het toepassen van een frees, bijvoorbeeld, is niet simpelweg een kwestie van snelheid, voedsnelheid, en DOC invoeren. Optimale toepassing omvat factoren variërend van het aantal tanden in de frees, tot hoe goed spannen geëvacueerd worden en de kracht van de tool, tot de stabiliteit van de freesmachine. Het is nodig om al die factoren te erkennen om de doelen van een productieoperatie volledig te bereiken, of het nu metaalafvoersnelheid, toollevensduur, oppervlakterauwheid of economie is.

Snelheid, voeding en snijdiepte

Veel shopmanagers geloven dat simpelweg het verhogen van snijsnelheden meer onderdelen per tijdseenheid zal produceren en daarbij productiekosten zal verlagen. Echter, er zijn meer elementen van productiekosten dan alleen outputvolume. Een voorbeeld is een operatie waar het wisselen van een tool midden in de operatie een nadelig effect zou hebben op onderdeelkwaliteit en bewerkingstijd.

Het verhogen van snijsnelheid zou resulteren in snellere productie, maar toollevensduur zou dalen. Bewerkingskosten zouden stijgen door meer frequente toolvervangingen en grotere machinedowntime tijdens de wissels.

Het verhogen van snijsnelheid verkort toollevensduur en kan een operatie minder stabiel maken, terwijl het veranderen van snijdiepte of voedsnelheid minimaal effect heeft op toollevensduur. Volgens, de beste resultaten komen van een gebalanceerde benadering die verlaagde snijsnelheden omvat gematcht met proportionele toenames in voedsnelheid en snijdiepte. Het benutten van de grootste mogelijke snijdiepte verlaagt het aantal benodigde snijpasses en verlaagt daarmee bewerkingstijd. Voedsnelheid zou ook gemaximaliseerd moeten worden, hoewel werkstukkwaliteit en oppervlakteafwerking beïnvloed kunnen worden door overmatige voedsnelheden.

In een gegeneraliseerd voorbeeld, het verhogen van de snijsnelheid van 180 m/min naar 200 m/min zal de metaalafvoersnelheid met slechts ongeveer 10 procent verhogen, maar zal een negatief effect hebben op toollevensduur. Het verhogen van voedsnelheid van 0,2 mm/toer naar 0,3 mm/toer zal de metaalafvoersnelheid met 50 procent verhogen, met minimaal, zo enige, effect op toollevensduur.

In de meeste gevallen zullen toenames in voedsnelheid en snijdiepte bij dezelfde of lagere snijsnelheden de metaalafvoersnelheid van een operatie verhogen tot die behaald door hogere snijsnelheden alleen. Onder de voordelen van werken met een combinatie van lagere snijsnelheden met grotere voedsnelheden en kleinere snijdiepte is verminderd energieverbruik.

De laatste stap in optimalisatie van snijcondities is het selecteren van een geschikt criterium in termen van minimale kosten of maximale productiviteit en het gebruik van snijsnelheid om de bereiking van dat criterium fijn af te stellen. Een model ontwikkeld aan het begin van de 20e eeuw door Amerikaanse mechanisch ingenieur F.W. Taylor kan die keuze leiden.

Het model toont aan dat voor een gegeven combinatie van snijdiepte en voeding, er een bepaald venster is voor snijsnelheden waar toolverslechtering veilig, voorspelbaar en controleerbaar is. Wanneer in dat venster gewerkt wordt, is het mogelijk om de relatie tussen snijsnelheid, toolslijtage en toollevensduur te kwalificeren en te kwantificeren. Het doel is een hogere snijsnelheid die machine-tijdkosten verlaagt maar niet excessief snijgereedschapskosten verhoogt via versnelde toolslijtage.

Tool substraat en geometrie

Additionele stappen in het optimaliseren van tooltoepassing kunnen fijn afstellen van de kenmerken van de tool substraat en geometrie omvatten. Net als het aanpassen van snijcondities omvat het omgaan met afwegingen afhankelijk van de gewenste resultaten, het maximaliseren van productiviteit door veranderingen in de tool substraat vereist een balans van afwegingen tussen de substraateigenschappen.

Omdat een tool's snijrand harder moet zijn dan het materiaal dat het snijt, is hardheid een sleutel toolkenmerk. Hoge hardheid, met name bij verhoogde temperaturen gegenereerd in high-speed machining, zal toollevensduur verlengen. Een harder tool is echter ook bros. Ongelijke snijkrachten tegengekomen in ruwbewerking, met name in onderbroken sneden met schil of variërende snijdieptes, kunnen een hard snijgereedschap laten breken. Onstabiliteit in de machine tool, vastzetting of werkstuk kan ook storing precipiteren.

Integen, het verhogen van een tool's toughness door een hoger percentage kobaltbinder op te nemen, zal een tool in staat stellen impact te weerstaan. Maar tegelijkertijd, maakt verminderde hardheid een tool vatbaar voor snelle slijtage en/of vervorming in hogere-snelheid operaties of bij het bewerken van abrasieve werkstukken. De sleutel is om tooleigenschappen te balanceren in het licht van het bewerkte werkstukmateriaal.

Toolgeometrieën kiezen omvat ook afwegingen. Een positieve snijgeometrie en een scherpe snijrand verlagen snijkrachten en maximaliseren spaanvloei. Echter, een scherpe rand is niet zo sterkt als een afgeronde. Geometrische kenmerken zoals T-landen en fasen kunnen gemanipuleerd worden om de snijrand te versterken.

Een T-land - een versterkend gebied achter de snijrand - ingesteld op een positieve hoek kan voldoende kracht bieden om specifieke operaties en werkstukmaterialen te hanteren en snijkrachten zo veel mogelijk te minimaliseren. Een fasering maakt het zwakste deel van een scherpe snijrand vierkant, ten koste van verhoogde snijkrachten. "Harde" spaankontrole geometrieën leiden de spannen door een relatief scherpe hoek om ze direct te krullen en te breken. Deze geometrieën kunnen effectief zijn met lang-spaanmaterialen maar leggen extra belasting op de snijrand. "Zachte" spaankontrole geometrieën leggen minder belasting op de snijrand, maar genereren langere spannen. Verschillende geometrische kenmerken - alsook toolrandbehandelingen zoals hones - kunnen gecombineerd worden om snijprestaties in specifieke werkstukmaterialen te optimaliseren.

Conclusie

Het moet worden opgemerkt dat hoewel werkvloerpersoneel en misschien productieingenieurs redelijk bezorgd zijn over snijcondities en de productiviteit die ze vertegenwoordigen, hogere niveau managers niet zo bezorgd zijn over die cijfers als ze zijn over de zakelijke doelen van de productieoperaties als geheel. Diegenen die de keuzes maken van snijcondities en snijgereedschappen zouden eerst moeten nadenken over de bredere doelen van hun bedrijfs bewerkingsoperaties en ze gebruiken om selectie van snijcondities en tools te sturen die prestaties leveren die het bereiken van die doelen mogelijk maken.

Tool veelzijdigheid voor moderne productiescenario's

Productie beweegt van hoog-volume massaproductie naar high-mix, lagere volume bewerkingsscenario's als gevolg van verhoogde benutting van just-in-time productiestrategieën en de groei van outsourcing. Subcontractors produceren toenemend kleinere batchgroottes op een intermittente maar herhalende basis. Het balanceren van productiviteit en toolkostenoverwegingen vereist tooling die veelzijdigheid en flexibiliteit biedt over een breed toepassingsvenster. Het minimaliseren van het aantal verschillende tools in de werkplaats verlaagt tool-handelingstijd en verhoogt de beschikbare tijd voor bewerkingsoperaties.

De traditionele manier om productiviteit te verhogen in een individuele operatie met lange runs van identieke onderdelen is om tooling speciaal ontworpen voor dat specifieke proces toe te passen. Het ontwerpen en implementeren van speciale tooling is de moeite waard wanneer de kosten geamortiseerd kunnen worden over een lange productierun.

Echter, het balanceren van productiviteit en toolkostenoverwegingen in variabele, kleinere-batch situaties is beter bereikt met veelzijdige "universele" tooling die flexibiliteit biedt over een breed venster van toepassing. Deze tools verlagen downtime door de tijd te minimaliseren die nodig is om een nieuwe tool in te schakelen wanneer het werkstuk verandert. Ze elimineren ook de behoefte om nieuwe tools op te zetten en test te draaien.

Een voorbeeld van zo'n tooling is de Seco Turbo freesbereik. Deze tools bieden veelzijdigheid in een breed bereik van applicaties om een combinatie van kosteneffectiviteit en hoge prestaties te bieden. De frezen' positieve snijgeometrie verlaagt stroomverbruik, wat leidt tot langere toollevensduur en de mogelijkheid voor verhoogde snijdieptes en voedingen.

Een andere aanpak voor universele tooling omvat het samenstellen van een set tools die een verscheidenheid aan applicaties past. Seco Selectie tools zijn geëngineerd om flexibiliteit te bieden. De geselecteerde groep omvat een beperkt aantal tools die niet noodzakelijk absolute maximale productiviteit of kostenefficiëntie in elke applicatie bieden. De tools zullen echter de beste en meest economische keuze zijn wanneer maximale flexibiliteit gewenst is om een snel veranderende verscheidenheid aan werkstukmaterialen en componenten te bewerken.

Eerder gepubliceerd op SecoTools.com.