高效加工的工藝經濟分析

就拿刀具製造企業來說，中國全國2004年的勞動生產率為14.1萬元人民幣，而山特維克工具的勞動生產率摺合人民幣為130.8萬元，瓦爾特為134.8萬元，而肯納金屬的2005財年(從2004年7月1日至2005年6月30日)為136.6萬元。從這些數據可以看到我們勞動力的絕對價格是比較低，但有時由於極低的勞動效率，往往分攤到單個產品尤其是高附加值的產品的成本並不低。因此，經常看到一些產品只有在勞動力密集的行業中才有狹小的生存空間。

依靠低廉的勞動力取得的競爭優勢是不會持久的。政府或勞動者都在為改善人民生活努力，而人民生活水平的提高需要勞動者收入的提高，這種提高就意味著勞動力成本的上升。如果不加以改進，就會隨著生活水平的提高而漸漸喪失競爭能力。

過去20年，中國的改革開放依靠增大投資、用市場換技術和低成本戰略取得了一些成果，人民生活水平也獲得了有目共睹的提高。但隨之而來的，卻已經出現中國大陸轎車的生產成本高於在美國底特律的生產成本，許多加工製造行業卻因市場競爭或政府限價，造成利潤下降甚至虧損。已經到了必須重視加工效率，從而降低製造成本，提高競爭能力的時候了。

為什麼要通過提高加工效率而不是其它方法來降低製造成本和提高競爭能力呢？據有關資料，對組成加工成本的各種因素進行的分析表明：作為易耗品的刀具花費在產品製造總成本中僅占約4%，而主要的費用耗費在機床佔用時間、企業管理和人工的成本(佔75%)以及工件材料(佔21%)上。

那麼，我們向效率要收益的結果會如何呢？如果我們提高20%的切削速度，雖然可能帶來刀具成本增加50%，但由於占機時間的縮短，機床費用、管理費用、廠房折舊等都得到下降，總的加工成本反而下降將近15%。而根據資料，如果在加大進給、加大切深的同時輔以略微降低切削速度，我們可以在降低刀具成本的同時通過提高效率而降低加工成本，其成本的下降完全可以超過15%。不過由於刀具成本本身在加工費用中的比例較小，總體成本下降的變化率並不明顯。

實現高效加工，對於提高企業的競爭力將有極大的幫助。可以降低製造成本，增加利潤，為自身的新品開發提供資金支持，為股東更多盈利，吸引優秀員工為企業服務；通過提高加工效率，我們還可以縮短製造周期，從而實現快速製造，為自己的客戶創造價值，可以成為客戶供應鏈中可信賴的環節，並且加快資金周轉，降低財務費用。

高效加工，可以通過在切削時間內提高加工效率和減少非加工時間兩大途徑加以實現。

一、提高切削效率

切削加工本身具有三大要素：切削速度、進給率、切削深度。我們說提高切削效率，其實質就是提高金屬切除率。

1.提高切削速度

提高切削速度是提高切削效率的一個非常有效的途徑。100年以來，經過切削專家的不斷努力，主流刀具材料經過了從高碳鋼、高速鋼、硬質合金、塗層硬質合金刀具等幾個階段，切削效率得到了極大的提高。以一個直徑65mm、長度1m的鋼件車削為例，100年以前大約耗時100分鐘，而現在的主流加工方法大約只需要1分鐘。由於加工效率的提高，金屬加工業者也獲得了及其可觀的經濟效益。某閥門廠進行過一個閥門法蘭鑽孔的工藝改進。該廠原長期使用高速鋼麻花鑽加工該法蘭上的螺栓孔，加工效率已經成為其產能提高的瓶頸。但他們對於使用高效率的可轉位鑽頭心存疑慮，因為可轉位鑽頭刀體的價格比他們正在使用的高速鋼鑽頭高十多倍，況且高速鋼鑽頭的可刃磨次數不多，使用可轉位鑽頭的經濟性也許不太理想。在進行了一系列的試驗和分析后，他們看到由於切削效率的提高，加工工時大大減少，分攤在每個工件上的成本大大下降，刀具的消耗費用也有減少，在他們一個工作日上因此節約的加工成本就足以支付採購可轉位鑽頭刀體所需要的費用。

刀具材料和塗層技術的發展，為提高加工效率、降低製造成本提供了技術保障。例如，根據肯納金屬提供的一份資料表明，在切削鋼件時採用其KC9110材質將有可能對加工效率極有幫助：KC9110的中溫CVD和普通CVD組成的鍍層總厚度達到24μm，其中α相的氧化鋁結構穩定，性能優越，而中溫CVD形成的TiCN極大地消除了在硬質合金基體和氧化鋁膜層之間脆弱的η相而提高了膜層的結合能力，從而可以大幅度提高切削速度；鈷加強的硬質合金基材又對刀具的刃口韌性進行了增強，從而提高了進給率；它的刃口還在塗層之後進行了拋光，從而降低了切屑與刀片之間的摩擦，減少了粘結磨損的發生，提高了刀具壽命。在美國某企業的實際加工中，由於切削速度和進給速度的同步提高，該工序的加工費用由原來的近3.7萬美元銳減到不足0.9萬美元，下降幅度超過75%。

另一個例子是肯納金屬商品名為「賽龍」的須晶增韌陶瓷材料。這種陶瓷刀具材料的主要成分是Al2O3和ZrO2，而用長徑比為20～200倍的SiC晶須進行增韌。這種晶須在陶瓷刀具受到扭矩載荷和裂紋擴展時能有效地起到牽制和阻撓作用，而在載荷集中時也能夠起到均勻載荷的作用。在進行波音777發動機固定架的高溫銑削時，面對硬度為28HRC的鎳基合金，其切削速度高達1310m/min，進給速度在2000mm/min，幫助企業將加工周期從45小時減少到14小時，從而大幅度提高了加工效率。

刀具材料的顆粒度對刀具性能的影響很大。在銑削62HRC的淬硬材料時，細顆粒硬質合金KC635M加工25min的刀具磨損與超細顆粒硬質合金KC637M加工70min的刀具磨損相當，說明在加工硬材料方面，超細顆粒硬質合金KC637M的耐磨性比細顆粒硬質合金KC635M高將近3倍。

在需要高轉速時注意刀具的動平衡是確保刀具可以以正常的切削速度進行加工的條件之一。如果存在不平衡，當轉速增加一倍時，離心力將增加到原來的4倍，這會迫使我們降低速度，降低效率。因此在高轉速時需要注意刀具的動平衡問題。

2.提高進給速度

採用修光刃技術進行大進給加工，既可以提高加工效率，又可以降低製造總成本。

大進給銑削已經存在很長時間了，而車削類型的大進給則是近幾年來國際上技術領先的刀具供應商都在大力推廣的一種新技術。這種技術被普遍稱為「Wiper」技術，它用一個短的直線或短的大半徑圓弧來聯結刀尖圓角和副切削刃，從而降低已加工表面的粗糙度。使用這種技術能在維持原有生產節拍的條件下大幅度降低工件表面粗糙度值，提高表面質量；也可以在保持原來工件質量的前提下大大減少加工時間，提高加工效率。如果使用f＝0.63的相同進給率，R0.8普通刀片加工的工件表面粗糙度約為16μm，而使用Wiper刀片(MW槽形)加工的工件表面粗糙度僅為2.5μm，如果用R0.8普通刀片要達到2.5μm的工件表面粗糙度，需要將進給率減小到約f=0.22。

使用Wiper技術能在保證相同的表面質量時使用更高的切削參數，這意味著生產效率的提高。那麼，Wiper技術的刀片還提供的另一種可能性，即在相同的進給率時能獲得更好的表面質量。如果我們原來需要半精加工，也許由於使用Wiper技術就可以不需要了。這就是我們在後面將要論述到的減少加工工序的問題。

目前國際上正在推行的所謂「高性能加工」則是銑削上使用大進給的典型代表。不少國際著名刀具廠商都提供這樣的刀具。這類刀具普遍採用小的主偏角以降低徑向切削力對刀具變形的影響，從而可以將非常大的進給用於實際加工，以提高切削效率。

提高進給的另一個常用方法是通過使用更多齒數的刀具來提高進給速度。刀片的進給率常常受刀片厚度影響或表面質量要求而局限在某一個範圍內，而採用密齒刀具或其它更多齒數的方法就可以在不改變切削速度和進給率的前提下提高進給速度。以兩種多齒擴孔刀具為例，山特維克可樂滿的三齒擴孔刀具相對於常見的兩齒可調擴孔刀具而言，可以增加50%的進給速度；肯納金屬用於汽車缸體加工的一把不可調擴孔刀具的齒數高達7個，加工效率是常見的兩齒擴孔刀具的350%。

3.大切深加工

大切深加工對於提高加工效率同樣非常有效。在加工余量較大的場合，運用大切深加工可以有效減少走刀次數，從而提高金屬切除率。

對於大切深而言，刀具的受力條件會惡化。大量載荷集中作用在切削刃上，這對刀具的韌性提出了更高要求。因此，這時的刀具材料應有更高的韌性，刃口增加倒棱和倒圓，刀體對刀片的支承、夾持系統對刀桿的支持都必須得到加強。同時，選擇合理的刀具幾何參數，如減少主偏角以避免切削載荷過分集中等，常常都是必須加以考慮的。

大切深常常帶來大的切削功率需求，在應用時要注意機床和工藝系統的其它部分能否滿足其功率需求。同時，大切深加工對刀具結構也有一定要求，如單面負型刀片要優於雙面負型刀片，立裝刀片要優於卧裝刀片等等，具體可向專業刀具技術人員諮詢。

4.交互作用

下面的例子是通過同時提高切削速度和進給率來取得競爭優勢。刀具用戶原來使用的刀具是12齒銑刀，切削速度為257m/min，每齒進給量0.13mm(每轉進給量1.56mm)，刀片壽命為60件。為該用戶提供的新型銑刀是8齒銑刀，每個刀片的價格比原來的高出26%，粗看沒有什麼競爭優勢。但新的銑刀可以將切削速度提高到337m/min，進給率提高到0.22mm(每轉進給量1.76mm)，兩者的交互作用使實際的加工效率提高了50%。同時，新的銑刀壽命比原刀具增加了50%。改進的結果，是該用戶每年可因此節約約6.2萬美元。

二、減少非加工時間

在生產製造過程中，切削加工的時間所佔比例經常是非常有限的。據中國刀協的資料，即使一些生產任務非常飽滿、生產設備數控化程度很高、管理也比較先進的大型企業，數控機床的實際切削加工時間也不超過30%。因此，如何減少非加工時間也是提高加工效率的一個重要方面，這裡作一個簡單的敘述：

1.減少加工工序

有些時候通過使用合理的技術可以減少加工工序。如肯納金屬的SE鑽頭，鑽孔的圓柱度比普通鑽頭提高很多，在一些場合可以免去擴孔工序；又如硬模具直接銑削，可以大大減少加工工序，縮短模具製造周期。有一個例子是在鎳基合金上加工一個孔，原來使用定心鑽、高速鋼鑽頭和鉸刀三種切削工具分三個工序完成整個加工，現在使用K715硬質合金製造的SE鑽頭(具有極高的強度和抗粘結磨損能力，含鈷量高達9.5%，未塗層)，不再需要中心鑽和鉸刀，鑽孔時也不再需要反覆退刀，生產非常穩定，孔的定位很好。更重要的是，切削速度由原來的8.54m/min提高到22.88m/min，刀具壽命從18個孔提高到150個孔，加工時間則從原來的54秒減少到5.1秒，減少了超過90%的時間，加工效率得到顯著提高。

2.減少換刀時間

減少換刀時間和換刀后的調整、試切時間，也會對減少非加工時間有幫助。如普通的數控車床在小批輪番生產時，更換工件后需要重新對刀並在數控系統中設置刀長和刀具補償，而採用可樂滿的Capto或肯納的KM工具系統就能保證以後重新生產時不需要重新對刀、設置刀長和偏置，可以減少換刀時間。這些工具系統都是徑向、軸向全面高精度定位，可以確保每次裝夾后的尺寸一致性。以數控車床加工每班平均需要換5把刀、工人3班倒、每周工作5天、每年工作46周、每小時工時費用為60美元為標準進行計算，使用普通工具系統的換刀時間需要5分鐘，而使用肯納KM工具系統的換刀時間只需半分鐘，每年節約的費用可達15525美元。

減少換刀時間的另一個途徑是運用合理的切削技術來延長刀具的壽命。某些時候會發現刀具壽命特別短，這時也許並不是刀具本身的質量有問題，而是對刀具的選擇不正確，或者使用方法有問題。這時需要聯繫切削刀具專家，聽取他們的意見。

材料力學里的彎曲變形規律可作為研究刀具選擇方法時的參考依據。大部分刀具在使用時可以簡化為懸臂樑，而懸臂樑的變形與徑向載荷的大小、有效懸伸長度、梁的材料彈性模量和梁的直徑有關。因此，可以從減少徑向載荷、縮短有效懸伸量、選擇高彈性模量的刀桿材料、加大有效刀具直徑這四個方面著手。例如有些用戶在選擇切削力不平衡的淺孔鑽時，只是考慮長徑比大的淺孔鑽使用範圍更廣而選擇較大長徑比，而忽略了長徑比大的淺孔鑽剛性非常弱，加工時不得不降低切削速度和進給率以避免刀具發生問題。而加工效率的降低往往意味著經濟效益的降低。因此，加工時(尤其在大批量生產中)應選擇儘可能小的長徑比。

有時我們還可以選擇其它方法來增強刀具剛性，比如當其它條件不變時，簡支梁的剛性遠遠大於懸臂樑。如果我們將刀具的支承方式轉化為簡支梁方式，就有可能進一步提高加工效率。

3.減少換刀次數

刀具廠商開發了一些具有多種功能的刀具，以滿足不同的加工需要。如伊斯卡、山高、肯納、瓦爾特等提供的八角刀片銑刀，能完成各種平面、倒角、圓周插補、型腔粗銑等加工；肯納的A4車刀和伊斯卡的霸王刀，在車床上能完成雙向車削以及方形、台階等複雜加工任務。

4.複合加工

複合加工是指將多道工序集中起來一次加工，如鑽孔/擴孔/倒角/鍃平面常常被複合，鑽孔/倒角/銑螺紋近來也多有複合。

一種粗鏜、正向倒角、反向倒角、精鏜一體化刀具的刀座可以作徑向移動，這樣在進行其它工序的加工時非工作刀座的直徑較小，以確保不會對加工刀具的正常工作造成干擾。

5.減少工件裝夾時間

通過裝夾技術以減少工件因裝夾而停止加工的時間也是減少非加工時間的一種方式。採用合適的機床附件可以做到這一點。如卧式加工中心上的交換工作台就是一種可減少因等待工件裝夾而停機的典型應用。近來一些機床廠商提供的車銑複合加工機床以及雄克等提供的快速裝夾技術，都可以有效減少工件的裝夾次數和裝夾時間，從而提高加工效率。在生產線上應用隨行夾具也是一個減少工件裝夾時間的有效方法。