機械加工中刀片式鉆頭使用壽命短的問題改善

張俊

摘 要：在機械加工中，刀具的管理是重要的研究課題。運用因果圖、直方圖、正交分析法等管理工具對素材硬度、加工工藝、加工參數、刀具選型等4方面進行改善，以此提高刀具的使用壽命。從1把刀具只能加工2個零件成功延長到1把刀具可以加工14個零件，大大提高了工作效率，同時，也為公司降低了生產成本，增加了經濟效益。

關鍵詞：刀具；使用壽命；正交分析法；鑄件硬度

中圖分類號：TG707 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6835（2014）17-0112-02

1 現狀分析

在機械加工的過程中發現，刀片式鉆頭在加工Φ22和Φ26的孔時特別容易損壞，平均1把刀柄使用3周就會出現斷刀的情況，并且刀片的使用壽命也非常短。本課題重點考慮如何解決以下兩個問題：①刀片使用壽命比較短，加工2個零件就要換刀片；②在加工過程中，斷刀的情況頻繁發生，平均每三周就要斷一次刀。

2 改善方案的實施

2.1 改善方案一

廠家一和廠家二各準備素材100個，查看不同素材對刀具斷刀的影響和刀具的使用壽命。

2.1.1 鑄件硬度測量

在容易斷刀的位置測量鑄件的硬度。鑄件硬度標準為230～270 HB。

2.1.2 兩家鑄件廠數據比較

在此次研究中，廠家一（吳江鑄件）和廠家二（大連鑄件）提供的素材硬度檢查全部合格，滿足標準要求。但是，從兩張直方圖中可以看出，二者存在一定的差異。廠家一的硬度分布范圍寬，極差值為37；廠家二的硬度穩定在247 HB左右，極差值為8.

2.1.3 改善方案一的試驗結果

方案一的試驗結果如表1所示。

表1 方案一試驗結果

鑄件廠家 加工零件數/個 使用刀具數/個 平均使用

壽命/周 斷刀次數/次

廠家一 100 39 2.56 1

廠家二 100 22 4.55 0

2.1.4 改善方案一的試驗結論

使用廠家二的鑄件，刀具的使用壽命比廠家一多了將近1倍。通過觀察兩家鑄件硬度直方圖的硬度數據分布情況可知，鑄件硬度的穩定程度會影響刀具的使用壽命。由于無法測量鑄件內部各點的硬度情況，所以無法得出準確的結論。但是，根據現場機床操作人員的反映，在加工廠家一的鑄件時，加工噪聲會突然增大；而在加工廠家二的鑄件時，卻沒有出現該現象，加工噪聲平穩、平均。所以，懷疑廠家一的鑄件內部存在加工硬點，這使加工廠家一的刀具壽命比廠家二的壽命短。

由此，要求廠家一改善鑄件內部硬度不均的問題，同時，重新使用廠家二的鑄件加工，減少廠家一的供貨量。鑄件素材的改變使刀具的使用壽命提高了1倍。

2.2 改善方案二

在加工鑄件時，公司使用的是日本進口機床，加工程序也是進口程序，而使用的鑄件卻是中國制造。經過考察，中國素材在鑄造工藝方面與日本的存在一定的差距，所以，考慮改進加工工藝來適應中國的素材。

2.2.1 方案實施

原來加工工藝路線為一刀加工到底的切削方式，工藝改善后變為分段式進行，即加工—退刀—再加工的方式。加工工藝路線變更的目的是減少素材局部硬點給刀具帶來的額外負荷，以便能更好地排屑。

2.2.2 改善方案二試驗結果

使用廠家二的鑄件加工100個零件，考察加工工藝路線改善后刀具的使用壽命，試驗結果如表2所示。

2.2.3 改善方案二試驗結論

通過改善加工工藝路線，刀具的使用壽命由原來的4.55周提高到6.25周。由此可見，這種分段鉆削的方式消減了素材內部局部硬點給刀具帶來的額外負荷，提高了刀具的使用壽命；同時，分段鉆削的方式大大提高了零件的排屑能力，為延長刀具的使用壽命作出了貢獻。

表2 改善方案二的試驗結果表

加工工藝 加工零

件數/個 使用刀

具數/個 平均使用

壽命/周 斷刀次數/次

一鉆到底

（改善前） 100 22 4.55 0

分段鉆削

（改善后） 100 16 6.25 0

2.3 改善方案三

現階段，加工參數的選擇原則大多都是根據刀具廠家使用說明書上的推薦值為中心值來設置的，或者是根據日本原加工程序中的數據來設置的。但是，由于日本素材和中國素材存在一定的差異，所以，考慮變更加工參數來提高刀具的使用壽命。使用廠家二的鑄件，每種試驗方法各加工100個零件，使用正交分析法考察使用不同加工工藝參數時刀具的使用壽命。

2.3.1 試驗目的和指標

試驗目的是提高刀具的使用壽命；試驗指標是刀具的使用數。

2.3.2 制訂因素水平表

經過考察、分析，試驗中主要包括切削速度V（m/min）、進給速度F（mm/min）、主軸轉速n（rpm）和進給量f（mm/rev）4個因素。每個因素取3個水平，因素水平如表3所示。

表3 因素水平表

因素

水平 切削速度A

V/（m/min） 進給量B

f/（mm/rev） 主軸轉速C

n/rpm 進給速度D

F/（mm/min）

1 80 0.08 1 200 96

2 100 0.12 1 500 180

3 120 0.14 1 800 252

2.3.3 選正交表，排表頭

由于進給速度F=f×n，轉速n=1 000 V/πd，所以，可以簡化為2個因素，每個因素有3個水平，可選用L9（32）正交表，因素安排如表4所示。

表4 因素安排表

L9（32）列號 1 2

因素 A B

2.3.4 排列試驗條件

試驗結果和數據計算如表5所示

表5 試驗結果和數據計算表

因數

列號

驗員 切削速度

V/（m/min）

A

1 進給量

f/（mm/rev）

B

2 平均刀具使用壽命

（使用刀具數）

/周（個）

1 1（80） 1（0.08） 8（12.5）

2 1（80） 2（0.12） 10（10）

3 1（80） 3（0.14） 12（8.33）

4 2（100） 1（0.08） 15（6.67）

5 2（100） 2（0.12） 16（6.25

6 3（100） 3（0.14） 18（5.56）

7 3（120） 1（0.08） 17（5.88）

8 3（120） 2（0.12） 19（5.26）

9 3（120） 3（0.14） 20（4.16）

Ⅰ=位及1，三次產率和 30 40 總和=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=135

Ⅱ=位級2，三次產率和 49 45

Ⅲ=位圾3，三次率率和 56 50

2.3.5 試驗結果分析及結論

圖1 各因子影響刀具的壽命情況

從圖1的分析結果中可以看出，隨著切削速度的上升，刀具使用數量增加（刀具使用壽命減少）；隨著進給量的增加，刀具使用數增加（刀具使用壽命減少）。雖然從2條因素曲線上可以看出，隨著數值的降低，刀具的使用壽命會進一步延長，但是，加工時間也會隨之增加，而且方案A1B1的加工參數是刀具廠家推薦加工參數的下限值，所以，最后決定使用方案A1B1。改善方案三的試驗結果如表6所示。

表6 改善方案三的試驗結果表

切削速度

V/（m/min） 進給量

F/（mm/rev） 主軸轉速n/rpm 進給速度

f/（mm/min） 刀具平均

使用壽命/周 斷刀次數/次

改善前 100 0.12 1 500 180 6.25 0

改善后 80 0.08 1 200 96 12.5 0

2.4 改善方案四

加工不同的素材會影響刀具的使用壽命，所以，挑選一家刀具廠的刀具來加工，考察其使用壽命和原來的刀具有什么不同。每種刀具各加工100個零件，加工參數使用改善方案三中改善后的加工參數。

2.4.1 刀具信息

原來的刀具信息：刀具廠家SL；刀柄型號為TAFM2200F25；刀片型號為GPMT070204-U3.

改善后使用的刀具信息：刀具廠家ZY；刀柄型號為TAFM2200F25；刀片型號為WDXT063006-H。

2.4.2 方案四改善結果

改善方案四后的結果如表7所示。

表7 方案四改善結果

刀具廠家 使用刀具數/個 刀具使用壽命/周 斷刀次數/次

改善前 SL 8 12.5 0

改善后 ZY 7 14.28 0

使用ZY刀具后，鐵屑的排屑能力更強，刀具損耗有所減少（平均減少了1把），延長了刀具的使用壽命。

3 問題改善情況總結

出現了刀具使用壽命短的問題后，分別從人、機、物、料、法5個方面分析，從素材硬度、加工工藝、加工參數和刀具選型4個方面設計改善方案，解決其中存在的問題。解決了加工過程中存在的問題后，加工刀具時不再斷刀，延長了刀具的使用壽命，在提高了工作效率的同時，也為公司降低了加工成本。

參考文獻

[1]伍愛.質量管理學[M].廣州：暨南大學出版社，2006.

〔編輯：白潔〕

Improve Machining Blade Drill Bit Short Life Issues

Zhang Jun

Abstract： Machining， tool management is an important research topic. In this paper， cause and effect diagram， histogram， orthogonal analysis and other management tools for material hardness， processing， machining parameters， tool selection， and other four areas for improvement， in order to improve the life of the tool. Can only be processed from a successful tool two parts can be extended to a tool machining 14 parts， greatly improving the work efficiency， but also for the company to reduce production costs and increase economic efficiency.

Key words： tool； life； orthogonal analysis； casting hardness

表4 因素安排表

L9（32）列號 1 2

因素 A B

2.3.4 排列試驗條件

試驗結果和數據計算如表5所示

表5 試驗結果和數據計算表

因數

列號

驗員 切削速度

V/（m/min）

A

1 進給量

f/（mm/rev）

B

2 平均刀具使用壽命

（使用刀具數）

/周（個）

1 1（80） 1（0.08） 8（12.5）

2 1（80） 2（0.12） 10（10）

3 1（80） 3（0.14） 12（8.33）

4 2（100） 1（0.08） 15（6.67）

5 2（100） 2（0.12） 16（6.25

6 3（100） 3（0.14） 18（5.56）

7 3（120） 1（0.08） 17（5.88）

8 3（120） 2（0.12） 19（5.26）

9 3（120） 3（0.14） 20（4.16）

Ⅰ=位及1，三次產率和 30 40 總和=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=135

Ⅱ=位級2，三次產率和 49 45

Ⅲ=位圾3，三次率率和 56 50

2.3.5 試驗結果分析及結論

圖1 各因子影響刀具的壽命情況

從圖1的分析結果中可以看出，隨著切削速度的上升，刀具使用數量增加（刀具使用壽命減少）；隨著進給量的增加，刀具使用數增加（刀具使用壽命減少）。雖然從2條因素曲線上可以看出，隨著數值的降低，刀具的使用壽命會進一步延長，但是，加工時間也會隨之增加，而且方案A1B1的加工參數是刀具廠家推薦加工參數的下限值，所以，最后決定使用方案A1B1。改善方案三的試驗結果如表6所示。

表6 改善方案三的試驗結果表

切削速度

V/（m/min） 進給量

F/（mm/rev） 主軸轉速n/rpm 進給速度

f/（mm/min） 刀具平均

使用壽命/周 斷刀次數/次

改善前 100 0.12 1 500 180 6.25 0

改善后 80 0.08 1 200 96 12.5 0

2.4 改善方案四

加工不同的素材會影響刀具的使用壽命，所以，挑選一家刀具廠的刀具來加工，考察其使用壽命和原來的刀具有什么不同。每種刀具各加工100個零件，加工參數使用改善方案三中改善后的加工參數。

2.4.1 刀具信息

原來的刀具信息：刀具廠家SL；刀柄型號為TAFM2200F25；刀片型號為GPMT070204-U3.

改善后使用的刀具信息：刀具廠家ZY；刀柄型號為TAFM2200F25；刀片型號為WDXT063006-H。

2.4.2 方案四改善結果

改善方案四后的結果如表7所示。

表7 方案四改善結果

刀具廠家 使用刀具數/個 刀具使用壽命/周 斷刀次數/次

改善前 SL 8 12.5 0

改善后 ZY 7 14.28 0

使用ZY刀具后，鐵屑的排屑能力更強，刀具損耗有所減少（平均減少了1把），延長了刀具的使用壽命。

3 問題改善情況總結

出現了刀具使用壽命短的問題后，分別從人、機、物、料、法5個方面分析，從素材硬度、加工工藝、加工參數和刀具選型4個方面設計改善方案，解決其中存在的問題。解決了加工過程中存在的問題后，加工刀具時不再斷刀，延長了刀具的使用壽命，在提高了工作效率的同時，也為公司降低了加工成本。

參考文獻

[1]伍愛.質量管理學[M].廣州：暨南大學出版社，2006.

〔編輯：白潔〕

Improve Machining Blade Drill Bit Short Life Issues

Zhang Jun

Abstract： Machining， tool management is an important research topic. In this paper， cause and effect diagram， histogram， orthogonal analysis and other management tools for material hardness， processing， machining parameters， tool selection， and other four areas for improvement， in order to improve the life of the tool. Can only be processed from a successful tool two parts can be extended to a tool machining 14 parts， greatly improving the work efficiency， but also for the company to reduce production costs and increase economic efficiency.

Key words： tool； life； orthogonal analysis； casting hardness

表4 因素安排表

L9（32）列號 1 2

因素 A B

2.3.4 排列試驗條件

試驗結果和數據計算如表5所示

表5 試驗結果和數據計算表

因數

列號

驗員 切削速度

V/（m/min）

A

1 進給量

f/（mm/rev）

B

2 平均刀具使用壽命

（使用刀具數）

/周（個）

1 1（80） 1（0.08） 8（12.5）

2 1（80） 2（0.12） 10（10）

3 1（80） 3（0.14） 12（8.33）

4 2（100） 1（0.08） 15（6.67）

5 2（100） 2（0.12） 16（6.25

6 3（100） 3（0.14） 18（5.56）

7 3（120） 1（0.08） 17（5.88）

8 3（120） 2（0.12） 19（5.26）

9 3（120） 3（0.14） 20（4.16）

Ⅰ=位及1，三次產率和 30 40 總和=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ=135

Ⅱ=位級2，三次產率和 49 45

Ⅲ=位圾3，三次率率和 56 50

2.3.5 試驗結果分析及結論

圖1 各因子影響刀具的壽命情況

從圖1的分析結果中可以看出，隨著切削速度的上升，刀具使用數量增加（刀具使用壽命減少）；隨著進給量的增加，刀具使用數增加（刀具使用壽命減少）。雖然從2條因素曲線上可以看出，隨著數值的降低，刀具的使用壽命會進一步延長，但是，加工時間也會隨之增加，而且方案A1B1的加工參數是刀具廠家推薦加工參數的下限值，所以，最后決定使用方案A1B1。改善方案三的試驗結果如表6所示。

表6 改善方案三的試驗結果表

切削速度

V/（m/min） 進給量

F/（mm/rev） 主軸轉速n/rpm 進給速度

f/（mm/min） 刀具平均

使用壽命/周 斷刀次數/次

改善前 100 0.12 1 500 180 6.25 0

改善后 80 0.08 1 200 96 12.5 0

2.4 改善方案四

加工不同的素材會影響刀具的使用壽命，所以，挑選一家刀具廠的刀具來加工，考察其使用壽命和原來的刀具有什么不同。每種刀具各加工100個零件，加工參數使用改善方案三中改善后的加工參數。

2.4.1 刀具信息

原來的刀具信息：刀具廠家SL；刀柄型號為TAFM2200F25；刀片型號為GPMT070204-U3.

改善后使用的刀具信息：刀具廠家ZY；刀柄型號為TAFM2200F25；刀片型號為WDXT063006-H。

2.4.2 方案四改善結果

改善方案四后的結果如表7所示。

表7 方案四改善結果

刀具廠家 使用刀具數/個 刀具使用壽命/周 斷刀次數/次

改善前 SL 8 12.5 0

改善后 ZY 7 14.28 0

使用ZY刀具后，鐵屑的排屑能力更強，刀具損耗有所減少（平均減少了1把），延長了刀具的使用壽命。

3 問題改善情況總結

出現了刀具使用壽命短的問題后，分別從人、機、物、料、法5個方面分析，從素材硬度、加工工藝、加工參數和刀具選型4個方面設計改善方案，解決其中存在的問題。解決了加工過程中存在的問題后，加工刀具時不再斷刀，延長了刀具的使用壽命，在提高了工作效率的同時，也為公司降低了加工成本。

參考文獻

[1]伍愛.質量管理學[M].廣州：暨南大學出版社，2006.

〔編輯：白潔〕

Improve Machining Blade Drill Bit Short Life Issues

Zhang Jun

Abstract： Machining， tool management is an important research topic. In this paper， cause and effect diagram， histogram， orthogonal analysis and other management tools for material hardness， processing， machining parameters， tool selection， and other four areas for improvement， in order to improve the life of the tool. Can only be processed from a successful tool two parts can be extended to a tool machining 14 parts， greatly improving the work efficiency， but also for the company to reduce production costs and increase economic efficiency.

Key words： tool； life； orthogonal analysis； casting hardness