Оптимизация обработки на станках с ЧПУ: время, стоимость и контроль инструмента

В области высокоточного производства способность оптимизировать параметры обработки является критически важным фактором успеха. Понимание и применение принципов экономики обработки может привести к значительному сокращению производственных затрат и времени, а также к повышению эффективности использования инструмента и производительности производства.

В этой статье рассматривается комплексная концепция оптимизации процессов механической обработки. Каждый этап, от выбора исходного материала до настройки скорости подачи и моделирования затрат, способствует либо минимизации затрат, либо максимизации производительности. Цель статьи — предоставить инженерам, специалистам по планированию производства и операторам станков практические стратегии, основанные на данных и реальных производственных ограничениях.

1.0Введение в экономику обработки

2.0Выбор приклада: форма, близкая к чистой, против стандартного прямоугольного приклада

Перед началом любой операции по обработке выбор исходного материала существенно влияет как на стоимость, так и на время.

2.1Запасы в форме, близкой к чистой

Форма, близкая к заданной, относится к материалам, которые максимально соответствуют окончательной геометрии детали.

• Преимущества:
  • Значительно сокращает время обработки
  • Производит меньше отходов
  • Требуется меньше проходов и инструментов
• Недостатки:
  • Обычно более высокая стоимость из-за индивидуального литья или формовки
  • Могут иметь более длительные сроки поставки

Этот вариант идеален, когда время цикла имеет решающее значение или при работе с дорогими или труднообрабатываемыми материалами (например, титановыми сплавами).

2.2Прямоугольные заготовки (например, блоки основания пресс-формы)

Прямоугольные заготовки, наиболее часто используемые при обработке на станках общего назначения, обладают преимуществами с точки зрения стоимости и доступности.

• Преимущества:
  • Широко доступны и относительно дешевы
  • Стандартизированные размеры и допуски
• Недостатки:
  • Требует большего удаления материала
  • Увеличивает износ инструмента и время обработки

Ключевая стратегия: Всегда выбирайте заготовку наименьшего размера, в которую можно безопасно поместить готовую деталь. Заготовка большего размера увеличивает отходы и расход энергии, не добавляя при этом ценности.

3.0Планирование операций и выбор инструмента

4.0Оптимизация скорости подачи: черновая и чистовая обработка

Скорость подачи напрямую влияет на MRR, качество поверхности, срок службы инструмента и силы резания.

4.1Отделочные операции

• Более высокие скорости подачи повышают производительность, но ухудшают качество поверхности.
• Оптимальная скорость подачи — это наивысшая ценность который по-прежнему соответствует требованиям к качеству поверхности, которые зависят от:
  • Функциональные допуски
  • Эстетические или косметические стандарты
  • Критерии подгонки и сборки
  • Операции последующей обработки, такие как полировка или нанесение покрытия

4.2Черновые операции

Качество поверхности менее важно, поскольку последует чистовой проход. Основное внимание уделяется максимальному увеличению MRR за счёт:

• Более высокая скорость резания (V)

• Более высокая скорость подачи (f)

Однако увеличение V и f также повышает температуру инструмента, что, в свою очередь, влияет на износ и срок службы инструмента.

• Скорость резания увеличивает скорость стружки

• Скорость подачи увеличивает площадь поперечного сечения стружки.

4.3Соображения относительно силы и мощности инструмента

• Сила резания составляет пропорционально скорости подачи

• Для большей силы требуется:

  • Большая мощность машины

  • Инструменты, рассчитанные на более высокие нагрузки резания

Руководство по оптимизации: Оптимальная скорость черновой подачи — это наибольшее значение, удовлетворяющее:

• The мощность машины
• The максимальный предел силы резания инструмента (как указано производителем)

5.0Моделирование себестоимости продукции при серийном производстве

6.0Износ инструмента и уравнение срока службы инструмента Тейлора

Для точной оптимизации параметров резания необходимо моделировать износ инструмента. Широко используемое уравнение Тейлора для расчёта стойкости инструмента выглядит следующим образом:

$$
V \cdot T^n = C
$$

Где:

• $В$: Скорость резки
• $Т$: Срок службы инструмента
• $н,С$: Эмпирические константы, основанные на сочетании материала инструмента и заготовки

Решение вопроса стойкости инструмента:

$$
T = \left( \frac{C}{V} \right)^{1/n}
$$

Подставим в модель затрат:

$$
C_{pr}(V) = t_l \cdot M + t_m \cdot M + \frac{C_t \cdot t_m}{T} + \frac{t_c \cdot M \cdot t_m}{T}
$$

Это определяет стоимость детали как функцию скорости резки. $В$.

7.0Оптимизация скорости резки

7.1Оптимальная скорость за минимальные затраты

Чтобы минимизировать себестоимость единицы продукции, дифференцируем функцию стоимости по скорости резания. $В$ и приравняем производную к нулю:

$$
\frac{d C_{pr}(V)}{dV} = 0
$$

Решение этой задачи дает оптимальную скорость резания при минимальных затратах, обозначаемую как:

$$
V_{opt}^{(стоимость)}
$$

Как правило, эта скорость ниже скорости, которая минимизирует время производства, из-за более высокого срока службы инструмента на более низких скоростях.

7.2Оптимальная скорость для максимальной производительности

Среднее время на деталь моделируется следующим образом:

$$
T_{avg}(V) = t_l + t_m + \frac{t_c \cdot t_m}{T}
$$

Заменяя $Т$, выражение становится функцией $В$. Чтобы минимизировать время:

$$
\frac{d T_{avg}(V)}{dV} = 0
$$

Решив это, находим оптимальную скорость за минимальное время:

$$
V_{opt}^{(время)}
$$

Как правило,

$$
V_{opt}^{(время)} > V_{opt}^{(стоимость)}
$$

поскольку более высокая скорость сокращает время цикла, но увеличивает расход инструмента.

8.0Резюме и практические рекомендации

Основные выводы:

• Выбор материала: Используйте формы, близкие к заданным, чтобы сократить время обработки, если это позволяет стоимость; в противном случае оптимизируйте стандартный размер заготовки для минимизации отходов.
• Стратегия инструментов: сегментируйте детали по размеру элементов и используйте максимально допустимый инструмент в каждой области, чтобы максимизировать MRR.
• Настройка скорости подачи:
  • Для чистовой обработки: установите максимальную подачу, обеспечивающую качество поверхности.
  • При черновой обработке: подачу следует производить на пределе мощности станка и возможностей инструмента.
• Оптимизация скорости резки:
  • Используйте уравнение Тейлора для моделирования износа инструмента.
  • Оптимизируйте скорость в зависимости от вашей цели: снижение затрат при более высокой пропускной способности.
• Экономика серийного производства:
  • Учитывайте время замены инструмента, стоимость инструмента и непроизводительные операции.
  • Используйте модели затрат для выбора скорости резки, которая обеспечит долгосрочную эффективность.

9.0Заключительные мысли

Экономика обработки предлагает структурированный количественный метод для оптимизации принятия решений в условиях ЧПУ и ручной обработки. Независимо от того, является ли ваша цель лидером по затратам или высокоскоростным производством, интеграция этих принципов в CAM-программирование, выбор инструмента и планирование процесса может обеспечить ощутимый рост эффективности и рентабельности.