Basé sur de nombreuses années d'expérience pratique en débogage sur site, à partir des principes de coupe des outils métalliques, combinés à des facteurs tels que le matériau de l'outil, les paramètres de coupe, le bord du racleur, l'angle d'attaque, la méthode de traitement et l'outil composite, six méthodes d'optimisation sont introduites pour réduire les coûts de réduction. Le but d’améliorer l’efficacité de la production.
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Préface
Le développement rapide de l'industrie manufacturière chinoise a généré d'énormes avantages économiques pour notre pays et même pour le monde. Alors que la concurrence sur le marché devient de plus en plus féroce, la réduction des coûts et l’amélioration de l’efficacité sont devenues des problèmes auxquels chaque entreprise doit faire face. Afin de réduire efficacement les coûts et d'augmenter l'efficacité, il est nécessaire d'analyser la composition des coûts de production. Le coût de production se compose de trois parties : les matériaux directs, la main-d'œuvre directe et les frais généraux de fabrication. Les matériaux directs font référence aux objets de travail dans le processus de production, qui sont transformés en produits semi-finis ou en produits finis, et leur valeur d'usage devient ensuite une autre valeur d'usage. Le travail direct fait référence aux ressources humaines consommées dans le processus de production, qui peuvent être calculées par les salaires, les dépenses sociales, etc. Les dépenses de fabrication font référence aux installations telles que les usines, les machines, les véhicules et équipements, les matériaux et les matériaux auxiliaires utilisés dans le processus de production. Une partie de leur consommation est incluse dans le coût par le biais de l'amortissement, et l'autre partie par la maintenance, les dépenses fixes, la consommation de matériaux des machines et la consommation de matériaux auxiliaires sont incluses dans le coût. Cet article optimise plusieurs méthodes d'utilisation des outils pour réduire les coûts de consommation d'outils et améliorer l'efficacité du traitement, obtenant ainsi pour effet de réduire les coûts d'utilisation des machines-outils.
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Changer le matériau de l'outil pour améliorer l'efficacité du traitement
Les matériaux d'outils couramment utilisés sont les suivants : acier rapide, carbure, céramique, CBN et PCD. Le CBN et le PCD ont une dureté plus élevée, une résistance à l'usure la plus élevée et leurs matériaux sont relativement fragiles. L'acier rapide a la meilleure ténacité, mais sa dureté est très faible et sa résistance à l'usure est médiocre.
L'acier rapide est un acier allié à haute teneur en carbone. Les principaux éléments de l'alliage sont le tungstène, le chrome, le molybdène, le cobalt, le vanadium et l'aluminium, etc., et contiennent une grande quantité de carbures. Les outils de coupe en acier rapide ont une ténacité élevée et une dureté relativement faible. Les avantages sont qu'ils sont bon marché, ont une plasticité élevée et peuvent traiter presque tous les matériaux. Ils constituaient les principaux matériaux utilisés dans les premiers outils de coupe. Les inconvénients sont qu’ils exigent des exigences plus élevées de la part des opérateurs et nécessitent un travail manuel. L'affûtage et la vitesse de coupe que les matériaux en acier rapide peuvent supporter sont très faibles. Par exemple, le matériau de la pièce est de l'acier 45, la dureté est de 250HBW, la vitesse de coupe est de 30 à 60 m/min et l'efficacité de coupe est faible.
À l’heure actuelle, le matériau d’outil le plus couramment utilisé est le carbure revêtu. La dureté et la résistance à la chaleur des outils en carbure revêtus sont meilleures que celles des outils en acier rapide. Il peut supporter des vitesses de coupe plus élevées, avec des vitesses de coupe allant de 100 à 300 m/min[1].
En prenant comme exemple le cercle extérieur du tournage de pièces en acier, si des outils de tournage en carbure sont utilisés pour remplacer les outils de tournage en acier à grande vitesse, la vitesse de coupe peut être augmentée de 50 m/min à 180 m/min, et l'efficacité est augmentée de plus de 3 fois, et les outils en carbure ont également des outils de coupe plus élevés. vie. Les outils de tournage en carbure avec lames remplaçables n'ont pas besoin d'être affûtés, il suffit de remplacer la lame et l'opérateur n'a pas besoin de compétences en affûtage.
Outre les outils de coupe en acier rapide et en carbure, il existe également des outils de coupe en céramique, en CBN et en PCD. Ces trois matériaux ont des vitesses de coupe plus élevées – plus de 1 000 m/min, mais leur domaine d’application est limité. La céramique et le CBN sont généralement utilisés pour traiter des pièces en fonte et des pièces en acier d'une dureté élevée supérieure à 50HRC. Le PCD est généralement utilisé pour traiter l'aluminium, le plastique, le bois et le carbure, mais ne peut pas traiter les pièces en fonte [2].
En prenant comme exemple les fraises en alliage d'aluminium, la vitesse de coupe des fraises en acier rapide est de 120 ~ 300 m/min. La vitesse de coupe recommandée des fraises en carbure de marque Mapal HP615 est de 700 m/min, tandis que des fraises en matériau PCD peuvent être utilisées. La vitesse de coupe est de 1 500 à 2 000 m/min.
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Effet des paramètres de coupe sur la durée de vie de l'outil et l'efficacité de la production
Afin d'améliorer l'efficacité de l'usinage et la durée de vie de l'outil, il est nécessaire de déterminer si les paramètres de coupe sont raisonnables et d'analyser l'impact de chaque paramètre de coupe sur la durée de vie et l'efficacité de l'outil. Les paramètres de coupe comprennent la vitesse de coupe (vitesse linéaire), la vitesse d'avance et la quantité de coupe arrière, également connues sous le nom de trois éléments de coupe.
3.1 Vitesse de coupe vc
La relation entre la vitesse de coupe vc et la vitesse de broche est vc=πDn/1000, où D est le diamètre effectif de l'outil/de la pièce (unité : mm) et n est la vitesse de la machine-outil (unité : r/min ). Lorsque la vitesse de coupe est trop élevée, l'usure des flancs augmente et la qualité de surface de la pièce se détériore. Lorsque la vitesse de coupe est extrêmement élevée, la plaquette subira également une déformation plastique. La courbe d'influence de la vitesse de coupe sur la durée de vie de l'outil est représentée sur la figure 1.
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Figure 1 Courbe d'effet de la vitesse de coupe sur la durée de vie de l'outil
3.2 Vitesse d'avance vf
La formule de calcul de la vitesse d'avance est vf=fZZnn, fZ est l'avance de l'outil (l'unité est mm/z), Zn est le nombre d'arêtes de coupe effectives (l'unité est l'unité), n est la vitesse de la machine-outil (l'unité est tr/min). Si la vitesse d'avance est trop élevée, les copeaux ne seront pas contrôlés et la qualité de la surface usinée se détériorera. La puissance de coupe est élevée et les copeaux vont impacter l'outil ou la surface usinée. La courbe d'influence de la vitesse d'avance sur la durée de vie de l'outil est représentée sur la figure 2.
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Figure 2 Courbe d'effet de la vitesse d'avance sur la durée de vie de l'outil
3.3 La quantité de couteau arrière ap
La quantité de coupe arrière fait référence à la différence entre la surface non coupée et la surface coupée. La courbe d'influence de la quantité de contre-coupe sur la durée de vie de l'outil est illustrée à la figure 3.
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Figure 3 Courbe d'influence de la quantité de recul sur la durée de vie de l'outil
Parmi les trois facteurs de coupe, la vitesse de coupe, la vitesse d'avance et le degré d'engagement arrière ont tous un impact sur la durée de vie de l'outil. L'impact de la quantité de coupe arrière est le plus faible, la vitesse d'avance a un impact plus important que la quantité de coupe arrière et la vitesse de coupe a le plus grand impact sur la durée de vie de la lame.
Afin d'obtenir la durée de vie de l'outil la plus élevée, la direction des paramètres d'optimisation est la suivante : maximiser l'engagement arrière pour réduire le nombre de passes d'outil ; maximiser la vitesse d'avance pour raccourcir le temps de coupe ; réduire la vitesse de coupe pour obtenir la meilleure durée de vie de l'outil.
Pour améliorer l'efficacité de l'ébauche, vous pouvez commencer par optimiser la quantité de contre-dépouilles. S'il existe de nombreuses trajectoires d'outil, augmentez la quantité de contre-coupe et réduisez la trajectoire d'outil, ou augmentez la quantité de contre-coupe, réduisez la vitesse de coupe et améliorez la durée de vie de l'outil. , augmentez la vitesse d'alimentation et assurez l'efficacité du traitement.
3.4 Exemples d'applications
La bride produite par une usine de transformation de pièces automobiles est illustrée à la figure 4. La solution de traitement existante est inefficace et divers paramètres de coupe doivent être optimisés pour améliorer la durée de vie de l'outil et l'efficacité de la production.
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Figure 4 Bride
Optimisez le plan d'usinage en augmentant la quantité de contre-coupe, en réduisant les trajectoires d'outils et en réduisant la vitesse de coupe. Avant l'optimisation, les trajectoires d'outils étaient nombreuses et chaotiques, mais après l'optimisation, les trajectoires d'outils étaient claires, comme le montrent les figures 5 et 6. Les paramètres avant et après l'optimisation sont présentés dans le tableau 1. Après l'optimisation, la durée de vie de l'outil a été augmentée. de 15 pièces à 31 pièces.
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Figure 5 Optimisation de la trajectoire de l'outil avant
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Figure 6 Parcours d'outil optimisé
Tableau 1 Paramètres avant et après optimisation
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Le facteur qui mesure les performances de coupe de la lame est la vitesse de coupe. Le système CNC lit la vitesse de la broche. De nombreux programmeurs ne prennent en compte que la vitesse lors de la conception des programmes et ignorent le facteur diamètre. Cependant, dans l'usinage réel, le facteur diamètre a également un impact plus important. En prenant le tournage comme exemple, lorsque le diamètre de la pièce D est de 50 mm et que la vitesse de la machine-outil n est de 1 000 tr/min, la vitesse linéaire vc=157m/min. Lorsque le diamètre de la pièce D est de 100 mm et que la vitesse de la machine-outil n est de 1 000 tr/min, la vitesse linéaire vc=314m/min.
Selon l'échantillon d'outil, la vitesse de coupe de 314 m/min est très élevée, proche de la limite à laquelle la lame en carbure peut résister. Une vitesse de coupe élevée peut accélérer le processus d'usure de l'outil et réduire la durée de vie de l'outil.
Il en ressort que pour la même vitesse de machine-outil, des diamètres de pièce différents et des vitesses de coupe d'outils, lorsque la durée de vie de l'outil est trop faible, vous pouvez vérifier si cela est dû à une vitesse de coupe trop élevée.
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L'influence du bord du racleur sur l'efficacité de coupe
Le balai d'essuie-glace a un angle de pointe composé de 3 à 9 arcs avec des rayons différents, et le rayon de l'arc peut atteindre plus de 900 mm. La relation entre le congé de pointe de l'outil, la quantité d'avance et la qualité de la surface est
Rmax＝fn²/8r(1)
Rmax (bord d'essuyage)=Rmax/² (2)
Dans la formule, fn est la quantité d'alimentation (mm/r) ; r est le rayon du congé de la pointe de l'outil (mm) ; Rmax est la différence de hauteur entre le sommet et le creux de la surface de coupe (mm).
Cette méthode convient à la finition du tournage ou de l'alésage. L'outil d'essuie-glace lui-même n'a pas de fonction d'avance rapide. Cependant, selon la formule précédente, on peut en déduire que les caractéristiques de l'outil d'essuie-glace sont les suivantes : lorsque les paramètres de traitement sont les mêmes, la qualité de surface de l'outil d'essuie-glace peut être augmentée de 1 fois ; lorsque la qualité de la surface est la même, la vitesse d'avance de l'outil d'essuie-glace peut être augmentée d'une fois. .
Lorsque la même qualité de surface est requise, des vitesses d'avance plus élevées peuvent être utilisées lors de l'utilisation d'outils d'essuyage.
En prenant le traitement de la face d'extrémité de la coque de sortie comme exemple d'amélioration de l'efficacité, le matériau de la pièce est QT500 et la valeur de rugosité de surface Ra inférieure ou égale à 1,6 μm est requise. Afin d'améliorer le temps de cycle, un balai d'essuie-glace a été utilisé. Dans le but de répondre aux mêmes exigences de rugosité de surface, la vitesse d'avance a été augmentée de 0,36 mm/r à 0,5 mm/r. La valeur de rugosité de surface mesurée Ra=1,33 μm et la durée de vie de la lame étaient les mêmes. Les différents paramètres de traitement utilisant des plaquettes de tournage ordinaires et des plaquettes d'essuie-glace sont présentés dans le tableau 2. La face d'extrémité de la coque de sortie après optimisation est présentée dans la figure 7.
Tableau 2 Divers paramètres de traitement des plaquettes de tournage ordinaires et des plaquettes Wiper
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Figure 7 Face d'extrémité de la coque de sortie optimisée
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Effet de l'angle de déflexion principal sur l'efficacité de coupe
L'avance par dent a été mentionnée dans la brève introduction précédente au concept de vitesse d'avance. Certaines marques d'échantillons d'outils recommandent l'épaisseur maximale des copeaux hexagonale comme paramètre de coupe au lieu de l'avance par dent. Car ce qui détermine la quantité d'avance, c'est l'épaisseur maximale des copeaux hex et l'angle d'attaque Kr de l'outil. La formule de conversion est hex=fzsinKr.
Lorsque l'angle de déviation principal est de 90 degrés, fz=hex, l'épaisseur maximale des copeaux de l'outil est la même que l'avance par dent. À mesure que l'angle de déviation principal diminue, la vitesse d'avance peut être augmentée.
En prenant la fraise à épauler carrée (voir Figure 8) comme exemple, le nombre de dents ZN de la fraise à épauler carrée à 90 degrés est de 5 cannelures, n=1000r/min, hex=0,2 mm. , fz=0.2mm/z, vitesse d'avance de la machine-outil vf =0.2×5×1000=1000 (mm/min).
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a) Schéma de structure de la fraise à épaulement carré
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b) Objets physiques
Figure 8 90 degrés fraise à épaulement carré
Fraise à surfacer à angle d'attaque de 45 degrés (voir Figure 9) ZN a 5 cannelures, n=1000r/min, hex=0,2 mm, fz=hex / sin45 degrés {{8} }.282mm/z, puis la vitesse d'avance de la machine-outil vf=0.282× 5×1000=1410 (mm/min).
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a) Schéma de structure de la fraise à surfacer
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b) Objets physiques
Figure 9 45 degrés fraise à épaulement carré
Fraise à surfacer à angle d'attaque de 10 degrés (voir Figure 10) ZN a 5 arêtes, n=1000r/min, hex=0,2 mm, fz= hex/sin10 degrés {{8} }.156mm/z, puis la vitesse d'avance de la machine-outil vf=1.156× 5×1000=5780 (mm/min).
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un signal
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b) Objets physiques
Figure 10 10 degrés fraise à épaulement carré
En résumé, à vitesse de rotation identique et pour un même type de lame, plus l'angle de déflexion principal est petit, plus la vitesse d'avance utilisable est élevée. Il convient de noter que la fraise à épaulement carrée à 90 degrés supporte principalement la force radiale et que la force axiale s'approche de zéro. À mesure que l'angle de déviation principal diminue, en prenant comme exemple la fraise à angle de déviation principale de 10 degrés, elle supporte principalement la force axiale. La force radiale est très faible. Plus l'angle de déviation principal est petit, plus la tendance aux vibrations est grande et plus la puissance consommée est élevée.
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L'influence des méthodes de traitement sur l'efficacité de coupe
La trajectoire de l'outil de coupe a également un impact important sur l'efficacité de l'usinage. Par exemple, une méthode de fraisage dynamique récemment populaire est une méthode de fraisage trochoïdal efficace avec un grand volume de coupe arrière et une petite largeur de coupe. La différence avec le fraisage trochoïdal conventionnel est que le processus de fraisage dynamique adhère strictement à l'épaisseur constante des copeaux hex. A un taux d’enlèvement de métal élevé. Étant donné que le fraisage dynamique peut garantir une force de coupe constante pendant la coupe de l'outil, la vitesse de traitement est rapide et stable.
Prenons l'exemple du fraisage du contour extérieur du corps de vanne pour illustrer l'impact des méthodes de traitement sur l'efficacité de coupe. La pièce est en acier inoxydable. La difficulté est que le rapport longueur/diamètre de l'outil atteint 4 fois le diamètre, ce qui provoque des vibrations lors du traitement. Le plan initial utilisait des fraises à épaulement carrées à plaquettes remplaçables, ce qui entraînait d'importantes vibrations de coupe en raison du rapport d'aspect élevé. Impossible de traiter normalement. Optimisé pour utiliser des fraises en carbure, une grande capacité de coupe arrière, une petite largeur de coupe et une méthode de fraisage dynamique. La simulation dynamique de la trajectoire de l'outil de fraisage est présentée dans la figure 11 et les paramètres de comparaison sont présentés dans le tableau 3.
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Figure 11 Simulation dynamique de la trajectoire de l'outil de fraisage
Tableau 3 Comparaison des paramètres
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Améliorer l'efficacité de l'usinage avec des outils composites
Pour les produits en grand volume, des outils composites sont généralement utilisés pour améliorer l'efficacité de la production, tels que des forets à chanfrein, des outils d'alésage composites (voir Figure 12), etc.
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Figure 12 Outil d'alésage composé
Les outils composites utilisent un seul outil pour traiter plusieurs étapes de travail, ce qui améliore l'efficacité du traitement et permet d'économiser le temps de changement d'outil de plusieurs outils. Les outils de coupe composites présentent également de nombreux inconvénients. Le plus gros inconvénient est qu’ils ne sont pas universels. Les outils de coupe sont uniquement conçus pour une pièce spécifique et ne peuvent pas être utilisés universellement avec d'autres pièces [3].
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Conclusion
Cet article propose six façons d'optimiser les outils de coupe, qui peuvent fournir des conseils pour améliorer l'efficacité de la production et réduire les coûts. La méthode d’optimisation des outils doit être flexible et doit être appliquée sur une base pratique. Avant l'optimisation, il est nécessaire d'analyser le processus de goulot d'étranglement, d'optimiser l'outil de manière ciblée et de saisir les points clés pour résoudre le problème en fonction des conditions de production spécifiques.
