ESPRIT ProfitTurning™——相較於傳統車削更完美的策略
2017-2-20 來源：DP Technology 作者：——
傳統車削局限性（xìng）
采用切入式車削操作
當使用傳統（tǒng）車（chē）削方式處理耐熱和硬質材料， 例如超合金時，會出現刀具進出時接觸角度過大，切（qiē）削負載不（bú）穩定的情況。采用傳統切入式來加工此類工（gōng）件還可能會造成餘料不均勻，表麵不規則。此外，傳統車削方式在切削過程中會造（zào）成不良反應，例如刀具負載過大，切削力過（guò）高或不規律，震（zhèn）動和切削（xuē）控製差。當高速機械加工這些硬質材料（liào）時，一個關（guān）鍵因素就是保（bǎo）持穩定的切削負載，而這點對於機械加工合格品以及延長刀具壽（shòu）命都是至（zhì）關重要的。尤其是，如果切削負載過低（dī）或過高（gāo）可能會導致刀具加速磨損，並造成許多（duō）不必要（yào）的後果。這些不必（bì）要的後果可能包括切屑過（guò）大以致（zhì）無法足夠快地避開（kāi）刀具。例如，如果刀具正在狹槽深處（chù）切割，切屑就會很難足夠快（kuài）的避開（kāi），這可（kě）能（néng）會導致刀具損壞。低切削負載的另（lìng）一不良反應就是摩擦效果，這會阻止（zhǐ）機器產生幹淨切屑，也會讓刀具和材料同時升溫，從而大大降低刀具（jù）壽命。因此，在生產過程中（zhōng），保持穩定的（de）切削負載是至關重要的（de）。
圖1.傳（chuán）統切入（rù）式切削方式會造成接觸角度過（guò）大，切削力（lì）不規律以及餘料不均勻。
ProfitTurning™ 能力
ESPRIT打造了一款全新創（chuàng）新的車床粗車策略，ProfitTurning™，以幫（bāng）助消除傳統切削方式的不良反應。ProfitTurning™是一種高速切削方（fāng）式，是ESPRIT現存（cún）粗車和切槽循環外的一種額外切削策略。ProfitTurning™是一（yī）種（zhǒng）多產（chǎn）並安全的切削方式，讓製造商通過穩定的切削負載和切削力形成更多高效切削，從而減少刀具（jù）磨損，縮短（duǎn）循（xún）環周期。這是通過使用一種基於接（jiē）觸控（kòng）製策略（luè）的刀（dāo）具路徑算法來實現的，它考慮到（dào）了固定的切削力，並且實現了最（zuì）高水平的生（shēng）產能力。
接觸控製：在整個通過過程中保持減少並固定的接觸
消除傳統切入式副作用的另一（yī）種方式是（shì）保持減（jiǎn）少並固定的刀（dāo）具接觸。ProfitTurning™將切削表麵斷成易控製的小片，使用圓形刀片在車削時轉入（rù）轉出以（yǐ）控製（zhì）刀具進出時的接觸。通過平滑的轉入（rù）運（yùn）動和較小的進給速率，刀（dāo）具切入時的切削力會大大減少並保持在一個（gè）固定的水平。進給速率在這些被稱為平行移動的直線運動時（shí）被最大化（huà）並保持固定接觸，之後在車削結束時減（jiǎn）少接觸。
圖2. ProfitTurning™將動作分成若幹部分，由（yóu）進給速率，轉入，平（píng）行移動和轉出組成。
輕易切削較小、棘手區域
並非所有切削區（qū）域（yù）都是平滑且易到達的，如圖3所示。而ProfitTurning™ 專為所有較（jiào）小和不均 勻區域提供了切削策略。這些區（qū）域通常（cháng）由零件型材、轉入/轉出圓弧和最小（xiǎo）餘擺線半徑來決定。最小餘擺線半徑是由使用者來決定以限製切削刀具無法輕易適（shì）用的小角落中餘擺線移動的大小。這些不（bú）易到達區域的另一個挑戰要保持固定的刀具接觸，這樣轉入圓弧半徑不（bú）至於（yú）過大。為了解決這一挑戰，ProfitTurning™在這些較小區域（yù）采用全餘擺線（xiàn）切削，直到刀具達到使用者所規定的“最小餘（yú）擺線半徑”。之後最（zuì）小餘（yú）擺線半徑會在尖角設置不可切削區（qū）域，步（bù）距被減小以保持固定的（de）刀具接觸（chù）。
箭頭（tóu）依次（cì）表示：
正常通過區域
轉入轉出圓弧半徑
餘（yú）擺線通過
最小餘擺線半徑
不可切削的尖（jiān）銳區域
圖3. ProfitTurning™在較小區域切削時刀具路徑深度逐漸
改變切削方向和平（píng）滑過渡
ProfitTurning™能夠讓使用者改變切削方向來消除退（tuì）刀移動（圖4）
圖4.“改變切削方向”激活，“平滑（huá）過渡”未激活
“平滑過渡”通過平滑圓弧（hú）在改變刀具（jù）路徑時替代橋式（shì）移動。角落中過大的混合弧也（yě）可由這線段（duàn）代替。
圖（tú）5. “改變切（qiē）削方（fāng）向”和（hé） “平滑過（guò）渡”同時激活
ProfitTurning™ 優勢
ProfitTurning™使（shǐ）用圓形刀片或全半徑車槽刀具來達到更高（gāo）的進給速率，從而達到保（bǎo）持固定或近似固定的切削負載的目（mù）的。這被稱為（wéi）切屑減（jiǎn）薄效應。此外，ProfitTurning™通過使用圓形刀片和接觸控製來減少會導致表麵光潔（jié）度不良以及切削刀具損壞的振動和不規則切削力。反過來， 這（zhè）讓ProfitTurning™很適合切削薄壁的硬質材料和超合金，正如下方（fāng）圖6和圖7所示。
如圖6所示，當直徑是（shì）圓形刀片一半時，對每一圓形刀片來說，每牙的進（jìn）給（gěi）速率（lǜ）和切屑厚度是完全（quán）相同（tóng）的。這與90度的刀具相似（sì）。當刀具的前角變化，切削深度（dù）減少（圖7），進給速率會增加以（yǐ）保持適當（dāng）的切屑厚度。當切削的深（shēn）度不足，使用者可以通過增加進給速率來彌（mí）補，其結果是產能增加。
f = 進給速率
h = 切屑厚度
圖6. 對於圓形刀（dāo）片來說，在圓形刀片一半直徑時，每牙的進給速率等於切屑厚度。
f = 進（jìn）給速率
h = 切屑厚度
圖7. 切削深度減少（shǎo），進給速率增加。
進行試驗！
ESPRIT ProfitTurning™與傳（chuán）統車削方式的對比試驗在與 ESPRIT 機床合夥人的合作下（xià）完成（chéng）了。試驗的基線是使用傳統的往複式切削策略建立的，之後與ESPRIT 的ProfitTurning™ 策略進行 對比。結果很成功，表（biǎo）明使用ESPRIT ProfitTurning™與傳統切削方式相比（bǐ），循環周期降低了25%。
試驗切削的另一（yī）目的（de）是評估使用ESPRITProfitTurning™相較於傳統切削策（cè）略的刀具壽命。一個帶（dài）有兩處完全相同特性的零件被用來進行試驗切削。一（yī）處特性是使用傳統往（wǎng）複式（shì）切削（xuē）方式來切削的，另一處特性是使用ProfitTurning™來切削的。在試（shì）驗切削（xuē）過（guò）程中（zhōng），采用Caron Engineering 的TMAC4（刀具監控自製控製）來（lái）監測轉（zhuǎn）軸的馬力。Caron Engineering 公司在 監測（cè）和控製數控機床方麵有三十多年的經驗，而TMAC 隻是他們的產品之一。TMAC 的工作 原理是刀具壽命減少時，切削一（yī）個零件所需的功率會（huì）增加。在TMAC的支持之下，我們測量（liàng）了ProfitTurning™與傳統（tǒng）往複式切削策略的馬力差異。每一種策略，我們都以氣割（gē）開（kāi）始，然後測（cè）量每一次通過時的（de）馬力，之後計算數據的平均值來顯示每一凹槽的整體馬力值。
如圖8 所示，橙色的豎條（tiáo）顯示的（de）是使用傳統往複式（shì）切削方式時，每一凹槽的馬力（lì）值逐漸上升， 且始終（zhōng）保持5%的上升趨勢（注：隨著道具不斷（duàn）磨損，機器要使用（yòng）更大的馬力來完成切削。）相同的數據也從ProfitTurning™處進行收集，以藍色（sè）豎（shù）條表示。比較兩（liǎng）種切削策略，使（shǐ）ProfitTurning™加（jiā）工八（bā）個零件所做的功是10.26%，而使用傳統往複式切削方式所做的功是（shì）31.3%。圖表（biǎo）趨勢線所顯（xiǎn）示的結果（guǒ）表明，通過與（yǔ）傳統往複式削方式相比，使用ESPRIT 的（de）ProfitTurning™，使用者將體驗到（dào）增加了三倍的刀（dāo）具壽命，並且工裝刀片的更換頻率也將降低。
每一零（líng）件加工時刀具（jù）做功差異
刀具壽命增加三倍
圖8. ProfitTurning™與傳統往複式切削方式的刀具做功對比
ProfitTurning™ 刀具（jù）選擇
ProfitTurning™使用圓形刀片或全半徑車槽刀具。當使用（yòng）這些圓形刀片時，整個切削刃周邊在（zài）切削時（shí）都能得到使用，刀具路徑的方（fāng）向能夠改變，使刀具使用達到（dào）最大化，效率得到提（tí）升，並且刀具壽命得以延長。另外（wài），圓形刀片還能（néng）處理側向負荷的工作，而常規的（de）方形刀片通常無法完成。此外，圓形刀片適合加工硬度（dù）等級在ISO-S 和H5 的材料，例（lì）如耐熱的超合金。
此外，在機加工（gōng）時，硬度也是比較圓形刀片（piàn）和方形刀片的一個因素。一般而言，圓形刀片更加結實，讓它們成為（wéi）了可用的最牢固的刀片，這也意（yì）味著在切削過程中，它們不太可能產生諧波（bō），也就能帶來更高的產能。例如（rú），航空航天部件通（tōng）常較大，半徑增加，並且（qiě）使（shǐ）用專（zhuān）為（wéi）去除高應力點所設計的混（hún）合型材，這樣圓形刀片就能輕而易（yì）舉地（dì）使用。
圓形刀片的益處：
o整個刀片周邊在切削時都能得到（dào）使用
o切削方（fāng）向能夠改變
o運用轉入和轉出技（jì）術，實現有效接觸控製
o切削刃更堅（jiān）硬，能（néng）加工硬質材（cái）料（liào）
o進給速率更高
o側（cè）向負荷切削
ProfitTurning™ 應用
圖9所示是ProfitTurning™應用的一個例子，當切深槽和仿形切削時，需要使用細長的刀具。在下圖中，圓盤部件和卷軸部件的特點（diǎn）是帶（dài）有深腔，這需要對一個固體進（jìn）行機（jī）械加工（gōng）或在焊接之後完成。在機械加工這些典（diǎn）型部件時，有很高的趨勢會振動並（bìng）且深寬比會很大。通過采用ProfitTurning™，使用者能夠通過最大的硬度和最（zuì）小化的振動來優化這些有難度的機械加工應用，從而提高產能。ProfitTurning™應用的（de）其它例子在圖10中有所體現。
圖9. ProfitTurning™應用的一個例子——切（qiē）深槽
圖10. ProfitTurning™ 的更多例子（zǐ）
試驗結果
第（dì）一次試驗切削是在加利福尼亞州（zhōu）加迪納的馬紮克技術中心進行。第（dì）一次試驗（yàn）切削的目的是證（zhèng）明最初的刀具路（lù）徑運動在適當的進給和速度下是能正（zhèng）常工作的。結果顯示（shì）當切削槽麵時，“改變”參數打開，那外徑槽（cáo）/輪廓和槽麵都會加工到。外徑切削條件和最終結果證實是成功的， 表麵光（guāng）潔度與（yǔ）高速粗車周期一致。
舉例1
地（dì）點： 美國加利福尼亞州加迪納，馬紮克技術中心
零件： 316 不鏽鋼， 已退火（直徑6”，~149 布氏硬度）
機械加工（gōng）刀具： 馬紮克快速車（chē）削 Nexus 200 II
控製： Mazatrol Matrix Nexus 2
切削刀具刀片（piàn）： Sandvik N123L2-0800-RO 1125
刀具直徑 (英寸)： 0.315
刀具運動模式： ProfitTurning™
軸轉速： CSS 800
進給（gěi）速率： IPR 0.032
切削深度（英寸，%）： 0.025, 7
轉入/轉出半徑（英寸，%）： 0.394, 125
改變： 否/是
冷（lěng）卻劑： 是
舉例2
地點 北卡（kǎ）羅來納州夏洛（luò）特THINC 工廠，Okuma Partners
零件 D2 工具鋼，已退火，~23 洛氏硬（yìng）度，直徑2.5”，長36”，D2 Tool Steel
機械加工刀（dāo）具 Okuma Genos L300
控（kòng）製（zhì）
切削刀（dāo）具刀片 ISCAR GDMY 840 IC 808
刀具直（zhí）徑 （英寸） 0.315
刀具運動模式 ProfitTurning™
軸轉速, CSS 550
進給速率, IPR 0.05
切削深度（dù）（英寸，%） 0.04, 13
轉（zhuǎn）入/轉出半徑（英寸，%） 0.394, 125
改變 否/是
冷卻劑 是
視頻鏈（liàn）接 youtube.com/watch?v=GP4ft3rjqcw
結果 循環周期：ProfitTurning™是22 秒，相對於傳統車削所需的41秒，節約了19 秒。
商業方程式
在如今的（de）製造業世界中，很多金錢都投入在采用和投資新（xīn）技術上。但是，相對（duì）於繼續使用傳統方式，何時采（cǎi）用那些新技術尚待決策。采用ESPRIT的ProfitTurning™可以提高切削速度並（bìng）且減少切削時間，但是與傳統方式相比，使用這項新技術（shù）的（de）投資成本是多少呢? 我們使（shǐ）用了Sandvik的車削計算器，通過設置選擇切削策略時（shí）的優先順（shùn）序（xù）來向使用者展示這一點。我們計算了使（shǐ）用（yòng）ESPRIT Profit-Turning™和圓形刀片的情況下（xià），每個零件的成本（表1），同時，我們使用傳統往複式切削方式和相同的圓形刀（dāo）具刀片和刀架進行相似（sì）的成本（běn）估算（表2）。最終結果顯（xiǎn）示，使用ProfitTurning™
加工的每個零件單價比使用（yòng）傳統往複（fù）式切削方（fāng）式加工的零件單價要減少 60%。
每個零件成本減少-60%
商業方程式數據
零件年量： 5,000
每小時機器（qì）成本（美金）： $50
每個零（líng）件的總循環周期（秒）： 22
刀片成本（美金）： $45
刀片壽（shòu）命（零件數量）： 24
每個刀片的刀刃： 2
每個刀具的刀片數： 1
每個零件分攤的刀架成本： $150
最（zuì）大刀片指標： 1
每個零（líng）件機加工單價( 美金)： $7.49
每年總成本（美金/年（nián））： $37,465
表（biǎo）1. 使用ProfitTurning™的成本預估
零（líng）件（jiàn）年量 5,000
每小時機器成本（美金） $50
每個零件的總循環周期（秒） 41
刀片成（chéng）本（美（měi）金） $45
刀片壽命（零件數量） 8
每個刀片的刀刃 2
每個刀具的刀片數 1
每個零件分攤（tān）的刀架 成本 $150
最大刀片指標 1
每個零件機加工單價 ( 美金) $22.13
每年總成本（美金/年） $110,66
表2. 使用傳統往複式切削（xuē）方式的成本預估
結論
ESPRIT的ProfitTurning™切削策略的特點是刀具路徑能保持固定的（de）切削負載和切削力，使切削速度得以顯著提升。通過使用圓形刀片來控製接觸這一（yī）技術，ProfitTurning™刀（dāo）具路徑還能減（jiǎn）少震動和殘留應力，使它尤為適合處理薄壁（bì）或硬質材料，如超合金。這（zhè）一創新的切削（xuē）策略使得每個零件的機械加工循環周期和成本顯著降（jiàng）低，產能提高，讓它成為終極車削解決方案。
1 見Sandvik Coromant 貼士影片：切槽（cáo）——餘擺（bǎi）線車削，網址：youtube.com/watch?v=sJnQnsz0cN8
2 見Sandvik Coromant 計算機（jī）輔助製造編（biān）程貼士：餘擺線車削，網址：youtube.com/watch?v=HRtSpY0SdBY
3 見Sandvik Coromant 貼士（shì）影片：圓形刀片超前角，網址：youtube.com /watch?v=9CCr78Z60U4
4 TMAC，Caron Engineering 公司的刀具（jù）監控（kòng）自製控製，可參考網站caroneng.com/
5 不良的基本形（xíng）狀刀片見Sandvik Coromant——車削刀具2012，網址：
sandvik.coromant.com/sitecollectiondocuments/downloads/global/catalogues/en-gb/turning/turn_a.pdf
6 航（háng）空航天工業工程方案見Sandvik Coromant - 應用指南——耐熱超合金PDF 文件，網站：
sandvik.coromant.com/sitecollectiondocuments/downloads/global/technical%20guides/en-us/c-2920-034.pdf
6 Sandvik Coromant 車削計算器可見網址
sandvik.coromant.com/en-gb/knowledge/calculators_and_software/apps_for_download/Pages/turning-calcula
tor.aspx
關於ESPRIT
作為DP Technology的旗艦產（chǎn）品——ESPRIT，被譽為提供給（gěi）CNC程序員有史（shǐ）以來功能最強大的CAM係統。ESPRIT是（shì）世界上唯一一款能夠在同一操作界（jiè）麵進行車削、銑削、線切割以及車銑複合編程加（jiā）工（gōng）的CAM係統。高性能的ESPRIT係統能夠為（wéi）任意一種CNC機床提供強（qiáng）大的編程能力，與我們合作的機床企業（yè）有：德馬吉森（sēn）精機（jī）（DMG MORI），日本山崎馬紮克（MAZAK），瑞士阿奇夏米爾（GF Agie Charmilles）， 西鐵城（CITIZEN），韓國鬥山（DOOSAN），EMCO，中村留（NAKAMURA-TOME），大隈（wēi）（OKUMA）等。
關於DP Technology
DP Technology的全球（qiú）總（zǒng）部位於美國加州的卡（kǎ）馬裏奧市，是業界領（lǐng）先的CAM技術解決（jué）方案開發商和供應商（shāng），其旗艦產品ESPRIT可以為任意一（yī）種CNC機床提供強大（dà）的編程能力。公司不僅擁有一批（pī）長（zhǎng）期專業（yè）從事軟（ruǎn）件研發、二次開（kāi）發、軟件應用的專業人才隊伍，還堅持每年投入近20%的年收入用（yòng）於產品的持（chí）續研發中，以增（zēng）強其技術優勢。這一長期的戰略決策成就（jiù）了ESPRIT強大的技術創新優勢，並奠定（dìng）了ESPRIT自上市以來在工業領域的領航地位（wèi）！
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