正确进行数控研磨工艺，有效降低模具采购成本

理解了模具可研磨量之后，我们就可以进一步来研究对数控冲床模具的维护保养的重要性了。 在此之前，我们需要先再了解一个概念，那就是在什么时候需要去研磨模具。MATE 在在对国内数百家厂家的拜访中发现，70%的厂家，特别是小型的私营钣金加工工厂，根本就不在意研磨模具的这个问题，他们会把这个模具反复使用，直到其无法再冲压出一个像样的孔洞为止，并以此作为衡量模具寿命的标准，同时再以此作为衡量冲床模具的性价比的基础数据。 事实确实如此么？ 为了让大家正确掌握研磨的时间点，我们首先需要弄清楚两个概念： 1. 如何判断模具是否需要研磨；实际上，按照我们生活的常识来看，模具如果每隔几天在使用前，就可以稍微研磨一下了，正所谓“磨刀不误砍柴工”，这个流传千年并口口相诵的谚语，却被大部分的钣金企业所忽略了。在条件允许的情况下，尽可能多的频繁研磨，肯定会大大的延长模具的使用寿命。 而按照目前钣金制造业界的经验，如下图所示，当冲芯刃口出现半径为0.25 毫米的时候，我们一般就认为模具必须要进行研磨了。如果大家对半径0.25 毫米没有概念的话，那么还有两个窍门：一种是那就是当你用手指去触摸冲芯刃口，能够明显感觉出来刃口边缘有圆角的时候，就是模具不得不磨得时候了；另外一种则是通过聆听冲床冲压时候产生的噪声，如果非常沉闷且噪杂的时候，也是到了必须研磨的时候了。 2. 如何才能充分延长模具的使用寿命 接下来，我们进行一个反面分析，即，如果你不去频繁研磨，将会有什么后果。 下图则是一个理论分析对照表。 需要注意的是，该图是以MATE 超能TEC 的每次研磨间的理论可冲数目为基础的，并不是确切的实验结果。 如果其他厂家想对本厂使用的模具进行类似分析的话，需要根据自身的实验数据对此进行相应的增减。该表格的右侧对超能TEC 冲芯正常的研磨频率进行了分析，如果每当冲芯刃口出现0.25mm 圆角的时候都能保质保量的进行研磨的话，那么每次研磨之后，都能达到相应的10 万次冲压数，那么经过了4 次研磨，模具刃口共被磨掉了1mm，而此时模具可进行40 万次的冲压。 该表格的左侧则对很多厂家的不好的使用习惯做了模拟。当第一个0.25mm 半径出现时，模具属于被正常的使用，因此可以达到10 万次的冲压次数；如果此时并不去而是听之任之的话，模具表面遭到破坏，加速了模具的磨损，因此当圆角扩大到0.5mm 的时候，只能达到额外的5 万次的冲压次数；如果继续任由其继续冲压，圆角半径扩大到0.75mm,甚至1mm 的时候，其可以提供的冲压次数成几何级数下降，那么当模具表面出现近1mm 的毛刺面的时候，一把昂贵的超能TEC 冲芯理论上仅仅只能可以冲压18 万次左右。 需要注意的是，其危害性不仅在此。如果按照第一种方式频繁研磨，模具始终保持良好的平面和侧面品质，那么一把超能TEC 冲芯按照单次0.3mm 研磨量来计算的话，针对1.5 毫米的谈钢板，实际上可以达到的理论冲压值为：10 冲万/次 x (10.4mm) 可研磨量 / (0.3mm/次) =340 万次；而如果按照第二种方式来使用同一把模具的话，那么当模具出现2 毫米深的毛刺的时候，这把模具基本上就可以废弃了，那么实际上可以达到的冲压次数按照几何基数递减的法则，则最多可以达到25 万次，该把超能TEC 冲芯基本就已经报废。这时我们再来比较两种方式的时候，我们就会吃惊的发现，由此产生的差距竟然达到了10 倍之多。。。因此，我们可以很容易的看出，频繁研磨对于降低冲床模具成本的革命性的意义了。 当我们了解了频繁研磨的重要性之后，我们要来解决第二个问题，即如何才能提高每次研磨之间的冲芯和下模的可冲压次数。由此我们通过分析以下几个方面的力学现象，从而理解刃口平面的粗糙度对于有效延长模具寿命的重要性： 粗糙度是机械加工学上最为常见的技术参数之一，它描述了工件表面的研磨和抛光质量。粗糙度越高，表明了工件表面凹凸不平，从而导致了较小的有效受力面积的； 粗糙度越小，表明了工件表面趋于平坦，可以获得较大的有效受力面积。至于判断粗糙度大小的标准非常简单，我们只需打量研磨后的刃口平面的光亮度， 基本上就可以看出粗糙度是高是低了。 下图的三种研磨后模具均可以通过目视检查来判断其研磨质量的好坏。 最左侧的研磨后模具表面暗淡无光，正是因为其粗糙度太高，导致了阳光在其表面发生了漫反射，使得没有足够的阳光进入人们的视线之中；而最右边的研磨后的模具光亮有致，甚至可以照出人脸，说明其研磨的高质量和低粗糙度。 而反映到有效接触面积这个问题上来的时候，我们就可以为以上的三种研磨效果进行排序，由此可以认定： % 最左边的模具研磨后，实际有效接触面积只占理论接触面积的大约 60%; % 中间的模具研磨后，实际有效接触面积大约占理论接触面积的 85%； % 最右边的模具研磨后，实际有效接触面积大约要占理论接触面积的 97%以上 通过以上的计算，我们就可以引入实际压强这个数值。材料力学中最简单的原理告诉我们，工件在某种压强下还能保持其原本物理结构不产生断裂或破碎的特性，我们称之为材料的刚度。 而工件之所以不会产生断裂的前提条件就是：工件承受的实际压强小于工件的刚度，由于针对某种特定的模具，其刚度是它随身所带的特性，是一个常数，因此在这种情况下，如下图所示，我们如果想对工件的断裂做进一步的分析时，工件承受的实际压强成为了唯一的可变因素。 我们知道压强实际上等于作用力除以实际有效接触面积，当冲床的作用力吨位数固定的情况下，实际有效接触面积越大，其产生的实际压强值就越小，工件就越不容易断裂；实际有效接触面积越小，其产生的实际压强就会成倍增加，工件就很容易断裂，如果工件是冲芯的话，那么其刃口表面的毛刺就会如同多米诺骨牌一样，成几何级数的迅速垮塌，从而制造了新的毛刺，进一步减少了有效接触面积，进一步加大了实际作用压强，形成了恶性循环，最终导致模具的整体报废。 因此，我们可以很容易的得出这样一个结论： 那么在接下来的章节里，我们就需要讨论，如何才能提高研磨的质量和效率。 MATE 通过对于国内钣金厂家的调查发现，除了70%的对模具从不研磨的厂家之外，大约有25%的钣金企业是采用厂内自行配备的万能型平面磨床来对模具进行不定期的研磨的。在这种情况下，MATE 给出了如下的建议： 1. 要注意敷料的正确选择敷料对于研磨后的模具表面粗糙度相当的重要，如果用错了敷料，那么技术再好的老师傅，也无法磨出让人满意的效果，从而恶化了模具的使用环境，造成了模具的提前报废。 2. 要注意砂轮的研磨方向下图就是一个很明显的例子，如果砂轮与模具处于同一平面，那么就会造成过大的刨削区域，一方面大大浪费了模具的可研磨量，另外一方面也造成了模具非常差的平面度。正确的方式是，磨轮所处的平面需要和模具所处的平面垂直，这样才能较为精确的控制给进量，有效地节约模具可研磨长度。 3. 要注意砂轮步进量和手动轮步进量的协调配合下图就是一个砂轮和手动轮之间配合不协调的反例，砂轮在模具表面上的某处停留时间过长，产生的摩擦热无处散开，从而转换成了形变能量，在模具表面形成了波纹结构，大大减少了模具表面的有效接触面积，加速了模具的磨损乃至报废。 4. 要注意充分的润滑润滑液的选择和补给相当的重要。 如果选择了错误的润滑液，那么就会造成了研磨的表面粗糙度效果 而如果没有补给足够的润滑液，那么就会造成模具在研磨过程当中直接退火，造成了模具的硬度失效，从而提前报废。 5. 要注意对磨床工人的技术水平和职业道德的培养实际上，在使用平面磨床研磨模具的过程当中，这才是最重要的一点。传统磨床对于操作员工的技术熟练水平有着非常高的要求，因此，往往一个高素质的平面磨床操作员工的工资水平将是相对于其他工种而言属于比较高的。 如果钣金企业对此比较介意，为了节约人力成本，从而只是随随便便安排一个技术水平较为低劣，或者职业道德素养较差的工人来进行模具研磨工作的话，其给企业带来的损失，将远远大于通过这种用工方式节约下来的人力成本。 因此，企业就可以很容易得在以下的两种情况下，做出正确的判断： % 要么，采用工资较低的新手来进行研磨，从而浪费了大量的模具可研磨量，甚至导致模具报废，引起了企业的高模具使用成本； % 要么，聘请高工资高水平的磨床操作工，从而保证了精确的研磨深度，优质的表面粗糙度，充分的研磨润滑，有效地节约了模具的使用成本。 但是，在目前较为激烈的人力资源竞争过程当中，高水平的磨床工人一直是钣金以及机加工企业的抢手资源，因此其流失率非常大。因此，最令企业头疼的往往就是，好不容易培养出来一个符合资质要求的磨床工人的时候，却被他人轻易地挖走了。因此，我们必须找出一条尽可能不依靠人力因素来保证研磨质量的方案。 MATE 生产的手动式ValueGrind，TRUMPF 生产的手动式磨刀机，则在这方面，向各个钣金企业提供了相应的解决方案，从而尽可能的帮助企业摆脱对于人力资源的依赖，简化了冲床模具的研磨难度，有效地保证了模具的研磨后的使用寿命和冲压次数。 上图就是一台MATE 生产的ValueGrind 手动式研磨机，其操作方式简单易学，把复杂的两轮双手复合操作的形式改成了简单的单手摇摆操作，同时由于磨轮此时变成了水平旋转，因此只需通过手动调节即可完成精确的0.02 毫米的步进量，从而只需设置一名普工，即可完成复杂的研磨任务。 此类研磨机，目前已经被不少国内厂家非法复制了若干种型号并进行了低价倾销，MATE只能对国内的用户提起以下在使用过程中的忠告： % 请务必注意砂轮的敷料，因为其直接影响了研磨的粗糙度； % 请注意下行步进量的有效调节，从而确保最经济的完成研磨总量； % 请注意研磨机是否装配的有效地润滑液循环装置，是否能够在研磨过程中供给足够的乳化液，避免模具的退火； % 是否能够有效地固定待磨模具，且不伤害其外表面 % 请注意砂轮及其砂轮敷料的有效寿命，避免高昂的置换和运行成本 此外，还有非常重要的一点，各个钣金企业需要千万注意，即对于手动研磨机的操作工人的职业道德培养和工作强度的设定。 使用手动研磨机，由于其单次步进量大多在0.02mm 左右，如果想要磨去0.3 毫米的毛刺，那么每个模具的实际研磨耗时要在15‐20 分钟左右，这也就意味着每班次可以研磨的模具总数不应该超过30 个。 有些钣金企业如果忽视这个规律，强行规定每班次要研磨更多的模具的时候，操作工人为了能够准时下班，必然会要么加快研磨摇摆频率，要么草草研磨数下之后便进一步加大研磨下压步进量，而这两者都会对磨轮及其敷料造成巨大的伤害和磨损。 以MATE 的ValueGrind 为例，以每日8 小时工作时间计算的话，ValueGrind 的CBN 磨轮实际的设计使用寿命应该是至少2 年，在润滑充分的情况下，甚至3 年也无需更换。但是，MATE 遇到的极端情况是，有部分企业2，3 个月就会更换一个昂贵的磨轮，后来经现场观察发现，其工人为了尽快完成每日的工作量，不顾磨床的使用说明，强行快速研磨，同时加大每次的下压步进量，造成磨轮敷料的过载，导致了磨轮的迅速报废。 这个反例提醒了大家，手动式研磨机虽然可以降低了研磨过程的机床操作难度，但是由于人为因素仍然存在，从而造成了研磨质量的下降和研磨机磨轮寿命的显著缩短。 这两点在目前中国现有的企业管理水平下，是非常难以改变和提高的。 前面我们对两种传统的研磨方式进行了分析和比较后我们就能发现，传统平面磨床对于高技术水平的操作人员依赖性大且效率低下；手动研磨机虽然可以解决对于技术的依赖性，却依然无法解决其效率低且易遭恶意磨损的缺点，在这种情况下，业界则推出了自动数控研磨技术的概念。 那么我们首先要界定，在什么情况下我们将适合使用自动数控研磨机。 如果从数量上来考虑，我们认为，当一家钣金制造企业拥有4 台数控冲床设备的时候，就基本到了需要考虑自动研磨的时候了。因为此时每天实际上每台冲床上已经产生近15 个以上的待磨模具，按照西方的制造理念，此时该企业需要每天研磨超过60 个模具用以保证模具的高寿命。而根据我们之前的计算结果，手动式研磨机每班次的最高产能也不过30 个左右，已经无法满足4 台冲床的研磨需求了。 如果从质量上来考虑，我们认为，当一家企业使用的是进口或者国产中高端模具的时候，手动平面磨和手动研磨机的研磨质量已经成为了其有效增加研磨间可冲次数的质量瓶颈口，此时，高质量的数控研磨可以保证卓越的研磨粗糙度，从而进一步提高了进口模具的性价比，达到了物有所值。从降低工作重复性和提高企业精益化生产的角度，也需要利用自动研磨工艺来取代枯燥乏味的摆臂动作，从而避免了自然劳动力由于疲倦和无聊导致的生产责任事故。 在以上提到的三种情况下，自动研磨机将起到积极的辅助和推动作用。接下来我们可以就MATE 生产的MPG 系列研磨设备为例，来了解一下自动数控研磨设备的机械和电路结构和运行原理。 研磨机的工作主体部分是由电机在丝杠上上下驱动的磨轮组成。 不同品牌的主体部分的区别在于： % 电机是否可变速，从而在不同的研磨阶段达到最合适的研磨或者抛光速度； % 磨轮是否为优质 CBN 敷料磨轮； % 研磨的起始点定义的方法，机械式，光电式，手动式，以及如何在系统中消除时间滞后参数。 % 研磨的起始点定义的精度，从而保证了磨轮在正确的起始位置上开始研磨 % 研磨机的辅助部分包括： % 数控电路系统 % 润滑泵压系统 % 转盘辅助研磨驱动系统 但是实际上，最重要的则是研磨机的生产系统，即模具的装卡系统。目前市面上流行的仿制研磨机，有的只能研磨下模，有的可以研磨少量工位的厚转塔冲芯，但是一旦某家钣金企业既拥有数控转塔冲，又拥有村田，或者通快，或者萨瓦尼尼系列冲床的时候，大部分的仿制机型则只能望洋兴叹，自动放弃了。 因此，在数控研磨设备里面，实际最为核心的设计know‐how，就是针对不同系统模具的单一型或者万能型的冲芯及下模装卡系统，否则，即使购置了仿制机型，也无法对本厂的模具进行有效研磨。 除此之外，如果仿制研磨机型如果采用三爪卡钳式的紧固方式来固定下模或者冲芯的话， 也会在高速研磨过程中，在较大的旋转力矩的影响下，对待磨模具的外表面，同心度造成了巨大的损伤，使其丧失了研磨后的冲压过程中的表面光洁度和对心度，得不偿失。 因此，我们从而可以得出这样一个结论：一台质量优越的自动化数控研磨设备必须具备以下的这些特征： % 马力强劲的变速电机； % 精度有保证的光机电一体化的研磨起始点探测系统； % 优质的大尺寸CBN 磨轮，用以研磨0.6mm‐160mm 尺寸的冲芯与下模; % 高精度可编程数控系统，用以对不同的模具系统研磨过程进行高效的设定和管理； % 流量充足的润滑泵压和喷嘴系统，从而保证最大限度的研磨深度； % 能充分保证定位装卡精度的万能型或者单一型冲芯&下模固定系统； % 转盘角度调节系统用以斜刃刀或者屋顶刀的研磨 只有一台数控研磨设备拥有以上特征的时候，才值得钣金企业对其进行投资使用，并从而获得应有的投入产出效益。 在了解了数控研磨的硬件要求后，我们来看一下，数控研磨设备能给企业带来哪些直接的经济效益。毫无疑问，我们首先需要来考察的就是通过数控研磨设备所带来的有效可冲总次数的增长量。下面我们通过使用前后的两张统计图表的对比，从而可以让读者非常容易比较出数控研磨工艺带来的巨大的经济效益。第一张图表显示了不同的模具如果并不能频繁的研磨的话，他们实际可以产出的可冲压总次数。 在这种情况下，我们可以非常轻易地得出一个结论，国产模具的性价比明显优于进口的冲床模具。但是事实真的如此么？那么就让我们来看一下，在采用了数控研磨工艺后，不同模具之间的可冲次数的对比。 由此我们可以惊诧的发现，国产与进口品牌之间的可冲次数的差值，从之前的2 倍，激增到了3.4 倍；而切边刀的可冲次数差值，则从之前的5 倍激增到了8.5 倍。 于此同时，即使是国产的模具，只要其材料品质过硬，没有内部裂纹和气泡等质量问题的话，同样也从之前的18 万次的寿命激增到了1 百万次的冲压寿命，同样得到了相应的经济效益。 换句话说，仅此一项，企业根据不同的模具品牌，每年即可节约至少50%的模具采购成本。各家企业可以自行套用各自的年度消耗量，从而得到相应的数据。初次意外，数控研磨工艺同样也带来了其他的直观的经济效益，我们可以通过下表来做具体的描述和分析不同品牌数控研磨设备的性能表现。 从上表我们不难分析出，一台优秀的数控研磨设备，基本上可以满足4‐8 台数控冲床的每日研磨需求，同时可以取代近8 台平面磨床的产能，而且客户回馈的数据表面，一个工人最多可以同时操控3 台数控研磨设备，也就是说，最大可以满足12‐20 台数控冲床的模具研磨任务，由此我们可以清楚地看到，数控研磨设备可以大大解放了模具间的研磨维护保养效率，真正的体现了优质品牌模具性价比，从而诠释了“磨刀不误砍柴工”这句话的真谛。 除此以外，数控研磨工艺同时还能产生了一系列的其他的间接经济效益，为了方便读者理解，我们同样也列出了相应的图表，列举出了各个品牌数控研磨设备给生产使用者带来的其他经济效益，其中需要解释的TTT(Thick Turret Tooling)厚转塔冲床模具的缩写。 如果需要对这些经济效益做一个归纳总结的话，那么以下几点就是数控研磨设备给企业带来的最重要的经济效益： % 有效成倍延长了数控冲床模具的使用寿命； % 降低了对模具间操作工的资质要求和职业素养要求，从而彻底摆脱了模具研磨质量对熟练工的依赖性； % 企业不再因为外协研磨所导致的漫长的等待周期而被迫备2 到3 套相同的模具，从而避免了库存浪费；即使采用外协研磨，如果外协供应商也使用数控研磨设备的话，同样可以加速研磨服务速度，帮助企业节省相应模具的库存资金； % 同时由于模具的表面质量的提高，从而减少了拖料和退料现象，从而有效地减少了材料报废率和不合格率，帮助企业堵住了生产浪费的缺口。 这其中的优点就不用多阐述了，锋利的模具必然可以保证了孔洞的冲压质量，避免了冲床液压系统的长期过载，于此同时减少了冲芯在冲压过程中不能及时退料的影响因素，保证了冲压生产的正常进行。 数控研磨工艺对于生产效率提高的推动效应是极其巨大的，我们可以从以下几个方面分别来分析其推动效果： 毋庸置疑，一旦企业形成了行之有效的研磨保养体制后，每日操作工人只需要将当日研磨装配好的模具放入冲床设备后，便可以放心大胆的任由其进行连续冲压。由于刀口始终保持了锋利的状态，在充分润滑的前提下，基本上可以保证不再会有冲芯无法及时退料，或者造成空洞毛刺过多导致的停机保养事件的发生。而且如果模具得到了高质量的研磨之后，其每次研磨间的可冲次数得到了成倍的增长，同时也避免了模具使用后期，操作工被迫频繁停机，检查冲压质量和频繁更换模具的事件，大大提高了冲床的有效运营成本，从而保证企业进一步提高了生产第一线的盈利能力。 一旦模具得到了高质量的研磨，那么凭借其锋利的冲芯刃口，在得到冲床系统充分的润滑下，可以避免产生大量的无效摩擦热，并通过润滑液有效带走热量，模具的温度始终控制在一个合适的水平，在这种情况下，操作工就可以开启冲床的高速冲压模式，进一步的提高冲床的生产效率。 这一点对于生产第一线尤其重要，由于数控研磨设备简单易学，一旦中班或者夜班出现模具崩刃或者折断现象，一个普通的操作工人，也可以在2‐10 分钟之内，将此模具优质高速的进行研磨修补，从而避免了整条生产线的停工等待，保证了生产活动的有效进行。由此可见，数控研磨设备将会给钣金企业的生产效率产生了巨大的推动作用，帮助企业进一步的增产节约。 最后，我们也会给读者提供在选购数控模具研磨设备时候一些建议，供读者进行参考。 电机的功率基本上决定了研磨速度的高低，也决定了研磨的效率。一台MPG 研磨机的电机功率达到了3.3KW, 而一台仿制的研磨机的功率却只有1.1KW 左右，从而在基础硬件上，产生了绝大的生产效率差值。初次之外，电机是否可以变速，是否可以进行数控编程同样很重要。实际上，整个研磨过程分成三段，即快速粗磨，慢速精磨，匀速抛光。只有通过这样的速度组合，才能最有效且最高质的对模具进行有效的研磨。因此，读者如果有意选购数控研磨设备的话，电机的功率和种类将是选购时候重要的参数。 磨轮的品质，整套系统的刚度和稳定性，电机的功率大小，其组合因素最终体现在研磨的加工范围上，最理想的研磨设备，需要可以研磨小到0.6mm 的厚转塔多子模冲针，大到320mm 的巨型萨瓦尼尼模具，以及原始型的厚转塔A,B 工位冲芯，如果能够做到这几点，那么这台数控研磨设备就物有所值了。 之前我们说过，数控研磨设备一定要属于“傻瓜”机型设计，一定要让所有的操作工包括普工，可以毫不费力的上手操作，并且采用各种措施，避免其误操作带来的人身伤害和工件损害。因此，数控设备无论是维护保养，还是在设计上做到最方便快捷，从而保证了设备的高效正确使用。 最后一点是最重要的，也是很多厂家忽视的一点。在前面我们就已经阐述过，模具刃口表面的粗糙度越小，那么其有效寿命必然越高，研磨的性价比就越高。因此，最后一道的抛光工艺是必不可少的用来提高研磨质量的关键环节。但是很多设备厂家为了降低设备的制造成本，有意无意的忽略了这道工艺的加入，从而无法保证高品质的完成模具刃口表面的最终加工，使得自动研磨与手动研磨的最终效果相差不多，并没有很好的起到提高性价比的作用。在此，我们也把市面上较为流行的几款数控研磨设备的技术参数对比一下，供读者在选购的时候进行参考。