圖1(鼠標懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

圖2(鼠標懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

如果加工工藝可以描繪成一種恒定不變的模型，那么金屬切削技術的新發展就能夠產生最大的經濟效益。從綜合或全局的生產經濟性角度來看，這對比較不同的可行技術方案具有極為重要的意義。全局生產經濟性的定義是：“確保加工工藝的最大安全性和可預測性，同時保持最高的生產率和最低的生產成本。”在對單個加工進行詳細的1:1優化之前，必須從宏觀角度對工藝生產率和成本效益的總體情況進行平衡和優化。采取這一步驟后，可以通過仔細調查適合進行1:1優化的情形來實現進一步的改善。

微觀和宏觀模型

為了實現最佳金屬切削結果，傳統方法采用一種狹義的微觀模型，它基于在一次加工中對單個刀具進行1:1優化的情形。而另一方面，宏觀模型考慮的是廣義上的制造。在這些宏觀或全局模型中，生產特定工件所需的總時間具有更具決定性的作用。全局優化的一個簡單示例是在流水生產線中利用兩臺機床生產部件。如果無法對機床“B”進行同樣的改進，對機床“A”進行的切削時間優化和產量增加就毫無用處。機床“A”增加的產量只會造成機床“B”上等待加工的半成品工件的庫存增大，導致額外的成本。在本例中，更好的做法是優化機床A上的切削成本。這樣做可能會限制機床A的生產率，但會降低總成本，同時保持產量。另一方面，在機床B等待加工機床A生產出的零件時，增加機床A的產量將會提高總產量。這在很大程度上取決于車間對其生產加工的組織方式：是采用生產線加工、按批次加工，還是并行加工。雖然無法概括各種情況，但這些示例都表明需要從全局角度出發，同時說明了需要非常細致地開展微觀模型優化。從全局角度出發的要求可適用于機床本身。典型情況可能是一個車間一周40小時滿負荷運行銑床，它決定將其替換為高速機床。當新機床開始投入運營時，卻有一半的時間都處于閑置狀態。這使該車間面臨尋找新作業以使新機床保持運行的挑戰，因此還要支付額外的費用，同時要證明這筆投資的合理性。更好的方法是首先對全局情況進行審視，并預估新機床的更大產量會產生什么結果。

優化切削時間與切削成本

1:1優化關注的是一個應用場合和單個刀具，旨在以盡可能最低的成本產生高金屬切除率。該工藝涉及選擇最適用于加工零件的刀具以及采用可行的最大切削深度和最高進給率。當然，最大切削深度和進給率會受到機床功率和扭矩、工件夾緊穩定性和刀具夾緊安全性的影響。1:1優化的最后一步是選擇最低成本或最大生產率方面的適當標準，并利用切削速度進一步優化該標準的實現。重要的是記住用于決定刀具壽命的泰勒(Taylor)模型。該模型證明，對于給定的切削深度和進給量組合，在刀具損耗仍是安全、可預測并且可控制的情況下存在最佳的切削速度范圍。在該范圍內作業時，有可能對切削速度、刀具磨損和刀具壽命之間的關系進行定性和量化。起初，隨切削速度的增加，加工時間減少且生產率提高。但在增加到某一特定速度后，成本再次開始升高。超過特定的切削速度后，刀具壽命開始縮短，以至于需要頻繁更換切削刃。從全局來看，加工時間成本降低所產生的影響要小于刀具成本快速增加所產生的影響。因此，刀具存在某個切削速度，可使兩個成本總和得以平衡，從而獲得最低總成本。在追求生產率時，車間必須謹慎，不要過度關注生產細節而未充分考慮全局，即用于生產工件的總工序時間。

質量和生產率：充足但不多余

如今，人們對零件質量水平的要求比過去更加嚴格。然而，實現最高質量水平有時會顯得過猶不及。高質量固然很好，但過高的質量卻會浪費資金。總結這一情況的簡單理論問題就是：“我們如何生產出功能合格的最差工件？”通過僅滿足這個最低要求，成本可以大大降低，生產率也可以顯著提高。同樣，如果只關注在較短周期內實現最高的生產率，則金屬加工工藝的可靠性就會降低。當在可行性不高的情況下進行連續加工并且超出該限制時，代價就是工件不合格或報廢并且損失時間。

質量、生產時間和成本

生產效率包括三個因素：質量、生產時間和成本。此外，還必須考慮能耗、磨損刀具的處置或回收、加工廢物等環境因素，以及有關員工健康的安全因素。很多個體技術因素會影響生產效率。對于金屬切削工藝，有50-70個個體因素會影響效率，而且常常有一個或多個因素會對效率產生明顯的影響。典型因素包括刀具/刀具系統、工件配置和材料、設備加工能力和參數、人力因素、外部設備和維護問題。其中一個最大的影響因素便是刀具和工件相互作用的結果。了解刀具磨損和失效模式對控制金屬切削工藝而言至關重要。磨損跡象通常是逐漸發生并且可以預測的，而其他失效模式，如刀具斷裂，則缺乏必要的可預測性，因此無法維持可靠的切削工藝。

通用刀具

出于平衡生產率、可靠性和刀具成本的考慮，需要使用可在廣泛應用領域內提供通用性和靈活性的刀具。另外，多用途或通用刀具(see sidebar below)還滿足了制造業明顯向更小批量發展的趨勢。向更小加工批量的轉變源于人們越來越多地運用準時化的生產策略和外包的增加。

圖3(鼠標懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

圖4(鼠標懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

圖5(鼠標懸浮窗口放大，單擊查看放大全圖)

目前，分包商需要定期但并非連續生產小批次的工件。在過去，自動換刀裝置有助于減少換刀造成的停機時間，而隨著夾具更換裝置的使用，則減少了工件操控造成的停機時間。通用刀具可以縮短在工件更換時裝入新刀具的時間，并且消除設置和測試新刀具的需要，因此縮短了停機時間。另外，由于車間中不同刀具的數量減少，因此也縮短了刀具處理時間，并增加了加工操作的時間。傳統的刀具選擇策略傾向于以應用為出發點：例如尋找專門用于鋼件、不銹鋼的刀具，或者用于粗加工或銑削應用的刀具。而比為單一加工選擇刀具更重要的是如何使該加工符合全局要求。這種選擇應傾向于從生產率、成本效益或可靠性角度來看需要哪種刀具，以及哪種刀具最適合于整個生產工藝。

簡單的解決方案

從全局的角度進行工藝優化并不一定很復雜，它可以采用一些非常基本和簡單的操作及分析。對使用過的刀具進行檢驗就是一個重要的例子。正確理解刀具所展現出來的情況能夠全面認識車間中進行的工作。例如，如果車間一般采用切削刃為12mm長的刀片，而刀具上的磨損形式僅達到2mm或2.5mm，那么該車間所使用的刀片對于所進行的工作來說可能過大。使用切削刃為6mm的刀具應該就綽綽有余，而切削刃6mm長的刀具比切削刃10mm長的刀具要便宜得多。這種簡單的觀察可在不降低生產率的情況下減少50%的刀具成本。

刀具制造商的回應

今天，刀具制造商認識到客戶越來越青睞那些生產率高且經濟實惠的通用刀具系統，并對此作出了積極的回應。新開發的通用刀具在提高產量的同時還降低了刀具庫存、刀具操控、重新對刀和測試成本。此類刀具的一個示例是山高的Turbo銑刀系列。這些刀具在廣泛的應用中具有卓越的通用性和靈活性，可以提供出色的成本效益和高性能。它們旨在提供無差錯的生產和高質量的工件表面粗糙度。這些刀具具有正向切削槽型，可降低功耗、延長刀具壽命并盡可能增加切削深度和進給率。這些刀具的能力代表了邁向總體優化工藝的第一步。通用刀具的另一方法是裝配一套適用于各種應用的刀具。山高精選刀具專為提供靈活性而設計。所選的刀具組包括有限數量的刀具，它們可能未必提供絕對的最大生產率或成本效益，但在加工日益變化的各種工件和部件所需的最大靈活性方面，它們卻是最經濟的最佳選擇。本質上，這種方法并不適合各種需求。例如，與之相對的便是高度專業化的產品，如PCBN刀具，專門用于對特定的工件材料進行極高質量和/或極高生產率的加工。PCBN刀具非常昂貴，但卻是某些專業應用的最佳選擇。從批量的另一方面來看，定制工程刀具(CET)是一種專為特殊應用的大批量生產而定制的方法。該刀具旨在限制對不同刀具的庫存要求，但仍有可能實現微觀和宏觀優化。正如制造車間必須從整個生產工藝的全局角度出發來選擇金屬切削技術，刀具制造商必須開發能夠滿足廣泛客戶需求的產品系列