Każdy kierownik warsztatu CNC stanął przed tą samą zagadką ekonomiczną. Zbyt często zmieniaj narzędzia, a węglik przepala się w zastraszającym tempie. Przekroczenie optymalnej żywotności narzędzi wiąże się z ryzykiem złomowania części, uszkodzonych przedmiotów obrabianych i połamanych noży. Gdzieś pomiędzy tymi skrajnościami znajduje się optymalny punkt, w którym całkowity koszt produkcji w przeliczeniu na część jest minimalizowany. Znalezienie tej równowagi wymaga zrozumienia nie tylko kosztów narzędzi, ale także ukrytych wydatków związanych z każdą wymianą narzędzia i każdą awarią.
Koszt bezpośredni narzędzia tnącego jest prosty. Frez pełnowęglikowy kosztuje od trzydziestu do stu pięćdziesięciu dolarów. Płytka do narzędzia tokarskiego może kosztować od ośmiu do dwudziestu dolarów. Liczby te są łatwe do śledzenia. Jednak prawdziwy koszt oprzyrządowania obejmuje znacznie więcej. Za każdym razem, gdy operator zatrzymuje maszynę w celu wymiany stępionego narzędzia, narasta czas przestoju wrzeciona. Wymiana narzędzia może zająć od dwóch do pięciu minut. Przy szybkości pracy maszyny wynoszącej sto dolarów na godzinę ten czas bezczynności kosztuje około trzech do ośmiu dolarów na zmianę. Dodaj koszt pracy operatora, a liczba będzie wyższa. Częsta wymiana narzędzi w przypadku części o krótkim cyklu może z łatwością podwoić nakład pracy na część.
Z drugiej strony eksploatacja narzędzia po jego ekonomicznym okresie użytkowania wiąże się z różnymi kosztami. Zużyty frez generuje większe siły skrawania, co zwiększa pobór mocy maszyny i stwarza ryzyko odkształcenia. Wykończenie powierzchni pogarsza się, potencjalnie wypychając części poza tolerancję. Najkosztowniejszym skutkiem jest katastrofalna awaria narzędzia. Zepsuty frez trzpieniowy może spowodować żłobienie przedmiotu obrabianego, zniszczenie osprzętu, a nawet uszkodzenie wrzeciona maszyny. Wymiana wrzeciona kosztuje dziesiątki tysięcy dolarów i dni przestojów. Nawet drobne uszkodzenie narzędzia, które niszczy pojedynczą kosztowną część, taką jak kuty tytanowy element lotniczy, może zniweczyć oszczędności wynikające z setek wymian narzędzi.
Optymalny punkt równowagi trwałości narzędzia nie jest liczbą stałą. Zależy to od wielkości partii, wartości części, materiału i wykorzystania maszyny. W przypadku masowej produkcji niedrogich części aluminiowych matematyka przemawia za częstą wymianą narzędzi. Pchanie narzędzia w celu zaoszczędzenia kilku dolarów na stu częściach nie jest warte ryzyka, że zepsute narzędzie zatrzyma zautomatyzowaną komórkę. Wiele warsztatów produkujących duże ilości narzędzi zmienia narzędzia po siedemdziesięciu procentach szacowanego okresu ich użytkowania, aby stworzyć margines bezpieczeństwa. Niewielki wzrost kosztów oprzyrządowania jest równoważony nieprzerwaną produkcją.
W przypadku części o małej objętości i dużej wartości, takich jak implanty medyczne lub wnęki pleśni, obliczenia ulegają zmianie. Pojedyncza część złomu może być warta tysiące dolarów. W tym środowisku konserwatywne ograniczenia trwałości narzędzi mają sens. W warsztatach często stosuje się systemy monitorowania narzędzi, które mierzą obciążenie wrzeciona lub emisję akustyczną w celu wykrycia zużycia przed awarią. Zmieniają narzędzia w oparciu o rzeczywisty stan, a nie arbitralne terminy. Takie podejście pozwala na wykorzystanie większego potencjału narzędzia bez narażania części na ryzyko. Inwestycja w sprzęt monitorujący zwraca się po zaoszczędzeniu kilku komponentów.
Cięty materiał ma duży wpływ na optymalną częstotliwość wymiany. Aluminium wybacza. Zużyty frez trzpieniowy będzie wytwarzał zadziory i drgania na długo przed pęknięciem, co daje znaki ostrzegawcze. Stal hartowana powyżej 50 HRC nie daje prawie żadnego ostrzeżenia. Zużyta płytka ceramiczna lub CBN może nagle ulec uszkodzeniu, powodując uszkodzenie przedmiotu obrabianego. W przypadku toczenia na twardo i stopów wysokotemperaturowych istotne są zachowawcze odstępy między wymianami narzędzi. Niektóre warsztaty stosujące Inconel wymieniają płytki po każdej pojedynczej części, ponieważ koszt uszkodzonego narzędzia wykonanego z tego materiału znacznie przekracza cenę płytki.
Wielkość partii również odgrywa rolę. W przypadku serii pięciu części koszt wymiany narzędzia rozkłada się tylko na pięć części. Dwukrotna zmiana narzędzi w trakcie tego cyklu może wydłużyć czas przestoju o dziesięć minut, co może stanowić pięćdziesiąt procent całkowitego czasu cyklu. W przypadku krótkich serii często ekonomicznie uzasadnione jest uruchamianie narzędzi do czasu, aż wykażą wyraźne zużycie, przy akceptowaniu nieco niższego wykończenia powierzchni w celu uniknięcia częstych przestojów. W przypadku serii pięciuset części dwuminutowa wymiana narzędzia co pięćdziesiąt części dodaje tylko cztery sekundy na część, co stanowi znikomy narzut.
Automatyzacja wymusza ponowną ocenę. Zrobotyzowane stanowiska robocze i systemy paletowe opierają się na działaniu bez nadzoru. Jeśli narzędzie zepsuje się o północy, maszyna może pracować do rana, wytwarzając złom przez wiele godzin. W przypadku produkcji przy słabym oświetleniu trwałość narzędzia należy ustawić na tyle konserwatywnie, aby prawdopodobieństwo awarii podczas całonocnej pracy było bliskie zeru. Niektóre warsztaty stosują zbędne oprzyrządowanie, umieszczając w sąsiedniej kieszeni zduplikowane narzędzie, dzięki czemu maszyna może automatycznie zmienić nóż na nowy po osiągnięciu limitu zużycia. Zwiększa to koszty oprzyrządowania, ale eliminuje ryzyko awarii z dnia na dzień.
Praktyczna metoda znalezienia optymalnej równowagi polega na śledzeniu trzech liczb w czasie. Po pierwsze, średnia trwałość narzędzia w minutach skrawania. Po drugie, koszt narzędzia, obejmujący amortyzację uchwytu i robociznę przy ustawianiu. Po trzecie, ilość złomów wynika ze zużycia narzędzia. Wykres całkowitego kosztu na część w zależności od częstotliwości wymiany narzędzia. Krzywa ma zazwyczaj kształt litery U. Zbyt częste zmiany zwiększają koszty narzędzi i przestojów. Zbyt rzadkie zmiany zwiększają koszty złomowania i przeróbek. Punkt minimalny zwykle występuje, gdy narzędzia są wymieniane po sześćdziesięciu do osiemdziesięciu procentach ich maksymalnej możliwej trwałości. Sklepy, które szczegółowo rejestrują dane dotyczące zużycia narzędzi, mogą udoskonalić te liczby dla każdej kombinacji materiałów narzędzi.
Ekonomia zależy również od ostrzenia narzędzi. Wiele frezów i wierteł z węglików spiekanych można przeszlifować dwa lub trzy razy za ułamek pierwotnego kosztu. To radykalnie zmienia równanie. Narzędzie do ponownego szlifowania ma niższy koszt początkowy, ale może mieć nieco krótszą żywotność. Optymalna częstotliwość wymiany narzędzi do ponownego szlifowania jest zwykle krótsza, ponieważ kara za dodatkową wymianę jest mniejsza. Warsztaty posiadające własne możliwości szlifowania narzędzi mogą częściej wymieniać narzędzia bez zwiększania budżetu na materiały eksploatacyjne.
Ostatecznie najlepszym punktem równowagi jest cel dynamiczny. Wraz ze zmianą geometrii części, materiałów i możliwości maszyny zmienia się także optymalna częstotliwość wymiany narzędzi. Najbardziej dochodowe sklepy nie zgadują. Wyposażają swoje maszyny w monitory obciążenia wrzeciona, urządzenia do ustawiania dotyku narzędzi i oprogramowanie do gromadzenia danych. Traktują trwałość narzędzia jako zmienną wymagającą optymalizacji, a nie stałą regułę z katalogu narzędzi. Znalezienie optymalnej równowagi wymaga dyscypliny, pomiaru i chęci okazjonalnego popchnięcia narzędzia tak, aby nie udało się ustalić, gdzie leży prawdziwy limit. Nagrodą jest niższy całkowity koszt na część i mniej niespodzianek na hali produkcyjnej.
