切削用量的選擇課件

切削用量的選擇1

第一節(jié)切削用量對切削力的影響一、總切削力和分力

在金屬切削過程中，刀具上的一個切削部分的各切削刃和面對切削層所施加的合力，叫做一個切削部分的總切削力F。多齒刀具可能有兩個以上的切削部分同時參加切削，它們同一瞬時所施加的合力．叫做刀具總切削力。單齒刀具(如普通外圓車刀)兩者則是相同

2根據生產實際需要及測量方便?，F以車削為例，總切削力F可分解為三個分力。如圖6-1切削力Fc——總切削力F在主運動方向上的分力。它與切削速度方向一致，是計算刀具強度、機床功率的主要依據。背向力Fp——總切削力在垂直于工作平面方向(工作平面pfe的法線方向)上的分力（或在基面內，與進給方向即工件軸線方向相垂直）。它會使工件彎曲變形，對工件精度影響較大，且Fp大時易產生振動。

進給力Ff——總切削力在進給運動方向上的分力。它是使用和設計機床進給機構的原始依據。34由于Fc、Fp、Ff三者互相垂直，所以總切削力F與它們之間的關系是：

（6-1）因作用力Fa是總切削力在工作平面pfe上的投影，是Fc和Ff的合力，故因推力FD是總切削力在切削層尺寸平面上的投影，是Fp和Ff的合力，故

5在直角自由切削條件下，有Fp=FDcoskrFf=FDsinkr

（6-2）

實際生產中的金屬切削過程都是三維的非自由切削。但是，當刃傾角λs絕對值較小，過渡刃所占比例較小，副刃產生的切削力不大時，也可以用上式粗略估算，或定性分析主偏角kr對Fp和Ff的影響。由式(6-2)可知，kr越大Fp越小，而Ff越大；反之亦然。以上討論的是刀具作用于工件的力，同樣，刀具也受到大小相等、方向相反的切削抗力，圖3—1b所示為刀具所受總切削力和分力的情況。

6二、切削分力及切削功率的計算

1．切削力Fc的實驗公式

由切削實驗得到切削力Fc的公式為（6-3）式中

XFc——背吃刀量ap對切削力Fc的影響指數；

YFc——進給量f對切削力Fc的影響指數。

在一般切削條件下，進行外圓縱車、橫車及鏜孔時

XFc≈1，

YFc≈0．85(kr=75°時)7

KFc——實際切削條件與實驗條件不同時的總修正系數，它是各項條件修正系數的乘積；

CFc一一在一定切削條件下與工件材料有關的系數，其物理意義是：在實驗條件下假想背吃刀量ap和進給量f都為1mm時的切削力Fc值。同樣，分力Fp、Ff等也可寫成類似式(6—3)的形式。但一般多根據Fc進行估算。8根據刀具幾何參數、磨損情況、切削用量的不同，Fp和Ff相對于Fc的比值在很大范圍內變化。當kr=45°、λs=0°、γ。=15°時，有以下近似關系

Fp=(0.4～0.5)Fc

Ff=(0.3～0.4)Fc(6-4)2．切削層單位面積切削力

切削層單位面積切削力Kc是指單位切削面積上的主切削力。9若已知單位切削力Kc和切削用量及總修正系數KFc則可求出FcFc=KcapfKFc

（6-6）表6-1列出了常用工件材料的切削層單位面積切削力，可供計算時選用。

apxFc-110113、切削功率和進給功率(kW)切削功率為

Pc=Fcυc×10-3

（6-7）進給功率為Pf=Ffυfx10-3

（6-8）Fc和Ff的單位為N，υc和υf的單位為m／s。12三、影響切削力的因素

影響切削力Fc的因素很多，現將切削用量對其的影響因素分述如下。

1．進給量f的影響

式(6—3)表示了進給量f對切削力的影響關系。、f越大，切削力Fc越大。但f增大一倍，切削力Fc增大不到一倍。這是因為f的增大使切屑變形減小，單位切削力Kc減小的緣故。但需指出，上述規(guī)律只適用于hD>0．05mm（hD切削層厚度）的情況。當hD<0．05mm時，由于切削刃鈍圓半徑rn的影響，切屑不易形成，反會出現hD越小Fc越大的現象。

132．背吃刀量ap的影響

由式(6—3)看出，隨著ap的增大，切削力成正比增長。這是因為ap改變時對切屑變形影響很小，單位切削力Kc基本不變。ap增大時AD成比例增大，故Fc也就成比例增大。當保持AD不變時，若比值ap／f取小值時(厚切屑)有利于減小Fc，取大值時(薄切屑)，則單位長度作用主切削刃上的負荷減輕，有利于壽命的提高。因此，在切削加工中，如果從切削力和切削功率來考慮，加大進給量比加大切削深度有利。143、切削速度的影響

切削速度對切削力Fc的影響見圖6-2。

當加工塑性金屬材料時，在中速和高速下，切削力Fc隨切削速度的增大而減小。這是因為υ增大，將使切削溫度升高，摩擦系數和變形系數減小。在低速范圍內，切削速度對切削力Fc的影響，還有著特殊的規(guī)律：最初切削力Fc隨切削速度的增大而減小，達最低后又逐漸增大，然后達最高點后又逐漸減小，呈馬鞍形變化。這主要是由于積屑瘤造成的，積屑瘤最大Fc達到最小值，在積屑瘤消失時Fc達到最大值，以后，隨著υ的提高，切削溫度升高，切削力再度呈下降趨勢。加工脆性材料時，切削速度對切削力的影響較小。

1516第二節(jié)切削用量對切削熱和切削溫度的影響

一、切削熱的產生與傳出

1、切削熱的產生1）

在刀具的作用下，切削層金屬發(fā)生彈性變形和塑性變形；2）

切屑與前刀面、工件與后刀面間消耗的摩擦功，也將轉化為熱；如圖（6-3）17切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質(空氣或切削液)傳導出去。影響熱傳導的主要因素是工件和刀具材料的導熱系數以及周圍介質的狀況。工件材料的導熱系數高，由切屑和工件傳導出去的熱量較多，切削區(qū)溫度就較低，但整個工件的溫度升高較快。例如，切削導熱系數好的鋁和銅，切削區(qū)溫度較低，所以刀具的耐用度就較高；但工件的溫度上升較快，由于熱脹冷縮的結果，在室溫下檢驗的尺寸往往與切削時測量的溫度不符，這是必須引起重視的。18工件材料的導熱系數低，則切削熱不易從切屑和工件傳導出去，切削區(qū)溫度較高，使刀具的磨損加快。例如，切削不銹鋼、鈦合金以及高溫合金時，由于它們的導熱系數低，切削區(qū)溫度很高，一般的刀具材料磨損較快，必須采用耐熱性好的刀具材料．并且加注充分的切削液冷卻。刀具材料的導熱系數高，則切削區(qū)的熱量容易從刀具傳導出去，切削區(qū)溫度就較低。例如，鎢鈷（YG）類硬質合金的導熱系數普遍高于鎢鈷鈦類（YT）硬質合金，加上前者的抗彎強度較高，所以切削導熱系數低、熱強度好的不銹鋼和高溫合金時，在缺少新型高性能硬質合金的情況下，往往采用YG6X、YG6A等牌號的鎢鈷類硬質合金。19采用冷卻性能好的水溶性切削液能有效的降低切削溫度

據有關資料介紹，切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質傳導出去的比例大致如下：（1）車削加工時，50％～86％由切屑帶走，40％～l0％傳給車刀，9％～3％傳給工件,l％左右通過輻射傳入空氣。切削速度越高，切削厚度越大，則由切屑帶走熱量越多。（2）鉆削加工時，28％由切屑帶走，14.5％傳給車刀，52.5％傳給工件,5％左右傳給周圍介質.202切削溫度的分布如圖6-4，是切削塑性金屬時切削溫度分布的實例。由圖6-4中的等溫曲線和溫度分布曲線可知：①刀屑界面溫度比切屑的平均溫度高得多，一般約高2～2·5倍，且最高溫度在前面上離刀刃一定距離的地方，而不在切削刃上。

②

沿剪切平面各點溫度幾乎相同。由此可以推想剪切平面上各點的應力應變規(guī)律基本上相差不大。③

切屑沿前面流出時在垂直前面方向上溫度變化較大。說明切屑在沿前面流出時被摩擦加熱。21④后面上溫度分布也與前面類似，即最高溫度在剛離開切削刃的地方，但較前面上最高溫度低。

⑤工件材料的熱導率越低(如鈦合金比碳鋼熱導率低)，刀具前、后面的溫度越高。⑥工件材料的塑性越低，脆性越大，前面上最高溫度處越靠近切削刃，同時沿切屑流出方向的溫度變化越大。切削脆性材料時最高溫度在靠近刀刃的后面上。2223二、切削用量對切削溫度的影響

1、切削用量的影響

由切削實驗，求得刀具前面接觸區(qū)平均切削溫度θ的經驗公式為：

(6-9)

式中Cθ為切削溫度系數，Zθ、Yθ和Xθ為切削用量對切削溫度的影響指數，且Zθ>Yθ>Xθ24當用高速鋼和硬質合金刀具切削中碳鋼時(切削速度νc的單位為m／min)，切削溫度系數及指數見表6-2。

25由式(6-9)及表6-2可以看出，切削速度對切削溫度的影響最大，進給量的影響次之，；背吃刀量的影響最小。隨著切削速度的提高，切削溫度將明顯上升。其原因是：當切屑沿前刀面流出時，切屑底層與前刀面發(fā)生強烈的摩擦，因而產生很多的熱量。而這摩擦熱主要是在切屑很薄的底層里產生的。

如果在連續(xù)流出的切屑中截取極短的一段作為一個單元來考察，當這個切屑單元沿前刀面流出時，摩擦熱是一邊生成而又一邊向切屑的頂面方向傳導的。如果切削速度提高，則摩擦熱在很短的時間里便生成，而切屑底層產生的切削熱向切屑內部傳導需要一定的時間。26因此，提高切削速度的結果是，摩擦熱來不及向切屑內部傳導，而是大量積聚在切屑底層，從而使切削溫度升高。根據實驗結果．當切削速度提高一倍時，切削溫度約增加20％一30％．還有一點值得注意的是，切削用量三要素間的交互影響。由表6—2看出，切削層公稱厚度愈薄(或f愈小)時，切削速度對切削溫度的影響愈大。

進給量增大時，一方面切削功率增大，切削熱增多，同時刀一屑接觸長度增大，摩擦熱也增多，使切削溫度上升；另一方面切屑厚度加大，熱容量增大，由切屑帶走的熱量也增多，使切削溫度的上升不顯著。一般進給量增大一倍時，切削溫度約升高10％。

27背吃刀量對切削溫度的影響很小，這是因為它對熱量的產生和導出都發(fā)生相應的影響，即隨著ap增大，切削熱雖然增多，但散熱面積也同時增大。當然散熱條件改善所占份量不如熱量增加所占份量大，故隨ap增大切削溫度略微上升。通常ap增大一倍時，切削溫度升高3％以下。

因此，為有效地控制切削溫度以提高刀具耐用度，在機床條件允許下，選用大的切削深度和進給量，比選用大的切削速度有利。28第三節(jié)刀具壽命及切削用量對壽命的影響

一、刀具壽命

刃磨好的刀具，從開始切削到達到磨鈍標準換刀所經歷的總切削時間稱為刀具壽命。有時為了方便也用總切削距離、加工零件數量等來表示。有時還常使用刀具的總壽命一詞，它的意義是指刀具的壽命與刃磨次數(或可轉位刀具的邊數)的乘積。由于刀具的磨損量的測量很不方便，實際生產中，特別是大批量或自動化生產中，常以刀具壽命來控制換刀時間則較方便。

29二、切削用量對壽命的影響

泰勒用了26年時間，切削了萬噸鋼鐵得出了切削速度與壽命關系的實驗公式——泰勒壽命公式νcTm=A（6-10）

式中

νc——切削速度；

T——刀具壽命；

A——常數，其數值與切削實驗條件有關；

m——指數(m<1)，表示切削速度對耐用度的影響程度。30m較小，表示切削速度對耐用度的影響大，m較大，表示切削速度對耐用度的影響小，即刀具材料的切削性能好。

m值的大小是刀具材料耐熱性能好壞的標志。

常用刀具材料的m值大約為：高速鋼m=0.11；硬質合金m=0．2～0．3；陶瓷m=0．4。由此數據可知，切削速度對刀具壽命的影響是很大的。高速鋼刀具的壽命與切削速度的10次方成反比；硬質合金刀具與切削速度的5～3次方成反比。

但是應該注意的是，泰勒公式是實驗公式，在實驗速度范圍內使用是正確的。超出實驗范圍則表現出局限性。

31圖6-5是切削速度在廣泛的范圍內與壽命的關系，特別是低速時存在“駝峰”現象，出現速度愈低壽命越低的與泰勒公式不一致的現象。泰勒公式有效速度范圍積屑瘤速度區(qū)駝峰處的耐用度最高,能否說明此處的速度是最佳切削速度呢?不是,因為此處的速度偏低,金屬切除率也較低,在生產中往往沒有使用價值.32進給量和背吃刀量的增大也會使壽命降低。切削用量三要素對刀具壽命的綜合影響可用下式表達(6-11)式中

CT——系數，與除切削用量之外的切削條件諸因素有關；

1/m、1/n、1/p——分別為f和ap的影響指數，且1／m>1／n>l／P。

33用YT5硬質合金車削σb=0.637GPa的碳鋼時，壽命的公式為

(6—12)

由以上公式可知，切削速度對壽命的影響最大，進給量次之、背吃刀量最小，這與它們對切削溫度的影響是一致的。

34三、刀具合理壽命的概念

由式(6—10)可知，刀具壽命的大小直接影響切削用量的數值。如果刀具壽命規(guī)定得過高勢必只能選用較小的切削用量，這就意味著降低生產率，增加加工成本。反之，若刀具壽命規(guī)定得過低，則使與換刀和磨刀有關的輔助時間和費用增加，同樣也不能得到高生產率和降低加工成本。由此可見，刀具壽命應有一個合理值

目前，生產中常采用最低生產成本壽命作為合理壽命，必要時也可采用最高生產率壽命。

最低生產成本壽命Tc：是根據單件工序成本最小原則制訂的壽命。35如圖6-6所示，對應于C最小值的Tc即為最低生產成本壽命(單位：min)（6-13）

式中

m——式(6—10)中的指數，它表示νc對T的影響程度；

tct——換刀一次所需要的時間(min)；

Ct——刀具每刃成本(它包括磨刀費用及刀具折舊費)；

M——該工序單位時間內所分擔的全廠開支(包括工作人員工資和機床損耗費用等在其他切削條件確定時，生產成本C的大小取決于壽命T的高低，太高或太低的T均使C增大。36完成一個工序所需要的工時經濟耐用度最大生產率耐用度37最高生產率壽命Tp，是根據單件工序工時最短原則制訂的壽命。在其他切削條件確定時，單件工序工時tw的大小取決于T的高低，太高或太低均使tw增加。如圖6-6所示，對應于tw最小值的Tp，即為最高生產率壽命(單位：min)

（6-14）

比較式(6-14)與式(6—13)，不難看出Tc>Tp。顯然最低生產成本壽命允許的切削用量低于最高生產率壽命允許的切削用量。在生產任務緊迫或生產中出現不平衡的薄弱環(huán)節(jié)時，選用最高生產率壽命。

38另外，由式(6—13)可知，刀具成本Ct高時，刀具壽命值也應取得高些，因而復雜刀具的壽命比簡單刀具選得高。當刀具成本低而機床價格高時，Ct/M比值減小，最低生產成本壽命接近于最高生產率壽命，因此，可轉位刀具比焊接刀具壽命要選擇得低些。刀具合理壽命具體數值，可根據式(6-13)或式(6-14)確定，也可從有關手冊中查出。下列數據可供選用時參考：

高速鋼車刀：

T=30～60min；

高速鋼鉆頭：

T=80～120min；

硬質合金焊接車刀：

T-=30～60min；對于裝刀、換刀、調刀比較復雜的多刀機床、組臺機床、自動機床和自動線等換刀所需時間長，刀具壽命應選擇得高些。當工序單位時間所分擔的全廠開支較大時，刀具壽命應選擇得較低。39硬質合金可轉位車刀；T=l5~45min；

硬質合金端銑刀：

T=120～180min；

齒輪刀具：

T=200～300min；多刀機床、組合機床、自動機床和自動線刀具：

T=240～480min。第四節(jié)切削用量的選擇

一、切削用量的選擇原則

40從金屬切除率公式Qz

=1000Vcapf(mm3/s)看，增大三要素中任何一個似乎都可以提高生產率，但從刀具壽命與三要素關系式

看，三者的影響程度是不同的，vc影響最大，f次之，ap最小。

41在刀具壽命已確定的條件下，欲使vcfap三者乘積即金屬切除率最大，無疑應首先選擇盡量大的背吃刀量ap，其次再根據機床動力和剛性限制條件或已加工表面粗糙度的要求選擇盡量大的進給量f，最后依據三要素與刀具壽命關系式計算確定切削速度Vc。這是選擇切削用量的基本原則。實際合理切削用量的選擇與機床、刀具、工件及工藝等多種因素有關。按上述基本原則和步驟選擇的切削用量，嚴格講只是合理切削用量的一個初始值。真正合理的切削用量是在綜合考慮零件工藝及工藝系統狀態(tài)后并細心體察，逐步探索改善才能達到最佳狀態(tài)。42切削用量的選擇還是一項現場性并具有很大靈活性的工作。刀具壽命常常也不一定有什么較嚴格的規(guī)定，表面看也不一定按上述步驟選擇切削用量，但上述基本原則仍然適用。此時前人的經驗和技術資料及從業(yè)者、操作者本人的經驗積累就顯得尤為重要。也應是上述基本原則的一個體現。

二、切削用量的選擇方法

一、確定背吃刀量ap：

粗加工背吃刀量ap根據工序余量來確定。除留給以后工序的余量外，其余的粗加工余量盡可能一次切除，以使走刀次數最少。43下列情況之一可選用兩次或數次進給：粗加工余量h過大，如外圓車削的單邊余量h>6mm；加工余量極不均勻；工藝系統剛度不足；斷續(xù)切削、刀片尺寸較小，如作用切削刃長度超過工作切削刃的60％時，采用兩次進給。第一次進給的ap值應選得大些，一般ap=（2/3～

3/4）h。當加工余量極不均勻時，視具體情況應先切去不均勻部分。

切削表層有硬皮的鑄鍛件或切削不銹鋼等加工硬化嚴重的材料時，應盡量使背吃刀量超過硬皮或冷硬層厚度，以預防刀尖過早磨損。

半精加工的余量較小，約在l～

2mm左右，精加工余量更小，約在0.05～0.80mm之間。44在半精加工、精加工時，應在一次進給中切除工序余量。在采用硬質合金車刀精車時，考慮到刀尖圓弧半徑rε與切削刃鈍圓半徑rn對擠壓和摩擦作用的影響，ap不宜過小，一般應大于0.3mm。2、確定進給量f：

粗加工時，進給量f的選擇受切削力的限制。在工藝系統強度和剛度允許的情況下選擇較大的進給量，一般取f=0.3～0.9mm／r。

生產實際中多采用查表法確定合理的進給量。粗加工時，根據工件材料、車刀刀桿的尺寸、工件直徑及已確定的背吃刀量來選擇進給量；

(具體數值可查閱“機械加工工藝手冊”)。45半精加工和精加工的ap值較小，產生的切削力不大，故進給量主要受到表面粗糙度的限制，一般選得較小，常取f=0.08～0.50mm／r。但也不能太小，否則切削層公稱厚度太薄不易切下切屑，對已加工表面質量反而不利。當取合理的刀尖參數或修光刃和高的切削速度與之配合時，進給量f可適當選大些，以提高生產率。3、確定切削速度vc

在ap和f選定后，再根據規(guī)定達到的合理壽命T(min)，就可以確定切削速度vc(單位：m／s)。車削速度vc的計算公式由式(6—10)可得如下表達式：vc=Cv/（60TmapXvfyv）Kvc

（6-15）

46式中：

Kvc——切削速度修正系數，且

Kvc=KMvKsvKtvKkrvKkrˊvKrεvKBv式中，KMvKsvKtvKkrvKkrˊvKrεvKBv一分別表示工件材料，毛坯表面狀態(tài)，刀具材料，車刀主偏角kr，副偏角kˊr，，刀尖圓弧半徑rε及刀桿尺寸對切削速度的修正系數。上述各修正系數及Cv、Xv、yv及m值，可查閱“機械加工工藝手冊”。在生產中選擇切削速度的一般原則是：47(1)粗車時，ap和f較大，故選擇較低的vc；精車時，ap和f均較小，故選擇較高的vc(2)工件材料強度、硬度高時，應選較低的vc；加工奧氏體不銹鋼、鈦臺金和高溫合金等難加工材料時，只能取較低的vc(3)切削合金鋼比切削中碳鋼切削速度應降低20％～30％；切削調質狀態(tài)的鋼比切削正火、退火狀態(tài)鋼要降低切削速度20％～30％；切削有色金屬比切削中碳鋼的切削速度可提高100%～300％。(4)刀具材料的切削性能愈好，切削速度也選得愈高。如硬質合金的切削速度比高速鋼刀具可高好幾倍，涂層刀具的切削速度比未涂層刀具要高，陶瓷、金剛石和CBN刀具可采用更高的切削速度。

48(5)精加工時，應盡量避開積屑瘤和鱗刺產生的區(qū)域。

6)斷續(xù)切削時，為減少沖擊和熱應力，宜適當降低切削速度。

(7)在易發(fā)生振動的情況下，切削速度應避開自激振動的臨界速度。

(8)加工大件、細長件和薄壁工件或加工帶外皮的工件時，應適當降低切削速度。49三、切削用量的優(yōu)化

在實際生產中，由于被加工材料、使用的機床、刀具和夾具等條件千變萬化，很難從手冊或憑經驗確定一組最優(yōu)的切削用量。尤其是隨著數控(NC)機床、生產自動線、柔性制造系統(FMS)、集成制造系統(IMS)等先進加工手段不斷涌現，選擇切削用量的傳統方法已越來越不適應生產發(fā)展的需要。應用更科學的方法優(yōu)化選擇切削用量已勢在必行。下面將簡要介紹兩種確定最優(yōu)切削用量的方法。

50（一）、應用“最優(yōu)切削溫度守恒定律”確定最優(yōu)切削用量

優(yōu)化選擇切削用量時，首先要確定一個衡量切削過程優(yōu)劣的優(yōu)化目標。目前，常用的優(yōu)此目標有：最低生產成本或最高生產率，有時也用最小刀具相對磨損量NBrs，所謂刀具相對磨損量NBrs是指刀具每切出1000cm2已加工表面時的刀具徑向磨損量.可用下式計算得到NBrs=NBX10-5/lmf

（6-16）

式中NB一一刀具徑向磨損量(mm)；51lm——切削路程(m)，它是切削速度vc與切削時間tm的乘積，即

lm=vctm

f一一進給量(mm／r)。由上式可見，NBrs減小，一定lm和f下的NB值越小，亦即刀具壽命和工件加工精度越高，或者一定NB下的(lm和f)越大，生產率越高。因此，當NBrs最小時，可以說切削過程處于最優(yōu)狀態(tài)。大量試驗表明，各類刀具材料在切削各種工件材料時，都會存在一個使NBrs最小的切削溫度恒定值θopt這一溫度稱為‘‘最優(yōu)切削溫度”。

52例如，用YTl5刀具加工40Cr鋼，切削層公稱厚度hD=0.037-0.5ram時，θopt≈730°C；用YA6刀具加工鎳基高溫合金vc=10～50m／min時，θopt≈780°C。具體方法是：先確定背吃刀