數(shù)控加工中切削用量的合理選擇

1、數(shù)控加工中切削用量的合理選擇【摘要 】文章介紹了切削用量的三要素， 并對數(shù)控機床加工時切削用量的合理 選擇進行了詳細闡述，為數(shù)控機床編程與操作人員提供參考。【關(guān)鍵詞】切削用量；加工質(zhì)量；刀具耐用度；切削用量推薦表；數(shù)控加工前言：切削用量是表示機床主運動和進給運動大小的重要參數(shù)。切削用量的確定是 數(shù)控加工工藝中的重要內(nèi)容， 切削用量的大小對加工效率、 加工質(zhì)量、 刀具磨 損和加工成本均有顯著影響?，F(xiàn)在，隨著 CAD/CAM術(shù)的發(fā)展，許多 CAD/CAM 軟件都提供自動編程功能， 這些軟件一般是在編程界面中提示工藝規(guī)劃的有關(guān)問 題，比如：刀具選擇、加工路徑規(guī)劃、切削用量設(shè)定等，編程人員只要設(shè)置了有

2、 關(guān)的參數(shù)，就可以自動生成 NC程序并傳輸至數(shù)控機床完成加工。因此，數(shù)控加 工中切削用量的確定是在人機交互狀態(tài)下完成的， 這與普通機床加工形成鮮明的 對比，同時也要求編程人員必須掌握切削用量確定的基本原則， 在編程時充分考 慮數(shù)控加工的特點來合理的選擇切削用量。 文章對數(shù)控編程中必須面對的切削用 量確定問題進行了探討， 給出了若干原則和建議， 且對應(yīng)該注意的問題進行了討 論。一、切削用量的選擇原則數(shù)控加工中選擇切削用量，就是在保證加工質(zhì)量和刀具耐用度的前提下，充 分發(fā)揮機床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。（一） 加工質(zhì)量：加工質(zhì)量分為 加工精度和加工表面質(zhì)量 。1加工精度是指

3、零件加工后實際幾何參數(shù) （尺寸、形狀和位置）與理想幾何參 數(shù)相符的程度。 符合程度愈高， 加工精度愈高。 實際值與理想值之差稱為加工誤 差，所謂保證加工精度，即指控制加工誤差。尺寸精度：加工表面的實際尺寸與設(shè)計尺寸的尺寸誤差不超過一定的尺寸 公差范圍。在國標中尺寸公差分 20級（IT01、ITO、IT1IT18 ）。尺寸精度的獲 得方法： 試切法：試切一一測量一一調(diào)整一一再試切。用于單件小批生產(chǎn)。 調(diào)整法：通過預調(diào)好的機床、夾具、刀具、工件，在加工中自行獲得尺寸 精度。用于成批大量生產(chǎn)。 尺寸刀具法：用一定形狀和尺寸的刀具加工獲得。生產(chǎn)率高，但刀具制造 復雜。 自動控制法：用一定裝置，邊加工邊

4、自動測量控制加工。切削測量補償調(diào) 整。幾何形狀精度：加工表面的實際幾何要素對理想幾何要素的變動量不超過 一定公差范圍。在國標中形狀公差有 六項：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線 輪廓度、面輪廓度。幾何形狀精度的獲得方法：成形運動法 軌跡法：利用刀具與工件間的相對運動軌跡來獲得形狀。 成形法：利用成形刀具加工獲得表面形狀。 展成法：利用刀具與工件相對運動使工件被刀具切削成一定形狀的包絡(luò)線。 非成形運動法：人工修配、樣板加工、劃線加工等。相互位置精度：加工表面的實際幾何要素對由基準確定方向或位置的理想 幾何要素的變動量。在國標中位置公差有 八項：平行度、垂直度、傾斜度、同軸 度、對稱度、位置度、圓

5、跳動、全跳動。相互位置精度的獲得主要由機床精度、 夾具精度和工件的裝夾精度來保證。2加工表面質(zhì)量是指表面幾何形狀和表面層的物理力學性能。表面幾何形狀 包括表面粗糙度，表面波度，宏觀幾何形狀偏差。表面層的物理力學性能包括表 面層冷作硬化，表面層殘余應(yīng)力，表面層金相組織的變化 。（二）刀具耐用度T：所謂刀具耐用度是指刃磨后的刀具從開始切削至達到磨 鈍標準時，所用的切削時間。影響刀具耐用度的因素，歸納起來可以分為五個方 面：切削用量，刀具的幾何參數(shù)，工件材料，刀具材料，刀具的刃磨質(zhì)量和潤滑 冷卻條件。1切削用量：切削用量包括切削速度 V（主軸轉(zhuǎn)速S）、進給量F、背吃刀 量ap，通常稱為切削用量三要素

6、。切削用量對刀具耐用度的影響可用如下關(guān)系 式表達：Ctfnapp111丄丄.-0（式中CT是刀具耐用度系數(shù)）m np由上式看出，切削速度對刀具耐用度影響最大，進給量次之，背吃刀量影響 最小。例如用YT15硬質(zhì)合金車刀，以f=0.30.75的進給量車削 c b=7. 5kgf/mm 的碳素鋼時，當切削速度v增大一倍時，刀具耐用度下降97%進給量f增大一 倍時，刀具耐用度下降70%而背吃刀量ap增大一倍時，刀具耐用度下降僅40% 左右，因此當確定了刀具耐用度的合理值后，應(yīng)首先考慮增大背吃刀量ap，然后根據(jù)加工條件和加工要求選擇盡可能大的進給量和切削速度。2刀具幾何參數(shù)：刀具幾何參數(shù)對刀具耐用度有較

7、顯著的影響，是刀具幾何 參數(shù)合理、先進與否的重要標志之一。前角Y O：前刀面與基面間的夾角即為前角。前對刀具耐用度的影響很明顯， 如太大，刃口鋒利，切屑變小，切削力小，切削輕快，但刀刃的強度降低，散熱 差，且易破損；如太小又使切削力和切削溫度增加過多， 在這兩種情況下耐用度 都會下降，前角丫 O對刀具耐用度的影響呈“駝峰形”，它的峰頂前角耐用度最 高。主偏角Kr:主切削刃與進給方向間的夾角即為主偏角。主偏角減小，刀具 強度增加，改善散熱條件，耐用度增高。副偏角Kr/：副切削刃與進給反方向間的夾角即為負偏角 。負偏角主要影 響已加工表面的粗糙度和刀尖強度，若減小 Kr/,則表面的粗糙度降低，刀具

8、強 度增加，但Kr /過小，會使副切削刃與已加工面的摩擦增加，引起震動，降低 表面質(zhì)量。適當減小負偏角和增大刀尖圓弧半徑都能提高刀具強度，改善散熱條件，使刀具耐用度提高。3工件材料：工件材料的強度、硬度越高，產(chǎn)生的切削溫度越高，故刀具磨 損越快，刀具耐用度越低。切削碳素結(jié)構(gòu)鋼時，鋼的含碳量對刀具耐用度有較大 的影響。含碳量越高，滲碳體和珠光體的比重就越大，硬度就越高，刀具的磨損 也就越快。因此切削高碳鋼時刀具磨損較快， 耐用度較低；切削中碳鋼時刀具磨 損就相對較慢，耐用度也相對較高。此外加工材料的延伸率越大或?qū)嵯禂?shù)越低， 均能使切削溫度升高，刀具耐用度降低。4刀具材料：刀具材料的種類很多，常

9、用的有工具鋼（碳素工具鋼、合金工具 鋼和高速鋼 ） 、硬質(zhì)合金、陶瓷、金剛石和立方氮化硼等。碳素工具鋼和合金工 具鋼，因耐熱性很差， 只宜作手工刀具。 陶瓷、金剛石和立方氮化硼， 由于質(zhì)脆、 工藝性差及價格昂貴等原因， 僅在較小的范圍內(nèi)使用。 目前最 常用的刀具材料是 高速鋼和硬質(zhì)合金 。刀具切削部分材料是影響刀具耐用度的主要因素， 改善刀具材料的切削性能， 使用高，就越耐磨，耐用度也越高。5刀具刃磨質(zhì)量和冷卻潤滑條件：刀具的刃磨質(zhì)量對刀具的耐用度有很大的影響。如硬質(zhì)合金刀具用碳化硅 （SiC）砂輪刃磨后，若不用細油石研磨，則由于刀刃有鋸齒狀的微小缺口、前 后刀面表面粗糙度較高等原因，刀具的磨

10、損較快，耐用度低，有時還易崩刃。實 踐表明，經(jīng)過仔細研磨的車刀，耐用度可比未研磨的提高 50%左右。切削液分為 水基冷卻潤滑液 和油基冷卻潤滑液 ，水基冷卻潤滑液主要起冷 卻作用，油基冷卻潤滑液主要起潤滑作用。 使用切削液能降低切削區(qū)的溫度并減 少刀具與工件、刀具與切屑間的摩擦，對提高刀具耐用度是有利的。實驗表明， 用乳化液（水基冷卻潤滑液的一種）能降低切削區(qū)溫度 50C100C，用切削油 能降低切削區(qū)溫度40C60C。所以，高速鋼刀具在切削負荷較重的條件下， 則多用水基冷卻潤滑液， 切削負荷較輕而精度較高和表面粗糙度要求較低的條件 下則多用油基潤滑液， 使刀具與工件表面間形成潤滑膜， 減少摩

11、擦。 硬質(zhì)合金刀 具耐熱性較好，一般可以不用切削液， 但在用高溫合金加工一般鋼料的精加工中， 為了提高刀具的耐用度， 保證加工精度和表面粗糙度， 也可以用乳化液或極壓切 削油進行冷卻潤滑。綜上所述，我們在分析清楚影響刀具耐用度的這些因素及它們之間的相互關(guān) 系后，可先根據(jù)工件材料的具體情況， 選用適宜的刀具材料和切削用量， 選擇合 適的刀具幾何參數(shù)， 保證刀具的刃磨質(zhì)量和冷卻潤滑條件， 以保障較高的刀具耐 用度。（ 三） 粗、精加工時切削用量的選擇原則 ：1粗加工時，一般以提高生產(chǎn)效率為主（較高的金屬切除率），但也應(yīng)考慮經(jīng) 濟性和加工成本 （必要的刀具耐用度 ）。切削用量的選擇原則首先 選取盡可

12、能大的 背吃刀量； 其次要根據(jù)機床動力和剛性的限制條件等， 選取盡可能大的進給量； 最后根據(jù)刀具耐用度 確定最佳的切削速度 。增大背吃刀量可使走刀次數(shù)減少， 增 大進給量有利于斷屑。2半精加工和精加工時，應(yīng)在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟 性和加工成本。 切削用量的選擇原則首先根據(jù)粗加工后的余量 確定背吃刀量 ； 其次根據(jù)已加工表面的粗糙度要求， 選取較小的進給量 ；最后在保證刀具耐用度 的前提下， 盡可能選取較高的切削速度 。具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機床說明書、 切削用量 手冊，并結(jié)合實踐經(jīng)驗而定。背吃刀量 ap（mm）背吃刀量 ap 根據(jù)加工余量和工藝系統(tǒng)的剛度確定。 在機床、工件和刀具剛

13、度 允許的情況下， ap 就等于加工余量 , 這是提高生產(chǎn)率的一個有效措施。為了保 證零件的加工精度和表面粗糙度， 一般應(yīng)留一定的余量進行精加工。 數(shù)控機床的 精加工余量可略小于普通機床。具體選擇如下：粗加工時，在留下精加工、半精加工的余量后，盡可能一次走刀將剩下的余量切除；若工藝系統(tǒng)剛性不足或余量過大不能一次切除， 也應(yīng)按先多后少的不等 余量法加工。 第一刀的 ap 應(yīng)盡可能大些，使刀口在里層切削，避免工件表面不 平及有硬皮的鑄鍛件 。當沖擊載荷較大（如斷續(xù)表面）或工藝系統(tǒng)剛度較差（如 細長軸、鏜刀桿、機床陳舊）時，可適當降低 ap,使切削力減小。精加工時， ap 應(yīng)根據(jù)粗加工留下的余量確定

14、，采用逐漸降低 ap 的方法，逐 步提高加工精度和表面質(zhì)量。一般精加工時，取 ap=0.050.8mm半精加工時， 取 ap=1.0 3.0mm切削寬度 ae（mm）一般ae與刀具直徑D成正比，與背吃刀量ap成反比。在數(shù)控加工中，一般 ae的取值范圍為ae=（0.60.9）D。進給量 （ 進給速度 ）F（mm/min 或 mm/r）進給量（ 進給速度）是數(shù)控機床切削用量中的重要參數(shù)，根據(jù)零件的表面粗 糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，參考切削用量手冊選取。對于多 齒刀具，其進給量F、刀具轉(zhuǎn)速n刀具齒數(shù)z及每齒進給量fz的關(guān)系為F= n X zX fz。粗加工時，由于對工件表面質(zhì)量沒有太

15、高的要求，F(xiàn)主要受刀桿、刀片、機 床、工件等的強度和剛度所承受的切削力限制， 一般根據(jù)剛度來選擇。 工藝系統(tǒng) 剛度好時，可用大些的F;反之，適當降低F。半精加工、精加工時，F(xiàn)應(yīng)根據(jù)工件的表面粗糙度 Ra要求選擇。Ra要求小的， 取較小的F,但又不能過小，因為F過小，切削厚度hD過薄，Ra反而增大，且 刀具磨損加劇。刀具的副偏角愈大，刀尖圓弧半徑愈大，則 F可選較大值。還應(yīng) 注意零件加工中的某些特殊因素。 比如在輪廓加工中， 選擇進給量時， 應(yīng)考慮輪 廓拐角處的超程問題。 特別是在拐角較大、 進給速度較高時， 應(yīng)在接近拐角處適 當降低進給速度，在拐角后逐漸升速，以保證加工精度。切削速度 V（m/

16、min）根據(jù)已經(jīng)選定的背吃刀量、進給量及刀具耐用度選擇切削速度。可用經(jīng)驗公 式計算，也可根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗在機床說明書允許的切削速度范圍內(nèi)查表選取或 者參考有關(guān)切削用量手冊選用。 在選擇切削速度時， 還應(yīng)考慮： 應(yīng)盡量避開積屑 瘤產(chǎn)生的區(qū)域;斷續(xù)切削時，為減小沖擊和熱應(yīng)力，要適當降低切削速度;在易 發(fā)生振動的情況下， 切削速度應(yīng)避開自激振動的臨界速度; 加工大件、 細長件和 薄壁工件時 , 應(yīng)選用較低的切削速度;加工帶外皮的工件時，應(yīng)適當降低切削 速度;工藝系統(tǒng)剛性差的，應(yīng)減小切削速度。主軸轉(zhuǎn)速 n（r/min）主軸轉(zhuǎn)速一般根據(jù)切削速度 V來選定。計算公式為：n=1000V/n D,式中D 為工

17、件或刀具直徑（mm。數(shù)控機床的控制面板上一般備有主軸轉(zhuǎn)速修調(diào) （倍率） 開關(guān)，可在加工過程中對主軸轉(zhuǎn)速進行整倍數(shù)調(diào)整。二、切削用量推薦表在工廠的實際生產(chǎn)過程中，切削用量一般根據(jù)經(jīng)驗并通過查表的方式進行選 取。下面參照現(xiàn)場采用的切削用量和一些經(jīng)驗數(shù)據(jù)列出了機械加工常用的切削用 量，供設(shè)計時參考。1. 高速鋼鉆頭加工鑄鐵件的切削用量加工直徑（mm）HB=160200HB=200241HB=300400切削用量V ( m/min)fn (mm/r)V (m/min)fn ( mm/r)V (m/min)fn (mm/r )1616240.070.1210180.050.105120.030.0861

18、20.120.200.100.180.080.1512220.200.400.180.250.150.2022500.400.800.250.400.200.302. 高速鋼鉆頭加工鋼件的切削用量加工 直徑（mm）2d b-5270(公斤/毫米) (鋼 35，45 )2d b=7090(公斤/毫米) (15Cr,20Cr )2d b=100110（公斤 /毫米） （合金鋼）切削用量V ( m/min)fn (mm/r)V (m/min)fn ( mm/r)V (m/min)fn (mm/r )1618250.050.1012200.050.108150.030.086120.100.200.1

19、00.200.080.1512220.200.300.200.300.150.2522500.300.600.300.450.250.35附表1:鉆深孔時，上述兩表中所列數(shù)值應(yīng)進行修正，表中所列V應(yīng)除以Kv ;表中所列S應(yīng)乘以Ks。咼速鋼鉆頭在鑄鐵件上鉆深孔時，Ks=1，Kv見下表鉆孔深度L/孔徑D34455668810Kv0.90.80.80.70.70.650.650.60.60.5附表2:高速鋼鉆頭在鋼件上鉆深孔或用硬質(zhì)合金鉆頭在鑄鐵件上鉆深孔（硬質(zhì)合金鉆頭加工鑄鐵時，切削速度 V 般為2030m/min）時，Kv、Ks見下表鉆孔深度L/孔徑D34455668810Kv10.850.85

20、0.750.750.670.670.630.630.55Ks10.950.950.900.900.850.850.800.800.753. 高速鋼鉆頭加工鋁及鋁合金的切削用量加工直徑（mm）切削速度V（ m/s ）每轉(zhuǎn)進給量fn （mm/r ）鋁鋁合金（長鐵屑）鋁合金（短鐵屑）13820500.030.200.050.250.030.108250.060.500.100.600.050.1525500.150.600.201.000.080.364. 高速鋼鉆頭加工黃銅及青銅的切削用量黃銅、青銅硬青銅加工直徑（mm）切削用量V (m/s )fn (mm/r)V (m/s )fn (mm/r)3

21、860800.060.1525450.050.158560.150.300.120.2525500.300.750.120.505. 高速鋼鉸刀鉸孔的切削用量加工直徑(mm)鑄鐵鋼、合金鋼鋁、銅及銅合金切削用量V (m/min)fn (mm/r)V (m/min)fn (mm/r)V (m/min)fn (mm/r)610260.300.501.250.300.408120.300.5010150.501.000.400.500.501.0015400.801.500.400.600.801.5040601.201.800.500.601.502.00注：用硬質(zhì)合金鉸刀加工鑄鐵件時，V=810

22、m/min；加工鋁件時，V=1220m/min6. 高速鋼擴孔鉆擴孔的切削用量鑄鐵鋼、鑄鋼鋁、銅加工直 徑(mm)擴通孔锪沉孔擴通孔锪沉孔擴通孔锪沉孔切削用量V(m/min)fn(mm/r)V(m/min)fn(mm/r)V(m/min)fn(mm/r)V(m/min)fn(mm/r)V(m/min)fn(mm/r)V(m/min)fn(mm/r)10150.150.200.150.200.120.200.080.100.150.20152580.200.2520.200.3040.100.1500.200.250050254010.250.30180.150.300.300.401800.2

23、50.3040600.300.400.400.500.150.2030.300.40601000.400.600.500.600.400.60注：當用硬質(zhì)合金擴孔鉆加工鑄鐵件時， 切削速度V=3040m/min ；加工鋼件時, 切削速度 V=3560m/min7. 鏜孔的切削用量工序刀具材料鑄鐵鋼鋁及鋁合金切削用量V(m/min)fn(mm/r)V(m/min)fn(mm/r)fn(mm/r)fn(mm/r)粗鏜高速鋼20250.250.8015300.150.401001500.51.5硬質(zhì)合金35500.401.5050700.350.70一一半精鏜高速鋼20350.100.3015500

24、.100.301002000.20.5硬質(zhì)合金50700.150.45901350.150.45一一精鏜硬質(zhì)合金7090D1級< 0.08D級0.120.151001500.120.151504000.060.1注：米用咼精度的精鏜頭鏜孔時，余量一般較小，直徑上不大于0.2毫米，切削速度可以提高一些，鑄鐵件 V=10曠150m/min,鋼件 V=15L250m/min,鋁合金 V=200-400m/min,巴氏合金 V=25L 500m/min,而每轉(zhuǎn)進給量fn則在0.03 0.1mm/r。8. 硬質(zhì)合金端銃刀銃削的切削用量加工材料工序銃削深度(mm)銃削速度每齒進給量V（m / min

25、 ）Ft（mm/ z）鋼 b b=5270（公斤/毫米2）粗24801200.200.40精0.511001800.050.20鋼 b b=7090（公斤/毫米2）粗24601000.200.40精0.51901500.050.15鋼 b b=100110（公斤/毫米2）粗2440700.100.30精0.51601000.050.10鑄鐵粗2550800.200.40精0.51801300.050.20鋁及鋁合金粗253007000.100.40精0.5150015000.050.30注：銑削切削用量的選擇與要求的加工光潔度及效率有關(guān)，當要求較高的銑削光潔度時，則銑削速度應(yīng)高一些，每齒進給量應(yīng)小一些。9. 攻絲的切削速度加工材料鑄鐵鋼、合金鋼鋁、鋁合金切削速度V (m/min )2.551.5551510. 孔加工常用工序間余量加工工序加工直徑(mm)工序特點在直徑上的工序間余量(mm)擴孔1020鉆孔后擴孔1.52.0粗擴后精擴0.5 1.02050鉆孔后擴孔2.02.5粗