切削用量的选择课件

切削用量的选择1

第一节切削用量对切削力的影响一、总切削力和分力

在金属切削过程中，刀具上的一个切削部分的各切削刃和面对切削层所施加的合力，叫做一个切削部分的总切削力F。多齿刀具可能有两个以上的切削部分同时参加切削，它们同一瞬时所施加的合力．叫做刀具总切削力。单齿刀具(如普通外圆车刀)两者则是相同

2根据生产实际需要及测量方便。现以车削为例，总切削力F可分解为三个分力。如图6-1切削力Fc——总切削力F在主运动方向上的分力。它与切削速度方向一致，是计算刀具强度、机床功率的主要依据。背向力Fp——总切削力在垂直于工作平面方向(工作平面pfe的法线方向)上的分力（或在基面内，与进给方向即工件轴线方向相垂直）。它会使工件弯曲变形，对工件精度影响较大，且Fp大时易产生振动。

进给力Ff——总切削力在进给运动方向上的分力。它是使用和设计机床进给机构的原始依据。34由于Fc、Fp、Ff三者互相垂直，所以总切削力F与它们之间的关系是：

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

5在直角自由切削条件下，有Fp=FDcoskrFf=FDsinkr

（6-2）

实际生产中的金属切削过程都是三维的非自由切削。但是，当刃倾角λs绝对值较小，过渡刃所占比例较小，副刃产生的切削力不大时，也可以用上式粗略估算，或定性分析主偏角kr对Fp和Ff的影响。由式(6-2)可知，kr越大Fp越小，而Ff越大；反之亦然。以上讨论的是刀具作用于工件的力，同样，刀具也受到大小相等、方向相反的切削抗力，图3—1b所示为刀具所受总切削力和分力的情况。

6二、切削分力及切削功率的计算

1．切削力Fc的实验公式

由切削实验得到切削力Fc的公式为（6-3）式中

XFc——背吃刀量ap对切削力Fc的影响指数；

YFc——进给量f对切削力Fc的影响指数。

在一般切削条件下，进行外圆纵车、横车及镗孔时

XFc≈1，

YFc≈0．85(kr=75°时)7

KFc——实际切削条件与实验条件不同时的总修正系数，它是各项条件修正系数的乘积；

CFc一一在一定切削条件下与工件材料有关的系数，其物理意义是：在实验条件下假想背吃刀量ap和进给量f都为1mm时的切削力Fc值。同样，分力Fp、Ff等也可写成类似式(6—3)的形式。但一般多根据Fc进行估算。8根据刀具几何参数、磨损情况、切削用量的不同，Fp和Ff相对于Fc的比值在很大范围内变化。当kr=45°、λs=0°、γ。=15°时，有以下近似关系

Fp=(0.4～0.5)Fc

Ff=(0.3～0.4)Fc(6-4)2．切削层单位面积切削力

切削层单位面积切削力Kc是指单位切削面积上的主切削力。9若已知单位切削力Kc和切削用量及总修正系数KFc则可求出FcFc=KcapfKFc

（6-6）表6-1列出了常用工件材料的切削层单位面积切削力，可供计算时选用。

apxFc-110113、切削功率和进给功率(kW)切削功率为

Pc=Fcυc×10-3

（6-7）进给功率为Pf=Ffυfx10-3

（6-8）Fc和Ff的单位为N，υc和υf的单位为m／s。12三、影响切削力的因素

影响切削力Fc的因素很多，现将切削用量对其的影响因素分述如下。

1．进给量f的影响

式(6—3)表示了进给量f对切削力的影响关系。、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。这是因为f的增大使切屑变形减小，单位切削力Kc减小的缘故。但需指出，上述规律只适用于hD>0．05mm（hD切削层厚度）的情况。当hD<0．05mm时，由于切削刃钝圆半径rn的影响，切屑不易形成，反会出现hD越小Fc越大的现象。

132．背吃刀量ap的影响

由式(6—3)看出，随着ap的增大，切削力成正比增长。这是因为ap改变时对切屑变形影响很小，单位切削力Kc基本不变。ap增大时AD成比例增大，故Fc也就成比例增大。当保持AD不变时，若比值ap／f取小值时(厚切屑)有利于减小Fc，取大值时(薄切屑)，则单位长度作用主切削刃上的负荷减轻，有利于寿命的提高。因此，在切削加工中，如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。143、切削速度的影响

切削速度对切削力Fc的影响见图6-2。

当加工塑性金属材料时，在中速和高速下，切削力Fc随切削速度的增大而减小。这是因为υ增大，将使切削温度升高，摩擦系数和变形系数减小。在低速范围内，切削速度对切削力Fc的影响，还有着特殊的规律：最初切削力Fc随切削速度的增大而减小，达最低后又逐渐增大，然后达最高点后又逐渐减小，呈马鞍形变化。这主要是由于积屑瘤造成的，积屑瘤最大Fc达到最小值，在积屑瘤消失时Fc达到最大值，以后，随着υ的提高，切削温度升高，切削力再度呈下降趋势。加工脆性材料时，切削速度对切削力的影响较小。

1516第二节切削用量对切削热和切削温度的影响

一、切削热的产生与传出

1、切削热的产生1）

在刀具的作用下，切削层金属发生弹性变形和塑性变形；2）

切屑与前刀面、工件与后刀面间消耗的摩擦功，也将转化为热；如图（6-3）17切削热由切屑、工件、刀具和周围介质(空气或切削液)传导出去。影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数以及周围介质的状况。工件材料的导热系数高，由切屑和工件传导出去的热量较多，切削区温度就较低，但整个工件的温度升高较快。例如，切削导热系数好的铝和铜，切削区温度较低，所以刀具的耐用度就较高；但工件的温度上升较快，由于热胀冷缩的结果，在室温下检验的尺寸往往与切削时测量的温度不符，这是必须引起重视的。18工件材料的导热系数低，则切削热不易从切屑和工件传导出去，切削区温度较高，使刀具的磨损加快。例如，切削不锈钢、钛合金以及高温合金时，由于它们的导热系数低，切削区温度很高，一般的刀具材料磨损较快，必须采用耐热性好的刀具材料．并且加注充分的切削液冷却。刀具材料的导热系数高，则切削区的热量容易从刀具传导出去，切削区温度就较低。例如，钨钴（YG）类硬质合金的导热系数普遍高于钨钴钛类（YT）硬质合金，加上前者的抗弯强度较高，所以切削导热系数低、热强度好的不锈钢和高温合金时，在缺少新型高性能硬质合金的情况下，往往采用YG6X、YG6A等牌号的钨钴类硬质合金。19采用冷却性能好的水溶性切削液能有效的降低切削温度

据有关资料介绍，切削热由切屑、工件、刀具和周围介质传导出去的比例大致如下：（1）车削加工时，50％～86％由切屑带走，40％～l0％传给车刀，9％～3％传给工件,l％左右通过辐射传入空气。切削速度越高，切削厚度越大，则由切屑带走热量越多。（2）钻削加工时，28％由切屑带走，14.5％传给车刀，52.5％传给工件,5％左右传给周围介质.202切削温度的分布如图6-4，是切削塑性金属时切削温度分布的实例。由图6-4中的等温曲线和温度分布曲线可知：①刀屑界面温度比切屑的平均温度高得多，一般约高2～2·5倍，且最高温度在前面上离刀刃一定距离的地方，而不在切削刃上。

②

沿剪切平面各点温度几乎相同。由此可以推想剪切平面上各点的应力应变规律基本上相差不大。③

切屑沿前面流出时在垂直前面方向上温度变化较大。说明切屑在沿前面流出时被摩擦加热。21④后面上温度分布也与前面类似，即最高温度在刚离开切削刃的地方，但较前面上最高温度低。

⑤工件材料的热导率越低(如钛合金比碳钢热导率低)，刀具前、后面的温度越高。⑥工件材料的塑性越低，脆性越大，前面上最高温度处越靠近切削刃，同时沿切屑流出方向的温度变化越大。切削脆性材料时最高温度在靠近刀刃的后面上。2223二、切削用量对切削温度的影响

1、切削用量的影响

由切削实验，求得刀具前面接触区平均切削温度θ的经验公式为：

(6-9)

式中Cθ为切削温度系数，Zθ、Yθ和Xθ为切削用量对切削温度的影响指数，且Zθ>Yθ>Xθ24当用高速钢和硬质合金刀具切削中碳钢时(切削速度νc的单位为m／min)，切削温度系数及指数见表6-2。

25由式(6-9)及表6-2可以看出，切削速度对切削温度的影响最大，进给量的影响次之，；背吃刀量的影响最小。随着切削速度的提高，切削温度将明显上升。其原因是：当切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈的摩擦，因而产生很多的热量。而这摩擦热主要是在切屑很薄的底层里产生的。

如果在连续流出的切屑中截取极短的一段作为一个单元来考察，当这个切屑单元沿前刀面流出时，摩擦热是一边生成而又一边向切屑的顶面方向传导的。如果切削速度提高，则摩擦热在很短的时间里便生成，而切屑底层产生的切削热向切屑内部传导需要一定的时间。26因此，提高切削速度的结果是，摩擦热来不及向切屑内部传导，而是大量积聚在切屑底层，从而使切削温度升高。根据实验结果．当切削速度提高一倍时，切削温度约增加20％一30％．还有一点值得注意的是，切削用量三要素间的交互影响。由表6—2看出，切削层公称厚度愈薄(或f愈小)时，切削速度对切削温度的影响愈大。

进给量增大时，一方面切削功率增大，切削热增多，同时刀一屑接触长度增大，摩擦热也增多，使切削温度上升；另一方面切屑厚度加大，热容量增大，由切屑带走的热量也增多，使切削温度的上升不显著。一般进给量增大一倍时，切削温度约升高10％。

27背吃刀量对切削温度的影响很小，这是因为它对热量的产生和导出都发生相应的影响，即随着ap增大，切削热虽然增多，但散热面积也同时增大。当然散热条件改善所占份量不如热量增加所占份量大，故随ap增大切削温度略微上升。通常ap增大一倍时，切削温度升高3％以下。

因此，为有效地控制切削温度以提高刀具耐用度，在机床条件允许下，选用大的切削深度和进给量，比选用大的切削速度有利。28第三节刀具寿命及切削用量对寿命的影响

一、刀具寿命

刃磨好的刀具，从开始切削到达到磨钝标准换刀所经历的总切削时间称为刀具寿命。有时为了方便也用总切削距离、加工零件数量等来表示。有时还常使用刀具的总寿命一词，它的意义是指刀具的寿命与刃磨次数(或可转位刀具的边数)的乘积。由于刀具的磨损量的测量很不方便，实际生产中，特别是大批量或自动化生产中，常以刀具寿命来控制换刀时间则较方便。

29二、切削用量对寿命的影响

泰勒用了26年时间，切削了万吨钢铁得出了切削速度与寿命关系的实验公式——泰勒寿命公式νcTm=A（6-10）

式中

νc——切削速度；

T——刀具寿命；

A——常数，其数值与切削实验条件有关；

m——指数(m<1)，表示切削速度对耐用度的影响程度。30m较小，表示切削速度对耐用度的影响大，m较大，表示切削速度对耐用度的影响小，即刀具材料的切削性能好。

m值的大小是刀具材料耐热性能好坏的标志。

常用刀具材料的m值大约为：高速钢m=0.11；硬质合金m=0．2～0．3；陶瓷m=0．4。由此数据可知，切削速度对刀具寿命的影响是很大的。高速钢刀具的寿命与切削速度的10次方成反比；硬质合金刀具与切削速度的5～3次方成反比。

但是应该注意的是，泰勒公式是实验公式，在实验速度范围内使用是正确的。超出实验范围则表现出局限性。

31图6-5是切削速度在广泛的范围内与寿命的关系，特别是低速时存在“驼峰”现象，出现速度愈低寿命越低的与泰勒公式不一致的现象。泰勒公式有效速度范围积屑瘤速度区驼峰处的耐用度最高,能否说明此处的速度是最佳切削速度呢?不是,因为此处的速度偏低,金属切除率也较低,在生产中往往没有使用价值.32进给量和背吃刀量的增大也会使寿命降低。切削用量三要素对刀具寿命的综合影响可用下式表达(6-11)式中

CT——系数，与除切削用量之外的切削条件诸因素有关；

1/m、1/n、1/p——分别为f和ap的影响指数，且1／m>1／n>l／P。

33用YT5硬质合金车削σb=0.637GPa的碳钢时，寿命的公式为

(6—12)

由以上公式可知，切削速度对寿命的影响最大，进给量次之、背吃刀量最小，这与它们对切削温度的影响是一致的。

34三、刀具合理寿命的概念

由式(6—10)可知，刀具寿命的大小直接影响切削用量的数值。如果刀具寿命规定得过高势必只能选用较小的切削用量，这就意味着降低生产率，增加加工成本。反之，若刀具寿命规定得过低，则使与换刀和磨刀有关的辅助时间和费用增加，同样也不能得到高生产率和降低加工成本。由此可见，刀具寿命应有一个合理值

目前，生产中常采用最低生产成本寿命作为合理寿命，必要时也可采用最高生产率寿命。

最低生产成本寿命Tc：是根据单件工序成本最小原则制订的寿命。35如图6-6所示，对应于C最小值的Tc即为最低生产成本寿命(单位：min)（6-13）

式中

m——式(6—10)中的指数，它表示νc对T的影响程度；

tct——换刀一次所需要的时间(min)；

Ct——刀具每刃成本(它包括磨刀费用及刀具折旧费)；

M——该工序单位时间内所分担的全厂开支(包括工作人员工资和机床损耗费用等在其他切削条件确定时，生产成本C的大小取决于寿命T的高低，太高或太低的T均使C增大。36完成一个工序所需要的工时经济耐用度最大生产率耐用度37最高生产率寿命Tp，是根据单件工序工时最短原则制订的寿命。在其他切削条件确定时，单件工序工时tw的大小取决于T的高低，太高或太低均使tw增加。如图6-6所示，对应于tw最小值的Tp，即为最高生产率寿命(单位：min)

（6-14）

比较式(6-14)与式(6—13)，不难看出Tc>Tp。显然最低生产成本寿命允许的切削用量低于最高生产率寿命允许的切削用量。在生产任务紧迫或生产中出现不平衡的薄弱环节时，选用最高生产率寿命。

38另外，由式(6—13)可知，刀具成本Ct高时，刀具寿命值也应取得高些，因而复杂刀具的寿命比简单刀具选得高。当刀具成本低而机床价格高时，Ct/M比值减小，最低生产成本寿命接近于最高生产率寿命，因此，可转位刀具比焊接刀具寿命要选择得低些。刀具合理寿命具体数值，可根据式(6-13)或式(6-14)确定，也可从有关手册中查出。下列数据可供选用时参考：

高速钢车刀：

T=30～60min；

高速钢钻头：

T=80～120min；

硬质合金焊接车刀：

T-=30～60min；对于装刀、换刀、调刀比较复杂的多刀机床、组台机床、自动机床和自动线等换刀所需时间长，刀具寿命应选择得高些。当工序单位时间所分担的全厂开支较大时，刀具寿命应选择得较低。39硬质合金可转位车刀；T=l5~45min；

硬质合金端铣刀：

T=120～180min；

齿轮刀具：

T=200～300min；多刀机床、组合机床、自动机床和自动线刀具：

T=240～480min。第四节切削用量的选择

一、切削用量的选择原则

40从金属切除率公式Qz

=1000Vcapf(mm3/s)看，增大三要素中任何一个似乎都可以提高生产率，但从刀具寿命与三要素关系式

看，三者的影响程度是不同的，vc影响最大，f次之，ap最小。

41在刀具寿命已确定的条件下，欲使vcfap三者乘积即金属切除率最大，无疑应首先选择尽量大的背吃刀量ap，其次再根据机床动力和刚性限制条件或已加工表面粗糙度的要求选择尽量大的进给量f，最后依据三要素与刀具寿命关系式计算确定切削速度Vc。这是选择切削用量的基本原则。实际合理切削用量的选择与机床、刀具、工件及工艺等多种因素有关。按上述基本原则和步骤选择的切削用量，严格讲只是合理切削用量的一个初始值。真正合理的切削用量是在综合考虑零件工艺及工艺系统状态后并细心体察，逐步探索改善才能达到最佳状态。42切削用量的选择还是一项现场性并具有很大灵活性的工作。刀具寿命常常也不一定有什么较严格的规定，表面看也不一定按上述步骤选择切削用量，但上述基本原则仍然适用。此时前人的经验和技术资料及从业者、操作者本人的经验积累就显得尤为重要。也应是上述基本原则的一个体现。

二、切削用量的选择方法

一、确定背吃刀量ap：

粗加工背吃刀量ap根据工序余量来确定。除留给以后工序的余量外，其余的粗加工余量尽可能一次切除，以使走刀次数最少。43下列情况之一可选用两次或数次进给：粗加工余量h过大，如外圆车削的单边余量h>6mm；加工余量极不均匀；工艺系统刚度不足；断续切削、刀片尺寸较小，如作用切削刃长度超过工作切削刃的60％时，采用两次进给。第一次进给的ap值应选得大些，一般ap=（2/3～

3/4）h。当加工余量极不均匀时，视具体情况应先切去不均匀部分。

切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚度，以预防刀尖过早磨损。

半精加工的余量较小，约在l～

2mm左右，精加工余量更小，约在0.05～0.80mm之间。44在半精加工、精加工时，应在一次进给中切除工序余量。在采用硬质合金车刀精车时，考虑到刀尖圆弧半径rε与切削刃钝圆半径rn对挤压和摩擦作用的影响，ap不宜过小，一般应大于0.3mm。2、确定进给量f：

粗加工时，进给量f的选择受切削力的限制。在工艺系统强度和刚度允许的情况下选择较大的进给量，一般取f=0.3～0.9mm／r。

生产实际中多采用查表法确定合理的进给量。粗加工时，根据工件材料、车刀刀杆的尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量来选择进给量；

(具体数值可查阅“机械加工工艺手册”)。45半精加工和精加工的ap值较小，产生的切削力不大，故进给量主要受到表面粗糙度的限制，一般选得较小，常取f=0.08～0.50mm／r。但也不能太小，否则切削层公称厚度太薄不易切下切屑，对已加工表面质量反而不利。当取合理的刀尖参数或修光刃和高的切削速度与之配合时，进给量f可适当选大些，以提高生产率。3、确定切削速度vc

在ap和f选定后，再根据规定达到的合理寿命T(min)，就可以确定切削速度vc(单位：m／s)。车削速度vc的计算公式由式(6—10)可得如下表达式：vc=Cv/（60TmapXvfyv）Kvc

（6-15）

46式中：

Kvc——切削速度修正系数，且

Kvc=KMvKsvKtvKkrvKkrˊvKrεvKBv式中，KMvKsvKtvKkrvKkrˊvKrεvKBv一分别表示工件材料，毛坯表面状态，刀具材料，车刀主偏角kr，副偏角kˊr，，刀尖圆弧半径rε及刀杆尺寸对切削速度的修正系数。上述各修正系数及Cv、Xv、yv及m值，可查阅“机械加工工艺手册”。在生产中选择切削速度的一般原则是：47(1)粗车时，ap和f较大，故选择较低的vc；精车时，ap和f均较小，故选择较高的vc(2)工件材料强度、硬度高时，应选较低的vc；加工奥氏体不锈钢、钛台金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的vc(3)切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低20％～30％；切削调质状态的钢比切削正火、退火状态钢要降低切削速度20％～30％；切削有色金属比切削中碳钢的切削速度可提高100%～300％。(4)刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。如硬质合金的切削速度比高速钢刀具可高好几倍，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石和CBN刀具可采用更高的切削速度。

48(5)精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。

6)断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低切削速度。

(7)在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。

(8)加工大件、细长件和薄壁工件或加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度。49三、切削用量的优化

在实际生产中，由于被加工材料、使用的机床、刀具和夹具等条件千变万化，很难从手册或凭经验确定一组最优的切削用量。尤其是随着数控(NC)机床、生产自动线、柔性制造系统(FMS)、集成制造系统(IMS)等先进加工手段不断涌现，选择切削用量的传统方法已越来越不适应生产发展的需要。应用更科学的方法优化选择切削用量已势在必行。下面将简要介绍两种确定最优切削用量的方法。

50（一）、应用“最优切削温度守恒定律”确定最优切削用量

优化选择切削用量时，首先要确定一个衡量切削过程优劣的优化目标。目前，常用的优此目标有：最低生产成本或最高生产率，有时也用最小刀具相对磨损量NBrs，所谓刀具相对磨损量NBrs是指刀具每切出1000cm2已加工表面时的刀具径向磨损量.可用下式计算得到NBrs=NBX10-5/lmf

（6-16）

式中NB一一刀具径向磨损量(mm)；51lm——切削路程(m)，它是切削速度vc与切削时间tm的乘积，即

lm=vctm

f一一进给量(mm／r)。由上式可见，NBrs减小，一定lm和f下的NB值越小，亦即刀具寿命和工件加工精度越高，或者一定NB下的(lm和f)越大，生产率越高。因此，当NBrs最小时，可以说切削过程处于最优状态。大量试验表明，各类刀具材料在切削各种工件材料时，都会存在一个使NBrs最小的切削温度恒定值θopt这一温度称为‘‘最优切削温度”。

52例如，用YTl5刀具加工40Cr钢，切削层公称厚度hD=0.037-0.5ram时，θopt≈730°C；用YA6刀具加工镍基高温合金vc=10～50m／min时，θopt≈780°C。具体方法是：先确定背吃刀