选择切削用量的途径
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面对着具体的零件及工件材料和已经选定的刀具、机床以及其它必要的工艺装备，使用者接下来的工作是设定切削用量，即切削速度vc\进给量f和切削深度(背吃刀量)apo切削用量的合理与否将直接关系到切削加工的最终效果，即加工效率和加工成本的高低及加工质量的好坏。
" V# `/ Z9 g( V( N5 L- S. { 影响切削用量的因素很多，有工件材料、刀具材料、刀具几何参数、工艺类别、加工工序以及具体的使用条件，如机床、装夹、切削液等众多的因素，加上这些因素的不确定性及难以量化的特点，因此尚没有一个计算方法来精确地算出切削用量。一般获得切削用量的途径有三条( {5 @( l. D D/ w0 b6 A5 p
一是查手册或切削数据库，一般可以查到切削速度、进给量和刀具寿命。手册上的数据是通过特定条件下的切削试验来建立计算切削用量的数学模型，制定出供查阅的数据表格。由于具体使用条件与试验条件的差别，采用时要作一定的修正，并在以后的使用中再作适当的调整。% J7 h# K) K ~' C. m6 L- R/ U
二是查刀具制造商的样本或由他们提供的光盘。这些样本或光盘在介绍产品的同时也推荐使用该产品的切削速度和进给量，这些数据不仅对干使用该公司的刀具有参考的价值，对于使用相同类型的刀具加工同一类工件材料也有一定的借鉴作用，使用时也要在应用中加以调整，使之更符合使用条件。
8 v6 b: U6 _0 D 三是做切削试验。让试验的条件尽可能符合实际的使用状况，所获得的结果最可靠。对于科研工作中的切削试验，为了使切削试验的结果有可比性，国际标准化组织对车刀、面铣刀、立铣刀的试验条件、程序及数据处理都作了规定，我国也颁布了相应的标准：GB／Tl6461--1996单刃车削刀具寿命试验、GB／Tl6459—1996面铣刀寿命试验、GB／Tl6460—1996立铣刀寿命试验。9 j% q1 |) u5 Q% p( m% h7 A7 A
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影响切削用量选择的主要因素/ j+ J6 ^! w: U& W+ w
9 s; K% z4 |) b9 m# F& k 从掌握刀具应用技术的角度考虑，有必要进一步了解影响切削用量选择的主要因素。切削用量的选择关系到：9 ^, I) C4 v/ F9 t' t
第一，金属切除率Q的大小。金属切除率Q=Vc×f×ap"为单位时间内切除的金属体积，其大小也可代表切削加工效率的高低。从上式可见，切削用量三要素vc、f、ap中的任何一个对金属切除率的贡献是相同的，增加其中任何一个用量对生产效率的提高有着相同的效果。# O' Q. |: U% @3 [. e. |5 c6 }7 i
第二，作用在刀具上的载荷(切削热和切削力)的大小。因为f×ap为切削的截面积，根据不同工件材料单位切削面积的切削力Kc1(见系列讲座之二的表2)，该乘积决定作用在刀具上切削力的大小；而vc的大小则关系到克服切削力所消耗的能量及其所转换的热量的多少，包括变形区和摩擦区的热。因Vc、f、ap的选择会影响刀具磨损的快慢和失效的类型。需要指出，这三个要素Vc、f、ap对刀具磨损快慢即刀具寿命的长短的影响程度是不一样的。4 ?0 a, s) q! |# l' Q% D
刀具在切削时，在切削力和切削热的共同作用下，切削刃和前、后刀面经历着逐渐磨损的过程，不断地变钝，当磨损量达到一定程度时刀具就不能继续使用，必须更换刀具或更换可转位刀片的刀尖，否则会导致刀具的过度磨损甚至损坏，进而影响加工的质量或增加刀具的费用。刀具在换刀前所允许的磨损限度，一般用刀具主后面上的磨损带的平均宽度VB表示(图1)。VB作为刀具的磨钝标准，其数值随工件材料、刀具类型、工序类别等因素变动，通常由操作者根据工艺的规定或实际状况而定。
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2 w6 b5 s# u/ `6 v( A图1
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前面一直在用的刀具寿命这个概念就是刀具用到磨钝标准VB时所经过的切削时间，即从新刀(或重磨后的刀具)到换刀前所经过的切削时间。显然，对于已规定的磨损限度。这个时间(刀具寿命)的长短与切削用量所决定的刀具磨损快慢有关——磨损得快，寿命就短；磨损得慢，寿命就长。那么，Vc、f、ap 对刀具寿命影响程度有关怎样的差异呢？1 ]) r7 t' j) M0 n2 Y
由车刀的寿命试验可以得出 在正常磨损的过程中，Vc、f、ap与刀具寿命T有着以下的关系:
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其中z<v<X<1，这说明从刀具寿命的角度考虑，ap对刀具寿命的影响最小，其次是f，最大Vco这是因为增加ap刀具切削刃的工作长度相应增加，散热条件随着改善；而增加f虽然也能增加刀尖的散热面积，但由于切屑收缩的缘故，散热面积并未按相应的比例增加，因此对刀具磨损的作用要大于apoVc由于直接关系到切削变形和摩擦产生的热量，因此对刀具寿命的影响最大。结合Q=Vc×f×ap关系式，理论上可以得出：在选择Vc、f、ap的时候，首先应尽可能选大的ap，然后再选大的f，最后再选定Vco这样的Vc、f、ap组合是在获得相同金属切除率Q的各种组合中其刀具寿命最长的一组。 Q' q R/ a" j/ e6 H+ v$ v
第三，还与加工质量的好坏有关。切削时，主要由ap和f决定切削力的大小，如果选择不当，会出现工艺系统的变形、引起振动等问题，使加工质量降低。f的大小还会影响已加工表面上残留面积的高度，即工件表面的粗糙度。在加工长屑材料时，尤其是加工易产生积屑瘤的工件材料，在一定的Vc范围内会形成积屑瘤，使表面质量降低。6 }- c+ ^2 r4 T+ `! X3 V% m6 c
由此可见，尽管从金属切除率的角度三者效果一样，但根据这三者对刀具寿命的不同影响程度及它们各自所起的作用不同，不仅在选择的次序上有先后之分，而且在大小选择上考虑的因素也不相同。
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2 [& I9 ~- W% r0 M4 k4 K切削深度ap的选择9 d J. e: Q" R {. ?; X: ^
3 q, w) U" D+ C! ~ 在尽可能取大的原则下，通常还要根据工序类型、余量大小及工艺系统的刚性等因素，具体确定走刀的次数和每次走刀的切削深度。选择过大的切削深度，超过刀片或刀杆的强度甚至机床的动力，尤其是在粗加工、断续切削或重型切削时，往往是造成早期打刀的主要原因。在系统刚性不足时，过大的切深产生的切削力会引起振动，也会造成打刀或崩刃，或降低加工精度。通常最大的切削深度不能超过刀片切削刃长度的1／2。然而，片面地减小每次走刀的切深，会增加走刀的次数，降低加工的效率，也增加机动的时间，从而增加加工的成本。; r: d) V1 n+ b4 r7 v1 j* Q6 j! t
! C" x. D6 c$ j9 S4 Z进给量f的选择9 x1 q! E" o. Q* @7 f: ~
4 e( R% P) V& `4 p/ o( Y# i 主要根据加工的类型而定。从金属切除率的公式看，粗加工时应选大的进给量，可提高加工效率，但随着进给量的加大，切削力增加，从而受到机床功率、进给机构强度，零件形状、刀具刚性和强度等因素的制约，必要时需要根据选定的切削深度和进给量计算切削力，然后对以上制约因素中的薄弱环节进行强度或变形量的校验。过大的进给量是造成刀具打刀、崩刃及刀尖塑性变形的重要原因。在半精加工或精加工时，要按表面粗糙度的要求，根据刀尖圆弧半径或过渡刃的形状及副偏角的大小来选取。 i# E, |' u# m3 @$ y3 L- C3 Q2 X
此外，在车削时切深和进给量的大小还会影响断屑的效果，在必须断屑时，可通过调整切深和进给量改变切屑的宽度与厚度的比例和变形的程度，从而达到改善断屑效果的目的。
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$ E0 U B* ^) V1 G2 z/ b Y切削速度Vc的选择" F3 m& m: H; s: v2 E* v
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在根据具体的加工条件选定了切削深度和进给量以后，切削速度的选择将最终决定金属切削率的大小和刀具寿命的长短，并关系到切削加工的效果的好坏——切削加工效率和成本的高低。
# r; G! r- E0 ]4 ]5 s 在选定了切削深度和进给量以后，由刀具的寿命试验可以得出切削速度与刀具寿命的关系为:3 ^, F, X2 Z& A. \
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图2显示切削速度与刀具寿命的关系式在双对数座标系里为一条直线，这说明切削速度与刀具寿命是相互制约的关系，它们对切削效率和加工成本有着不同的影响，需要对两者作综合的考虑。- h# K/ Q5 O, u( q
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! x; K; d) \ C3 r: a- a) m* c" |图2
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从切削加工的效率考虑，提高切削速度可使金属切除率加大，有利于切削加工效率的提高，但刀具寿命缩短，换刀次数增加，停机时间增加，却使切削加工效率降低。另一方面，从加工成本考虑，提高切削速度可降低机床折旧、人员工资及管理费在单件成本中的比例，有利于加工成本的降低，但刀具寿命的缩短会增加刀具采购的费用、换刀的停机费用及刀具重磨所发生的设备、人工、管理等费用，又会使单件成本增加。因此，较合理的切削速度需要在掌握详细的工时和费用数据的基础上，通过对单件工时的计算及单件成本的计算而得到，其值将随具体的机床和刀具而变化。从以上的分析及相关的计算实例中可以得出选择切削速度的以下的指导性意见
/ n3 U# B( J# v- M3 _ 如果机床很贵重，分摊给零件的每分钟费用就高，在单件成本中所占比例大，则在加工时宜采用较高的切削速度。- y5 C' J- Z, V' E
相对而言，如果刀具很贵重，或重磨的费用很高，或每次换刀调试时间比较长，则宜采用较低的切削速度，延长刀具的寿命。4 K) T9 `7 ^- E6 W! X
一般情况下，应用可转位刀具比焊接刀具可采用较高的切削速度，并且加工成本也较低。. l+ z4 l- b, b& ? T- P1 K) Q6 G
根据刀具失效的主要原因对切削速度加以调整。在出现打刀的情况下，需要降低切削深度和进给量，与此同时可适当提高切削速度，当以月牙洼、后刀面磨损或塑性变形为刀具失效的主因时，应降低切削速度。3 u6 T$ D0 T. ?9 D
当通过增加切削深度或进给量改善断屑时，要降低切削速度。0 B( ]9 b0 {7 b4 V! E4 G& P
+ ^# N8 X* y/ f0 C V) t: Q9 X* K改进切削加工的基本途径: k& x+ j4 y. P- x$ K2 n8 N5 A
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根据切削用量选择与生产率和加工成本的关系，为分析和改进切削加工指出了方向和途径，包括：
8 Y5 \; x( r; ^ 提高机加工设备中数控机床的比例。数控机床切削效率高，自动化程度高，减少了换刀时间和辅助时间。3 U0 m: ]& _' i) K& J
加快采用高性能刀具材料和涂层刀具的步伐。这对提高切削速度和加工效率及降低制造成本有显著的效果。
3 d1 I/ u7 a K& [" @2 i 提高可转位刀具的应用比例。计算证明，应用可转位刀具可提高加工效率，降低刀具费用，从而降低单件成本。0 Q0 e; V2 f I- c5 r
批量生产的企业，在设计零件的流水线工艺时，应尽量采用专用刀具和复合刀具，从而减少工序，提高效率和加工质量，并减少投资。
% f) Y4 X. Y9 G1 w, n9 a 单件小批生产的企业，应尽可能采用多功能刀具，减少换刀时间，以提高加工效率降低成本。5 A) ~+ ^, c% E6 @2 M! ~6 X4 x
总之，在制造行业竞争越来越剧烈的时代，积极采用新的切削技术和先进刀具是提高加工效率和降低加工成本的有效举措。 |
发表于 2010-4-6 09:33:35
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