【数控刀具选用指南10】切削用量的优选
编者按
（一）粗加工时切削用量选择的基本原则
粗加工时高生产效率是追求的基本目标。这个目标常用单件机动工时最少或单位时间切除金属体积最多来表示。以外圆纵车为例说明。
单件机动工时：
式中 L——进给长度，单位为mm；
dw——工件毛坯直径，单位为mm；
nw——工件转速，单位为r/min；
h——加工余量，单位为mm。
令A0＝πdwLh/1000，则
提高vc、增大f和ap，都能提高生产率。
（二）精加工时切削用量选择的基本原则
精加工时切削用量的选择首先要保证加工精度和表面质量，同时兼顾必要的使用寿命和生产效率。
精加工时应采用较小的ap和f，以减小切削力及工艺系统弹性变形，改善已加工表面质量。ap通常根据加工余量而定，f的提高主要受表面粗糙度的制约。在ap和f确定之后，在保证合理刀具使用寿命的前提下，确定合理的切削速度vc。
（三）选择切削用量的途径
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，因此尚无一个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：
1. 查手册 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，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。
2. 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相对应的切削速度和进给量，这些数据不仅对于该公司的刀具有参考的价值，对于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，使其更符合使用条件。
3. 做切削试验 把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。为了使切削试验的结果有可比性，国际标准化组织对车刀、立铣刀、钻头的试验条件、程序及数据处理都作了严格的规定，我国也颁布了相应的标准：GB/T 16461-1996《单刃车削刀具寿命试验》、GB/T 16459-1996《面铣刀寿命试验》、GB/T 16460-1996《立铣刀寿命试验》。
（四）合理切削用量的选择方法
1. 背吃刀量ap的选择 在切削用量三要素中，通常先选背吃刀量，一般根据加工性质和加工余量来确定。还要考虑工件材料、刀具材料、机床和加工工序等具体的工艺因素，对余量作合理的分配。从车削的生产率计算公式可见，生产率
提高ap，生产率成正比提高，还因为ap对刀具寿命的影响最小，在刀具寿命一定时，增加ap比增加f对提高生产率有利。因此，粗加工时，尽可能取大的ap值，减少进给的次数，提高生产效率。但加大ap使切削力增加，尤其在余量大的时候切削力会很大，ap的增加应受机床功率和系统刚性的限制。在半精加工或精加工时，加工余量应取较小的值，以减小切削力和变形，增加刀具寿命，保证加工质量，然而对于加工硬化严重的材料，最小的背吃刀量应超过上道工序产生的硬化层的深度。
ap一般根据加工性质与加工余量确定。切削加工一般分为粗加工(表面粗糙度值Ra=50~12.5μm)、半精加工（Ra=6.3~3.2μm）和精加工（Ra=1.6~0.8μm）。例如在中等功率机床上采用硬质合金刀具车外圆时，粗车取ap=2~6mm，半精车取ap=0.3~2mm，精车取ap=0.1~0.3mm。
在下列情况下，粗车要分多次进给：
（1）加工余量过大，一次进给的切削力过大，以致机床功率不足或刀具强度不够。
（2）工艺系统刚度较低，或加工余量极不均匀，引起很大振动时，如加工细长轴和薄壁工件时。
（3）断续切削，刀具会受到很大冲击而造成打刀时。
即使是在上述情况下，也应把第一次进给或前几次进给的ap取得尽量大些，若为两次进给，则第一次的ap一般取加工余量的2/3~3/4。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。
2. 进给量f的选择 进给量对刀具寿命的影响比背吃刀量大，但比切削速度小。进给量主要根据工件材料的强度、硬度、刀具材料类别、加工工序等因素按经验或样本、手册等资料选取。
（1）粗加工时，对已加工表面质量要求不高，这时切削力较大，进给量f的选择主要受切削力的限制。在刀杆、工件刚度、刀片与机床进给机构强度允许的情况下，选取较大的进给量。
（2）半精加工和精加工时，因背吃刀量ap较小，产生的切削力不大，进给量的选择主要受加工表面质量的限制。当刀具有合理的过渡刃、修光刃且采用较高的切削速度时，进给量f可适当选大些，以提高生产效率。
在生产中，进给量常常根据经验通过查表来选取。粗加工时，进给量可根据工件材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量ap来选择。表1-9中给出了硬质合金刀具粗车外圆的进给量。
表1-9 硬质合金刀具粗车外圆的参考进给量
注：①加工断续表面及有冲击的工件时，表内进给量应乘以系数K=0.75~0.85。
②无外皮加工时，表内进给量应乘以系数K=1. 1。
③加工高温合金时，进给量不大于1mm/r。
④加工淬火钢时，进给量应减小。当钢的硬度为44~56HRC时，乘系数0.8；当钢的硬度为57~62HRC时，乘系数0.5。
在半精加工和精加工时，应按加工表面粗糙度值的大小，根据工件材料和预先估计的切削速度vc与刀尖圆弧半径rε来选取f，如表1-10所示。
表1-10 硬质合金车刀半精车外圆的参考进给量
按经验确定的粗车进给量f在某些特殊情况下，如切削力很大、工件长径比很大、刀杆伸出长度很大（车内孔）时，需要进行刀杆强度和刚度、刀片强度、机床进给机构强度、工件刚度等方面的校验。最后，应按机床说明书来确定进给量。
3. 切削速度vc的选择 当刀具使用寿命T、背吃刀量ap与进给量f确定后，即可计算切削速度vc
式中 Kvc——切削速度修正系数，与刀具材料和几何参数、工件材料等有关。
Cv、xv、yv、m及Kvc值可查表1-11。
表1-11 车削时切削速度公式中的系数和指数
注：下列加工应对计算出的vc乘修整系数：
① 镗孔加工：Kvc=0.9。
② 用高速钢车刀加工不锈钢、铸钢且不用切削液时，Kvc=0.8。
切削速度确定之后，即可算出机床转速n（r/min）
选定的转速应根据机床说明书确定（取相近较低的转速n），最后再根据选定的转速来计算实际切削速度。
在生产中选择切削速度的一般原则是：
（1）粗车时，ap和f较大，故选择较低的vc；反之精车时选择较高的vc。
（2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的vc。
（3）切削合金钢比切削中碳钢切削速度降低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%，如表1-11所示。
（4）刀具材料的切削性能越好，切削速度也选得越高，如硬质合金的切削速度比高速钢刀具可高几倍，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。
在确定切削速度时，还应考虑以下几点：
（1）精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。
（2）断续切削时，为减少冲击和热应力，宜适当降低切削速度。
（3）在易发生振动情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。
（4）加工大型工件、细长件和薄壁工件或带外皮的工件，应适当降低切削速度。
校验机床功率，切削功率：
PE可从机床说明书中查询，如不能满足上式，就要进行分析，适当减小所选切削用量。
切削用量三要素对刀具寿命的影响程度不同，由大到小影响次序是：vc、f、ap。为保持已确定的刀具寿命，若提高其中一要素，则必须相应地降低另外两要素（见表1-12、表1-13）。可见切削用量三要素对生产率的影响程度是不同的。
表1-12 硬质合金刀具切削用量推荐表
表1-13 常用切削用量推荐表
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