選擇切削用量的途徑
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7 k5 Y5 q' g7 n8 z 面對著具體的零件及工件材料和已經選定的刀具、機床以及其它必要的工藝裝備，使用者接下來的工作是設定切削用量，即切削速度vc\進給量f和切削深度(背吃刀量)apo切削用量的合理與否將直接關系到切削加工的最終效果，即加工效率和加工成本的高低及加工質量的好壞。6 E" d4 Y2 T& ~) }
影響切削用量的因素很多，有工件材料、刀具材料、刀具幾何參數、工藝類別、加工工序以及具體的使用條件，如機床、裝夾、切削液等眾多的因素，加上這些因素的不確定性及難以量化的特點，因此尚沒有一個計算方法來精確地算出切削用量。一般獲得切削用量的途徑有三條- y$ V3 M! J% x' A
一是查手冊或切削數據庫，一般可以查到切削速度、進給量和刀具壽命。手冊上的數據是通過特定條件下的切削試驗來建立計算切削用量的數學模型，制定出供查閱的數據表格。由于具體使用條件與試驗條件的差別，采用時要作一定的修正，并在以后的使用中再作適當的調整。+ F5 B' |. t# L7 {
二是查刀具制造商的樣本或由他們提供的光盤。這些樣本或光盤在介紹產品的同時也推薦使用該產品的切削速度和進給量，這些數據不僅對干使用該公司的刀具有參考的價值，對于使用相同類型的刀具加工同一類工件材料也有一定的借鑒作用，使用時也要在應用中加以調整，使之更符合使用條件。
Q R8 ~* n8 m; Q/ v 三是做切削試驗。讓試驗的條件盡可能符合實際的使用狀況，所獲得的結果最可靠。對于科研工作中的切削試驗，為了使切削試驗的結果有可比性，國際標準化組織對車刀、面銑刀、立銑刀的試驗條件、程序及數據處理都作了規定，我國也頒布了相應的標準：GB／Tl6461--1996單刃車削刀具壽命試驗、GB／Tl6459—1996面銑刀壽命試驗、GB／Tl6460—1996立銑刀壽命試驗。0 [' a5 p0 `+ q
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影響切削用量選擇的主要因素. N* d# A7 A1 @( u' \3 z
2 P* p0 e* P l 從掌握刀具應用技術的角度考慮，有必要進一步了解影響切削用量選擇的主要因素。切削用量的選擇關系到：9 E; L4 V0 K9 f7 E7 D
第一，金屬切除率Q的大小。金屬切除率Q=Vc×f×ap"為單位時間內切除的金屬體積，其大小也可代表切削加工效率的高低。從上式可見，切削用量三要素vc、f、ap中的任何一個對金屬切除率的貢獻是相同的，增加其中任何一個用量對生產效率的提高有著相同的效果。. @9 `4 Y3 e# t
第二，作用在刀具上的載荷(切削熱和切削力)的大小。因為f×ap為切削的截面積，根據不同工件材料單位切削面積的切削力Kc1(見系列講座之二的表2)，該乘積決定作用在刀具上切削力的大小；而vc的大小則關系到克服切削力所消耗的能量及其所轉換的熱量的多少，包括變形區和摩擦區的熱。因Vc、f、ap的選擇會影響刀具磨損的快慢和失效的類型。需要指出，這三個要素Vc、f、ap對刀具磨損快慢即刀具壽命的長短的影響程度是不一樣的。
0 i& t0 T. R/ ^ @$ F- ^ 刀具在切削時，在切削力和切削熱的共同作用下，切削刃和前、后刀面經歷著逐漸磨損的過程，不斷地變鈍，當磨損量達到一定程度時刀具就不能繼續使用，必須更換刀具或更換可轉位刀片的刀尖，否則會導致刀具的過度磨損甚至損壞，進而影響加工的質量或增加刀具的費用。刀具在換刀前所允許的磨損限度，一般用刀具主后面上的磨損帶的平均寬度VB表示(圖1)。VB作為刀具的磨鈍標準，其數值隨工件材料、刀具類型、工序類別等因素變動，通常由操作者根據工藝的規定或實際狀況而定。
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! g4 w% m: k+ ?9 |0 g' b# T& |2 }- f圖1
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前面一直在用的刀具壽命這個概念就是刀具用到磨鈍標準VB時所經過的切削時間，即從新刀(或重磨后的刀具)到換刀前所經過的切削時間。顯然，對于已規定的磨損限度。這個時間(刀具壽命)的長短與切削用量所決定的刀具磨損快慢有關——磨損得快，壽命就短；磨損得慢，壽命就長。那么，Vc、f、ap 對刀具壽命影響程度有關怎樣的差異呢？
. L) |5 r* w" e- ] 由車刀的壽命試驗可以得出 在正常磨損的過程中，Vc、f、ap與刀具壽命T有著以下的關系:" t- S- |, x3 U a3 P
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+ {+ Q& E1 O: s 其中z<v<X<1，這說明從刀具壽命的角度考慮，ap對刀具壽命的影響最小，其次是f，最大Vco這是因為增加ap刀具切削刃的工作長度相應增加，散熱條件隨著改善；而增加f雖然也能增加刀尖的散熱面積，但由于切屑收縮的緣故，散熱面積并未按相應的比例增加，因此對刀具磨損的作用要大于apoVc由于直接關系到切削變形和摩擦產生的熱量，因此對刀具壽命的影響最大。結合Q=Vc×f×ap關系式，理論上可以得出：在選擇Vc、f、ap的時候，首先應盡可能選大的ap，然后再選大的f，最后再選定Vco這樣的Vc、f、ap組合是在獲得相同金屬切除率Q的各種組合中其刀具壽命最長的一組。
: f3 h3 g7 r5 M 第三，還與加工質量的好壞有關。切削時，主要由ap和f決定切削力的大小，如果選擇不當，會出現工藝系統的變形、引起振動等問題，使加工質量降低。f的大小還會影響已加工表面上殘留面積的高度，即工件表面的粗糙度。在加工長屑材料時，尤其是加工易產生積屑瘤的工件材料，在一定的Vc范圍內會形成積屑瘤，使表面質量降低。& |/ W5 g% o+ f- x; }/ r- h* d" h
由此可見，盡管從金屬切除率的角度三者效果一樣，但根據這三者對刀具壽命的不同影響程度及它們各自所起的作用不同，不僅在選擇的次序上有先后之分，而且在大小選擇上考慮的因素也不相同。% V# g) Z6 z3 x& B& b
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切削深度ap的選擇
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在盡可能取大的原則下，通常還要根據工序類型、余量大小及工藝系統的剛性等因素，具體確定走刀的次數和每次走刀的切削深度。選擇過大的切削深度，超過刀片或刀桿的強度甚至機床的動力，尤其是在粗加工、斷續切削或重型切削時，往往是造成早期打刀的主要原因。在系統剛性不足時，過大的切深產生的切削力會引起振動，也會造成打刀或崩刃，或降低加工精度。通常最大的切削深度不能超過刀片切削刃長度的1／2。然而，片面地減小每次走刀的切深，會增加走刀的次數，降低加工的效率，也增加機動的時間，從而增加加工的成本。
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進給量f的選擇+ l5 T( s& \( h
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主要根據加工的類型而定。從金屬切除率的公式看，粗加工時應選大的進給量，可提高加工效率，但隨著進給量的加大，切削力增加，從而受到機床功率、進給機構強度，零件形狀、刀具剛性和強度等因素的制約，必要時需要根據選定的切削深度和進給量計算切削力，然后對以上制約因素中的薄弱環節進行強度或變形量的校驗。過大的進給量是造成刀具打刀、崩刃及刀尖塑性變形的重要原因。在半精加工或精加工時，要按表面粗糙度的要求，根據刀尖圓弧半徑或過渡刃的形狀及副偏角的大小來選取。5 g- @" Y. {, B/ W& t; g
此外，在車削時切深和進給量的大小還會影響斷屑的效果，在必須斷屑時，可通過調整切深和進給量改變切屑的寬度與厚度的比例和變形的程度，從而達到改善斷屑效果的目的。8 [7 }0 s3 y5 ?
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切削速度Vc的選擇
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在根據具體的加工條件選定了切削深度和進給量以后，切削速度的選擇將最終決定金屬切削率的大小和刀具壽命的長短，并關系到切削加工的效果的好壞——切削加工效率和成本的高低。. l& @$ f6 M8 x( w: ]0 B) u
在選定了切削深度和進給量以后，由刀具的壽命試驗可以得出切削速度與刀具壽命的關系為:
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6 o1 e o; ?7 w6 g9 u; e% Q6 |/ j 圖2顯示切削速度與刀具壽命的關系式在雙對數座標系里為一條直線，這說明切削速度與刀具壽命是相互制約的關系，它們對切削效率和加工成本有著不同的影響，需要對兩者作綜合的考慮。
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$ o$ O. {# A4 }! C) J, r/ `圖2
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( b, K1 |4 _7 b) z* U 從切削加工的效率考慮，提高切削速度可使金屬切除率加大，有利于切削加工效率的提高，但刀具壽命縮短，換刀次數增加，停機時間增加，卻使切削加工效率降低。另一方面，從加工成本考慮，提高切削速度可降低機床折舊、人員工資及管理費在單件成本中的比例，有利于加工成本的降低，但刀具壽命的縮短會增加刀具采購的費用、換刀的停機費用及刀具重磨所發生的設備、人工、管理等費用，又會使單件成本增加。因此，較合理的切削速度需要在掌握詳細的工時和費用數據的基礎上，通過對單件工時的計算及單件成本的計算而得到，其值將隨具體的機床和刀具而變化。從以上的分析及相關的計算實例中可以得出選擇切削速度的以下的指導性意見' K7 Z# \) r" [ v1 h
如果機床很貴重，分攤給零件的每分鐘費用就高，在單件成本中所占比例大，則在加工時宜采用較高的切削速度。( A8 [. _/ D! N6 h, E9 D
相對而言，如果刀具很貴重，或重磨的費用很高，或每次換刀調試時間比較長，則宜采用較低的切削速度，延長刀具的壽命。5 t) A# ?# G4 }8 O9 y, S! y
一般情況下，應用可轉位刀具比焊接刀具可采用較高的切削速度，并且加工成本也較低。
; L2 w" I/ |/ e 根據刀具失效的主要原因對切削速度加以調整。在出現打刀的情況下，需要降低切削深度和進給量，與此同時可適當提高切削速度，當以月牙洼、后刀面磨損或塑性變形為刀具失效的主因時，應降低切削速度。8 m! H) e1 J6 A _: q9 B
當通過增加切削深度或進給量改善斷屑時，要降低切削速度。9 `. o; ~) @! N4 W! B* s3 F
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改進切削加工的基本途徑5 ]# R& u; x$ ?5 F
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根據切削用量選擇與生產率和加工成本的關系，為分析和改進切削加工指出了方向和途徑，包括：/ B9 i5 }' r$ I/ H+ X3 H, x$ e
提高機加工設備中數控機床的比例。數控機床切削效率高，自動化程度高，減少了換刀時間和輔助時間。
% t' j" w! e9 K# _ 加快采用高性能刀具材料和涂層刀具的步伐。這對提高切削速度和加工效率及降低制造成本有顯著的效果。
7 M! z, z! C8 s; l; v( f* g, Z 提高可轉位刀具的應用比例。計算證明，應用可轉位刀具可提高加工效率，降低刀具費用，從而降低單件成本。: h" ]3 h) R3 z+ n: ~0 Q$ ~- M7 X
批量生產的企業，在設計零件的流水線工藝時，應盡量采用專用刀具和復合刀具，從而減少工序，提高效率和加工質量，并減少投資。7 S& F: Q6 V6 n3 M; b( c
單件小批生產的企業，應盡可能采用多功能刀具，減少換刀時間，以提高加工效率降低成本。
5 Q3 L! ^$ X* k% e# I0 @) v# F& C3 x 總之，在制造行業競爭越來越劇烈的時代，積極采用新的切削技術和先進刀具是提高加工效率和降低加工成本的有效舉措。 |
發表于 2010-4-6 09:33:35
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