金屬切削加工中切削用量的選用策略研究

蘭君毅

關(guān)鍵詞：切削用量? 切削性能? 金屬加工? 策略

每當(dāng)學(xué)生要對某種零件進(jìn)行金屬切削加工時，首先要根據(jù)零件圖提供的加工內(nèi)容選擇毛坯和刀具，接下來要計算切削用量的各種參數(shù)（背吃刀量、進(jìn)給量、切削速度、主軸轉(zhuǎn)速）。這些加工前需要準(zhǔn)備的工作，充分說明了切削用量的重要性。它不僅和刀具上的切削角度一樣，對切削力、切削熱、積屑瘤、零件的精度和表面粗糙度有直接影響，而且直接關(guān)系著刀具的耐用度和生產(chǎn)效率。

切削加工是指利用刀具將毛坯上多余的金屬材料切除，從而使工件達(dá)到規(guī)定精度和表面質(zhì)量的機(jī)械加工方法。切削時，工件與刀具之間的相對運動稱為切削運動。背吃刀量、進(jìn)給量和切削速度三者稱為切削用量三要素。它們是表示切削運動大小的參數(shù)，是影響工件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率的重要因素。切削用量的選擇，對金屬切削加工的質(zhì)量、效率、加工成本、刀具磨損與刀具耐用度會產(chǎn)生重要影響，合理選擇切削用量能夠保證工件的加工質(zhì)量，延長刀具使用壽命，降低加工成本和提高工作效率。只有合理選擇切削用量，才能有效發(fā)揮車床和刀具材料的性能，才能優(yōu)質(zhì)、高效、低成本地完成工件的加工。因此，在合理選擇刀具材料和刀具的幾何參數(shù)的同時合理地選擇切削用量也具有重要的意義。

一、刀具壽命的選擇原則

刀具壽命是指刀具刃磨后自開始車削到磨損量達(dá)到磨損標(biāo)準(zhǔn)為止所經(jīng)歷的切削時間。

刀具切削部分在很高的溫度下工作，經(jīng)受強(qiáng)烈的摩擦，并承受很大的切削力和沖擊力，所以要求車刀要有足夠大的強(qiáng)度和使用壽命。切削用量與刀具的壽命有著密切的關(guān)系。加大切削用量三要素都能提高生產(chǎn)率，可是切削用量三要素的增加都會對刀具的壽命產(chǎn)生不利的影響。一般切削，當(dāng)進(jìn)給量不變，背吃刀量增大一倍時，切削力也成倍增大，而當(dāng)背吃刀量不變，進(jìn)給量增大一倍時，切削力增大70%～80%。綜合這些因素，切削用量三要素中對刀具的壽命影響最小的是背吃刀量，其次是進(jìn)給量，最大的是切削速度。所以在生產(chǎn)中選擇刀具壽命時可以從以下幾點加以考慮。

第一，刀具構(gòu)造比較復(fù)雜、制造和刃磨費用都比較高時，刀具的壽命應(yīng)選擇高些。

第二，對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床等自動化加工刀具，刀具的壽命可選擇得高些。

第三，對于換刀時間短、能充分發(fā)揮其切削性能并提高生產(chǎn)效率的可轉(zhuǎn)位刀具，在選擇刀具的壽命時可選取得低些。

第四，當(dāng)生產(chǎn)中某一工序的生產(chǎn)率限制了整個車間的生產(chǎn)率提高時，這個工序刀具的壽命就要選擇得低些;

第五，當(dāng)某一個工序單位時間內(nèi)生產(chǎn)成本比較高時，這個工序刀具的壽命就要選擇得低些。

第六，加工大型工件時，刀具壽命應(yīng)規(guī)定得高一些，以保證一次走刀中不換刀。

二、切削用量選擇原則

1.概念

工件上已加工表面和待加工表面間的垂直距離就是背吃刀量。工件每旋轉(zhuǎn)一周，車刀沿進(jìn)給方向移動的距離就是進(jìn)給量。刀具在單位時間內(nèi)切削工件表面的理論展開直線長度就可以理解成工件表面的切削速度。

2.影響

（1）背吃刀量的影響。背吃刀量的變化對刀具壽命影響不大。當(dāng)背吃刀量過小時，會造成切削工件表面的刮削和硬化而導(dǎo)致刀具壽命縮短。當(dāng)工件表面有硬化的氧化層時，最大背吃刀量應(yīng)選擇在機(jī)器功率允許范圍內(nèi)。

（2）進(jìn)給量的影響。進(jìn)給量影響加工過程中切屑的形成，是決定加工表面質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在刀具壽命方面，進(jìn)給量過大，切削產(chǎn)生的熱量增加，會導(dǎo)致刀具面磨損增加。

（3）切削速度的影響。切削速度對刀具壽命有很大的影響。提高切削速度時，切削產(chǎn)生的熱量也會隨之大幅度提高，刀具壽命會大大縮短。所以在加工不同類型和硬度工件時，要相應(yīng)地改變切削速度。對于較軟的工件，切割速度應(yīng)該更大。在加工硬質(zhì)材料時，切削速度應(yīng)更小。

3.工藝分析

粗車的作用是提高勞動生產(chǎn)率，盡快將毛坯上的余量切除，精車的作用是使工件達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求。粗車和精車的目的不同，所以在切削用量選擇時要區(qū)分開來。

（1）背吃刀量的確定。增大背吃刀量比增大進(jìn)給量更有利于提高生產(chǎn)率。因為背吃刀量是由加工余量決定的，粗車時盡可能一次切除更多的金屬。當(dāng)尺寸較大時，在機(jī)床、刀具和工件剛度允許的情況下選擇較大的背吃刀量，盡可能減少刀具的數(shù)量，以提高生產(chǎn)率。對于鍛件或鑄坯，由于工件的堅硬表面，第一次切削的背吃刀量應(yīng)大于硬化層的厚度，這樣能夠保護(hù)刀具尖端，防止尖端磨損或損壞。在半精加工中，如果余量大于2mm，可分兩次切除，如果單面余量小于2mm，可以一次性切除。對于精細(xì)加工，一般需要在一次走刀中除去所有的余量，但背吃刀量的增加使加工表面的鱗狀棘的高度增加。工件表面加工質(zhì)量較差，因此對于表面要求較高的外圓，精加工余量不宜太大。

（2）進(jìn)給量的確定。在選擇背吃刀量后，進(jìn)給量直接決定切削面積，從而決定切削力。由于進(jìn)給量能影響機(jī)床的有效功率和扭矩，進(jìn)而影響驅(qū)動鏈的強(qiáng)度和進(jìn)刀機(jī)構(gòu)的剛度，所以工件和刀具的剛性對加工表面的粗糙度有一定的影響，要達(dá)到工件圖樣的要求，就應(yīng)該考慮進(jìn)給量的因素。如果選擇較大的進(jìn)給量，就會影響加工表面的質(zhì)量，進(jìn)而影響加工質(zhì)量。雖然提高進(jìn)給量能夠提高生產(chǎn)效率，但同時表面粗糙度也增加，所以進(jìn)給量不能過大。進(jìn)給量也不能太小，雖然進(jìn)給量越小工件加工表面的質(zhì)量越好，但是隨著表面粗糙度的降低，工件表面殘余應(yīng)力卻會增加，冷硬化嚴(yán)重，表面質(zhì)量仍然不會太好。所以說，進(jìn)給量對加工質(zhì)量的影響直接關(guān)系到刀具加工角度、切削液用量、工件材料等。大部分的生產(chǎn)采用金屬切削的手工方法來確定更合理的進(jìn)給量。

（3）切削速度的確定。背吃刀量和進(jìn)給量確定以后，還要選擇一個合理的切削速度，否則會對工件的切削效率和加工成本造成不利影響。較大的切削速度可以降低表面粗糙度，提高表面加工質(zhì)量。提高切削速度可以提高生產(chǎn)率，但會大大降低刀具壽命。隨著超硬刀具材料和刀具涂層技術(shù)的發(fā)展，切削速度對刀具壽命的影響逐漸減小。但切削速度的選擇仍然是非常重要的。傳統(tǒng)的方法是根據(jù)合理的刀具壽命計算或查表法計算一定范圍內(nèi)的切削速度，然后通過工件直徑計算機(jī)床的速度。其實對于一個給定的機(jī)床、刀具、工件，其最大生產(chǎn)率的切削速度或經(jīng)濟(jì)的切削速度一般只有一個是最佳的。在實際生產(chǎn)中，工作人員可以根據(jù)切屑的顏色來初步判斷切削速度是否合適。加工碳鋼時，如果形成暗褐色或藍(lán)色切屑，說明采用的切削速度適當(dāng)。如果切屑為銀白色或黃色，說明切削速度未充分發(fā)揮，要適當(dāng)提高切削速度。如果切屑變黑或有火花，表明切削溫度過高，此時要適當(dāng)降低切削速度。

4.策略

切削用量選擇得是否正確直接關(guān)系著工件的生產(chǎn)效率、加工質(zhì)量和加工成本。通過分析這些因素與切削用量三要素選擇相關(guān)的因素可以知道，切削用量三要素增大都有利于生產(chǎn)效率的提高，卻又都對加工質(zhì)量和刀具的壽命產(chǎn)生不利影響。合理選擇切削用量，一般遵循如下兩個策略。

（1）“兼顧”策略?？紤]到生產(chǎn)中要兼顧切削效率、刀具耐用性、切削條件，以達(dá)到高生產(chǎn)率和保證刀具耐用性。切削用量的三要素與生產(chǎn)率成正比。想要在保證一定刀具耐用度的前提下取得最高的生產(chǎn)效率，只有使吃刀量、進(jìn)給量、切削速度三者乘積值達(dá)到最大，才能滿足要求。由于切削用量三要素中對刀具的壽命影響最小的是背吃刀量，其次是進(jìn)給量，最大的是切削速度，所以選取切削用量三要素的合理順序應(yīng)該是先選取盡可能大的吃刀量，其次選擇一個比較大的進(jìn)給量，最后根據(jù)已經(jīng)選定的背吃刀量和進(jìn)給量，在工藝系統(tǒng)剛度、刀具壽命和機(jī)床功率許可的條件下選擇一個合理的切削速度。

（2）“舍、得”策略。切削用量三要素與生產(chǎn)效率成正比。切削用量三要素越小對車床的損耗越小，加工精度越高，但是這和提高生產(chǎn)效率是相矛盾的。在生產(chǎn)中可以用“舍、得”的策略來嘗試解決這對矛盾。粗車的作用是提高勞動生產(chǎn)率，盡快將毛坯上的余量切除。精車的作用是使工件達(dá)到規(guī)定的技術(shù)要求。教師通常把加工過程分為粗加工階段和精加工階段，粗加工和精加工兩個階段確定后，生產(chǎn)率被視為第一優(yōu)先級。粗加工切削參數(shù)選擇：加工精度不高，首先考慮生產(chǎn)效率。所以粗加工時可以選擇最大的背吃刀量和進(jìn)給量，但要在工藝系統(tǒng)允許的剛度和強(qiáng)度下。然后選擇最大切削速度時也不超過機(jī)床的有效功率，從而確保某些工具的耐用性。精加工切削參數(shù)的選擇：精度主要由表面粗糙度和加工精度決定。選擇較小的背吃刀量和進(jìn)給量，在允許的范圍內(nèi)，保證加工精度。背吃刀量和進(jìn)給量確定后需要一個更高的切削速度來達(dá)到工件表面質(zhì)量要求，從而提高了生產(chǎn)率，降低了表面粗糙度。

三、小結(jié)

合理選擇切削用量對于充分利用機(jī)床的潛力是十分重要的。為了提高生產(chǎn)效率，必須合理選擇切削參數(shù)。它是對刀具、機(jī)床、工件、夾具等因素的綜合分析。在此之后，做出一個合理的選擇，而不是從某個角度考慮。要平衡處理因素的利弊，避免劣勢，增強(qiáng)優(yōu)勢，從而完善金屬切削用量選擇策略。

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（作者單位：豐潤區(qū)綜合職業(yè)技術(shù)教育中心）