1、第十一章第十一章 切削用量的选择切削用量的选择 一、切削用量的选择原则一、切削用量的选择原则 合理切削用量是指使刀具的切削性合理切削用量是指使刀具的切削性能和机床的动力性能得到充分发挥，并能和机床的动力性能得到充分发挥，并在保证加工质量的前提下，获得高生产在保证加工质量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切削用量。率和低加工成本的切削用量。它包括：它包括：V，f，ap，T1P1/tmfvaLdfanLtpwwpwwm310式中，式中，dw 车削前的毛坯直径（车削前的毛坯直径（mm）；）；Lw 工件切削部分长度（工件切削部分长度（mm）；）；加工余量（加工余量（mm）；）；nw 工件转速（工件转
2、速（r/min）。）。P=AP=A0 0vfavfap p 1、切削用量同加工生产率的关系、切削用量同加工生产率的关系（公式公式）结论：只考虑切削时间，三者对切削效率的影响程度一样2用用YT5硬质合金车削硬质合金车削b=0.637GPa的碳钢时，寿命的公式为的碳钢时，寿命的公式为 看，三者的影响程度是不同的，看，三者的影响程度是不同的，v vc c影响最大，影响最大，f f次之，次之，a ap p最小。最小。3/13/21pcTafCT2、切削用量同刀具耐用度的关系、切削用量同刀具耐用度的关系3在刀具寿命已确定的条件下，欲使在刀具寿命已确定的条件下，欲使v vc cfafap p三者乘积即金属
3、三者乘积即金属切除率最大，无疑应首先选择切除率最大，无疑应首先选择尽量大的背吃刀量尽量大的背吃刀量a ap p，其，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的要求选择尽量大的进给量尽量大的进给量f f，最后依据三要素与刀具，最后依据三要素与刀具寿命关系式计算确定切削速度寿命关系式计算确定切削速度VcVc。这是选择切削用量的这是选择切削用量的基本原则。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等多种因素有关。按上述基本原则和
4、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。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统状态后并细心体察，逐步探索改善才能达到最佳状态。态。6切削用量的选择还是一项现场性并具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，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。此时前人但上述基本原则仍
5、然适用。此时前人的经验和技术资料及从业者、操作者的经验和技术资料及从业者、操作者本人的本人的经验积累就显得尤为重要经验积累就显得尤为重要。也。也应是上述基本原则的一个体现。应是上述基本原则的一个体现。7 二、切削用量的选择方法二、切削用量的选择方法 一、确定背吃刀量一、确定背吃刀量a ap p：粗加工背吃刀量粗加工背吃刀量a ap p根据工序余量来确定根据工序余量来确定。除留给以后。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，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。以使走刀次数最少。粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量。粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量。
6、Ra12.550半精加工时，被吃刀量取为半精加工时，被吃刀量取为0.52mm。Ra6.33.2精加工时，被吃刀量取为精加工时，被吃刀量取为0.10.4mm。Ra0.81.68下列情况之一可选用两次或数次进给：下列情况之一可选用两次或数次进给：1 1）粗加工余量）粗加工余量h h过大，如外圆车削的单边余量过大，如外圆车削的单边余量h6mmh6mm；2 2）加工余量极不均匀；）加工余量极不均匀；3 3）工艺系统刚度不足；）工艺系统刚度不足；4 4）断续切削、刀片尺寸较小，如作用切削刃长度超过工）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作切削刃的6060时，采用两次进给。第一次进给的
7、时，采用两次进给。第一次进给的a ap p值应值应选得大些，一般选得大些，一般a ap p=（2/3 2/3 3/4 3/4）h h。当加工余量极不均。当加工余量极不均匀时，视具体情况应先切去不均匀部分。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切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等加工硬化严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。度，以预防刀尖过早磨损。半精加工的余量较小，约在半精加工的余量较小，约在l l 2mm 2mm左右，精加工余左右，精加工余量更小，约在量更小，约在0.0
8、50.050.80mm0.80mm之间。之间。9在半精加工、精加工时，应在一次进给中切除工序余量。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在采用硬质合金车刀精车时，考虑到刀尖圆弧半径r r与与切削刃钝圆半径切削刃钝圆半径r rn n对挤压和摩擦作用的影响，对挤压和摩擦作用的影响，a ap p不宜过小，不宜过小，一般应大于一般应大于0.3mm0.3mm。2 2、确定进给量、确定进给量f f：粗加工时，进给量粗加工时，进给量f f的选择受切削力的限制的选择受切削力的限制。在工艺系。在工艺系统强度和刚度允许的情况下选择较大的进给量，一般统强度和刚
9、度允许的情况下选择较大的进给量，一般取取f=0.3f=0.30.9mm0.9mmr r。生产实际中多采用查表法确定合理的进给量生产实际中多采用查表法确定合理的进给量。粗加工。粗加工时，根据工件材料、车刀刀杆的尺寸、工件直径及已时，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；确定的背吃刀量来选择进给量；(具体数值可查阅具体数值可查阅“机械加工工艺手册机械加工工艺手册”)”)。10半精加工和精加工半精加工和精加工的的a ap p值较小，产生的切削力不大，故进值较小，产生的切削力不大，故进给量给量主要受到表面粗糙度的限制主要受到表面粗糙度的限制，一般选得较小一般选得较小，常
10、取，常取f=0.08f=0.080.50mm0.50mmr r。但也不能太小但也不能太小，否则切削层公称厚，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，进给量给量f f可适当选大些，以提高生产率。可适当选大些，以提高生产率。3 3、确定切削速度、确定切削速度v vc c 在在a ap p和和f f选定后，再选定后，再根据规定达到的合理寿命根据规定达到的合理寿命T(min)T(min)，就，就可以确定切削速度可以确定切削速度v
11、vc c(单位：单位：m ms)s)。车削速度。车削速度v vc c的计算的计算公式由式公式由式(610)(610)可得如下表达式：可得如下表达式：v vc c=Cv/=Cv/（60T60Tm ma ap pXvXvf fyvyv）KvKvc c （6-156-15）11式中：式中：Kv Kvc c切削速度修正系数，且切削速度修正系数，且 Kv Kvc c=K=KMvMvK KsvsvK KtvtvK KkrvkrvK KkrvkrvK KrvrvK KBvBv式中，式中，K KMvMvK KsvsvK KtvtvK KkrvkrvK KkrvkrvK KrvrvK KBvBv一分别表示工件材
12、料，毛一分别表示工件材料，毛坯表面状态，刀具材料，车刀主偏角坯表面状态，刀具材料，车刀主偏角krkr，副偏角，副偏角krkr，刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r r及刀杆尺寸对切削速度的修正系数。及刀杆尺寸对切削速度的修正系数。上述各修正系数及上述各修正系数及CvCv、X Xv v、y yv v及及m m值，可查阅值，可查阅“机械机械加工工艺手册加工工艺手册”。在生产中选择切削速度的一般原则是在生产中选择切削速度的一般原则是：12(1)(1)粗车时粗车时，a ap p和和f f较大，故选择较低的较大，故选择较低的v vc c；精车时精车时，a ap p和和f f均较小，故选择较高的均较小，故选择较高的
13、v vc c(2)(2)工件材料强度、硬度高时工件材料强度、硬度高时，应选较低的，应选较低的v vc c；加工奥；加工奥氏体不锈钢、钛台金和高温合金等难加工材料时，只氏体不锈钢、钛台金和高温合金等难加工材料时，只能取较低的能取较低的v vc c(3)(3)切削切削合金钢比切削中碳钢合金钢比切削中碳钢切削速度应降低切削速度应降低20203030；切削；切削调质状态的钢比切削正火、退火状态钢调质状态的钢比切削正火、退火状态钢要降要降低切削速度低切削速度20203030；切削；切削有色金属比切削中碳钢有色金属比切削中碳钢的切削速度可提高的切削速度可提高100%100%300300。(4)(4)刀具材
14、料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。如如硬质合金的切削速度比高速钢刀具硬质合金的切削速度比高速钢刀具可高好几倍，涂可高好几倍，涂层刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石层刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石和和CBNCBN刀具可采用更高的切削速度。刀具可采用更高的切削速度。13(5)(5)精加工精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域的区域。6)6)断续切削断续切削时，为减少冲击和热应力，宜时，为减少冲击和热应力，宜适当降低切削速度。适当降低切削速度。(7)(7)在在易发生振动的情况下易发生振动的情况下
15、，切削速度应避，切削速度应避开自激振动的临界速度。开自激振动的临界速度。(8)(8)加工大件、细长件和薄壁工件或加工带外加工大件、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。皮的工件时，应适当降低切削速度。144.校验机床功率(仅对粗加工)310cF vP 310cPvF（3-20）式中 P 机床电机功率（KW）；机床传动效率；Fc 主切削力（N）。切削功率Pm与机床有效功率PE的关系Pm PE：不能满足要求，解决办法：PmPE：可用PmPE：能力过剩，解决办法：由：，可导出：15三、切削用量的优化三、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、刀具和在实际生产中，
16、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。尤其是随着数控优的切削用量。尤其是随着数控(NC)(NC)机床、生产自动线、机床、生产自动线、柔性制造系统柔性制造系统(FMS)(FMS)、集成制造系统、集成制造系统(IMS)(IMS)等先进加工手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已势在
17、必行。下面将简要介绍两种确定最优切削用量的方法。方法。16（一）、应用（一）、应用“最优切削温度守恒定律最优切削温度守恒定律”确定确定最优切削用量最优切削用量 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本或最高生产率，有时也用最小刀具相对磨损量NBrsNBrs，所谓刀具相对磨损量所谓刀具相对磨损量NBrsNBrs是指刀具每切出是指刀具每切出1000cm1000cm2 2已加已加工表面时的刀具径向磨损量工表
18、面时的刀具径向磨损量.可用下式计算得到可用下式计算得到NBrs=NBX10NBrs=NBX10-5-5/l/lm mf f （6-16）式中式中NBNB一一刀具径向磨损量一一刀具径向磨损量(mm)(mm)；17l lm m切削路程切削路程(m)(m)，它是切削速度，它是切削速度v vc c与切削时间与切削时间t tm m的乘的乘积，即积，即 l lm m=v=vc ct tm m f f一一进给量一一进给量(mm(mmr)r)。由上式可见，由上式可见，NBrsNBrs减小，一定减小，一定l lm m和和f f下的下的NBNB值越小，亦即值越小，亦即刀具寿命和工件加工精度越高，或者一定刀具寿命和
19、工件加工精度越高，或者一定NBNB下的下的(l(lm m和和f)f)越大，生产率越高。因此，越大，生产率越高。因此，当当NBrsNBrs最小时，可以说切削过最小时，可以说切削过程处于最优状态。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，都会存在一个使时，都会存在一个使NBrsNBrs最小的切削温度恒定值最小的切削温度恒定值optopt这一温度称为这一温度称为最优切削温度最优切削温度”。18例如，用例如，用YTl5YTl5刀具加工刀具加工40Cr40Cr钢，切削层公称厚度钢，切削层公称厚度hD=0.037-0.5ramhD=0.03
20、7-0.5ram时，时，optopt730730C C；用用YA6YA6刀具加工镍基高温合金刀具加工镍基高温合金v vc c=10=1050m50mminmin时，时，optopt780780C C。具体方法是：先确定背吃刀量具体方法是：先确定背吃刀量a ap p和进给量和进给量f f，然后利用，然后利用切削温度经验公式切削温度经验公式 XpYZcafC这样，在刀具材料和工件材料一定时，对于不同切削这样，在刀具材料和工件材料一定时，对于不同切削用量组合，都对应于同一最优切削温度用量组合，都对应于同一最优切削温度optopt,这一规律这一规律称之为称之为“最优切削温度守恒定律最优切削温度守恒定律
21、”。利用该定律便可。利用该定律便可确定出最优的切削用量。确定出最优的切削用量。19或直接通过实验确定出最优切削温度或直接通过实验确定出最优切削温度optopt相对应的最优切相对应的最优切削速度削速度v vcoptcopt,一组最优切削用量便确定了。当然，这样选一组最优切削用量便确定了。当然，这样选出的切削用量需经一定的校验后方可用于生产。出的切削用量需经一定的校验后方可用于生产。此外，通过在线监测切削温度此外，通过在线监测切削温度，并利用它作为反馈，并利用它作为反馈信号控制机床不断调整切削用量，使信号控制机床不断调整切削用量，使始终保持于恒始终保持于恒定的定的optopt值，便可实现切削过程的
22、自适应最优控制。值，便可实现切削过程的自适应最优控制。20(二二)、应用最优化技术确定最优切削用量、应用最优化技术确定最优切削用量 所谓所谓“最优化技术最优化技术”，就是以数学中多元函数求极值，就是以数学中多元函数求极值理论为基础，借助于电子计算机对最优化问题的数学理论为基础，借助于电子计算机对最优化问题的数学模型进行优化求解，使优化目标最优且满足一定约束模型进行优化求解，使优化目标最优且满足一定约束的最优选择变量的过程的最优选择变量的过程 应用最优化技术确定最优切削用量，首先要建立符应用最优化技术确定最优切削用量，首先要建立符合实际加工条件的数学模型，其中包括：合实际加工条件的数学模型，其中
23、包括：1 1、目标函数、目标函数它是优化目标它是优化目标U U与切削用量之间的函数关系式，即与切削用量之间的函数关系式，即 U=U(a U=U(ap p，f f，v vc c)(6-17)(6-17)21式中式中U U可以是单个优化目标，如单件生产成本、单件工序可以是单个优化目标，如单件生产成本、单件工序工时等，也可以是多个优化目标的组合。工时等，也可以是多个优化目标的组合。2 2、约束条件、约束条件 约束条件就是生产条件对切削用量施加的种种限制，约束条件就是生产条件对切削用量施加的种种限制，包括包括刀具切削性能刀具切削性能(如刀具寿命如刀具寿命)、加工质量、加工质量(如表面粗糙度如表面粗糙度
24、)、工艺系统力学性能工艺系统力学性能(如工件刚度、刀具强度与刚度、机床如工件刚度、刀具强度与刚度、机床进给机构强度进给机构强度)、机床参数规范机床参数规范(如机床功率、机床主轴扭矩、机床极限转如机床功率、机床主轴扭矩、机床极限转速和进给量速和进给量)等因素，等因素，同样也需建立起这些因素同样也需建立起这些因素G Gi i(I=l(I=l，2 2，m)m)与切削用量之与切削用量之间的函数关系式。间的函数关系式。22一般，约束条件用下列不等式表示一般，约束条件用下列不等式表示 G Gi i=G=Gi i(a(ap p，f f，v vc c)G)Gicic （6-186-18）i=1 i=1、2m2
25、m式中式中G Gicic每个约束条件的限定值；每个约束条件的限定值；m m约束条件的个数。约束条件的个数。有了上述数学模型，再选择合适的最优化方法，并编有了上述数学模型，再选择合适的最优化方法，并编制出相应计算机程序，在计算机上进行优化运算，便制出相应计算机程序，在计算机上进行优化运算，便可得到使可得到使U U最小最小(或最大或最大)且满足且满足m m个约束条件的最优切个约束条件的最优切削用量。削用量。23用这种方法确定最优切削用量，不仅快速易行，而且用这种方法确定最优切削用量，不仅快速易行，而且可以实现多目标综合优化。另外，由于在优化运算中可以实现多目标综合优化。另外，由于在优化运算中每进行
26、一步都要考虑约束条件，因此，最终得到的最每进行一步都要考虑约束条件，因此，最终得到的最优切削用量不需要校验便可使用。可见，这种方法比优切削用量不需要校验便可使用。可见，这种方法比前一种更为科学合理，是切削用量优化选择的发展趋前一种更为科学合理，是切削用量优化选择的发展趋势。势。目前国内外正利用计算机筹建最优切削用量数据库，目前国内外正利用计算机筹建最优切削用量数据库，以供生产调用，这将对切削加工现产生深远的影响。以供生产调用，这将对切削加工现产生深远的影响。24求设计变量：X=x1,x2,xn T，使目标函数 f(X)min，并满足约束条件：g i(X)0 （i=1,2,m）设计变量：切削过程
27、可以控制的输入变量，即切削用量。ap通常已由工艺过程确定，故一般取 v 和 f 为设计变量。目标函数：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。（3-21）1111000momacwwmPTpmnptttttTDLtvfaCTvfa 1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短25（3-22）1111000mommamcmtwwmPTpmnptCtCtCtCCTDLtvfaCTvfa（3-23）1111000mctmPTpmnpMRRHCtCCTMRRvfaCTvfa2）以最小生产成本为优化目标使工序成本为最小3）以最大利润为优化目标使单位成本金属去除率最大26约束条件：指设计变量的取值范围minm
28、axminmaxfffvvv（3-24）1）机床结构参数限制2）加工表面粗糙度限制0.0321afRr（3-25）式中 Ra 表面粗糙度（m）；r 刀尖圆弧半径（mm）。3）机床功率的限制FFccccxyFpFCafKvP（3-26）式中各符号含义同前。27即函数求极值的方法。不能考虑约束条件，只适于处理简单问题。21(,)()max(),0nPPiiP XMfXMgX（3-27）可利用设置惩罚函数，将约束优化问题转化为无约束优化问题处理。惩罚函数的表达式：式中 Ra 惩罚函数；r 原目标函数；Mp 惩罚因子（一个很大的数）；21max(),0npiiMgX 惩罚项；0()0max(),0()
29、()0iiiigXgXgXgX28寻优过程示意图（采用田川法+局部寻优）fv0图3-30 田川法寻优过程示意图fminfmaxvminvmaxPPmax约束边界Pop可行域等值线Pcop29采用切削性能更好的新型刀具材料；（新材料）采用切削性能更好的新型刀具材料；（新材料）改善工件材料的切削加工性；（易削钢，热处理）改善工件材料的切削加工性；（易削钢，热处理）改进刀具结构和选配合理刀具几何参数（可转位取改进刀具结构和选配合理刀具几何参数（可转位取代焊接式）代焊接式）提高刀具的制造和刃磨质量；（金刚石砂轮代替碳提高刀具的制造和刃磨质量；（金刚石砂轮代替碳化硅轮）化硅轮）采用新型的、性能好的切削液和高效的冷却方法。采用新型的、性能好的切削液和高效的冷却方法。（极压添加剂，喷雾冷却法）（极压添加剂，喷雾冷却法）四、提高切削用量的途径四、提高切削用量的途径30
