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(duì)某種零件進(jìn)行金屬切削加工時(shí)，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(jì)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(duì)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(shí)，工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)稱為切削運(yùn)動(dòng)。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(yùn)動(dòng)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(duì)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(huì)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(zhǎng)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(shí)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(shí)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(huì)對(duì)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(shí)，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(shí)，切削力增大70%～80%。綜合這些因素，切削用量三要素中對(duì)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(shí)可以從以下幾點(diǎn)加以考慮。

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

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

第三，對(duì)于換刀時(shí)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(shí)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(gè)車間的生產(chǎn)率提高時(shí)，這個(gè)工序刀具的壽命就要選擇得低些;

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

第六，加工大型工件時(shí)，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(dòng)的距離就是進(jìn)給量。刀具在單位時(shí)間內(nèi)切削工件表面的理論展開直線長(zhǎng)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(duì)刀具壽命影響不大。當(dāng)背吃刀量過小時(shí)，會(huì)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(shí)，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(huì)導(dǎo)致刀具面磨損增加。

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

3.工藝分析

粗車的作用是提高勞動(dòng)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(shí)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?yàn)楸吵缘读渴怯杉庸び嗔繘Q定的，粗車時(shí)盡可能一次切除更多的金屬。當(dāng)尺寸較大時(shí)，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(duì)于鍛件或鑄坯，由于工件的堅(jiān)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(duì)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(duì)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(dòng)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(duì)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(huì)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(shí)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(huì)增加，冷硬化嚴(yán)重，表面質(zhì)量仍然不會(huì)太好。所以說，進(jìn)給量對(duì)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(gè)合理的切削速度，否則會(huì)對(duì)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(huì)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(duì)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(jì)算或查表法計(jì)算一定范圍內(nèi)的切削速度，然后通過工件直徑計(jì)算機(jī)床的速度。其實(shí)對(duì)于一個(gè)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(gè)是最佳的。在實(shí)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(shí)，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(shí)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(duì)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(gè)策略。

（1）“兼顧”策略。考慮到生產(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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)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(duì)矛盾。粗車的作用是提高勞動(dòng)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(gè)階段確定后，生產(chǎn)率被視為第一優(yōu)先級(jí)。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(shí)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(shí)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(gè)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(duì)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(duì)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(gè)合理的選擇，而不是從某個(gè)角度考慮。要平衡處理因素的利弊，避免劣勢(shì)，增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，從而完善金屬切削用量選擇策略。

參考文獻(xiàn)：

[1]蹇悅，楊葉，郭國(guó)強(qiáng).金屬切削用量選用策略研究[J].航空制造技術(shù)，2015（6）.

[2]安虎平，芮志元，劉昊等.金屬切削用量選用策略研究[J].工具技術(shù)，2013（47）.

[3]吳海波.金屬切削用量選用策略研究[J].機(jī)械工程師，2018（5）.

（作者單位：豐潤(rùn)區(qū)綜合職業(yè)技術(shù)教育中心）