第11章 切削用量的选择 切削原理课件PPT

(2)工件材料强度、硬度高时，应选较低的vc；加工奥 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vc
(3)切削合金钢比切削中碳钢切削速度应降低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％。
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（一）、应用“最优切削温度守恒定律”确定 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 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NBrs， 所谓刀具相对磨损量NBrs是指刀具每切出1000cm2已 加工表面时的刀具径向磨损量.可用下式计算得到
式中，dw — 车削前的毛坯直径（mm）； Lw — 工件切削部分长度（mm）； Δ — 加工余量（mm）； nw — 工件转速（r/min）。
P=A0vfap （公式） 2
•结论：只考虑切削时间，三者对切削效率的影响程度一样
2、切削用量同刀具耐用度的关系
用YT5硬质合金车削σb=0.637GPa的碳钢时，寿命的公式为
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统 状态后并细心体察，逐步探索改善才能达到最佳状态。
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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 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， 但上述基本原则仍然适用。此时前人 的经验和技术资料及从业者、操作者 本人的经验积累就显得尤为重要。也 应是上述基本原则的一个体现。
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NBrs最小的切削温度恒定值
θopt这一温度称为‘‘最优切削温度”。
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例 如 ， 用 YTl5 刀 具 加 工 40Cr 钢 ， 切 削 层 公 称 厚 度 hD=0.037-0.5ram时，θopt≈730°C； 用 YA6 刀 具 加 工 镍 基 高 温 合 金 vc=10 ～ 50m ／ min 时 ， θopt≈780°C。
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下列情况之一可选用两次或数次进给：
1）粗加工余量h过大，如外圆车削的单边余量h>6mm；
2）加工余量极不均匀；3）工艺系统刚度不足；
4）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60％时，采用两次进给。第一次进给的ap值 应选得大些，一般ap=（2/3 ～ 3/4）h。当加工余量极 不均匀时，视具体情况应先切去不均匀部分。
（3-20）
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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 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(NC)机床、生产自动线、 柔性制造系统(FMS)、集成制造系统(IMS)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 的方法。
1）以最大生产率为优化目标——使工序时间为最短
to
tm
源自文库
ta
tc
tm T
tm
D w Lw 1000 v f aP
T
CT
1
1
1
（3-21）
25
vm
f
n
a
p p
3.6.2 切削用量的优化
2）以最小生产成本为优化目标——使工序成本为最小
Co
tm
Cm
ta
Cm
tc
Cm
Ct
tm
T
tm
Dw Lw
切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等加工硬化严 重的材料时，应尽量使背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚 度，以预防刀尖过早磨损。
半精加工的余量较小，约在l ～ 2mm左右，精加工
余量更小，约在0.05～0.80mm之间。
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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rε与切 削刃钝圆半径rn对挤压和摩擦作用的影响，ap不宜过小， 一般应大于0 .3mm。
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半精加工和精加工的ap值较小，产生的切削力不大，故进 给量主要受到表面粗糙度的限制，一般选得较小，常取 f=0.08～0.50mm／r。但也不能太小，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f可适当选大些，以提高生产率。
此外，通过在线监测切削温度θ，并利用它作为反馈信 号控制机床不断调整切削用量，使θ始终保持于恒定的 θopt值，便可实现切削过程的自适应最优控制。
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(二)、应用最优化技术确定最优切削用量
所谓“最优化技术”，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 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
Gi= Gi (ap，f，vc)≤Gic i=1、2…m
（6-18）
式中Gic——每个约束条件的限定值； m——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 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U最小(或最大)且满足m个约束条件的最优切 削用量。
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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 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 前一种更为科学合理，是切削用量优化选择的发展趋 势。 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。
2、确定进给量f：
粗加工时，进给量f的选择受切削力的限制。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 取f=0.3～0.9mm／r。
生产实际中多采用查表法确定合理的进给量。粗加工
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； (具体数值可查阅“机
械加工工艺手册”)。
1000 v f aP
T
CT
1
1
1
vm
f
n
a
p p
（3-22）
3）以最大利润为优化目标——使单位成本金属去除率最大
H
M RR
Cm
Cm
tc T
Ct
M RR 1000 v f aP
T
CT
1
1
1
vm
f
n
a
p p
（3-23）
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3.6.2 切削用量的优化
◆ 约束条件：指设计变量的取值范围 1）机床结构参数限制
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3.6.2 切削用量的优化
优化问题的数学模型
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）
切削用量优化模型
◆ 设计变量：切削过程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。
式中，KMvKsvKtvKkrvKkrˊvKrεvKBv一分别表示工件材料， 毛坯表面状态，刀具材料，车刀主偏角kr，副偏角kˊr，， 刀尖圆弧半径rε及刀杆尺寸对切削速度的修正系数。
上述各修正系数及Cv、Xv、yv及m值，可查阅“机 械加工工艺手册”。 在生产中选择切削速度的一般原则是：
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(1)粗车时，ap和f较大，故选择较低的vc；精车时，ap 和f均较小，故选择较高的vc
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：
1、目标函数
它是优化目标U与切削用量之间的函数关系式，即
U=U(ap，f，vc)
(6-17)
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式中U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。
2、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，
T CT
f a 1 2/3 1/3
c
p
看，三者的影响程度是不同的，vc影响最大，f次之，ap 最小。
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在刀具寿命已确定的条件下，欲使vcfap三者乘积即金属 切除率最大，无疑应首先选择尽量大的背吃刀量ap，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 的要求选择尽量大的进给量f，最后依据三要素与刀具寿 命关系式计算确定切削速度Vc。这是选择切削用量的基 本原则。
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θopt,这一规律 称之为“最优切削温度守恒定律”。利用该定律便可 确定出最优的切削用量。
具体方法是：先确定背吃刀量ap和进给量f，然后利用 切削温度经验公式
CcZ
f
a Y X p
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或直接通过实验确定出最优切削温度θopt相对应的最优切 削速度vcopt,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。
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二、切削用量的选择方法
一、确定背吃刀量ap：
粗加工背吃刀量ap根据工序余量来确定。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， 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。Ra12.5~50 半精加工时，被吃刀量取为0.5～2mm。 Ra6.3~3.2 精加工时，被吃刀量取为0.1～0.4mm。 Ra0.8~1.6
NBrs=NBX10-5/lmf
（6-16）
式中
NB一一刀具径向磨损量(mm)；
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lm——切削路程(m)，它是切削速度vc与切削时间tm的 乘积，即
lm =vctm f一一进给量(mm／r)。
由上式可见，NBrs减小，一定lm和f下的NB值越小，亦 即刀具寿命和工件加工精度越高，或者一定NB下的(lm和 f)越大，生产率越高。因此，当NBrs最小时，可以说切 削过程处于最优状态。
第十一章 切削用量的选择
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 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 率和低加工成本的切削用量。 它包括：V，f，ap，T
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1、切削用量同加工生产率的关系
P＝1 / tm
tmnL waw pf 1d03w vLaw pf
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3.6.3 切削用量优化方法
间接法（解析法）
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。
直接法（数值法或搜索法）
fmin f fmax vmin vvmax
2）加工表面粗糙度限制
f 0.0321Rar
式中 Ra —— 表面粗糙度（μm）； rε—— 刀尖圆弧半径（mm）。
3）机床功率的限制
C F ca p x F cfy F cK F cvP
式中各符号含义同前。
（3-24） （3-25）
（3-26）
包括
刀具切削性能(如刀具寿命)、加工质量(如表面粗糙度)、 工艺系统力学性能(如工件刚度、刀具强度与刚度、机床 进给机构强度)、
机床参数规范(如机床功率、机床主轴扭矩、机床极限转 速和进给量)等因素，
同样也需建立起这些因素Gi(I=l，2，…m)与切削用量之 间的函数关系式。
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一般，约束条件用下列不等式表示
3、确定切削速度vc
在ap和f选定后，再根据规定达到的合理寿命T(min)，就 可以确定切削速度vc (单位：m／s)。车削速度vc的计算 公式由式(6—10)可得如下表达式：
vc=Cv/（60TmapXvfyv）Kvc （6-15）
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式中： Kvc——切削速度修正系数，且 Kvc =KMvKsvKtvKkrvKkrˊvKrεvKBv
(8)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。
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4. 校验机床功率(仅对粗加工)
由：FcvP103，可导出：
v
P 103 Fc
式中 P —— 机床电机功率（KW）； η—— 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： Pm<PE：可用 Pm<<PE：能力过剩，解决办法：
(4)刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。
如硬质合金的切削速度比高速钢刀具可高好几倍，涂
层刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刚石
和CBN刀具可采用更高的切削速度。
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(5)精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生 的区域。
6)断续切削时，为减少冲击和热应力，宜 适当降低切削速度。
(7)在易发生振动的情况下，切削速度应避 开自激振动的临界速度。