切削用量 切削用量三要素

切削用量切削用量三要素
切削用量是指切削速度v c 、进给量f （或进给速度v f ）、背吃刀量 a p 三者的总称，也称为切削用量三要素。

它是调整刀具与工件间相对运动速度和相对位置所需的工艺参数。

它们的定义如下：（一）切削速度v c
切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。

计算公式如下
v c=( π d w n )/1000 (1-1)
式中v c ——切削速度(m/s) ；
dw ——工件待加工表面直径（mm ）；
n ——工件转速（r/s ）。

在计算时应以最大的切削速度为准，如车削时以待加工表面直径的数值进行计算，因为此处速度最高，刀具磨损最快。

（二）进给量f
工件或刀具每转一周时，刀具与工件在进给运动方向上的相对位移量。

进给速度v f 是指切削刃上选定点相对工件进给运动的瞬时速度。

v f=fn （1-2 ）
式中v f ——进给速度（mm/s ）；
n ——主轴转速（r/s ）；
f ——进给量（mm ）。

（三）背吃刀量a p
通过切削刃基点并垂直于工作平面的方向上测量的吃刀量。

根据此定义，如在纵向车外圆时，其背吃刀量可按下式计算：
a p = （d w — d m ）/2 （1-3 ）
式中 d w ——工件待加工表面直径（mm ）；
dm ——工件已加工表面直径（mm ）。

涂层刀片
为了提高刀具（刀片）表面的硬度和改善其耐磨性、润滑性，通过化学气相沉积和真空溅射等方法，在硬质合金刀片表面喷涂一层厚度5～12μ m以下的TiC、TiN或Al 2O 3等化合物材料。

TiC 涂层刀片，硬度可达3200HV，呈银灰色，耐磨性好，容易扩散到基体内与基体粘结牢固，在低速切削温度下有较高的耐磨性。

TiN 涂层刀片TiN硬度为2000HV，呈金黄色，色泽美观，润滑性能好，有较高的抗月牙洼型的磨损能力，与基体粘结牢固程度较差。

Al 2O 3 涂层刀片硬度可达3000HV，有较高的高温硬度的化学稳定性，适用于高速切削。

除上述单层涂覆外，还可TiC-TiN, TiC+TiN+Al 2O 3等二层、三层的复合涂层，其性能优于单层。

硬质合金分类
常用的硬质合金以WC为主要成分，根据是否加入其它碳化物而分为以下几类：
（1）钨钴类（WC+Co）硬质合金（YG）
它由WC和Co组成，具有较高的抗弯强度的韧性，导热性好，但耐热性和耐磨性较差，主要用于加工铸铁和有色金属。

细晶粒的YG类硬质合金（如YG3X、YG6X），在含钴量相同时，其硬度耐磨性比YG3、YG6高，强度和韧性稍差，适用于加工硬铸铁、奥氏体不锈钢、耐热合金、硬青铜等。

（2）钨钛钴类（WC+TiC+Co）硬质合金（YT）
由于TiC的硬度和熔点均比WC高，所以和YG相比，其硬度、耐磨性、红硬性增大，粘结温度高，抗氧化能力强，而且在高温下会生成TiO 2,可减少粘结。

但导热性能较差，抗弯强度低，所以它适用于加工钢材等韧性材料。

(3) 钨钽钴类（WC+TaC+Co）硬质合金（YA）
在YG类硬质合金的基础上添加TaC(NbC),提高了常温、高温硬度与强度、抗热冲击性和耐磨性，可用于加工铸铁和不锈钢。

（4）钨钛钽钴类（WC+TiC+TaC+Co）)硬质合金(YW)
在YT类硬质合金的基础上添加TaC(NbC),提高了抗弯强度、冲击韧性、高温硬度、抗氧能力和耐磨性。

既可以加工钢，又可加工铸铁及有色金属。

因此常称为通用硬质合金（又称为万能硬质合金）。

目前主要用于加工耐热钢、高锰钢、不锈钢等难加工材料。

什么是位置公差及其表示符号位置精度是指零件上点、线、面各要素的实际位置相对于理想位置的准确程度。

位置精度是用位置公差来控制的。

例如图7－22所示的圆跳动0.01mm，表示丝杠外轴φ50h5圆柱面基准线G－G作无轴向移动的回转时，在任一测量平面内的径向圆跳动不得大于0.01mm。

又如图7－22所示的平行度0.0035mm表示丝杆外圆轴线在垂直方向上平行于基准轴线D的两平行平面之间距离不得大于0.007mm。

国家标准GB1182-80至GB1184－80规定，位置公差有八项，其名称和符号如表7－7所示。

形状公差及其表示符号形状精度是指零件上的线、面要素的实际形状相对于理想形状的准确程度。

形状精度是用形状公差来控制的。

例如图7－22所示的圆度为0.0035mm表示丝杠外圆面的实际轮廓必须位于半径为公差值0.0035mm的两同心圆之间。

国家标准GB1182-80至GB1184－80规定，形状公差有六项，其符号和名称如表7－6所示
什么是尺寸公差
尺寸公差是指在切削加工中零件尺寸允许的变动量。

在基本尺寸相同的情况下，尺寸公差愈小，则尺寸精度愈高。

如图7－21所示，尺寸公差等于最大极限尺寸与最小极限尺寸之差，或等于上偏差与下偏差之差。

例如：
最大极限尺寸＝50－0.025＝49.975mm
最小极限尺寸＝50－0.064＝49.936mm
尺寸公差＝最大极限尺寸－最小极限尺寸＝49.975-49.936＝0.039mm
或尺寸公差＝上偏差－下偏差＝－0.025－（-－0.064）＝0.039mm
国标GB1800－79至GB1804－79将确定尺寸精度的标准公差等级分为20级，分别用IT01、IT0、IT1、IT2、……IT18表示。

从IT01到IT18相应的公差数值依次加大、精度依次降低。

切削加工所获得的尺寸精度一般与使用的设备、刀具和切削条件等密切相关。

尺寸精度愈高，零件的工艺过程愈
复杂，加工成本也愈高。

因此在设计零件时，应在保证零件的使用性能的前提下，尽量选用较低的尺寸精度。

常用加工方法所能达到的表面粗糙度值
如何高速高精度孔加工
除采用CNC切削方式对孔进行精密加工外，还可采用镗削和铰削等方式对孔进行高精度加工。

随着加工中心主轴的高速化，已可采用镗削工具对孔进行高速精密加工。

据报道，目前在铝合金材料上进行φ40mm左右的镗削加工时，切削速度已可提高到1500m/min以上。

在用CBN烧结体作切削刃加工钢材、铸铁及高硬度钢时，也可采用这样的切削速度。

预计，今后镗削加工的高速化将会迅速普及推广。

为了实现镗削加工的高速化和高精度化，必须注意刀齿振动对加工表面粗糙度和工具寿命的影响。

为了防止加工精度和工具寿命下降，所选用的加工中心必须配备动平衡性能优异的主轴，所选镗削刀具也必须具有很高的动平衡特性。

尤其是镗削工具的刀齿部分，应选择适用于高速切削的几何形状、刀具材料及装卡方式。

切削刃端部的R应较大，以利于提高加工效率；在保证获得同等加工表面粗糙度的前提下，应加大进给量。

但加大进给量应适可而止，否则将增大切削阻力，不利于提高加工效率。

切削刃带应设置0.1mm以下的负倒棱，这样可有效保持刀具寿命的稳定。

至于刀具材料，则视被加工材料性质而有所不同。

如加工40HRC以下的钢等材料时，可选用金属陶瓷刀具，这种刀具在v=300m/min以上的高速切削条件下，可获得良好的加工表面粗糙度与较长的刀具寿命。

涂层硬质合金刀具则适用于对60HRC以下的钢材等进行高速切削，刀具寿命非常稳定，但切削速度稍低于金属陶瓷刀具。

CBN烧结体刀具适用于加工高硬度钢、铸铁等材料，切削速度可达1000m/min以上，而且刀具寿命非常稳定。

CBN刀齿的刃带部分应进行适当的倒棱处理，这种处理对进行稳定的高速切削和延长刀具寿命极为有利。

在对铝合金等有色金属及非金属材料进行超高速切削时，可选用金刚石烧结体刀具，这种刀具切削稳定，刀具寿命也很长。

应注意的是，使用金刚石刀具时，刀齿刃带必须进行倒棱处理，这是保证切削稳定的重要条件。

在铰削加工方面，目前尚未见到高速、高精度的新型刀具问世，该领域的研究开发工作似乎处于停滞不前的状态。

高速铰刀迄今仍被某些特定的用户用来进行高速高精度孔加工。

这种铰刀带有负前角，刚性高，断屑效果好，在高速切削条件下，可进行稳定的精密孔加工。

该铰刀的特点是，采用较大的负前角和奇数刀齿，其高速切削的速度是过去的铰刀无法达到的，因此，可以说此种设计对铰刀的传统概念进行了大胆的突破，是一种高效率的铰削刀具。

加工材料切削刀片如何正确选用？（1）
目前，各种难加工材料如淬硬钢、超硬烧结金属、耐热超级合金、双金属材料等已日益广泛地应用于工业零件的制造。

虽然用此类材料制造的零件可获得优异的使用性能，但同时也带来了一个难题：如何以合理的每件加工成本实现零件的最终成形加工。

值得庆幸的是，如今刀具供应商已成功开发出了各种用于铣削、车削加工难加工材料的新型切削刀片，如涂层硬质合金刀片、金属陶瓷刀片、CBN刀片、PCD刀片等。

这些新型材料刀片采用了特殊的几何形状和表面涂层，具有优异的耐磨损性能，并可承受加工过程中的机械冲击和热冲击。

但是，如何在生产中合理、有效地使用这些切削刀片，还需要与掌握专业知识的刀具供应商密切配合。

由于切削刀片的成本相对较低(一般硬质合金刀片的成本仅占加工总成本的3%，CBN刀片占加工总成本的5%～6%)，因此，为节约加工成本而一味选用较便宜的刀片实际上可能并不划算。

新型材料刀片虽然价格较贵，
但可以缩短加工时间，延长刀具寿命，提高产品质量，因此可能具有更好的经济性。

另一方面，脱离实际加工需要而盲目选用新型材料刀片，也可能增大加工成本(CBN刀片的价格可达硬质合金刀片的8～10倍)。

此外，使用新型材料刀片时，如采用不正确的切削速度和进给率，也会影响工件加工质量和刀具使用寿命。

因此，选用难加工材料切削刀片时需要正确评估加工的经济性和综合考虑整个加工工艺过程。

CBN刀片经过了强化和钝化处理，在切削硬度＞50HRC的工件材料时可有效避免崩刃现象
难加工材料切削刀片如何正确选用？（2）
加工经济性的综合权衡
选择切削刀片时，需要对整个加工任务进行评估。

在可以满足工件尺寸精度和表面光洁度要求，并考虑了加工时间和刀片更换的前提下，选用价格相对较低的硬质合金刀片可以实现较好的加工经济性。

通过准确了解和综合权衡生产批量、加工时间和刀片性能，就能合理选用切削刀片，达到提高生产率的加工效果。

以铣削加工材质为烧结碳化钛的燃气涡轮机叶片为例，当工件批量较小时，选用涂层硬质合金刀片也可获得较好的加工效果。

在35m/min的切削速度下，硬质合金刀片的切削刃寿命仅为5～10分钟，而大批量加工难加工材料工件的合理刀片寿命一般要求达到15～30分钟。

在小批量加工中，较短的刀片寿命和较频繁的更换刀片对生产率的影响并不明显；但在大批量满负荷加工中，较长的刀片寿命对于减少换刀辅助时间、降低劳动强度、提高机床利用率和生产能力则具有至关重要的意义。

因此，当涡轮机叶片的加工批量较大时，选用硬度更高、价格较贵的CBN刀片可能更为合理。

为了充分发挥先进材料刀片的切削性能，还需要选用正确的进给率和切削速度。

以Sandvik Coromant公司的CBN刀片为例，该刀片的切削刃经过了强化和钝化处理，在切削硬度＞50HRC的工件材料时可有效避免崩刃现象。

尽管CBN刀片韧性极佳，但对切削参数的选取仍十分严格，如所选切削速度高于或低于理想值的10%，则可能大大降低刀片的切削性能。

为了实施难加工材料的切削加工，可考虑向专业刀具供应商寻求技术支持，刀具供应商可基于其它相同的加工实例提供合理的解决方案。

在需要进行切削试验时，通常可采用试错(trial-and-error)方式，即首先用硬质合金刀片进行切削，然后换用新型材料刀片进行对比切削，比较不同刀片的加工效果。

采用先进的刀片形状、高刚性刀柄和优化加工程序，通常可使价格较低的硬质合金刀片适合于难加工材料的切削。

是否需要换用新型材料刀片，则应根据具体的加工任务及加工条件而定。

对于同一大类的难加工材料，通常在切削刀片的选用上具有一定共性。

难加工材料切削刀片如何正确选用？（3）
淬硬钢的切削加工
目前，许多合金钢工件对硬度的要求越来越高。

过去，工具钢的应用硬度通常为45HRC，而现在模具工业使用的工具钢已普遍要求淬硬到63HRC。

为了避免热处理变形，需要对一些过去只能在热处理之前进行切削加工的模具实施完全淬硬状态下的精密铣削加工。

在铣削完全淬硬钢时，产生的切削热和切削压力可能引起切削刀片的塑性变形并使刀片迅速失效。

如铣削硬度为60HRC的淬硬钢(材料中的碳化物颗粒硬度可达90HRC)时，普通的涂层硬质合金刀片将发生后刀面快速磨损。

铣削硬度为60HRC的淬硬钢(材料中的碳化物颗粒硬度可达90HRC)时，普通的涂层硬质合金刀片将发生后刀面快速磨损
虽然淬硬钢不易切削，但采用硬质合金刀片仍可实现对完全淬硬钢工件的经济性加工。

以航空零部件的加工为例，某大型飞机制造企业用Sandvik公司的GC1025硬质合金刀片替换原来使用的金属陶瓷刀片后，成功完成了对材料为淬硬的3000M钢(4340变质处理)的大尺寸锻件的二次孔加工。

被加工孔的大部分加工余量已在热处理之前(材料硬度30～32HRC)切除，但为了修正热处理变形，这种大尺寸工件上的精密孔必须在工件完全淬硬后(硬度达54～55HRC)进行二次切削加工。

由于被加工孔位于工件深处，特殊的工件形貌使加工相当困难，因此需要经过三次走刀切削才能达到要求的尺寸精度和表面光洁度。

高硬度的材料加上断续切削方式，使原来使用的金属陶瓷刀片还未完成一次走刀其切削刃即崩损失效，而崩坏的刀片可能造成工件报废的危险。

换用经PVD涂层的细颗粒硬质合金刀片后，刀具的韧性和锋锐性显著提高，可以顺利完成6～9次走刀切削。

换用硬质合金刀片后，刀具供应商推荐将切削速度从原来的90m/min降低到53m/min，但切削深度保持不变。

切削速度降低后，硬质合金刀片完成对孔的三次走刀切削需时约20分钟，而原来使用金属陶瓷刀具加工则需要一个多小时。

更为重要的是增强了硬质合金刀片切削刃的安全性，大大减少了因刀具崩刃导致昂贵工件报废的危险。

为了获得硬质合金刀片铣削淬硬钢的合理切削参数，可进行刀具切削试验。

试切时，切削速度的选取通常可
从30m/min起，直至增加到45～55m/min；进给率通常为0.075～0.1mm/每齿。

一般来说，采用零前角或小负前角的刀片形状比采用正前角的刀片形状强度更高。

加工淬硬钢时，采用圆形硬质合金刀片也较为有利，因为圆形刀片强度较高，且外形圆钝的切削刃不易发生破损。

选择硬质合金刀片牌号时，可考虑选用高韧性牌号。

此类牌号刀片的切削刃安全性较好，可承受切削淬硬钢时较大的径向切削力和剧烈的切入、切出冲击。

此外，特殊设计的高温硬质合金牌号可以承受切削淬硬钢(HRC60)时产生的大量切削热。

带氧化铝涂层的抗冲击硬质合金刀片也能抗击铣削淬硬钢时产生的高温。

难加工材料切削刀片如何正确选用？（4）
粉末合金的切削加工
随着粉末冶金技术的不断发展，应用于不同领域的各种超硬烧结金属(粉末合金)材料层出不穷。

如某制造商开发了一种包含碳化钨(WC)或碳化钛(TiC)颗粒的复合型粉末镍合金，其硬度达到53～60HRC，镍合金基体中的碳化物颗粒硬度可达90HRC。

铣削加工这种材料时，涂层硬质合金刀片很快会发生后刀面磨损，主切削刃被磨损为扁平状；材料微观结构中存在的超硬颗粒会引起“微振颤”，导致刀片加速磨损；切削工件时产生的剪切应力还可能造成硬质合金刀片碎裂。

采用CBN刀片则可较好解决含碳化钨和碳化钛颗粒的硬质粉末合金材料的切削加工问题。

改进的刀片几何形状可以有效克服“微振颤”现象。

某用户铣削加工复合型粉末合金工件时发现，新型CBN刀片的加工寿命比最好的硬质合金刀片提高了2000倍以上。

切削试验表明，用安装了5个CBN刀片的面铣刀切削加工硬质粉末合金材料(切削速度60m/min，进给率0.18mm/每刃)，其加工效率可比放电加工(线切割)提高75%。

为了充分发挥CBN刀片的最佳性能，必须将切削参数严格控制在合理范围内。

虽然50m/min左右的切削速度和0.1～0.15mm/每齿的进给率显得并不高，但在加工粉末合金材料时却能获得很高的生产率。

通过30～60秒钟的试切，可以准确地确定最佳切削参数。

试切时，可从低速切削开始，逐渐增大切削速度，直至刀片切削刃出现过度磨损为止。

加工难加工材料时，为了使刀片切削刃温度保持恒定，一般应采用干式切削。

在大多数情况下，具有双负角几何形状的圆形刀具加工效果最好，且切削深度通常应控制在1～2mm。

铣削属于断续切削。

加工时，硬度达60HRC或更高的工件材料对刀具持续不断的冲击将造成巨大的加工应力。

因此，为了在铣削加工中提供足够高的抗冲击能力，要求加工机床和工具系统必须具有最高的刚性、最小的悬伸长度和最大的强度。

难加工材料切削刀片如何正确选用？（5）
耐热超级合金的切削加工
为航空航天工业开发的耐热超级合金(HRSAs)现在正越来越广泛地应用于汽车、医疗、半导体、发电设备等行业。

除了常见的耐热超级合金牌号(如Inconel 718/625、Waspalloy、6A14V钛合金等)以外，现在又开发出了多种新型钛基合金和铝/镁基合金牌号。

所有的耐热超级合金均属于难加工材料范畴。

超级合金的硬度很高，某些钛合金牌号的加工硬度达到330HB。

对于普通合金而言，当切削区温度高于1100℃时，材料中的分子结合链就会发生软化，并出现有利于成屑的流动区。

反之，耐热超级合金优良的抗高温性能使其在切削加工全过程中均保持高硬度。

耐热超级合金被切削时还具有冷作硬化倾向，很容易造成切削刀片过早崩刃失效。

切削时，工件的被切表面会生成耐磨的冷硬鳞屑层，使刀片切削刃快速磨损。

加工淬硬钢时，采用圆形硬质合金刀片也较为有利，因为圆形强度较高，切削刃不易发生破损
鉴于超级合金的难加工特性，加工时通常采用较低的切削速度。

例如，用Sandvik GC2040牌号硬质合金刀片铣削超级合金Inconel 718材质刹车键的切削速度为60m/min；用Sandvik 7020 CBN刀片对Inconel 718进行外圆/端面车削的切削速度为80m/min。

与此对比，用未涂层硬质合金刀片切削工具钢的切削速度一般可达120～240m/min。

切削超级合金时的进给量通常与切削工具钢的进给量相当。

加工超级合金时，切削刀片的选择主要取决于被加工材料和工件类型。

为了提高加工效率，加工薄壁工件时可选用具有正前角切削刃的硬质合金刀片，而加工厚壁工件时则需要选用具有负前角切削刃的陶瓷刀片，以增强刀片切削时的“耕犁”作用。

对于大多数难加工材料，应首选干式切削，以保持刀片切削刃温度恒定。

但在加工钛合金时，即使切削速度很低，也必须使用冷却液。

由于耐热超级合金在切削过程中始终保持高硬度，因此会加速切削刀片端部倒圆的磨损。

采用切削刃圆钝的
圆形刀片可大大提高切削刃的强度，但超级合金的冷作硬化倾向会导致刀片崩刃现象加剧。

通过在连续多次走刀时改变切削深度，可使刀片避开工件表面形成的冷作硬化层，从而减少刀片崩刃，延长切削刃的工作寿命。

一次走刀的切深变化量可为7.6mm，后序切削的切深变化量可为3.2mm和2.5mm。

难加工材料切削刀片如何正确选用？（6）
双金属材料的切削加工
双金属材料的构成是将较硬的材料置于选定的易磨损部位，然后在周围环绕(或混合)其它较软的合金材料。

双金属材料在汽车工业及其它行业的应用越来越广泛，同时也带来了特殊的加工难题。

CBN刀片可以高效切削硬度大于50HRC的硬合金，但在切削双金属材料中的软合金时却可能发生碎裂。

PCD刀片能够切削加工耐磨铝合金，但在切削铁族金属材料时则容易发生过度磨损。

为了实现双金属材料的高效加工，需要用户、刀具供应商和机床制造商共同开发精确的切削加工程序。

例如，某种双金属材料是将高硬度的复合型粉末合金通过热均衡压制工艺嵌入价格便宜的316不锈钢基体中制成。

加工时，需要编制螺旋插补刀轨程序并输入机床控制系统，以优化的进给量和切削速度首先加工粉末合金材料部位，然后再加工基体部分。

为了高效加工由铝合金和铸铁气缸垫组合构成的双金属气缸体，汽车制造商必须同时克服铝合金的耐磨性和铸铁的高硬度。

由于较硬的铸铁气缸垫(易磨损部位)与较软的铝合金缸体难以隔离，因此不宜采用分别加工方式。

但是，通过合理编制机床加工程序，采用极低的切削速度和极小的切削深度，可使耐磨损PCD刀片能够同时加工铝合金和铸铁两种材料，从而避免了在加工过程中频繁换刀。

高速切削技术有何特点？
高速切削针对不同金属材料的工件，当切削速度到达某一特定值时，切削温度不但不会升高反而会降低，产品的质量也会改善，生产效率也会大幅度提高。

高速切削与加工材料、加工方式、刀具及切削参数等有很大的关系。

一般认为，高速切削的切削速度是常规切削速度的5～10倍，铝合金1 500～5 500m/min；铜合金900～5 000m/min；钛合金100～1 000m/min；铸铁750～4 500m/min；钢600～800m/min。

各种材料的高速切削进给速度范围为2～25m/min。

高速切削之所以得到工业界越来越广泛地应用，是因为它相对传统加工具有显著的优越性，具体说来有以下特点：
1.可提高生产效率
高速切削加工允许使用较大的进给率，比常规切削加工提高5～10倍，单位时间材料切除率可提高3～6倍。

当加工需要大量切除金属的零件时，可使加工时间大大减少。

2.降低了切削力
由于高速切削采用极浅的切削深度和窄的切削宽度，因此切削力较小，与常规切削相比，切削力至少可降低30%，这对于加工刚性较差的零件来说可减少加工变形，使一些薄壁类精细工件的切削加工成为可能。

3.提高了加工质量
因为高速旋转时刀具切削的激励频率远离工艺系统的固有频率，不会造成工艺系统的受迫振动，保证了较好的加工状态。

由于切削深度、切削宽度和切削力都很小，使得刀具、工件变形小，保持了尺寸的精确性，也使得切削破坏层变薄，残余应力小，实现了高精度、低粗糙度加工。

从动力学角度分析频率的形成可知，切削力的降低将减小由于切削力产生的振动(即强迫振动)的振幅；转速的提高使切削系统的工作频率远离机床的固有频率，避免共振的发生；因此高速切削可大大降低加工表面粗糙度，提高加工质量。

4.加工能耗低，节省制造资源
由于单位功率的金属切除率高、能耗低以及工件的在制时间短，从而提高了能源和设备的利用率，降低了切削加工在制造系统资源总量中的比例，符合可持续发展的要求。

5.简化了加工工艺流程
常规切削加工不能加工淬火后的材料，淬火变形必须进行人工修整或通过放电加工解决。

高速切削则可以直接加工淬火后的材料，在很多情况下可完全省去放电加工工序，消除了放电加工所带来的表面硬化问题，减少或免除了人工光整加工。

由于高速切削的特点决定了高速切削可以节省切削液、刀具材料和切削工时，从而可极大限度地节约自然资。