数控加工中切削用量的合理选择
【摘要】文章介绍了切削用量的三要素，并对数控机床加工时切削用量的合理选择进行了详细阐述，为数控机床编程与操作人员提供参考。
【关键词】切削用量；加工质量；刀具耐用度；选择原则。
前言：数控加工中切削用量的原则是，粗加工时，一般以提高生产率为主，
但也应考虑经济和加工成本；半精加工和精加工时，应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合经验而定。切削用量是表示机床主运动和进给运动大小的重要参数。切削用量的确定是数控加工工艺中的重要内容， 切削用量的大小对加工效率、加工质量、刀具磨损和加工成本均有显著影响
一、切削用量的选择原则
数控加工中选择切削用量，就是在保证加工质量和刀具耐用度的前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。 (一) 加工质量：加工质量分为加工精度和加工表面质量。
⒈加工精度是指零件加工后实际几何参数(尺寸、形状和位置) 与理想几何参数相符的程度。符合程度愈高，加工精度愈高。实际值与理想值之差称为加工误差，所谓保证加工精度，即指控制加工误差。
⑴尺寸精度：加工表面的实际尺寸与设计尺寸的尺寸误差不超过一定的尺寸公差范围。在国标中尺寸公差分20级（IT01、IT0、IT1～IT18）。尺寸精度的获得方法：
①试切法：试切——测量——调整——再试切。用于单件小批生产。
②调整法：通过预调好的机床、夹具、刀具、工件，在加工中自行获得尺寸精度。用于成批大量生产。
③尺寸刀具法：用一定形状和尺寸的刀具加工获得。生产率高，但刀具制造复杂。
④自动控制法：用一定装置，边加工边自动测量控制加工。切削测量补偿调整。
⑵几何形状精度：加工表面的实际几何要素对理想几何要素的变动量不超过一定公差范围。在国标中形状公差有六项：直线度、平面度、圆度、圆柱度、线轮廓度、面轮廓度。几何形状精度的获得方法： 成形运动法
①轨迹法：利用刀具与工件间的相对运动轨迹来获得形状。 ②成形法：利用成形刀具加工获得表面形状。 ③展成法：利用刀具与工件相对运动使工件被刀具切削成一定形状的包络线。 非成形运动法：人工修配、样板加工、划线加工等。
⑶相互位置精度：加工表面的实际几何要素对由基准确定方向或位置的理想几何要素的变动量。在国标中位置公差有八项：平行度、垂直度、倾斜度、同轴度、对称度、位置度、圆跳动、全跳动。相互位置精度的获得主要由机床精度、
夹具精度和工件的装夹精度来保证。
⒉加工表面质量是指表面几何形状和表面层的物理力学性能。表面几何形状包括表面粗糙度，表面波度，宏观几何形状偏差。表面层的物理力学性能包括表面层冷作硬化，表面层残余应力，表面层金相组织的变化 。
(二) 刀具耐用度T ：所谓刀具耐用度是指刃磨后的刀具从开始切削至达到磨钝标准时，所用的切削时间。影响刀具耐用度的因素，归纳起来可以分为五个方面：切削用量，刀具的几何参数，工件材料，刀具材料，刀具的刃磨质量和润滑冷却条件。
⒈切削用量：切削用量包括切削速度V( 主轴转速S) 、进给量F 、背吃刀量ap ，通常称为切削用量三要素。切削用量对刀具耐用度的影响可用如下关系式表达：
C 111
>>>0 (式中C T 是刀具耐用度系数) T =11T
1m n p m n p v f a p 由上式看出，切削速度对刀具耐用度影响最大，进给量次之，背吃刀量影响
最小。例如用YT15硬质合金车刀，以f=0.3～0.75的进给量车削σb=7．5kgf/mm的碳素钢时，当切削速度v 增大一倍时，刀具耐用度下降97%；进给量f 增大一倍时，刀具耐用度下降70%，而背吃刀量ap 增大一倍时，刀具耐用度下降仅40%左右，因此当确定了刀具耐用度的合理值后，应首先考虑增大背吃刀量ap ，然后根据加工条件和加工要求选择尽可能大的进给量和切削速度。
⒉刀具几何参数：刀具几何参数对刀具耐用度有较显著的影响，是刀具几何参数合理、先进与否的重要标志之一。 ⑴前角γo ：前刀面与基面间的夹角即为前角。前对刀具耐用度的影响很明显，如太大，刃口锋利，切屑变小，切削力小，切削轻快，但刀刃的强度降低，散热差，且易破损；如太小又使切削力和切削温度增加过多，在这两种情况下耐用度都会下降，前角γo 对刀具耐用度的影响呈“驼峰形”，它的峰顶前角耐用度最高。
⑵主偏角Kr ：主切削刃与进给方向间的夹角即为主偏角。主偏角减小，刀具强度增加，改善散热条件，耐用度增高。 ⑶副偏角Kr ＇：副切削刃与进给反方向间的夹角即为负偏角。负偏角主要影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，若减小Kr ＇，则表面的粗糙度降低，刀具强度增加，但Kr ＇过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降低表面质量。适当减小负偏角和增大刀尖圆弧半径都能提高刀具强度，改善散热条件，使刀具耐用度提高。
⒊工件材料：工件材料的强度、硬度越高，产生的切削温度越高，故刀具磨损越快，刀具耐用度越低。切削碳素结构钢时，钢的含碳量对刀具耐用度有较大的影响。含碳量越高，渗碳体和珠光体的比重就越大，硬度就越高，刀具的磨损也就越快。因此切削高碳钢时刀具磨损较快，耐用度较低；切削中碳钢时刀具磨损就相对较慢，耐用度也相对较高。此外加工材料的延伸率越大或导热系数越低，均能使切削温度升高，刀具耐用度降低。
⒋刀具材料：刀具材料的种类很多，常用的有工具钢(碳素工具钢、合金工具钢和高速钢) 、硬质合金、陶瓷、金刚石和立方氮化硼等。碳素工具钢和合金工具钢，因耐热性很差，只宜作手工刀具。陶瓷、金刚石和立方氮化硼，由于质脆、工艺性差及价格昂贵等原因，仅在较小的范围内使用。目前最常用的刀具材料是
高速钢和硬质合金。
刀具切削部分材料是影响刀具耐用度的主要因素，改善刀具材料的切削性能，使用高，就越耐磨，耐用度也越高。 ⒌刀具刃磨质量和冷却润滑条件：
⑴刀具的刃磨质量对刀具的耐用度有很大的影响。如硬质合金刀具用碳化硅（SiC ）砂轮刃磨后，若不用细油石研磨，则由于刀刃有锯齿状的微小缺口、前后刀面表面粗糙度较高等原因，刀具的磨损较快，耐用度低，有时还易崩刃。实践表明，经过仔细研磨的车刀，耐用度可比未研磨的提高50%左右。
⑵切削液分为水基冷却润滑液和油基冷却润滑液，水基冷却润滑液主要起冷却作用，油基冷却润滑液主要起润滑作用。使用切削液能降低切削区的温度并减少刀具与工件、刀具与切屑间的摩擦，对提高刀具耐用度是有利的。实验表明，用乳化液（水基冷却润滑液的一种）能降低切削区温度50℃～100℃，用切削油能降低切削区温度40℃～60℃。所以，高速钢刀具在切削负荷较重的条件下，则多用水基冷却润滑液，切削负荷较轻而精度较高和表面粗糙度要求较低的条件下则多用油基润滑液，使刀具与工件表面间形成润滑膜，减少摩擦。硬质合金刀具耐热性较好，一般可以不用切削液，但在用高温合金加工一般钢料的精加工中，为了提高刀具的耐用度，保证加工精度和表面粗糙度，也可以用乳化液或极压切削油进行冷却润滑。
综上所述，我们在分析清楚影响刀具耐用度的这些因素及它们之间的相互关系后，可先根据工件材料的具体情况，选用适宜的刀具材料和切削用量，选择合适的刀具几何参数，保证刀具的刃磨质量和冷却润滑条件，以保障较高的刀具耐用度。
(三) 粗、精加工时切削用量的选择原则： ⒈粗加工时，一般以提高生产效率为主(较高的金属切除率) ，但也应考虑经济性和加工成本(必要的刀具耐用度) 。切削用量的选择原则首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。增大背吃刀量可使走刀次数减少，增大进给量有利于断屑。
⒉半精加工和精加工时, 应在保证加工质量的前提下，兼顾切削效率、经济性和加工成本。 切削用量的选择原则首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面的粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下，尽可能选取较高的切削速度。具体数值应根据机床说明书、切削用量手册，并结合实践经验而定。 ⑴背吃刀量ap(mm)
背吃刀量ap 根据加工余量和工艺系统的刚度确定。在机床、工件和刀具刚度允许的情况下，ap 就等于加工余量, 这是提高生产率的一个有效措施。为了保证零件的加工精度和表面粗糙度，一般应留一定的余量进行精加工。数控机床的精加工余量可略小于普通机床。具体选择如下：
粗加工时，在留下精加工、半精加工的余量后，尽可能一次走刀将剩下的余量切除；若工艺系统刚性不足或余量过大不能一次切除，也应按先多后少的不等余量法加工。第一刀的ap 应尽可能大些，使刀口在里层切削，避免工件表面不平及有硬皮的铸锻件。当冲击载荷较大（如断续表面）或工艺系统刚度较差（如细长轴、镗刀杆、机床陈旧）时，可适当降低ap ，使切削力减小。
精加工时，ap 应根据粗加工留下的余量确定，采用逐渐降低ap 的方法，逐
步提高加工精度和表面质量。一般精加工时，取ap=0.05～0.8mm ；半精加工时，取ap=1.0～3.0mm 。 ⑵切削宽度ae （mm ）
一般ae 与刀具直径D 成正比，与背吃刀量ap 成反比。在数控加工中，一般ae 的取值范围为ae=(0.6～0.9)D 。
⑶进给量(进给速度)F(mm/min或mm/r)
进给量( 进给速度) 是数控机床切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取。对于多齿刀具，其进给量F 、刀具转速n 、刀具齿数z 及每齿进给量fz 的关系为F= n ×z ×fz 。
粗加工时, 由于对工件表面质量没有太高的要求，F 主要受刀杆、刀片、机床、工件等的强度和刚度所承受的切削力限制，一般根据刚度来选择。工艺系统刚度好时，可用大些的F ；反之，适当降低F 。 半精加工、精加工时，F 应根据工件的表面粗糙度Ra 要求选择。Ra 要求小的，取较小的F ，但又不能过小，因为F 过小，切削厚度hD 过薄，Ra 反而增大，且刀具磨损加剧。刀具的副偏角愈大，刀尖圆弧半径愈大，则F 可选较大值。还应注意零件加工中的某些特殊因素。比如在轮廓加工中，选择进给量时，应考虑轮廓拐角处的超程问题。特别是在拐角较大、进给速度较高时，应在接近拐角处适当降低进给速度，在拐角后逐渐升速，以保证加工精度。 ⑷切削速度V （m/min）
根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度。可用经验公式计算，也可根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取或者参考有关切削用量手册选用。在选择切削速度时，还应考虑：应尽量避开积屑瘤产生的区域；断续切削时，为减小冲击和热应力，要适当降低切削速度；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；加工大件、细长件和薄壁工件时, 应选用较低的切削速度；加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度；工艺系统刚性差的，应减小切削速度。 ⑸主轴转速n(r/min)
主轴转速一般根据切削速度V 来选定。计算公式为: n=1000V/πD ，式中D 为工件或刀具直径（mm ）。数控机床的控制面板上一般备有主轴转速修调(倍率) 开关，可在加工过程中对主轴转速进行整倍数调整。
二、切削用量推荐表
在工厂的实际生产过程中，切削用量一般根据经验并通过查表的方式进行选取。
下面参照现场采用的切削用量和一些经验数据列出了机械加工常用的切削用量，供设计时参考。
1. 高速钢钻头加工铸铁件的切削用量
2. 高速钢钻头加工钢件的切削用量
3. 高速钢钻头加工铝及铝合金的切削用量
4. 高速钢钻头加工黄铜及青铜的切削用量
5. 高速钢铰刀铰孔的切削用量
6. 高速钢扩孔钻扩孔的切削用量
切削速度V=35~60m/min
7. 镗孔的切削用量
速度可以提高一些，铸铁件V=100～150m/min，钢件V=150～250m/min，铝合金V=200～400m/min，巴氏合金V=250～500m/min，而每转进给量fn 则在0.03～0.1mm/r。
8. 硬质合金端铣刀铣削的切削用量
洁度时，则铣削速度应高一些，每齿进给量应小一些。
9. 攻丝的切削速度
10. 孔加工常用工序间余量
11. 硬质合金车刀常用切削用量
p ②成形车刀和切断车刀的切削速度可取表中粗加工栏中的数值。这时它们的进给量f=0.04～0.15mm/r，成形刀的切削宽度宽时取小值，而切断刀的切削宽度窄时取小值。
③车削灰铸铁时，刀尖在外皮下切削，铸件无严铸件无严重夹砂。
三、结论
随着数控机床在生产实际中的广泛应用，数控编程已经成为数控加工中的关键问题之一。在数控加工程序的编制过程中，要在人机交互状态下合理的确定切削用量。因此，编程人员必须熟悉数控加工中切削用量的确定原则，结合现场的生产状况，选择出合理的切削用量，从而保证零件的加工质量和加工效率，充分发挥数控机床的优点，提高企业的经济效益和生产水平