金属切削功率研究

唐银春 李志勇

(四川长征机床集团有限公司，四川 自贡 643020)

当前,我国高档五坐标数控机床的生产厂家如雨后春笋，很大一部分厂家的机床技术指标和国外先进机床不相上下，但在用户处使用起来却相差甚远。翻阅大量切削用量、切削计算方面的工具书，还是以普通升降台铣床之类的机床为主。国外对切削用量特别是高速切削的研究比较多，已经形成了国际标准和软件，为用户针对工件提供优化的加工工艺方案。而我国数控机床现在的切削规范都还是普通机床的翻版，根本不能指导用户切削，提供的工艺方案也只是能加工而已。

切削功率计算是优化切削参数的基础。切削功率计算的准确度，影响找到最优切削用量的时间和接近程度。

首先定义本文中所使用的参数符号如表1所示。

1 国内外主要计算方法

1.1 《金属切削手册》

通过查表和公式来计算。其公式为[1]

表1 本文中主要符号的含义

手册中铣削举例如下：

用Dc=250 mm，Z=14，Kr=60°的硬质合金面铣刀铣削ZG45碳素铸钢。切削用量为ap=4 mm，vf=530 mm/min，n=190 r/min，ae=180 mm，对称铣削，求切削功率。

Q=vfapae=530×4×180=3.82×105mm3/min

查图1得pc在(4.7～6)×10-5kW·min/mm3范围，考虑到工件材料的强度不高，取值5×10-5。所以，对ZG45碳素铸钢的切削功率为。

Pc=pcQ=5×10-5×3.82×105=19.1 kW

1.2 瓦尔特

(1)技术资料有如下公式：

vf=Znfz

(2)计算示例见图2。

1.3 山特维克

(1)技术资料

(2)计算示例见图3。

山特维克提供有iOS版和Android版计算软件。从样本查表可得铣削非合金铸钢kc1=1 400 N/mm2，mc=0.21。不考虑前角，则Kc=2 070 N/mm2，Pc=12.98 kW。

考虑前角，由于非合金铸钢为较软的塑性材料，取10°来计算，可得Kc=1 863 N/mm2，Pc=11.68 kW。

1.4 三菱材料

计算软件提供iOS版和网页版。

表2 三菱材料fz对应的Kc值

查表2可得非合金铸钢fz=0.2 mm/齿时，Kc=2 500 MPa，因本文其他计算方法计算时只计算切削功率，所以这里不考虑空载功率，取效率为1。计算示例见图4。

2 计算方法分析评价

从计算结果(表3)看，瓦尔特和三菱资料结果相差很小，《金属切削手册》计算结果略大约20%，山特维克结果略小约20%，《金属切削手册》计算结果是山特维克的1.5倍。可见对切削功率的研究是必要的。

表3 4种方法的计算结果

表4 各材料的单位面积切削力

使用《金属切削手册》计算功率比较方便，使用两个公式一个图表即可得到功率。不用像《机械加工工艺师手册》[2]那样需要查大量的表格才能计算。并且有计算举例，对一些参数的选择原则和处理方法有样板可循。这本手册在用平均切屑厚度查单位切削功率pc时其取值是一个较大范围区间，而且两个坐标轴数值不均匀，因此其计算结果非常粗略。

瓦尔特的计算公式比较全面，在功率公式中还考虑了前角的影响，但由于前角对功率的影响较小，瓦尔特的软件和其他几种计算方法都没有考虑前角。这个软件计算起来比较方便，笔者公司一直使用这个软件计算，绝大部分计算与实际吻合。有两个缺点，一是材料种类太少，二是严重依赖Windows。

瓦尔特的计算软件虽然比其他的样本有更多的材料，但是仍然比较少，比如铝合金，就没有区分镁铝和硅铝，即便是相同的材料由于成型方法和热处理不同，其内部组织都有巨大的区别，表现出的切削性能也相差很大。于是便着手分析这个软件，以便为以后的试验提供思路。笔者对瓦尔特的这个软件进行分析后发现其计算时刀具直径对功率没有影响。可以理解成这个软件没有刀具直径作为计算功率的输入参数，或者是计算了，但不影响计算结果。笔者根据这个软件归纳出了表4和切削功率pc计算公式如下：

经测试至今未发现公式(1)的计算结果比原软件(瓦尔特)误差大于1‰。

山特维克的计算软件虽然支持手机计算，支持计算进给速度、切削时间、金属切除率、功率、扭矩、成本等，看起来还不错。但这个软件还是万里长征第一步，这个软件做得最复杂的一件事只是通过最大切屑厚度、主偏角、刀具直径计算每齿进给量(应该由每齿进给量计算最大切屑厚度才合理)。这个软件输入参数为Kc，其样本上只有材料的kc1(铣削)和kc0.4(车、钻、切槽)，所以Kc需要根据样本上的kc1和另一技术资料上的公式计算，因此这个软件是非常不友好的。如果它要成为一个好软件，首先必须建立基本材料数据库，方便应用程序调用，将输入参数Kc更换成kc1并增加输入参数mc。

三菱材料的这个网页版虽然计算方法没有多大的特色，但是其网页只有一页，Kc值就在公式下方查找也很方便。这个网页版软件还可以做得更完美一些，可以增加刀具齿数、直径、主轴转速，计算显示刀具切削速度和每齿进给量，用于校核转速和切削用量。将材料的单位切削力做成数组，材料名称做成下拉列表，列表中增加一个“自定义”，这时采集输入的Kc值。使用网页版，新增材料也很容易，只是需要使用脚本语言对于一般人有一定的难度。

3 计算方法改进

Excel是一个使用非常简单的通用工具，现在在手机上都可以轻松使用。利用前面提到的公式(1)和表格4很容易再制作一个表格(如表5)。将输入参数和结果用不同颜色区分，使界面更美观实用。用Lookup函数可以很轻松在输入材料序号时筛选出材料的信息。在试验后增加新的材料也很简单，在材料表后追加一行信息即可。由于原软件只有少量的几种材料供选择，这些材料的Kc必然是一个中间值。而我们在试验的时候可以针对一种牌号甚至热处理的材料，所以计算结果肯定比原软件更加准确。

这个公式(1)在计算功率时没有考虑主偏角、刀具直径、刀具前角的影响。由于相同的每齿进给量，主偏角越小、刀具直径越大，平均切屑厚度越薄。前角越大其抵抗切屑弯曲的力越小，切削功率越小。虽然，这些参数对切削功率的影响较小，不容易建立合适的函数关系。但是随着研究的深入，在经过大量试验后，或许能够解决这个问题。因此改进计算结果准确性的另一个方向应该是加入主偏角、刀具直径、刀具前角这些参数。

表5 自制Excel表格在手机中的布局

4 结语

本文对几种国内外主流切削功率计算的方法和软件进行了研究。对这些方法的优缺点进行了详细分析。利用Excel这种通用工具，以铣削为例进行了示范，提供了一种简便的计算方法和相关数据。使铣削功率计算摆脱了硬件的限制，扩展到手机平台进行计算，还可以更方便地扩展可计算材料的种类，改善计算结果的准确性，为更准确地切削功率计算公式提供了试验思路。车、钻、镗等加工手段的切削功率等相关计算也可以轻松类推出来。

[1]上海市金属切削技术协会编.金属切削手册[M].3版.上海：上海科学技术出版社，2000.

[2]杨叔子.机械加工工艺师手册[M].北京：机械工业出版社，2001.