金属切削加工中切削用量的选用策略研究

兰君毅

关键词：切削用量  切削性能  金属加工  策略

每当学生要对某种零件进行金属切削加工时，首先要根据零件图提供的加工内容选择毛坯和刀具，接下来要计算切削用量的各种参数（背吃刀量、进给量、切削速度、主轴转速）。这些加工前需要准备的工作，充分说明了切削用量的重要性。它不仅和刀具上的切削角度一样，对切削力、切削热、积屑瘤、零件的精度和表面粗糙度有直接影响，而且直接关系着刀具的耐用度和生产效率。

切削加工是指利用刀具将毛坯上多余的金属材料切除，从而使工件达到规定精度和表面质量的机械加工方法。切削时，工件与刀具之间的相对运动称为切削运动。背吃刀量、进给量和切削速度三者称为切削用量三要素。它们是表示切削运动大小的参数，是影响工件的加工质量和生产效率的重要因素。切削用量的选择，对金属切削加工的质量、效率、加工成本、刀具磨损与刀具耐用度会产生重要影响，合理选择切削用量能够保证工件的加工质量，延长刀具使用寿命，降低加工成本和提高工作效率。只有合理选择切削用量，才能有效发挥车床和刀具材料的性能，才能优质、高效、低成本地完成工件的加工。因此，在合理选择刀具材料和刀具的几何参数的同时合理地选择切削用量也具有重要的意义。

一、刀具寿命的选择原则

刀具寿命是指刀具刃磨后自开始车削到磨损量达到磨损标准为止所经历的切削时间。

刀具切削部分在很高的温度下工作，经受强烈的摩擦，并承受很大的切削力和冲击力，所以要求车刀要有足够大的强度和使用寿命。切削用量与刀具的寿命有着密切的关系。加大切削用量三要素都能提高生产率，可是切削用量三要素的增加都会对刀具的寿命产生不利的影响。一般切削，当进给量不变，背吃刀量增大一倍时，切削力也成倍增大，而当背吃刀量不变，进给量增大一倍时，切削力增大70%～80%。综合这些因素，切削用量三要素中对刀具的寿命影响最小的是背吃刀量，其次是进给量，最大的是切削速度。所以在生产中选择刀具寿命时可以从以下几点加以考虑。

第一，刀具构造比较复杂、制造和刃磨费用都比较高时，刀具的寿命应选择高些。

第二，对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床等自动化加工刀具，刀具的寿命可选择得高些。

第三，对于换刀时间短、能充分发挥其切削性能并提高生产效率的可转位刀具，在选择刀具的寿命时可选取得低些。

第四，当生产中某一工序的生產率限制了整个车间的生产率提高时，这个工序刀具的寿命就要选择得低些;

第五，当某一个工序单位时间内生产成本比较高时，这个工序刀具的寿命就要选择得低些。

第六，加工大型工件时，刀具寿命应规定得高一些，以保证一次走刀中不换刀。

二、切削用量选择原则

1.概念

工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离就是背吃刀量。工件每旋转一周，车刀沿进给方向移动的距离就是进给量。刀具在单位时间内切削工件表面的理论展开直线长度就可以理解成工件表面的切削速度。

2.影响

（1）背吃刀量的影响。背吃刀量的变化对刀具寿命影响不大。当背吃刀量过小时，会造成切削工件表面的刮削和硬化而导致刀具寿命缩短。当工件表面有硬化的氧化层时，最大背吃刀量应选择在机器功率允许范围内。

（2）进给量的影响。进给量影响加工过程中切屑的形成，是决定加工表面质量的关键因素。在刀具寿命方面，进给量过大，切削产生的热量增加，会导致刀具面磨损增加。

（3）切削速度的影响。切削速度对刀具寿命有很大的影响。提高切削速度时，切削产生的热量也会随之大幅度提高，刀具寿命会大大缩短。所以在加工不同类型和硬度工件时，要相应地改变切削速度。对于较软的工件，切割速度应该更大。在加工硬质材料时，切削速度应更小。

3.工艺分析

粗车的作用是提高劳动生产率，尽快将毛坯上的余量切除，精车的作用是使工件达到规定的技术要求。粗车和精车的目的不同，所以在切削用量选择时要区分开来。

（1）背吃刀量的确定。增大背吃刀量比增大进给量更有利于提高生产率。因为背吃刀量是由加工余量决定的，粗车时尽可能一次切除更多的金属。当尺寸较大时，在机床、刀具和工件刚度允许的情况下选择较大的背吃刀量，尽可能减少刀具的数量，以提高生产率。对于锻件或铸坯，由于工件的坚硬表面，第一次切削的背吃刀量应大于硬化层的厚度，这样能够保护刀具尖端，防止尖端磨损或损坏。在半精加工中，如果余量大于2mm，可分两次切除，如果单面余量小于2mm，可以一次性切除。对于精细加工，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鳞状棘的高度增加。工件表面加工质量较差，因此对于表面要求较高的外圆，精加工余量不宜太大。

（2）进给量的确定。在选择背吃刀量后，进给量直接决定切削面积，从而决定切削力。由于进给量能影响机床的有效功率和扭矩，进而影响驱动链的强度和进刀机构的刚度，所以工件和刀具的刚性对加工表面的粗糙度有一定的影响，要达到工件图样的要求，就应该考虑进给量的因素。如果选择较大的进给量，就会影响加工表面的质量，进而影响加工质量。虽然提高进给量能够提高生产效率，但同时表面粗糙度也增加，所以进给量不能过大。进给量也不能太小，虽然进给量越小工件加工表面的质量越好，但是随着表面粗糙度的降低，工件表面残余应力却会增加，冷硬化严重，表面质量仍然不会太好。所以说，进给量对加工质量的影响直接关系到刀具加工角度、切削液用量、工件材料等。大部分的生产采用金属切削的手工方法来确定更合理的进给量。

（3）切削速度的确定。背吃刀量和进给量确定以后，还要选择一个合理的切削速度，否则会对工件的切削效率和加工成本造成不利影响。较大的切削速度可以降低表面粗糙度，提高表面加工质量。提高切削速度可以提高生产率，但会大大降低刀具寿命。随着超硬刀具材料和刀具涂层技术的发展，切削速度对刀具寿命的影响逐渐减小。但切削速度的选择仍然是非常重要的。传统的方法是根据合理的刀具寿命计算或查表法计算一定范围内的切削速度，然后通过工件直径计算机床的速度。其实对于一个给定的机床、刀具、工件，其最大生产率的切削速度或经济的切削速度一般只有一个是最佳的。在实际生产中，工作人员可以根据切屑的颜色来初步判断切削速度是否合适。加工碳钢时，如果形成暗褐色或蓝色切屑，说明采用的切削速度适当。如果切屑为银白色或黄色，说明切削速度未充分发挥，要适当提高切削速度。如果切屑变黑或有火花，表明切削温度过高，此时要适当降低切削速度。

4.策略

切削用量选择得是否正确直接关系着工件的生产效率、加工质量和加工成本。通过分析这些因素与切削用量三要素选择相关的因素可以知道，切削用量三要素增大都有利于生产效率的提高，却又都对加工质量和刀具的寿命产生不利影响。合理选择切削用量，一般遵循如下两个策略。

（1）“兼顾”策略。考虑到生产中要兼顾切削效率、刀具耐用性、切削条件，以达到高生产率和保证刀具耐用性。切削用量的三要素与生产率成正比。想要在保证一定刀具耐用度的前提下取得最高的生产效率，只有使吃刀量、进给量、切削速度三者乘积值达到最大，才能满足要求。由于切削用量三要素中对刀具的寿命影响最小的是背吃刀量，其次是进给量，最大的是切削速度，所以选取切削用量三要素的合理顺序应该是先选取尽可能大的吃刀量，其次选择一个比较大的进给量，最后根据已经选定的背吃刀量和进给量，在工艺系统刚度、刀具寿命和机床功率许可的条件下选择一个合理的切削速度。

（2）“舍、得”策略。切削用量三要素与生产效率成正比。切削用量三要素越小对车床的损耗越小，加工精度越高，但是这和提高生产效率是相矛盾的。在生产中可以用“舍、得”的策略来尝试解决这对矛盾。粗车的作用是提高劳动生产率，尽快将毛坯上的余量切除。精车的作用是使工件达到规定的技术要求。教师通常把加工过程分为粗加工阶段和精加工阶段，粗加工和精加工两个阶段确定后，生产率被视为第一优先级。粗加工切削参数选择：加工精度不高，首先考虑生产效率。所以粗加工时可以选择最大的背吃刀量和进给量，但要在工艺系统允许的刚度和强度下。然后选择最大切削速度时也不超过机床的有效功率，从而确保某些工具的耐用性。精加工切削参数的选择：精度主要由表面粗糙度和加工精度决定。选择较小的背吃刀量和进给量，在允许的范围内，保证加工精度。背吃刀量和进给量确定后需要一个更高的切削速度来达到工件表面质量要求，从而提高了生产率，降低了表面粗糙度。

三、小结

合理选择切削用量对于充分利用机床的潛力是十分重要的。为了提高生产效率，必须合理选择切削参数。它是对刀具、机床、工件、夹具等因素的综合分析。在此之后，做出一个合理的选择，而不是从某个角度考虑。要平衡处理因素的利弊，避免劣势，增强优势，从而完善金属切削用量选择策略。

参考文献：

[1]蹇悦，杨叶，郭国强.金属切削用量选用策略研究[J].航空制造技术，2015（6）.

[2]安虎平，芮志元，刘昊等.金属切削用量选用策略研究[J].工具技术，2013（47）.

[3]吴海波.金属切削用量选用策略研究[J].机械工程师，2018（5）.

（作者单位：丰润区综合职业技术教育中心）