刀具合理几何参数的选择及切削用量优化.pptx

第一节 概述 什么是刀具的合理(或最佳)几何参数呢?在保证加工质量的前提下，能够满足生产效率高、加工成本低的刀具几何参数称为刀具的合理几何参数。第1页/共103页 一般地说，刀具的合理几何参数包含以下四个方面基本内容：(1)刃形 刃形是指切削刃的形状，有直线刃、折线刃、圆弧刃、月牙弧刃、波形刃、阶梯刃及其他适宜的空间曲线刃等。刃形直接影响切削层的形状，影响切削图形的合理性；刃形的变化，将带来切削刃各点工作角度的变化。因此，选择合理的刃形，对于提高刀具使用寿命、改善已加工表面质量、提高刀具的抗振性和改变切屑形态等，都有直接的意义。第2页/共103页 (2)切削刃刃区的剖面型式及参数 通常将切削刃的剖面型式简称为刃区型式。针对不同的加工条件和技术要求，选择合理的刃区型式(如锋刃、后刀面消振棱刃、前刀面负倒棱刃、倒圆刃、零度后角的刃带)及其合理的参数值，是选择刀具合理几何参数的基本内容。图所示为五种刃区型式。图 常见的五种刃区形式(a)锋刃；(b)消振棱；(c)-负倒棱；(d)-倒圆刃；(e)刃带第3页/共103页 (3)刀面型式及参数 前刀面上的卷屑槽、断屑槽，后刀面的双重刃磨、铲背以及波形刀面等，都是常见的刀面型式。选择合理的刀面型式及其参数值，对切屑的变形、卷曲和折断，对切削力、切削热、刀具磨损及使用寿命，有着直接的影响，其中前刀面的影响和作用更大。(4)刀具角度 刀具角度包括主切削刃的前角0、后角0、主偏角r、刃倾角s和副切削刃的副后角0、副偏角 r等。刀具合理几何参数的选择主要决定于工件材料、刀具材料、刀具类型及其他具体工艺条件，如切削用量、工艺系统刚性及机床功率等。第4页/共103页 当确定了刀具几何参数后，还需选定合理的切削用量才能进行切削加工。在机床、刀具和工件等条件一定的情况下，切削用量的选择最富有灵活性和能动性。对于充分发挥机床和刀具的功能，以取得生产的最大效益来说，切削用量的选择如果得当，就可能最大限度地挖掘出生产潜力；倘若选择不当，会造成很大的浪费或导致生产事故。选择合理的切削用量必须联系合理的刀具耐用度。要通过对合理的刀具耐用度分析，选择合理的切削用量三要素。第5页/共103页第二节 刀具合理几何角度及其选择 刀具几何参数主要包括：刀具角度、刀刃与刃口形状、前面与后面型式等。第6页/共103页一、前角及前刀面形状的选择 从金属切削的变形规律可知，前角是切削刀具上重要的几何参数之一，它的大小直接影响切削力、切削温度和切削功率，影响刃区和刀头的强度、容热体积和导热面积，从而影响刀具使用寿命和切削加工生产率。第7页/共103页（一）前角的功用及选择 (1)影响切削区域的变形程度 增大刀具前角，可以减小前刀面挤压切削层时的塑性变形，减小切屑流经前刀面的摩擦阻力，从而减小了切削力、切削热，使刀具的耐用度提高。(2)影响切削刃与刀头的强度、受力性质和散热条件增大刀具前角，会使刀具楔角减小，使切削刃与刀头的强度降低，刀头的导热面积和容热体积减小；前角过大，有可能导致切削刃处出现弯曲应力，造成崩刃。因此，刀具前角过大时，刀具耐用度也会下降。(3)影响切屑形态和断屑效果 若减小前角，可以增大切屑的变形，使之易于脆化断裂。第8页/共103页 (4)影响已加工表面质量 增大前角可以抑制积屑瘤和鳞刺的产生，减轻切削过程中的振动，减小前角或者采用负前角时，振幅急剧增大，如图所示。第9页/共103页 由此可见，增大或减小前角，各有利弊。例如，从切削热的产生和散热来说，增大前角，可以减小切削热的产生，切削温度不致太高；但如果前角太大，则因刀头导热面积和容热体积减小，切削温度反而升高。在切削很硬的材料时，应用较小的前角，甚至选用适宜的负前角，以加强切削刃，并改善刀头容热和散热条件；但若是前角太小，或取很大的负前角，则因切削变形严重，产生热量来不及散逸，结果还会使切削温度上升。可见，在一定的条件下，前角有一个合理的数值。第10页/共103页 使刀刃强度降低，容易造成崩刃；也会使刀头散热体积减小，刀头能容纳热量的体积减小，致使切削温度增高。因此，刀具的前角太大时，刀具耐用度T也会下降。在一定的加工条件下，存在一个刀具耐用度为最大的前角通常称为合理前角 。第11页/共103页 图为刀具前角对刀具耐用度影响示意图。可见前角太大、太小都会使刀具使用寿命显著降低。对于不同的刀具材料，各有其对应着刀具最大使用寿命的前角，称为合理前角0pt。显然，由于硬质合金的抗弯强度较低，抗冲击韧性差，其0pt也就小于高速钢刀具的0pt。第12页/共103页 同理，工件材料不同时，刀具的合理前角也不同(如图所示)。从实验曲线可以看出，加工塑性材料比加工脆性材料的合理前角值大，加工低强度钢比加工高强度钢的合理前角值大。第13页/共103页合理前角的选择：刀具合理前角主要取决于刀具材料和工件材料的种类与性质：（1）刀具材料的强度及韧性较高时可选择较大的前角 例如，高速钢的强度高、韧性好；硬质合金脆性大，怕冲击，易崩刃；因此高速钢刀具的前角可比硬质合金刀具选得大一些，可大5o10o。陶瓷刀具的脆性更大，故前角应选择得比硬质合金刀具还要小一些。第14页/共103页(2)刀具的前角还取决于工件材料的种类和性质。1)加工塑性材料(如钢)时，应选较大的前角；加工脆性材料(如铸铁)时，应选较小的前角。切削钢料时，切屑变形很大，切屑与前刀面的接触长度较长，刀屑之间的压力和摩擦力都很大，为了减小切屑的变形和摩擦，宜选较大的前角。用硬质合金刀具加工一般钢料时，前角可选10o20o。切削灰铸铁时，塑性变形较小，切屑呈崩碎状，它与前刀面的接触长度较短，与前刀面的摩擦不大，切削力集中在切削刃附近。为了保护切削刃不致损坏，宜选较小的前角。加工一般灰铸铁时，前角可选5 o15 o。第15页/共103页 2)工件材料的强度或硬度较小时，切削力不大，刀具不易崩刃，对刀具强固的要求较低，为了使切削刃锋利，宜选较大前角。当材料的强度或硬度较高时，切削力较大，切削温度也较高，为了增加切削刃的强度和散热体积，宜取较小前角。例如，加工铝合金时，前角可取30 o35 o；加工中硬钢时，前角可取10 o20 o；加工软钢时，前角可取20 o30 o。第16页/共103页 3)用硬质合金车刀加工强度很大的钢料或淬硬钢，特别是断续切削时，应从刀具破损的角度出发选择前角，这时常需采用负前角。材料的强度或硬度越高，负前角的绝对值也越大。采用负前角时，切削刃和刀尖部分受到的是压应力，硬质合金的抗压强度比抗弯强度高34倍，切削刃不易因受压而损坏。抗弯强度更差的陶瓷和立方氮化硼刀具，也经常采用负前角。但是负前角刀具会增大切削力(特别是径向力)和能耗，易引起机床振动；因此，只在工件材料的强度和硬度很高、切削时冲击很大，采用正前角要产生崩刃，且工艺系统刚性很好时，才采用负前角。加工一般脆性金属时，由于这类金属的抗压强度大于抗拉强度、用正前角刀具较容易切除切屑，故通常不采用负前角。第17页/共103页 (3)选择合理前角时还要考虑一些具体加工条件 例如：粗加工时，特别是断续切削时，切削力和冲击一般都比较大，工件表面硬度也可能很高，为使切削刃有足够强度，宜取较小前角；精加工时，对切削刃强度要求较低，为使刀刃锋利，降低切削力，以减小工件变形和减小表面粗糙度，宜取较大前角。在工艺系统刚性较差或机床电动机功率不足时，宜取较大的前角；但在自动机床上加工 时，为使刀具切削性能稳定，宜取小一些的前角。用不同刀具材料加工各种工件材料时，合理前角的参考值可查相关的手册。第18页/共103页 表为硬质合金车刀合理前角、后角的参考值，高速钢车刀的前角一般比表中的值大510。工件材料种类合理前角参考值 /（）合理后角参考值 /（）粗车精车粗车精车低碳钢202525308101012中碳钢101515205768合金钢101515205768淬火钢-15-5810不锈钢（奥氏体）1520202568810灰铸铁10155104668铜及铜合金（脆）10155106868铝及铝合金303535408101012钛合金（b 1.177Gpa）5101015注：粗加工用的硬质合金车刀，通常都磨有负倒棱及负刃倾角。第19页/共103页(二)倒棱及其参数的选择 在切削加工中，增大刀具前角，有利于切屑形成和减小切削力；但增大前角，又使切削刃强度减弱。在正前角的前刀面上磨出如图a和b所示的倒棱则可二者兼顾。第20页/共103页 倒棱的主要作用是增强切削刃，减小刀具破损。在使用硬质合金和陶瓷等脆性较大的刀具，尤其是在进行粗加工或断续切削时，对减少崩刃和提高刀具耐用度的效果是很显著的（可提高15倍）；用陶瓷刀具铣削淬硬钢时，没有倒棱的切削刃是不可能进行切削的。同时，刀具倒棱处的楔角较大，使散热条件也得到改善。倒棱的参数包括倒棱宽度br1和倒棱前角01。倒棱的宽度值一般与切削厚度（或进给量f）有关。通常取为br1=0.21mm或br1=(0.30.8)f。粗加工时取大值，精加工时取小值。高速钢刀具倒棱的前角取01=05，硬质合金刀具取01=-5-10。第21页/共103页 用硬质合金车刀切削带硬皮的工件时，如果切削时冲击较大，而机床的刚性和功率允许的条件下，倒棱的br1和 01的绝对值可以选的大一些。这样可以进一步强化切削刃，崩刃的会更加减小，但切削力也会明显增加。如果倒棱的br1过大，01过小，则负倒棱将代替前刀面进行切削。一般来说，精加工刀具，为使切削刃锋利，不宜磨出倒棱。加工铸铁、铜合金等脆性材料的刀具，以及形状复杂的成形刀具等，也不磨倒棱。第22页/共103页 在刀具中采用如图c所示的刀刃钝圆，是强化切削刃的另外一种有效方法。目前，经钝圆处理的硬质合金可转位刀片，在生产中已获得广泛的应用。刀具钝圆可以减少刀具的早期破损，使刀具耐用度可能提高200%。在断续切削时，适当增大钝圆半径，可大大增加刀具崩刃前所受的冲击次数。钝圆刃还有一定的切挤熨压及消振作用，可减小工件已加工表面粗糙度。钝圆半径值推荐如下：一般情况下钝圆半径 0.25mm/r时，取0=58。第29页/共103页后角的大小与切削厚度的关系见图10-8。第30页/共103页 (2)工件材料的强度或硬度较高时，为了加强切削刃，宜取较小的后角，工件材料较软，塑性较大，已加工表面易产生加工硬化时，后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大，这时应取较大的后角。(3)粗加工或断续切削时，为了强化切削刃，应选较小的后角。精加工或连续切削时，刀具的磨损主要发生在刀具后刀面，应选用较大的后角。第31页/共103页 (4)当工艺系统刚性较差，容易出现振动时，应适当减小后角。为了减小或消除切削时的振动，还可以在车刀后面上磨出b1=0.10.2mm，o1=0的刃带，刃带不但可以消振，还可以提高刀具耐用度，以及起稳定和导向作用，主要用于铰刀、拉刀等有尺寸精度要求的刀具上。或磨出如图4.9所示的b1=0.10.3mm，o1=-5-10的消振棱。消振棱可以使切削过程稳定性增加，有助于消除切削过程的低频振动，同时强化了切削刃，改善了散热条件，从而提高了刀具耐用度。第32页/共103页 (5)对于尺寸精度要求较高的刀具，宜取较小的后角。因为当径向磨损量NB选为定值时，后角较小所磨损掉的金属体积较多，刀具可连续使用较长时间，故刀具耐用度较高。生产现场中，在粗加工时以确保刀具强度为主，应取较小的后角46;在精加工时以保证加工表面质量为主，一般取ao=8 12。(6)在一般条件下，为了提高刀具耐用度，可加大后角，但为了降低重磨费用，对重磨刀具可适当减小后角。第33页/共103页 刀具的副后角主要用来减少副后刀面与已加工表面的摩擦，它对刀尖强度也有一定的影响。为了使制造、刃磨方便，一般车刀的副后角ao取和后角ao相同的数值。但切断刀受刀头强度限制，副后角较小（ao=1 302）。表为硬质合金车刀合理后角的参考值，高速钢车刀的前角一般比表中的值大510。工件材料种类合理前角参考值 /（）合理后角参考值 /（）粗车精车粗车精车低碳钢202525308101012中碳钢101515205768合金钢101515205768淬火钢-15-5810不锈钢（奥氏体）1520202568810灰铸铁10155104668铜及铜合金（脆）10155106868铝及铝合金303535408101012钛合金（b 1.177Gpa）5101015注：粗加工用的硬质合金车刀，通常都磨有负倒棱及负刃倾角。第34页/共103页 （三）常见后刀面形状第35页/共103页 前角大，刀锋利，强度差。适于精加工。前角小，强度好，散热佳。适于粗加工。后角大，刀锋利，摩擦小。适于精加工。后角小，强度好。散热佳，适于粗加工。第36页/共103页 三、主偏角、副偏角及刀尖形状的选择 主偏角对刀具耐用度影响很大，并且可以在很大范围内变化。影响切削条件（切削宽度和切削厚度的比例）。随着主偏角的减小，刀具耐用度得以提高。（一）主偏角的功用及选择第37页/共103页 (1)当背吃刀量和进给量不变时，主偏角减小会使切削厚度减小，切削宽度增加(图)。这时参加切削的切削刃长度增加，单位长度切削刃上的负荷减轻，散热条件亦得以改善。第38页/共103页 (2)主偏角减小时，刀尖角增大，使刀尖强度提高，刀尖散热体积增大。(3)主偏角较小的刀具（s在=0时）在切入工件时，最先与工件接触处是远离刀尖的地方，而当主偏角大于等于90时，主切削刃参加切削部分同时切入工件，因而可减少因切入冲击而造成的刀尖损坏。第39页/共103页 (4)减小主偏角还可使工件表面残留面积高度减小，从而使已加工表面粗糙度减小。根据上述原理，刀具的主偏角理应是小些为好。第40页/共103页减小主偏角会导致径向力Fy增大(图421)，轴向分力 Fx减小。这会引起下述结果：(1)随着径向力的增大和工件刚性减小，切削时产生的挠度也增大，因而会降低加工精度。(2)在工艺系统刚性不足的情况下，径向力增大会引起振动。振动会使刀具(特别是刀具材料脆性大时)耐用度显著下降，和已加工表面粗糙度显著增大。第41页/共103页由图可知，在工艺系统刚性很强时，随着主偏角减小，刀具耐用度或可用切削速度显著提高(如图中的高速钢曲线)；但当工艺系统刚性不足时，主偏角太大或太小都会使刀具耐用度下降。由此可知，合理主偏角的大小也决定于工艺系统的刚性。当刚性允许时，则主偏角宜取小一些。第42页/共103页 因此，合理选择主偏角主要按以下原则：(1)工艺系统的刚度较好时，主偏角可取小值，如r 3045，在加工高强度，高硬度的工件时，可取r 1030，以增加刀头的强度。当工艺系统的刚度较差或强力切削时，一般取r 6075。(2)综合考虑工件形状、切屑控制等方面的要求。车削细长轴时，为了减小径向力，取r 9093；车削阶梯轴时，可取r 90；用一把车刀车削外圆、端面和倒角时，可取r 4560；镗盲孔时r 90。较小的主偏角易形成长而连续的螺旋屑，不利于断屑，故对于切削屑控制严格的自动化加工，宜取较大的主偏角。第43页/共103页（二）副偏角的功用及选择 车刀副切削刃的主要作用是最终形成已加工表面。副偏角的大小对刀具耐用度和已加工表面粗糙度都有影响。副偏角 r越小，切削刀痕理论残留面积的高度越小，已加工表面粗糙度值越小，同时小的副偏角 r还可以增强刀尖强度，改善散热条件。副偏角过小会增加副切削刃参加切削工作的长度，增大副后刀面与已加工表面的摩擦和磨损，因此刀具耐用度较低。此外，副偏角太小，也易引起振动，反而增大表面粗糙度值。但是，副偏角太大会使刀尖强度降低，和散热条件恶化，因此刀具耐用度也较低。由此可知，副偏角也存在一个合理值。第44页/共103页 副偏角 r的大小主要根据工件已加工表面的粗糙度要求和刀具强度来选择，在不引起振动的情况下，尽量取小值。一般地，精加工时，取 r 510；粗加工时，取 r 1015。当工艺系统刚度较差或从工件中间切入时，可取 r 3045。在精车时，可在副切削刃上磨出一段 r=0、长度为（1.21.5）f的修光刃，以减小已加工表面的粗糙度值。用带有修光刃的车刀切削时，径向分力Fy很大，因此工艺系统刚度必须很好，否则容易引起振动。第45页/共103页 在刀具上，强度较差，散热条件不好的地方是刀尖，即主切削刃和副切削刃连接处。在切削过程中，刀尖处切削温度较高，很容易磨损。当主偏角及副偏角都很大时，这一情况尤为严重。为了减少切削过程中的振动，往往选取较大的主偏角，取较大值时，刀尖角减小引起刀具耐用下降。所以，为强化刀尖，在刀尖处磨出图所示的过渡刃，不但显著提高刀具的耐崩刃性和耐磨性，改善其散热条件，而且还可以减小刀尖部分的形状对残留面积高度和已加工表面粗糙度值，提高已加工表面质量。（三）刀尖形状及尺寸的选择第46页/共103页 1圆弧形过渡刃(如图a所示)圆弧过渡刃圆弧过渡刃不但可以提高刀具耐用度，而且还可以大大减小已加工表面粗糙度。精加工车刀常采用圆弧形过渡刃。圆弧过渡刃的主要参数是圆弧半径，值越大，刀具的磨损和破损均可减小,断续切削时产生崩刃的冲击次数可显著减少，对提高表面质量和刀具耐用度越显著，但取得过大，则会使径向力Fy增大，易引起振动。一般地，硬质合金及陶瓷等脆性较大的刀具材料，因其对振动较敏感，刀具的刀尖圆弧半径取得较小；精加工时，因要求较小的表面粗糙度值，比粗加工时取得小一些。所以，硬质合金和陶瓷车刀一般取=0.51.5mm，高速钢车刀取=13mm。一般地，精加工车刀常采用圆弧形过渡刃。第47页/共103页2直线过渡刃(如图b、c所示)在硬质合金车刀、铣刀上常磨出直线过渡刃，用于粗加工，以改善刀尖强度较差，散热条件恶化的状况，提高刀具耐用度一般外圆车刀直线过渡刃参数是：过渡刃偏角 ，过渡刃长度b=0.52mm或者b=(0.20.5)。对于切断刀，过渡刃偏角一般取为=45，过渡刃长度b=0.25B mm(B为切断刀的宽度)。过渡刃处的后角，可与主切削刃后角相同。直线过渡刃因刃磨方便，且容易磨得对称，多用于多刃刀具上。第48页/共103页四、刃倾角的选择1控制切屑流出方向 图所示为外圆车刀主切削刃刃倾角对切屑流向的影响。当s0时，进行直角切削时，切屑沿垂直于主切削刃方向流出；当s 0时，切屑流向待加工表面；当s 0时，切屑流向已加工表面，容易划伤工件表面。刃倾角的功用第49页/共103页刃倾角等于0时第50页/共103页刃倾角大于0时，切屑不仅妨碍工人操作，而且容易缠绕在机床转动部件上。第51页/共103页刃倾角小于0时，切屑流向以加工表面，并形成长卷屑，易损坏已加工表面，但对操作者影响较小。第52页/共103页2影响刀尖强度和散热条件 图是一把主偏角为90度的刨刀的加工情况，当刃倾角为00时（b），切削刃全长与工件同时接触，切削力在瞬间由零增至最大，因而冲击较大。当刃倾角大于0时（c），刀尖首先接触工件，冲击作用在刀尖上，容易崩尖。第53页/共103页 当刃倾角小于0（a），即为负值时，离刀尖较远处的切削刃首先接触工件，保护了刀尖。其次，切削面积在切人时由小到大，切出时由大到小逐渐变化；因而切削力也是逐渐变化，切削比较平稳，可大大减少刀具受到的冲击和崩刃现象。因此，在粗加工时，特别是冲击较大的加工中，常常采用负刃倾角的刀具。第54页/共103页 3影响切割刃的锋利程度 当刃倾角s 15时，刃倾角对实际前角的影响不大。当刃倾角s 15时，斜角切削时，由于切屑在前刀面上流向的改变，使实际起作用的前角增大。如图1018所示，工作前角增大。此外，刃倾角增大还可减小刀刃钝圆半径，使切削刃变得更为锋利。因此，切下极薄切屑的微量精车刀和精刨刀可采用450750刃倾角。第55页/共103页 4影响切削分力的大小 刃倾角对径向力和轴向力的影响较大。当负刃倾角绝对值增大时，径向力会显著增大，将导致工件变形和工艺系统振动。例如，当s从0变化到-45时，径向力Fy约增大1倍，轴向力Fx降低约三分之一，主切削力Fz基本不变。因此，在加工钢件或铸铁件时，粗车取s 50，精车取s 05；有冲击负荷或断续切削取s 155。加工高强度钢、淬硬钢或强力切削时，为提高刀头强度，取s 3010。当工艺系统刚度较差时，一般不宜采用负刃倾角，以避免径向力的增加。第56页/共103页刃倾角的选择刃倾角的选择根据加工性质和加工条件选择根据加工性质和加工条件选择 1 1）粗加工S 0 0（使F FP P小些）2 2）断续切削：S S 0 0（保护刀尖）3 3）工件b b、HBHB大：S 0 0 0（使F FP P小些）5 5）微量切削：S S取大值(使刀具实际刃口半径）第57页/共103页五、刀具合理几何参数选择实例 在选择刀具几何参数应当注意，刀具各角度之间是互相联系互相影响的，不能为提高刀具性能单独选择某一角度。例如，在加工硬度较高的工件材料时，为了增加切削刃的强度，一般取较小的后角。但在加工特别硬的材料，如淬硬钢时，通常采用负前角，这时楔角较大，如适当增大后角，不仅使切削刃易于切入工件，而且还可提高刀具耐用度。另外，刀具前角与刃倾角的选择也常常相互影响 第58页/共103页 图所示为强力车刀的几何参数，用于在p=3035mm，f=11.5mm/r，v=50 m/min条件下切削锻钢件。车刀的前角0=1820，这样可以减小切削力。为了增加切削刃的强度，采用了s=-4-6的刃倾角和br1=0.81 mm，01=-10的负倒棱。刀具主偏角选为75，可以减小径向切削力。刀尖强度则通过采用24 mm 的过渡刃及1.52 mm 的刀尖圆弧得到保证。因此这把车刀的使用效果较好。第59页/共103页 任何一个刀具合理几何参数，都应该在多因素的相互联系中确定。第60页/共103页第61页/共103页 切削三要素对切削力、刀具磨损和刀具耐用度、产品加工质量等都有直接的影响。只有选择合适的切削用量，才能充分发挥机床和刀具的功能，最大限度地挖掘生产潜力，降低生产成本。制订切削用量就是确定工序中的背吃刀量ap、进给量f、切削速度v以及刀具耐用度的大小。合理的切削用量是指充分利用刀具的切削性能和机床性能（功率、扭矩），在保证质量的前提下，使得切削效率最高和加工成本最低的切削用量。制订合理的切削用量，要综合考虑生产率、加工质量和加工成本。第三节 切削用量的制订第62页/共103页按切削工时tm，计算的生产率P为:P1/tm式中，dw 车削前的毛坯直径（mm）；Lw 工件切削部分长度（mm）；加工余量（mm）；nw 工件转速（r/min）。P=A0vfap 1、切削用量对生产率的影响 利用上式，ap、f、v中的任何参数增加1倍，都可提高生产效率1倍。第63页/共103页 可见ap、f、v中增大任何一项，刀具耐用度都要下降。在切削用量三要素中，切削速度v对刀具耐用度的影响最大，进给量f的影响次之，背吃刀量ap影响最小。因此，从保证合理的刀具耐用度来考虑时，应首先选择尽可能大的背吃刀量；其次按工艺和技术条件的要求选择较大的进给量f；最后根据合理的刀具耐用度确定切削速度v。2、切削用量对刀具耐用度的影响 用YT5硬质合金车刀切削抗拉强度为0637GPa的碳钢时，切削用量与刀具耐用度的关系为：第64页/共103页 在切削用量三要素中：切削速度v增大时，切屑变形和切削力有所减小，已表面粗糙度值减小；进给量f 增大，切削力将增大，而且表面粗糙度值会显著增大；背吃刀量ap增大，切削力成比例增大，使工艺系统弹性变形增大，并可能引起振动，因而会降低加工精度，使已加工表面粗糙度值增大。因此，在精加工和半精加工时，常常采用较小的背吃刀量和进给量f。为了避免或减小积屑瘤和鳞刺，提高表面质量，硬质合金车刀常采用较高的切削速度（一般 v=80100 m/min 以上），高速钢车刀则采用较低的切削速度（如宽刃精车刀 v=38 m/min)。3、切削用量对加工质量的影响第65页/共103页切削用量的制订原则粗加工粗加工时，为充分发挥机床和刀具的性能，以提高金属切除量为主要目的，应选择较大的切削深度、较大的进给量和适当的切削速度。精加工精加工时，应主要考虑保证加工质量，并尽可能的提高加工效率，应采用较小的进给量和较高的切削速度。在切削加工性差的材料时，由于这些材料硬度高、强度高、导热系数低，必须首先考虑选择合理的切削速度。第66页/共103页在一般情况下，首先根据加工余量选择切削深度在一般情况下，首先根据加工余量选择切削深度ap ，其次根据，其次根据工件材料的硬化深度和切屑断连的已加工表面粗糙度情况选择工件材料的硬化深度和切屑断连的已加工表面粗糙度情况选择进给量进给量f，最后尽量选择较高的（高速钢刀具选择较低的）切削，最后尽量选择较高的（高速钢刀具选择较低的）切削速度速度v，以切削速度来控制切削温度，消除切屑瘤，保证工件，以切削速度来控制切削温度，消除切屑瘤，保证工件表面粗糙度。表面粗糙度。第四节 切削用量三要素的确定第67页/共103页 切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工。粗加工（Ra=12.550m）时，应尽量用一次走刀就切除全部加工余量。在中等功率机床上，背吃刀量可达810mm。半精加工（Ra=3.26.3m）时，被吃刀量取为0.52mm。精加工（Ra=0.81.6m）时，被吃刀量取为0.10.4mm1、背吃刀量的选择第68页/共103页 粗加工时，当加工余量太大、工艺系统刚性不足、或者加工余量极不均匀，以致引起很大振动时，可分几次走刀，若二次走刀或多次走刀时，应将第一次走刀的背吃刀量取大些，一般为总加工余量的2334。而且最后一次走刀的背吃刀量取的要小一点，以使精加工工序有较高的刀具耐用度和加工精度及较小的表面粗糙度值。在加工铸、锻件或加工不锈钢等加工硬化严重的材料时，应尽量使背吃刀量大于硬皮层或冷硬层的厚度，以保护刀尖，避免过早磨损。第69页/共103页 精加工时，背吃刀量的选取应该根据表面质量的要求来选择。在用硬质合金刀具、陶瓷刀具、金刚石和立方氮化硼刀具精细车削和镗孔时，切削用量可取为 ap=0.050.2mm，f=0.010.1mm，v=240900m/min，这时表面粗糙度值可以达到Ra=0.320.1m，精度达到或高于IT5(孔达到IT6)，可以代替磨削加工。第70页/共103页 用硬质合金刀具、陶瓷刀、金刚石和立方氮化硼刀具精细车削和镗孔时，切削用量可取为0.050.2mm，f=0.010.1mm r，v=240 900m min；这 时 表 面 粗 糙 度 可 达Ra0.320.1um，精度达到或高于IT5(孔到IT6)，可代替磨削加工。第71页/共103页2、进给量的选择 粗加工时，由于工件的表面质量要求不高，进给量的选择主要受切削力的限制。在机床进给机构的强度、车刀刀杆的强度和刚度以及工件的装夹刚度等工艺系统强度良好，硬质合金或陶瓷刀片等刀具的强度较大的情况下，可选用较大的进给量值。当断续切削时，为减小冲击，要适当减小进给量。在半精加工和精加工时，因背吃刀量较小，切削力不大，进给量的选择主要考虑加工质量和已加工表面粗糙度值，一般取的值较小。第72页/共103页 在实际生产中，进给量常常根据经验或查表法确定。粗加工时，根据加工材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量按下表来选择进给量。下表为硬质合金车刀粗车外圆及端面的进给量表。第73页/共103页工件材料工件材料车刀刀杆车刀刀杆尺寸尺寸BH/mm工工 件件直直 径径/mm背背 吃吃 刀刀 量量 /mm3355881212进进 给给 量量 /（mm/r）碳素结构钢碳素结构钢和合金结构和合金结构钢钢1625200.30.4-400.40.50.30.4-600.50.70.40.60.30.5-1000.60.90.50.70.50.60.40.5-4000.81.20.71.00.60.80.50.6-20302525200.30.4-400.40.50.30.4-600.60.70.50.70.40.6-1000.81.00.70.90.50.70.40.7-6001.21.41.01.20.81.00.60.90.40.62540600.60.90.50.80.40.7-1000.81.20.71.10.60.90.50.8-10001.21.51.11.50.91.20.81.00.70.8铸铁及铸铁及铜合金铜合金1625400.40.5-600.60.80.50.80.40.6-1000.81.20.71.00.60.80.50.7-4001.01.41.01.20.81.00.60.8-25302525400.40.5-600.60.90.50.80.40.7-1000.91.30.81.20.71.00.50.8-6001.21.81.21.61.01.30.91.10.70.9第74页/共103页在半精加工和精加工时，则根据表面粗糙度值的要求，按工件材料，刀尖圆弧半径，切削速度的大小不同由下表来选择进给量。工件材料工件材料表面粗糙表面粗糙度值度值(m)切削速度切削速度(m/min)刀刀 尖尖 圆圆 弧弧 半半 径径 (mm)0.51.02.0进进 给给 量量 （mm/r）碳素结构碳素结构钢钢合金结构合金结构钢钢Ra105500.30.50.450.600.550.70500.40.550.550.650.650.70Ra2.55500.180.250.250.300.300.40500.250.300.300.350.350.50Ra12.52.5500.100.110.150.150.22501000.110.160.160.250.250.351000.160.200.200.250.250.35铸铁及铸铁及铜合金铜合金Ra105不限不限0.250.400.450.500.500.60Ra2.550.150.200.250.400.400.60Ra12.52.50.100.150.150.200.200.35第75页/共103页 然而，按经验确定的粗车进给量在一些特殊情况下，如切削力很大，工件长径比很大，刀杆伸出长度很大时，有时还需对所选定的进结量进行校验(一项或几项)。如刀杆的强度、刀杆刚度、刀片强度、工件装夹刚度(加工精度)、机床进给机构强度等。第76页/共103页3、切削速度的选定 在ap、f 值选定后，应该在此基础上再选出最大的切削速度v，此速度主要受刀具耐用度的限制。因此，在一般情况下，要根据已经选定的背吃刀量、进给量f及刀具耐用度T，按下述公式计算出切削速度v。切削速度确定之后，机床转速n为：式中 dw工件未加工前的直径。第77页/共103页 Kv为切创进度的修正系数，与工件材科、毛坯表面状态、刀具材料、加工方式、车刀主偏角、副偏角、刀尖圆弧半径及刀杆尺寸对切削速度有关，具体的修正系数值见表11-4。式中各系数和指数可查阅切削用量手册。切削速度也可以由下表来选定，在取切削速度时应注意，一般地，粗加工时，取小值，精加工时，取大值。第78页/共103页硬质合金外圆车刀切削速度参考值工件材料工件材料热处理状态热处理状态ap=0.32mmap=26mmap=610mmf=0.080.3mm/rf=0.30.6mm/rf=0.61mm/rv/(m/s)低碳钢低碳钢热轧热轧2.333.01.672.01.171.5易切钢易切钢中碳钢中碳钢热轧热轧2.172.671.51.831.01.33调质调质1.672.171.171.50.831.17合金结构钢合金结构钢热轧热轧1.672.171.171.50.831.17调质调质1.331.830.831.170.671.0工具钢工具钢退火退火1.52.01.01.330.831.17不锈钢不锈钢1.171.331.01.170.831.0灰铸铁灰铸铁HBS190HBS=1902251.52.0101.330.831.171.331.830.831.170.671.0高锰钢高锰钢0.170.33铜及铜合金铜及铜合金3.334.172.00.301.52.0铝及铝合金铝及铝合金5.110.03.336.672.55.0铸铝合金铸铝合金1.673.01.332.51.01.67第79页/共103页在生产中选择切削速度的一般原则是：（1）粗车时，ap、f 较大，故选择较低的v；精车时，ap、f 均较小，故选择较高的v。（2）工件材料强度、硬度高时，应选较低的v。反之选择较高的v。例如加工奥氏体不锈钢、钛合金和高温合金时，则切削速度也选得越低。易切碳钢的切削速度则较同硬度的普通碳钢为高。加工灰铸铁的切削速度较中碳钢为低。而加工铝合金和铜合金的切削速度则较加工钢的高得多。(3)刀具材料的切削性能愈好时，切削速度也选得愈高。表中硬质合金刀具的切削速度比高速钢刀具要高好几倍，而涂层硬质合金的切削速度又比末涂层的刀片有明显提高。很明显，陶瓷、金刚石和立方氮化硼刀兵的切削速度又比硬质合金刀具高温多。第80页/共103页 如：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正火、退火状态钢要降低20 30；切削有色金属比切削中碳钢的切削速度可提高100 300。此外，在选择切削速度时还应考虑以下几点；(1)精加工时，应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域。(2)断续切削时，为减小冲击和热应力，宜适当降低切削速度。(3)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。(4)加工大件、细长件和薄壁工件时，应选用较低的切削速度。(5)加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度。第81页/共103页在切削用量选定后，应当校验机床功率能否满足要求。式中：Pm 切削功率(Kw)；Fz 切削力(N)；v 切削速度(m/s)；p 单位切削力。机床功率校验应满足下式：式中：PE 机床电机功率，可从机床说明书上的技术规格中查到；m机床传动效率，一般取为0.750.85。新机床取大值，旧机床取小值。第82页/共103页 如果满足上式，则选择的切削用量是可以在该机床上应用的。如果远小于PE，则说明机床的功率没有充分发挥，这时可规定较小的刀具耐用度或者采用切削性能较好的刀具材料，以提高切削速度，以充分利用机床功率，最终达到提高生产率的目的。如果不满足上式，则可适当降低切削速度v，以降低切削功率。第83页/共103页一、关于最佳切削速度1 v-T关系中的极值 切削速度增大时，刀具耐用度下降。而这一条件只在较窄的速度和一定的进给量范围内才能成立。如在从低速到高速较宽速度范围内进行试验，或者切削耐热合金等难加工材料时，所得的v-T关系就不是单调的函数关系，而是在某一速度范围内刀具耐用度有最大值(图9-7)。第五节 切削用量优化的概念第84页/共103页2切削速度v与切削路程lm的关系 图中同时也绘出了v-lm关系曲线。由图可以看出，在某一切削速度时，lm也有最大值。而且lm最大值与T最大值对应的v是不相同的。从生产率和经济性的观点，根据切削路程选择切削用量似比根据耐用度选择更为合理，在达到同样磨钝标准时，如果切削路程最长，也就是切削每单位长度工件的刀具磨损量最小，即相对磨损最小。实验证明，用相对磨损最小的观点建立的试验数据是符合刀具尺寸耐用度为最高的要求的。尺寸耐用度高则加工精度也高。尺寸耐用度可认为是根据加工精度要求和刀具径向磨损量来确定的耐用度。第85页/共103页 3最佳切削温度概念 大量切削试验证明，对给定的刀具材料和工件材料，用不同切削用量加工时，都可以得到一个切削温度，在这个切削温度下，刀具磨损强度最低。尺寸耐用度最高。这一切削温度有人称之为最佳切削速度。例如，用YTl5加工40Cr钢时，在切削厚度为0.037-0.5mm内变化时，此温度均为730左右。最佳切削温度时的切削速度则称为最佳切削速度。第86页/共103页4各切削速度之间的关系 图9-8表示出了切削速度对刀具耐用度、切削路程长度、刀具相对磨损、加工成本C及生产率的影响曲线。最高刀具耐用度的切削速度vT、最佳切削速度vo、经济切削速度vc、及最高生产率切削速度vp之间存在下列关系：由此可见，从生产率、加工经济性和加工精度综合考虑，根据最高耐用度和最大生产率选择切削用量就不如根