切削三要素及其选择原则详解

1.切削用量三要素

在切削加工过程中，需要针对不同的工件材料、刀具材料和其他技术要求来选定适宜的切削速度v_c、进给量f（f_z）或进给速度v_f，还要选定适宜的背吃力量a_p、v_c、f（f_z）、v_f称为切削用量三要素。

（1）切削速度v_c

大多数切削加工的主运动采用回转运动。回转体（刀具或工件）上外圆或内孔某一点的切削速度计算公式为

式中 n——主轴转数，r/s或r/min；

d——工件或刀具上某一点的回转直径，mm。

在当前生产中，磨削速度单位用米/秒（m/s），其他加工的切削速度单位习惯用米/分（m/min）。即使转速一定，切削刃上各点由于工件直径不同，切削速度也不相同。考虑到切削速度对刀具磨损和已加工表面质量有影响，在计算时，应取最大的切削速度。例如，外圆车削时选待加工表面上的速度（用d_w代入公式），内孔车削时选已加工表面上的速度（用d_m代入公式），钻削和铣削时选钻头、铣刀外径处的速度。

（2）进给速度v_f、进给量f和每齿进给量f_z

进给速度v_f是指单位时间的进给量，单位是mm/s（或mm/min）。进给量f是工件或刀具每回转一周时两者沿进给运动方向的相对位移，单位是毫米/转（mm/r）。

对于刨削、插削等主运动为往复直线运动的加工，虽然可以不规定进给速度，却需要规定间歇进给的进给量，其单位为毫米/双行程［mm/（d·str）］。

用铣刀、铰刀、拉刀、齿轮滚刀等多刃切削工具进行切削时，还应规定每一个刀齿的进给量f_z，即后一个刀齿相对于前一个刀齿的进给量，单位是毫米/齿（mm/z）。

v_f＝fn＝f_zzn （0-2）

（3）背吃刀量a_p

背吃刀量（旧称切削深度）a_p是指垂直于进给速度方向测量的切削层最大尺寸，单位为mm。

对图0-1所示的车削和刨削加工来说，背吃刀量a_p为工件上已加工表面和待加工表面间的垂直距离，单位为mm。外圆柱表面车削时的背吃刀量可用下式计算：

对于钻削，则

式中 d_w——待加工表面直径，mm；

d_m——已加工表面直径，mm。

2.切削用量选择原则

选择合理的切削用量（v、f、a_p）对于保证加工质量、降低加工成本和提高劳动生产率，都具有重要的意义。选择合理的切削用量必须考虑合理的刀具寿命。所谓“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，在保证质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。生产中确定切削用量的方法是，根据加工要求和加工条件，选用生产实践中总结的资料及国内外推荐的切削用量数据，在必要时（对于一些难切材料、重点工序和新材料）可进行工艺试验获得合理的切削用量。

切削用量三要素的选择就是要确定具体工序的背吃刀量a_p、进给量f和切削速度v_c。

切削用量三要素对加工质量、刀具寿命和生产率均有直接影响，但影响程度却不相同，而且它们之间又是互相联系、相互制约的，不可能同时都选择最大值。因此，根据加工要求优先选择最大要素。

由于粗加工的主要任务是切除大部分余量，而精加工的首要任务是保证工件的加工质量，因而选择切削用量的原则不同。

（1）粗加工时切削用量选择的基本原则

粗加工时高生产率是追求的基本目标，这个目标常用单件机动工时最短或单位时间金属切除率最大来实现。下面以外圆纵车为例加以说明（图0-3）。

单件机动工时为

式中 L——走刀长度（＝l_w＋Δ＋y），mm；

l_w——工件切削部分长度，mm；

y——切入长度，mm；

Δ——切出长度，mm；

d_w——工件毛坯直径，mm；

n_w——工件转数，mm；

h——加工余量。

对于某工序，式（0-4）中的l_w、d_w、h均为常数。若令A_o＝πd_wLh/10³，则

由式（0-5）可知，若想提高生产率，就必须使v_ca_pf的乘积最大。

图0-3 外圆纵车机动工时的计算(www.xing528.com)

在机床和刀具满足要求的情况下，限制粗加工切削用量提高的主要约束条件是刀具寿命。虽然增大切削用量三要素v_c、a_p、f中的任意一项，都可以使t_m成比例减小，但如果使v_c提高1倍，刀具寿命T则要降低很多，从而使换刀次数增多，辅助工时大大增加，生产率反而降低。由泰勒公式可知，对刀具寿命T影响最大的是切削速度v_c，其次是进给量f，影响最小的是背吃刀量a_p。因此，为了保证合理的刀具寿命，应首先选择最大的a_p，其次要在机床动力和刚度允许的前提下，选用较大的f，最后再选择合理的v_c值。

在刀具寿命为一定值时，经过计算得知：增大a_p比增大f更有利于提高生产率。

（2）精加工时切削用量选择的基本原则

精加工时切削用量的选择首先要保证加工精度和表面质量，同时兼顾必要的刀具寿命和生产率。精加工时应采用较小的背吃刀量a_p和进给量f，以减小切削力及工艺系统弹性变形，减小已加工表面残留面积高度。a_p通常根据加工余量确定，f的提高则主要受表面粗糙度Ra的制约。在a_p和f确定后，在保证合理刀具寿命的前提下，确定合理的切削速度v_c。

3.切削用量的选择方法

（1）确定背吃刀量a_p

一般根据加工性质与加工余量确定a_p。切削加工分为粗加工（表面粗糙度Ra为50～12.5μm）、半精加工（表面粗糙度Ra为6.3～3.2μm）和精加工（表面粗糙度Ra为1.6～0.8μm）。粗加工时，在保留半精与精加工余量的前提下，若机床刚度允许，加工余量应尽可能一次切掉，以减少走刀次数。在中等功率机床上采用硬质合金刀具车外圆时，粗车取a_p＝2～6mm，半精车取a_p＝0.3～2mm，精车取a_p＝0.3～2mm。

在下列情况下，粗车要分多次走刀：

1）工艺系统刚性较低或加工余量极不均匀，会引起很大振动时，如加工细长轴和薄壁件。

2）加工余量太大，一次走刀会使切削力过大，以致机床功率不足或刀具强度不够。

3）断续切削时，刀具会受到很大冲击而造成打刀。

即使是在上述情况下，也应当把第一次或头几次走刀的背吃刀量a_p取得尽量大些。若为两次走刀，则第一次的a_p一般取加工余量的2/3～3/4。

（2）确定进给量f

1）粗加工时，对加工表面质量要求不高，这时切削力较大，进给量f的选择主要受切削力的限制。在刀杆、工件刚度、刀片与机床走刀机构强度允许的情况下，选取较大的进给量f。

2）半精加工和精加工时，因背吃刀量a_p较小，产生的切削力不大，进给量的选择主要受加工表面质量的限制。当刀具有合理的过渡刃、修光刃且采用较高的切削速度时，进给量f可适当选小，以提高生产率。但f不可选得太小，否则不但生产率低，而且因切削厚度太薄而切不下切屑，影响加工质量。

在生产中，进给量常常根据经验通过查表来选取。粗加工时，进给量可根据工件材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量a_p来选择。表0-2给出了硬质合金刀具粗车外圆的进给量。

表0-2 硬质合金刀具粗车外圆的进给量

注：1.加工断续表面及有冲击的工件时，表内进给量应乘以系数K＝0.75～0.85。

2.无外皮加工时，表内进给量应乘以系数K＝1.1。

3.加工高温合金时，进给量不大于1mm/r。

4.加工淬硬钢时，进给量应减小。当钢的硬度为44～56HRC时，乘系数0.8；当钢的硬度为57～62HRC时，乘系数0.5。

在半精加工和精加工时，应按加工表面粗糙度Ra值的大小，根据工件材料和预先估计的切削速度v_c与刀尖圆弧半径r_ε来选取f（表0-3）。

表0-3 硬质合金车刀半精车外圆时的进给量

（3）确定切削速度v_c

当刀具寿命T、背吃刀量a_p与进给量f确定后，即可按式（0-6）计算切削速度v_c，即

式中 K_vc——切削速度修正系数，与刀具材料和几何参数、工件材料有关。系数及指数（C_v、x_v、y_v、m及K_vc）值可查阅切削用量手册，切削速度也可由表0-4来选定。在选取切削速度时应注意，粗加工时取小值，精加工时取大值。

表0-4 硬质合金外圆车刀切削速度参考值

注：切削钢及灰铸铁时，刀具寿命为60～90min。

切削速度确定之后，即可算出机床转数n：

n＝1000v_c/πd_w （0-7）

式中 d_w——工件毛坯直径，mm。

选定的转数应根据机床说明书确定（取相近的较低转数n），最后再根据选定的转数来计算出实际切削速度。

在确定切削速度时，还应考虑以下几点：

1）粗加工时，a_p和f均较大，故选择较低的切削速度v_c；精加工时，a_p和f均较小，故选择较高的切削速度v_c。

2）断续切削时，应适当降低切削速度，以减小冲击和热应力。

3）加工大型、细长、薄壁工件时，应选用较低的切削速度。端面车削应比外圆车削的速度高些，以获得较高的平均切削速度，提高生产率。

4）在易产生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。