第11章切削用量的选择切削原理ppt课件

第十一章第十一章 切削用量的切削用量的选择 一、切削用量的一、切削用量的选择原原则 合理切削用量是指使刀具的切削性合理切削用量是指使刀具的切削性能和机床的动力性能得到充分发挥，并能和机床的动力性能得到充分发挥，并在保证加工质量的前提下，获得高生产在保证加工质量的前提下，获得高生产率和低加工成本的切削用量。率和低加工成本的切削用量。它包括：它包括：V，f，ap，T1第十一章 切削用量的选择 一、切削用量的选择原则 P1/tm式中，式中，dw 车削前的毛坯直径（车削前的毛坯直径（mm）；）；Lw 工件切削部分长度（工件切削部分长度（mm）；）；加工余量（加工余量（mm）；）；nw 工件转速（工件转速（r/min）。）。P=AP=A0 0vfavfap p 1、切削用量同加工生产率的关系、切削用量同加工生产率的关系（公式公式）结论：只考虑切削时间，三者对切削效率的影响程度一样2P1/tm式中，dw 车削前的毛坯直径（mm）；用用YT5硬质合金车削硬质合金车削b=0.637GPa的碳钢时，寿命的公式为的碳钢时，寿命的公式为 看，三者的影响程度是不同的，看，三者的影响程度是不同的，v vc c影响最大，影响最大，f f次之，次之，a ap p最小。最小。2、切削用量同刀具耐用度的关系、切削用量同刀具耐用度的关系3用YT5硬质合金车削b=0.637GPa的碳钢时，寿命的公第11章切削用量的选择切削原理ppt课件第11章切削用量的选择切削原理ppt课件在在刀刀具具寿寿命命已已确确定定的的条条件件下下，欲欲使使v vc cfafap p三三者者乘乘积即即金金属属切切除除率率最最大大，无无疑疑应首首先先选择尽尽量量大大的的背背吃吃刀刀量量a ap p，其其次次再再根根据据机机床床动力力和和刚性性限限制制条条件件或或已已加加工工表表面面粗粗糙糙度度的的要要求求选择尽尽量量大大的的进给量量f f，最最后后依依据据三三要要素素与与刀刀具具寿寿命命关关系系式式计算算确确定定切切削削速速度度VcVc。这是是选择切切削削用用量量的的基基本原本原则。实际合合理理切切削削用用量量的的选择与与机机床床、刀刀具具、工工件件及及工工艺等等多多种种因因素素有有关关。按按上上述述基基本本原原则和和步步骤选择的的切切削削用用量量，严格格讲只是合理切削用量的一个初始只是合理切削用量的一个初始值。真真正正合合理理的的切切削削用用量量是是在在综合合考考虑零零件件工工艺及及工工艺系系统状状态后并后并细心体察，逐步探索改善才能达到最佳状心体察，逐步探索改善才能达到最佳状态。6在刀具寿命已确定的条件下，欲使vcfap三者乘积即金属切除率切削用量的切削用量的选择还是一是一项现场性并具性并具有很大灵活性的工作。刀具寿命常常有很大灵活性的工作。刀具寿命常常也不一定有什么也不一定有什么较严格的格的规定，表面定，表面看也不一定按上述步看也不一定按上述步骤选择切削用量，切削用量，但上述基本原但上述基本原则仍然适用。此仍然适用。此时前人前人的的经验和技和技术资料及从料及从业者、操作者者、操作者本人的本人的经验积累就累就显得尤得尤为重要重要。也。也应是上述基本原是上述基本原则的一个体的一个体现。7切削用量的选择还是一项现场性并具有很大灵活性的工作。刀具寿命 二、切削用量的二、切削用量的选择方法方法 一、确定背吃刀量一、确定背吃刀量a ap p：粗粗加加工工背背吃吃刀刀量量a ap p根根据据工工序序余余量量来来确确定定。除除留留给以以后后工工序序的的余余量量外外，其其余余的的粗粗加加工工余余量量尽尽可可能能一一次次切切除除，以使走刀次数最少。以使走刀次数最少。粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量。粗加工时，一次走刀尽可能切除全部余量。Ra12.550半精加工时，被吃刀量取为半精加工时，被吃刀量取为0.52mm。Ra6.33.2精加工时，被吃刀量取为精加工时，被吃刀量取为0.10.4mm。Ra0.81.68 二、切削用量的选择方法 一、确定背吃刀量ap：粗加工背吃下列情况之一可下列情况之一可选用两次或数次用两次或数次进给：1 1）粗加工余量）粗加工余量h h过大，如外大，如外圆车削的削的单边余量余量h6mmh6mm；2 2）加工余量极不均匀；）加工余量极不均匀；3 3）工）工艺系系统刚度不足；度不足；4 4）断）断续切削、刀片尺寸切削、刀片尺寸较小，如作用切削刃小，如作用切削刃长度超度超过工工作切削刃的作切削刃的6060时，采用两次，采用两次进给。第一次。第一次进给的的a ap p值应选得大些，一般得大些，一般a ap p=（2/3 2/3 3/4 3/4）h h。当加工余量极不均。当加工余量极不均匀匀时，视具体情况具体情况应先切去不均匀部分。先切去不均匀部分。切削表切削表层有硬皮的有硬皮的铸锻件或切削不件或切削不锈钢等加工硬化等加工硬化严重的材料重的材料时，应尽量使背吃刀量超尽量使背吃刀量超过硬皮或冷硬硬皮或冷硬层厚厚度，以度，以预防刀尖防刀尖过早磨早磨损。半半精精加加工工的的余余量量较小小，约在在l l 2mm2mm左左右右，精精加加工工余余量更小，量更小，约在在0.050.050.80mm0.80mm之之间。9下列情况之一可选用两次或数次进给：切削表层有硬皮的铸锻件或切在在半半精精加加工工、精精加加工工时，应在在一一次次进给中中切切除除工工序序余余量量。在在采采用用硬硬质合合金金车刀刀精精车时，考考虑到到刀刀尖尖圆弧弧半半径径r r与与切切削削刃刃钝圆半半径径r rn n对挤压和和摩摩擦擦作作用用的的影影响响，a ap p不不宜宜过小小，一般一般应大于大于0.3mm0.3mm。2 2、确定、确定进给量量f f：粗加工粗加工时，进给量量f f的的选择受切削力的限制受切削力的限制。在工。在工艺系系统强度和度和刚度允度允许的情况下的情况下选择较大的大的进给量，一般量，一般取取f=0.3f=0.30.9mm0.9mmr r。生生产实际中中多多采采用用查表表法法确确定定合合理理的的进给量量。粗粗加加工工时，根根据据工工件件材材料料、车刀刀刀刀杆杆的的尺尺寸寸、工工件件直直径径及及已已确确定定的的背背吃吃刀刀量量来来选择进给量量；(具具体体数数值可可查阅“机械加工工机械加工工艺手册手册”)”)。10在半精加工、精加工时，应在一次进给中切除工序余量。在采用硬质半半精精加加工工和和精精加加工工的的a ap p值较小小，产生生的的切切削削力力不不大大，故故进给量量主主要要受受到到表表面面粗粗糙糙度度的的限限制制，一一般般选得得较小小，常常取取f=0.08f=0.080.50mm0.50mmr r。但但也也不不能能太太小小，否否则切切削削层公公称称厚厚度度太太薄薄不不易易切切下下切切屑屑，对已已加加工工表表面面质量量反反而而不不利利。当当取取合合理理的的刀刀尖尖参参数数或或修修光光刃刃和和高高的的切切削削速速度度与与之之配配合合时，进给量量f f可适当可适当选大些，以提高生大些，以提高生产率。率。3 3、确定切削速度、确定切削速度v vc c 在在a ap p和和f f选定定后后，再再根根据据规定定达达到到的的合合理理寿寿命命T(min)T(min)，就就可可以以确确定定切切削削速速度度v vc c (单位位：m ms)s)。车削削速速度度v vc c的的计算算公式由式公式由式(610)(610)可得如下表达式：可得如下表达式：v vc c=Cv/=Cv/（60T60Tm ma ap pXvXvf fyvyv）KvKvc c （6-156-15）11半精加工和精加工的ap值较小，产生的切削力不大，故进给量主要式中：式中：Kv Kvc c切削速度修正系数，且切削速度修正系数，且 Kv Kvc c=K=KMvMvK KsvsvK KtvtvK KkrvkrvK KkrvkrvK KrvrvK KBvBv式式中中，K KMvMvK KsvsvK KtvtvK KkrvkrvK KkrvkrvK KrvrvK KBvBv一一分分别表表示示工工件件材材料料，毛毛坯坯表表面面状状态，刀刀具具材材料料，车刀刀主主偏偏角角krkr，副副偏偏角角krkr，刀尖刀尖圆弧半径弧半径r r及刀杆尺寸及刀杆尺寸对切削速度的修正系数。切削速度的修正系数。上上述述各各修修正正系系数数及及CvCv、X Xv v、y yv v及及m m值，可可查阅“机机械械加工工加工工艺手册手册”。在生在生产中中选择切削速度的一般原切削速度的一般原则是是：12式中：上述各修正系数及Cv、Xv、yv及m值，可查阅“机械加(1)(1)粗粗车时，a ap p和和f f较大大，故故选择较低低的的v vc c；精精车时，a ap p和和f f均均较小，故小，故选择较高的高的v vc c(2)(2)工工件件材材料料强度度、硬硬度度高高时，应选较低低的的v vc c；加加工工奥奥氏氏体体不不锈钢、钛台台金金和和高高温温合合金金等等难加加工工材材料料时，只只能取能取较低的低的v vc c(3)(3)切切削削合合金金钢比比切切削削中中碳碳钢切切削削速速度度应降降低低20203030；切切削削调质状状态的的钢比比切切削削正正火火、退退火火状状态钢要要降降低低切切削削速速度度20203030；切切削削有有色色金金属属比比切切削削中中碳碳钢的切削速度可提高的切削速度可提高100%100%300300。(4)(4)刀具材料的切削性能愈好，切削速度也刀具材料的切削性能愈好，切削速度也选得愈高。得愈高。如如硬硬质合金的切削速度比高速合金的切削速度比高速钢刀具刀具可高好几倍，涂可高好几倍，涂层刀具的切削速度比未涂刀具的切削速度比未涂层刀具要高，陶瓷、金刀具要高，陶瓷、金刚石石和和CBNCBN刀具可采用更高的切削速度。刀具可采用更高的切削速度。13(1)粗车时，ap和f较大，故选择较低的vc；精车时，ap和(5)(5)精加工精加工时，应尽量避开尽量避开积屑瘤和屑瘤和鳞刺刺产生生的区域的区域。6)6)断断续切削切削时，为减少冲减少冲击和和热应力，宜力，宜适当降低切削速度。适当降低切削速度。(7)(7)在在易易发生振生振动的情况下的情况下，切削速度，切削速度应避避开自激振开自激振动的的临界速度。界速度。(8)(8)加加工工大大件件、细长件件和和薄薄壁壁工工件件或或加加工工带外外皮的工件皮的工件时，应适当降低切削速度。适当降低切削速度。14(5)精加工时，应尽量避开积屑瘤和鳞刺产生的区域。6)断续4.校验机床功率(仅对粗加工)（3-20）式中 P 机床电机功率（KW）；机床传动效率；Fc 主切削力（N）。切削功率Pm与机床有效功率PE的关系Pm PE：不能满足要求，解决办法：PmPE：可用PmPE：能力过剩，解决办法：由：，可导出：154.校验机床功率(仅对粗加工)（3-20）式中 P 三、切削用量的三、切削用量的优化化 在在实际生生产中，由于被加工材料、使用的机床、刀具和中，由于被加工材料、使用的机床、刀具和夹具等条件千具等条件千变万化，很万化，很难从手册或凭从手册或凭经验确定一确定一组最最优的切削用量。尤其是随着数控的切削用量。尤其是随着数控(NC)(NC)机床、生机床、生产自自动线、柔性制造系柔性制造系统(FMS)(FMS)、集成制造系、集成制造系统(IMS)(IMS)等先等先进加工手加工手段不断涌段不断涌现，选择切削用量的切削用量的传统方法已越来越不适方法已越来越不适应生生产发展的需要。展的需要。应用更科学的方法用更科学的方法优化化选择切削用量切削用量已已势在必行。下面将在必行。下面将简要介要介绍两种确定最两种确定最优切削用量的切削用量的方法。方法。16三、切削用量的优化 在实际生产中，由于被加工材料、使用的机床（一）、（一）、应用用“最最优切削温度守恒定律切削温度守恒定律”确定确定最最优切削用量切削用量 优化化选择切切削削用用量量时，首首先先要要确确定定一一个个衡衡量量切切削削过程程优劣劣的的优化化目目标。目目前前，常常用用的的优此此目目标有有：最最低低生生产成成本本或或最最高高生生产率率，有有时也也用用最最小小刀刀具具相相对磨磨损量量NBrsNBrs，所所谓刀刀具具相相对磨磨损量量NBrsNBrs是是指指刀刀具具每每切切出出1000cm1000cm2 2已已加加工工表面表面时的刀具径向磨的刀具径向磨损量量.可用下式可用下式计算得到算得到NBrs=NBX10NBrs=NBX10-5-5/l/lm mf f （6-16）式中式中NBNB一一刀具径向磨一一刀具径向磨损量量(mm)(mm)；17（一）、应用“最优切削温度守恒定律”确定最优切削用量 优化选l lm m切切削削路路程程(m)(m)，它它是是切切削削速速度度v vc c与与切切削削时间t tm m的的乘乘积，即即 l lm m=v=vc ct tm m f f一一一一进给量量(mm(mmr)r)。由由上上式式可可见，NBrsNBrs减减小小，一一定定l lm m和和f f下下的的NBNB值越越小小，亦亦即即刀刀具具寿寿命命和和工工件件加加工工精精度度越越高高，或或者者一一定定NBNB下下的的(l(lm m和和f)f)越越大大，生生产率率越越高高。因因此此，当当NBrsNBrs最最小小时，可可以以说切切削削过程程处于最于最优状状态。大量大量试验表明，各表明，各类刀具材料在切削各种工件材料刀具材料在切削各种工件材料时，都会存在一个使，都会存在一个使NBrsNBrs最小的切削温度恒定最小的切削温度恒定值optopt这一温度称一温度称为最最优切削温度切削温度”。18lm切削路程(m)，它是切削速度vc与切削时间tm的乘积例例 如如，用用 YTl5YTl5刀刀 具具 加加 工工 40Cr40Cr钢，切切 削削 层 公公 称称 厚厚 度度hD=0.037-0.5ramhD=0.037-0.5ram时，optopt730C730C；用用 YA6YA6刀刀 具具 加加 工工 镍 基基 高高 温温 合合 金金 v vc c=10=10 50m50m minmin时，optopt780C780C。具体方法是：先确定背吃刀量具体方法是：先确定背吃刀量a ap p和和进给量量f f，然后利用切，然后利用切削温度削温度经验公式公式 这样，在在刀刀具具材材料料和和工工件件材材料料一一定定时，对于于不不同同切切削削用用量量组合合，都都对应于于同同一一最最优切切削削温温度度optopt,这一一规律律称称之之为“最最优切切削削温温度度守守恒恒定定律律”。利利用用该定定律律便便可可确定出最确定出最优的切削用量。的切削用量。19例如，用YTl5刀具加工40Cr钢，切削层公称厚度hD=0.或或直直接接通通过实验确确定定出出最最优切切削削温温度度optopt相相对应的的最最优切切削削速速度度v vcoptcopt,一一组最最优切切削削用用量量便便确确定定了了。当当然然，这样选出的切削用量需出的切削用量需经一定的校一定的校验后方可用于生后方可用于生产。此此外外，通通过在在线监测切切削削温温度度，并并利利用用它它作作为反反馈信信号号控控制制机机床床不不断断调整整切切削削用用量量，使使始始终保保持持于于恒恒定定的的optopt值，便可，便可实现切削切削过程的自适程的自适应最最优控制。控制。20或直接通过实验确定出最优切削温度opt相对应的最优切削速度(二二)、应用最用最优化技化技术确定最确定最优切削用量切削用量 所所谓“最最优化技化技术”，就是以数学中多元函数求极，就是以数学中多元函数求极值理理论为基基础，借助于，借助于电子子计算机算机对最最优化化问题的数学的数学模型模型进行行优化求解，使化求解，使优化目化目标最最优且且满足一定足一定约束束的最的最优选择变量的量的过程程 应用用最最优化化技技术确确定定最最优切切削削用用量量，首首先先要要建建立立符符合合实际加工条件的数学模型，其中包括：加工条件的数学模型，其中包括：1 1、目、目标函数函数它是它是优化目化目标U U与切削用量之与切削用量之间的函数关系式，即的函数关系式，即 U=U(a U=U(ap p，f f，v vc c)(6-17)(6-17)21(二)、应用最优化技术确定最优切削用量 所谓“最优化技术”，式中式中U U可以是可以是单个个优化目化目标，如，如单件生件生产成本、成本、单件工序件工序工工时等，也可以是多个等，也可以是多个优化目化目标的的组合。合。2 2、约束条件束条件 约束条件就是生束条件就是生产条件条件对切削用量施加的种种限制，切削用量施加的种种限制，包括包括刀刀具具切切削削性性能能(如如刀刀具具寿寿命命)、加加工工质量量(如如表表面面粗粗糙糙度度)、工工艺系系统力力学学性性能能(如如工工件件刚度度、刀刀具具强度度与与刚度度、机机床床进给机构机构强度度)、机机床床参参数数规范范(如如机机床床功功率率、机机床床主主轴扭扭矩矩、机机床床极极限限转速和速和进给量量)等因素，等因素，同同样也也需需建建立立起起这些些因因素素G Gi i(I=l(I=l，2 2，m)m)与与切切削削用用量量之之间的函数关系式。的函数关系式。22式中U可以是单个优化目标，如单件生产成本、单件工序工时等，也一般，一般，约束条件用下列不等式表示束条件用下列不等式表示 G Gi i=G=Gi i(a(ap p，f f，v vc c)G)Gicic （6-186-18）i=1 i=1、2m2m式中式中G Gicic每个每个约束条件的限定束条件的限定值；m m约束条件的个数。束条件的个数。有了上述数学模型，再有了上述数学模型，再选择合适的最合适的最优化方法，并化方法，并编制出相制出相应计算机程序，在算机程序，在计算机上算机上进行行优化运算，便化运算，便可得到使可得到使U U最小最小(或最大或最大)且且满足足m m个个约束条件的最束条件的最优切切削用量。削用量。23一般，约束条件用下列不等式表示有了上述数学模型，再选择合适的用用这种种方方法法确确定定最最优切切削削用用量量，不不仅快快速速易易行行，而而且且可可以以实现多多目目标综合合优化化。另另外外，由由于于在在优化化运运算算中中每每进行行一一步步都都要要考考虑约束束条条件件，因因此此，最最终得得到到的的最最优切切削削用用量量不不需需要要校校验便便可可使使用用。可可见，这种种方方法法比比前前一一种种更更为科科学学合合理理，是是切切削削用用量量优化化选择的的发展展趋势。目目前前国国内内外外正正利利用用计算算机机筹筹建建最最优切切削削用用量量数数据据库，以供生以供生产调用，用，这将将对切削加工切削加工现产生深生深远的影响。的影响。24用这种方法确定最优切削用量，不仅快速易行，而且可以实现多目标优化问题的数学模型优化问题的数学模型求设计变量：X=x1,x2,xn T，使目标函数 f(X)min，并满足约束条件：g i(X)0 （i=1,2,m）3.6.2 切削用量的优化切削用量的优化 设计变量：切削过程可以控制的输入变量，即切削用量。ap通常已由工艺过程确定，故一般取 v 和 f 为设计变量。目标函数：指优化目标与设计变量之间的函数关系式。（3-21）1）以最大生产率为优化目标使工序时间为最短切削用量优化模型切削用量优化模型25优化问题的数学模型求设计变量：X=x1,x2,（3-22）（3-23）2）以最小生产成本为优化目标使工序成本为最小3）以最大利润为优化目标使单位成本金属去除率最大3.6.2 切削用量的优化切削用量的优化 26（3-22）（3-23）2）以最小生产成本为优化目标使工 约束条件：指设计变量的取值范围（3-24）1）机床结构参数限制2）加工表面粗糙度限制（3-25）式中 Ra 表面粗糙度（m）；r 刀尖圆弧半径（mm）。3）机床功率的限制（3-26）式中各符号含义同前。3.6.2 切削用量的优化切削用量的优化 27 约束条件：指设计变量的取值范围（3-24）1）机床结构参3.6.3 切削用量优化方法切削用量优化方法 即函数求极值的方法。不能考虑约束条件，只适于处理简单问题。（3-27）可利用设置惩罚函数，将约束优化问题转化为无约束优化问题处理。惩罚函数的表达式：式中 Ra 惩罚函数；r 原目标函数；Mp 惩罚因子（一个很大的数）；惩罚项；间接法（解析法）间接法（解析法）直接法（数值法或搜索法）直接法（数值法或搜索法）283.6.3 切削用量优化方法 即函数求极值的方法。不能考 寻优过程示意图（采用田川法+局部寻优）fv0图3-30 田川法寻优过程示意图fminfmaxvminvmaxPPmax约束边界Pop可行域等值线Pcop3.6.3 切削用量优化方法切削用量优化方法 29 寻优过程示意图（采用田川法+局部寻优）fv0图3-3四、提高切削用量的途径四、提高切削用量的途径30采用切削性能更好的新型刀具材料；（新材料）四、提高切削用量的