多轴数控机床的切削用量优化策略

切削用量包括切削速度（主轴转速）、背吃刀量和侧吃刀量、进给速度。选择切削用量时，应该在保证零件加工精度和表面粗糙度的前提下，充分发挥机床的性能和刀具的切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。选择切削用量时，首先选择背吃刀量和侧吃刀量，其次选择进给速度，最后确定切削速度。

1.背吃刀量α_p（端铣）或侧吃刀量α_e（圆周铣）的选择

背吃刀量α_p为平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，α_p为切削层深度，而圆周铣削时，为被加工表面的宽度。侧吃刀量α_e为垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，单位为mm。端铣时，α_e为被加工表面宽度，而圆周铣削时，α_e为切削层深度，如图2-24所示。

图2-24 铣削加工的切削用量

a）圆柱铣削 b）端铣

背吃刀量或侧吃刀量的选取是由机床、工件和刀具的刚度来决定的。在满足工艺要求和工艺系统刚度许可的条件下，尽可能地选择大的背吃刀量和侧吃刀量，可以减少走刀次数，提高生产效率。

背吃刀量或侧吃刀量的选取主要由加工余量和对表面质量的要求决定。

1）当工件表面粗糙度值要求为R_a=12.5～25μm时，如果圆周铣削加工余量小于5mm，端面铣削加工余量小于6mm，粗铣一次进给就可以达到要求。但是在余量较大、工艺系统刚度较差或机床动力不足时，可分为两次进给完成。

2）当工件表面粗糙度值要求为R_a=3.2～12.5μm时，应分为粗铣和半精铣两步进行。粗铣时背吃刀量或侧吃刀量选取同前。粗铣后留0.5～1.0mm余量，在半精铣时切除。

3）当工件表面粗糙度值要求为R_a=0.8～3.2μm时，应分为粗铣、半精铣、精铣三步进行。半精铣时背吃刀量或侧吃刀量取1.5～2mm；精铣时，圆周铣侧吃刀量取0.3～0.5mm，面铣刀背吃刀量取0.5～1mm。

2.进给速度V_f的选择

铣削加工的进给量f（mm/r）是指刀具转一周，工件与刀具沿进给运动方向的相对位移量；进给速度V_f（mm/min）是单位时间内工件与铣刀沿进给方向的相对位移量。进给速度与进给量的关系为v_f=nf（n为铣刀转速，单位r/min）。

进给量与进给速度是数控铣床加工切削用量中的重要参数，根据零件的表面粗糙度、加工精度要求、刀具及工件材料等因素，参考切削用量手册选取或通过选取每齿进给量f_z，再根据公式f=zf_z（z为铣刀齿数）计算。

每齿进给量f_z的选取主要依据工件材料的力学性能、刀具材料、工件表面粗糙度等因素。工件材料强度和硬度越高，f_z越小；反之则越大。硬质合金铣刀的每齿进给量高于同类高速钢铣刀。工件表面粗糙度值要求越小，f_z就越小。每齿进给量的确定可参考表2-3选取。工件刚性差或刀具强度低时，应取较小值。

表2-3 铣刀每齿进给量参考值

3.切削速度v_c的选择

铣削的切削速度计算公式为

铣削的切削速度v_c与刀具寿命T、每齿进给量f_z、背吃刀量a_p、侧吃刀量a_e以及铣刀齿数z成反比，而与铣刀直径成正比。其原因是当f_z、a_p、a_e和z增大时，切削刃负荷增加，而且同时工作的齿数也增多，使切削热增加，刀具磨损加快，从而限制了切削速度的提高。为提高刀具寿命允许使用较低的切削速度。但是加大铣刀直径可改善散热条件，提高切削速度。

背吃刀量和进给速度确定后，可以根据机械切削手册查出切削速度v_c的具体值，也可以根据表2-4中数据简单选取。通常，工件进行粗加工时选择较低的切削速度；精加工时选择较高的切削速度。

表2-4 铣削加工的切削速度参考值(www.xing528.com)

切削速度确定后，可以计算出主轴转速n，计算公式为

式中 n——主轴转速（r/min）；

v_c——切削速度（m/min）；

D——工件直径或刀具直径（mm）。

4.球头铣刀的切削厚度

由于球头铣刀实际参与切削部分的直径和加工方式有关，在选择切削用量时必须考虑其有效直径和有效速度，如图2-25所示。

图2-25 球头铣刀的有效直径和有效速度

由于球头铣刀实际参与切削部分的直径和加工方式有关，在选择切削用量时必须考虑其有效直径和有效线速度。球头铣刀的有效直径计算公式为

式中 β——刀具轴线方向与加工表面法向之间的夹角。

铣刀实际参与切削部分的最大线速度定义为有效线速度，球头铣刀的有效线速度为

因此，计算刀具表面切削速度时必须使用刀具有效切削直径，而不是公称直径。有效切削直径可在表2-5中查到。表中横向第一行为公称直径，纵向左侧第一列为切削深度值。计算表面切削速度时应使用相应切削深度值下的有效切削直径。若切削深度是变化的，计算时应取最大的切削深度值。计算表面切削速度时应使用相应切削深度值下的有效直径。

球头刀具的切削厚度由径向切削厚度决定，它与每齿进给量f_z值有关。

切削深度太小会加剧刀片摩擦，使刀片过早磨损，同时也会引起振动。球头铣刀在计算合理切削厚度及相应进给速度时要考虑径向切削厚度系数RCTF，见表2-5。

表2-5 球头铣刀有效切削直径及径向切削厚度系数

例如，所需切削厚度为0.12mm，刀具直径为50mm，由表2-5查得切削深度值3.175mm时对应的RCTF值为0.4。故每齿进给量为