金屬切削功率研究

唐銀春 李志勇

(四川長征機床集團有限公司，四川 自貢 643020)

當前,我國高檔五坐標數(shù)控機床的生產廠家如雨后春筍，很大一部分廠家的機床技術指標和國外先進機床不相上下，但在用戶處使用起來卻相差甚遠。翻閱大量切削用量、切削計算方面的工具書，還是以普通升降臺銑床之類的機床為主。國外對切削用量特別是高速切削的研究比較多，已經形成了國際標準和軟件，為用戶針對工件提供優(yōu)化的加工工藝方案。而我國數(shù)控機床現(xiàn)在的切削規(guī)范都還是普通機床的翻版，根本不能指導用戶切削，提供的工藝方案也只是能加工而已。

切削功率計算是優(yōu)化切削參數(shù)的基礎。切削功率計算的準確度，影響找到最優(yōu)切削用量的時間和接近程度。

首先定義本文中所使用的參數(shù)符號如表1所示。

1 國內外主要計算方法

1.1 《金屬切削手冊》

通過查表和公式來計算。其公式為[1]

表1 本文中主要符號的含義

手冊中銑削舉例如下：

用Dc=250 mm，Z=14，Kr=60°的硬質合金面銑刀銑削ZG45碳素鑄鋼。切削用量為ap=4 mm，vf=530 mm/min，n=190 r/min，ae=180 mm，對稱銑削，求切削功率。

Q=vfapae=530×4×180=3.82×105mm3/min

查圖1得pc在(4.7～6)×10-5kW·min/mm3范圍，考慮到工件材料的強度不高，取值5×10-5。所以，對ZG45碳素鑄鋼的切削功率為。

Pc=pcQ=5×10-5×3.82×105=19.1 kW

1.2 瓦爾特

(1)技術資料有如下公式：

vf=Znfz

(2)計算示例見圖2。

1.3 山特維克

(1)技術資料

(2)計算示例見圖3。

山特維克提供有iOS版和Android版計算軟件。從樣本查表可得銑削非合金鑄鋼kc1=1 400 N/mm2，mc=0.21。不考慮前角，則Kc=2 070 N/mm2，Pc=12.98 kW。

考慮前角，由于非合金鑄鋼為較軟的塑性材料，取10°來計算，可得Kc=1 863 N/mm2，Pc=11.68 kW。

1.4 三菱材料

計算軟件提供iOS版和網(wǎng)頁版。

表2 三菱材料fz對應的Kc值

查表2可得非合金鑄鋼fz=0.2 mm/齒時，Kc=2 500 MPa，因本文其他計算方法計算時只計算切削功率，所以這里不考慮空載功率，取效率為1。計算示例見圖4。

2 計算方法分析評價

從計算結果(表3)看，瓦爾特和三菱資料結果相差很小，《金屬切削手冊》計算結果略大約20%，山特維克結果略小約20%，《金屬切削手冊》計算結果是山特維克的1.5倍?？梢妼η邢鞴β实难芯渴潜匾摹?/p>

表3 4種方法的計算結果

表4 各材料的單位面積切削力

使用《金屬切削手冊》計算功率比較方便，使用兩個公式一個圖表即可得到功率。不用像《機械加工工藝師手冊》[2]那樣需要查大量的表格才能計算。并且有計算舉例，對一些參數(shù)的選擇原則和處理方法有樣板可循。這本手冊在用平均切屑厚度查單位切削功率pc時其取值是一個較大范圍區(qū)間，而且兩個坐標軸數(shù)值不均勻，因此其計算結果非常粗略。

瓦爾特的計算公式比較全面，在功率公式中還考慮了前角的影響，但由于前角對功率的影響較小，瓦爾特的軟件和其他幾種計算方法都沒有考慮前角。這個軟件計算起來比較方便，筆者公司一直使用這個軟件計算，絕大部分計算與實際吻合。有兩個缺點，一是材料種類太少，二是嚴重依賴Windows。

瓦爾特的計算軟件雖然比其他的樣本有更多的材料，但是仍然比較少，比如鋁合金，就沒有區(qū)分鎂鋁和硅鋁，即便是相同的材料由于成型方法和熱處理不同，其內部組織都有巨大的區(qū)別，表現(xiàn)出的切削性能也相差很大。于是便著手分析這個軟件，以便為以后的試驗提供思路。筆者對瓦爾特的這個軟件進行分析后發(fā)現(xiàn)其計算時刀具直徑對功率沒有影響?？梢岳斫獬蛇@個軟件沒有刀具直徑作為計算功率的輸入?yún)?shù)，或者是計算了，但不影響計算結果。筆者根據(jù)這個軟件歸納出了表4和切削功率pc計算公式如下：

經測試至今未發(fā)現(xiàn)公式(1)的計算結果比原軟件(瓦爾特)誤差大于1‰。

山特維克的計算軟件雖然支持手機計算，支持計算進給速度、切削時間、金屬切除率、功率、扭矩、成本等，看起來還不錯。但這個軟件還是萬里長征第一步，這個軟件做得最復雜的一件事只是通過最大切屑厚度、主偏角、刀具直徑計算每齒進給量(應該由每齒進給量計算最大切屑厚度才合理)。這個軟件輸入?yún)?shù)為Kc，其樣本上只有材料的kc1(銑削)和kc0.4(車、鉆、切槽)，所以Kc需要根據(jù)樣本上的kc1和另一技術資料上的公式計算，因此這個軟件是非常不友好的。如果它要成為一個好軟件，首先必須建立基本材料數(shù)據(jù)庫，方便應用程序調用，將輸入?yún)?shù)Kc更換成kc1并增加輸入?yún)?shù)mc。

三菱材料的這個網(wǎng)頁版雖然計算方法沒有多大的特色，但是其網(wǎng)頁只有一頁，Kc值就在公式下方查找也很方便。這個網(wǎng)頁版軟件還可以做得更完美一些，可以增加刀具齒數(shù)、直徑、主軸轉速，計算顯示刀具切削速度和每齒進給量，用于校核轉速和切削用量。將材料的單位切削力做成數(shù)組，材料名稱做成下拉列表，列表中增加一個“自定義”，這時采集輸入的Kc值。使用網(wǎng)頁版，新增材料也很容易，只是需要使用腳本語言對于一般人有一定的難度。

3 計算方法改進

Excel是一個使用非常簡單的通用工具，現(xiàn)在在手機上都可以輕松使用。利用前面提到的公式(1)和表格4很容易再制作一個表格(如表5)。將輸入?yún)?shù)和結果用不同顏色區(qū)分，使界面更美觀實用。用Lookup函數(shù)可以很輕松在輸入材料序號時篩選出材料的信息。在試驗后增加新的材料也很簡單，在材料表后追加一行信息即可。由于原軟件只有少量的幾種材料供選擇，這些材料的Kc必然是一個中間值。而我們在試驗的時候可以針對一種牌號甚至熱處理的材料，所以計算結果肯定比原軟件更加準確。

這個公式(1)在計算功率時沒有考慮主偏角、刀具直徑、刀具前角的影響。由于相同的每齒進給量，主偏角越小、刀具直徑越大，平均切屑厚度越薄。前角越大其抵抗切屑彎曲的力越小，切削功率越小。雖然，這些參數(shù)對切削功率的影響較小，不容易建立合適的函數(shù)關系。但是隨著研究的深入，在經過大量試驗后，或許能夠解決這個問題。因此改進計算結果準確性的另一個方向應該是加入主偏角、刀具直徑、刀具前角這些參數(shù)。

表5 自制Excel表格在手機中的布局

4 結語

本文對幾種國內外主流切削功率計算的方法和軟件進行了研究。對這些方法的優(yōu)缺點進行了詳細分析。利用Excel這種通用工具，以銑削為例進行了示范，提供了一種簡便的計算方法和相關數(shù)據(jù)。使銑削功率計算擺脫了硬件的限制，擴展到手機平臺進行計算，還可以更方便地擴展可計算材料的種類，改善計算結果的準確性，為更準確地切削功率計算公式提供了試驗思路。車、鉆、鏜等加工手段的切削功率等相關計算也可以輕松類推出來。

[1]上海市金屬切削技術協(xié)會編.金屬切削手冊[M].3版.上海：上海科學技術出版社，2000.

[2]楊叔子.機械加工工藝師手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2001.