掌握切削計算的藝術：數控加工精度指南

與任何機械一樣，準確性是現代數控工具機的標誌性基礎，只有徹底了解切削計算才能實現這一特定方面。本文將重點放在構成精確切削參數決定過程的相關步驟與方法。從切削速度、切削深度和進給速度的基本概念到它們對機器性能和最終零件品質的影響，我們將嘗試涵蓋盡可能多的可操作的見解。對於那些致力於最大限度提高生產效率或工件生產細節等級的人來說，本指南將有助於掌握 CNC 加工技能。

切割速度是什麼意思，如何計算？

切削速度是指切削刃和工件表面的直線運動速度。通常，它以 SFM 或表面英尺每分鐘甚至米每分鐘 (m/min) 為單位來計算。為了得出切割速度，可以使用以下公式：

切削速度 (V) = (π x D x N)/12（英制單位）

V = 單位為 SFM 的公制空間速度

D = 工件或工具的尺寸（英吋）

N = 主軸轉速（RPM）

如果使用公制單位，則將 12 改為 1000，並進行如下計算：

切削速度(V)=πxDxN/1000

理解 CNC 加工中的切削速度

影響數控工具機切割速度的因素有很多，包括工件的材料和所用切削刀具的類型，以及所執行的操作。構成工件的材料如鋁、鋼和鈦具有不同的硬度和熱性能，需要不同的切割速度。同樣，高速鋼 (HSS) 或硬質合金刀具以及陶瓷等切削刀具材料會影響加工刀具在失去鋒利度之前可以達到的溫度。

最佳切削速度也會隨著車削、銑削和鑽孔等不同加工操作而改變。例如，銑削也有自己的一組速度，這取決於刀具槽的數量以及進給速度。實施建議的切割速度範圍可精確切割，而諮詢指南可確保所有操作的效率。

速度變化可以用以下公式計算

切削速度（Vc）是各種加工過程中需要計算的重要參數之一。它使用以下公式定義：

Vc = (π × D × N) / 1000

Vc = 切割速度（米/分鐘，m/min）

D = 工件或工具的直徑（毫米，mm）

N = 主軸轉速（每分鐘轉數，RPM）

將主軸速度和直徑與所需的切削速度相匹配可確保刀具性能準確、高效。可能需要對材料特性、切削刀具參數和加工條件進行一些調整。參考特定工具製造商的建議和標準有助於實現最佳結果。

影響切割速度的因素

不同的材料具有不同的硬度和熱性能，這會影響最佳切割速度。例如，與不銹鋼等較硬的金屬相比，鋁等較軟的金屬可以實現更快的切割速度。

由高速鋼 (HSS) 或硬質合金甚至陶瓷製成的每種工具都具有不同的性能，但總體而言，可以觀察到硬質合金工具由於其耐熱性更強，往往能夠支持更高的速度。

透過增加切削刀具的形狀和鋒利度可以最大限度地提高效率，因此必須透過更高速度下的最佳刀具幾何形狀來確保平穩、安全的切削。

如何確定加工過程中的切削深度？

確定切削深度及其意義

對於機械加工操作而言，切削深度是指切削刀具在加工過程中進入工件的距離。它由未切割表面和加工表面之間的距離定義。此設定通常基於工件材料的類型、切削刀具的能力以及手邊機器的強度。

要找到最佳切削深度：

材料特性－較軟材料的切削深度餘裕通常比較硬材料的更大，而硬材料需要較淺的切削來保護工具免受損壞和過熱。

工具強度－指的是特定切削工具的強度和鋒利度。更堅固的工具能夠承受更深的切割。

加工條件－機器的功率、穩定性以及振動控制效果等方面都至關重要。切割越深，機器的剛性就越大，因此能夠進行更深的切割。

選擇合適的切削深度總能保證提高加工效率、延長刀具壽命，並最大限度地減少加工過程中出錯的機會。始終遵守製造商提供的有關特定材料和工具的指導方針。

使用計算器計算精確的進給率

為了獲得準確的進給計算，計算器需要使用者輸入每齒進給量（Fz）、主軸轉速（N）和刃數（z）。利用這些參數，您可以使用公式 Vf = Fz × N × z 輕鬆計算加工過程的進給速率 (Vf)。這有助於在不影響品質和延長工具壽命的情況下實現目標效率。請仔細注意輸入的值和單位，因為確實會發生錯誤並會對計算產生負面影響。

確定每齒進給量的常見錯誤

與其他計算一樣，最常見的錯誤是對測量單位的誤解。在這種情況下，每齒進給量 (Fz) 要么以毫米 (mm) 或英寸表示，並且轉換的單位轉換不正確。另一個錯誤是沒有考慮槽數（z）的正確值，尤其是當量規是雙槽工具時。如果以 4 個槽的假設值來計算速率，則會增加切削刃過載的可能性，這最終會導致刀具磨損或斷裂。

為了讓您更好地理解數據，這裡有兩個範例案例：

每齒進給量（Fz）：0.1 mm/齒

主軸轉速（N）：12,000 RPM

刃數（z）：4

Fz×N×z=0.1×12000×4=4800毫米/分鐘

經過計算，進給速度（Vf）的正確值為4800 mm/min。

每齒進給率（假設 Fz）：0.2 毫米/齒（錯誤地更改為實際的 0.1 毫米/齒）

主軸轉速（N）：12,000 RPM

刃數（z）：4

Vf=Fz×N×z=0.2×12,000×4=9,600毫米/分

這個錯誤的假設導致進給速度為 9600 毫米/分鐘，這是所需速度的兩倍，並且很可能會導致機器過度振動，降低零件的表面光潔度並損壞工具。

工具機在切削力測量中扮演什麼角色？

工具機功能調查

切削力的測量與工具機的效率密切相關，因為工具機提供了測量和記錄加工過程中力的表面。在機械加工中，切削力是影響加工過程、刀具壽命和零件品質的最重要參數之一。機床上安裝必要的內置或外部力測量裝置，如測力計、稱重感測器等，用於測量這些力。這些系統可即時測量 X、Y 和 Z 軸上的力，從而實現詳細的分析。

隨著新型感測器和數據採集系統的出現，切削力測量不斷改進，目的是便於測量並儘量減少對加工過程的干擾。多分量測力計就是一個很好的例子。它們可以測量敏感的切削力，因此可以與 CNC 機器一起使用以實現更好的控制。此外，測量力的準確性受到工具機的剛度和穩定性的影響，這要求切削條件與工具機的性能相符。因此，將這些測量系統與工具機整合旨在優化切削參數，保持製程穩定性，並減少刀具磨損或工件變形的可能性。

使用工具機測量切削力

切削力的測量有幾個必須考慮的依賴因素。以下是最重要的摘要以及最近研究的新資訊：

切削力受切削速度和進給速度的影響很大。一個很好的例子是，在車削操作過程中，隨著切削速度從 50 m/min 增加到 200 m/min，切削力會因熱軟化而降低，正如對鋼合金進行的研究表明的那樣。另一方面，由於切屑的橫截面積較大，進給速度從 0.1 毫米/轉提高到 0.3 毫米/轉會導致切削力增加約 60%。

切削刀具前角及其材料成分對切削力也非常重要。例如，與具有中性前角和負前角的工具相比，具有正角度（例如 +10° 前角）的工具產生的力水平較低。硬質合金或聚晶鑽石 (PCD) 等堅韌的材料具有更高的切削阻力，因此，這些材料越難切削，就可以進行更積極的加工而不會出現明顯的刀具磨損。

正如要加工的零件很堅硬且其微觀結構很細膩一樣，材料的加工程度也很重要。例如，在相同切削條件下，加工鋁合金通常比加工碳鋼可減少 40%-50% 的切削力。實驗數據表明，較硬的材料（例如硬度超過 50 HRC 的鋼）由於材料去除的阻力而需要施加更大的力。

切削液可透過減少刀具-切屑和刀具-工件邊界處的摩擦來顯著降低切削力。測試表明，與乾式加工製程相比，使用高性能切削液或 MQL 系統可將切削力降低 20%-30%。

工具機的振動行為和靜剛度也會影響測量。動態剛度較高的機器可最大限度地減少因係統變形或震動而導致的力測量誤差，從而提供更好的資訊。

有了量化這些因素及其影響的經驗證據，製造商可以事先知道如何調整加工條件並實現性能最佳化。從精密工程的角度來看，先進的測力計和分析模型的結合可以實現準確的力預測，從而提高產品的生產率和品質。

切削力優化的有效方法

在切削力優化中，即時遙測和機器學習越來越受到重視。測力計中的整合感測器即使在困難的加工場景中也能夠以更高的精度記錄力數據。先進的演算法利用這些資訊來預測刀具壽命、故障診斷以及建議進給、切削速度和切削深度。

由於切削力要求較低且表面品質優良，新材料切削刀具的使用，特別是聚晶鑽石（PCD）和陶瓷複合材料，大大改善了加工動力學。當這些材料與低溫加工或先進的 MQL 冷卻系統結合使用時，刀具壽命和生產率會提高。總之，採用這些技術可以幫助製造商在經濟競爭激烈的產業中獲得更好的性能和成本效益。

如何計算數控銑削的加工時間？

加工作業的時間組成部分

CNC 銑削的加工時間有幾個核心組成部分，例如切削長度、進給速度和刀具速度。為了高效加工，精度取決於這些各種因素及其相關性。基本加工時間（T）可按下式計算：

T = L / (F * N)

T = 加工時間（分鐘）

L = 切割總長度（毫米）

F = 進給率（毫米/轉或毫米/分鐘）

N = 主軸轉速

範例資料：

材質：鋁合金

切割長度（L）：150 毫米

進給率（F）：0.25 毫米/轉

主軸轉速（N）：1200 RPM

應用公式：

T = 150 / (0.25 * 1200)

T = 150/300 = .5 分鐘或 30 秒。

準確性的考慮因素：

調整主軸速度和進給速度以適應被加工的材料和所使用的工具。

在詳細規劃中，包括設定時間、換刀時間以及任何其他工業應用的操作等待時間。

對於模擬，CAD/CAM 軟體可以將加工時間分解為更小的段，從而提高準確性並減少出錯的機會，確保週期最佳化。

以最高精度計算加工時間的步驟

這裡詳細概述了與加工時間計算相關的主要參數和相關數據。

材質類型：鋁合金

硬度等級（如適用）：中等

熱導率和磨損特性（用於選擇工具時的考慮因素）

切割長度（L）：150mm

進給率（F）：0.25 毫米/轉

主軸轉速（N）：1200 rpm

刀具類型：硬質合金刀片刀具

刀具直徑（如適用）：根據切割類型定制

機器類型：CNC車床（及操作模式）

表面速度：如果之前沒有計算，則根據主軸速度計算並得出。

每齒切屑負荷：取決於所使用的切削刀具和刀桿。

冷卻劑（如果使用）－必須使用才能達到有效的冷卻效果。

操作延遲/調整（工具轉換調整、工具和零件外部對齊）

加工時間（T）：30秒或0.5分鐘

額外調整（停留調整、反沖調整）－適合最終值。

透過減少加工時間來提高生產率的技術

有幾種方法可以提高生產率並減少加工過程的時間：

• 調整刀具條件：改變加工材料的進給速度、主軸轉速和切削深度可以提高材料去除率，而不會降低表面品質或刀具壽命。
• 選擇優質工具：使用塗層硬質合金刀片等高性能切削刀具可提供更好的耐磨性、熱穩定性和 高速加工時的效率 操作。
• 採用高速加工 (HSM)：HSM 透過大幅縮短循環時間來提高較軟材料和精加工階段的生產能力。
• 應用更新的 CNC 技術：現代 CNC 工具機具有改進的加速和減速功能以及快速換刀功能，可減少空閒時間並有助於提高加工速度。
• 減少非增值時間：更好地規劃和自動化工具設定、回縮和停留時間可在重複或批量處理過程中節省大量時間。
• 使用冷卻液：正確使用高壓或定向冷卻液系統可以減少因過熱造成的刀具磨損，並允許更快的切割，同時保持出色的切割品質。

常見問題（FAQ）

Q：為什麼切削計算在 CNC 加工中至關重要？

答：就切割計算而言，這方面 在CNC加工中很重要 因為它有助於定義實現效率和準確性的最佳加工參數。這意味著刀片可以以理想的速度和進給率運行，同時最大限度地減少磨損和氧化。此舉將延長設備的使用壽命並提高車削零件的品質。

問：如何計算CNC車削的切削速度？

答：數控車削的切削速度可用以下公式計算：Vc = (π × D × N) / 12。此加工公式可協助操作員確定什麼速度會產生所需的結果。

：影響切屑厚度計算的基本要素有哪些？

答：切屑厚度的計算受每轉進給速度、刀片幾何形狀、加工速度和工件材料特性的影響。了解這些因素有助於確保採用最優的加工流程來進行精確的切割。

問：CNC加工中理論表面光潔度如何評估？

答：理論表面光潔度是根據單位距離的進給量、刀具的刀尖半徑和旋轉幅度來評估的。該理論可以預測表面粗糙度，並幫助操作員確定所需的表面質量，從而相應地修改加工參數。

：切削加工性在切削計算中扮演什麼角色？

答：作為可加工性的定義之一，它也指切削材料的容易程度，這對切削計算有影響。隨著機械加工性的提高，切削操作的功率需求和表面損壞程度也隨之改善。了解機械加工性有助於進一步確定切削參數，如主軸速度和進給速度，以獲得最佳結果。

Q：您採取哪些步驟來找到 CNC 車削的最佳轉速？

答：透過分析工件的直徑、優選的切削速度以及材料特性，可以確定最佳轉速。在這種情況下，操作員應用公式 N = (12 × Vc) / (π × D) 來計算所需的 RPM（每分鐘轉數），以確保加工過程的準確性和效率。

：CNC加工時為什麼要滿足進給率公差？

答：正確的進給速度有利於最大限度地減少刀具磨損，獲得良好的表面光潔度以及準確的尺寸。進給速度通常以英吋/分鐘 (IPM) 為單位，定義了每旋轉一次移除的材料的平均體積，因此影響加工的效率和準確性。

Q：如何提高 CNC 操作的切削性能？

答：採用先進的刀具材料、自動換刀裝置、加工參數最佳化、冷卻液系統等手段，降低溫度、減少氧化，提升切削性能，為CNC工具機提供解決方案。在努力提高生產力、準確性或延長 CNC 操作的使用壽命時，這些做法具有相當大的好處。

111：車削件的曲率半徑的計算方法是什麼？

答：對於車削零件，曲率半徑是根據刀具的刀尖半徑和進給速度來決定的。這是一個至關重要的方面，因為這些值有助於計算工件的最終輪廓。輪廓也必須滿足設計要求。在數控車削過程中，半徑的測量至關重要。

參考資料

1. “斜切削操作的 Johnson-Cook 本構材料參數的直接計算”(阮與胡賽尼，2023 年)

• 2023年出版
• 作者：Nam Nguyen、A. Hosseini
• 主要發現：作者開發了一種直接計算方法來確定斜切削操作的 Johnson-Cook 本構材料參數，該方法可以準確預測切削力和溫度。
• 方法：作者採用解析模型結合實驗驗證，直接計算Johnson-Cook材質參數，無須迭代最佳化。

2.“微銑削Ti6Al4V的準動態切削力與比切削能計算與分析” (張等人，2022 年，第 6067-6078 頁)

• 2022年出版
• 作者：張亞波、白倩、張鋒瑞、王鵬
• 主要發現：作者提出了一種計算模型來預測 Ti6Al4V 合金微銑削中的準動態切削力和比切削能，該模型與實驗結果具有很好的一致性。
• 方法：作者建立了一個基於未變形切屑厚度和切削刃幾何形狀的分析模型來計算切削力和比切削能，並透過實驗驗證了這個模型。

3.“展成法加工準雙曲面齒輪切削力的最佳化計算與試驗研究”(Jiang等，2021，第1615–1635頁)

• 2021年出版
• 作者：蔣闖、鄧菁、鄧小忠
• 主要發現：作者提出了一種採用展成法加工的準雙曲面齒輪切削力的最佳化計算方法，並透過試驗研究驗證了該模型。
• 方法：作者建立了一個基於齒輪幾何形狀和切削參數計算切割力的分析模型，並進行實驗驗證了該模型的準確性。

機床

公式