機加工時快速估算法
本文轉自知乎：ABC老田
01 機加工刀具選擇原理
為了達到我們最終計算機加工工時的目的，讓大家明白刀具選擇的基本原理是不可缺少的一部分。本次實驗室，我們將從銑削著手，簡要呈上討論出的關于機加工時的輸出成果，供大家參考。
1.根據(jù)機床類型選擇刀具
a.機床功率：
在討論功率之前，首先引入金屬切除率的概念，即在單位時間內(nèi)所去除的材料體積。低功率若想要帶動大刀盤，則轉速會下降，切除率也會下降很多；而高性能的機床雖然可以輕松帶動小刀盤，但是受到小刀盤中的刀具直徑限制，其金屬切除率同樣會下降，也就是我們俗稱的功率浪費。選擇刀具時可以根據(jù)購進設備時手冊上的推薦值使用加工刀具。
b.刀庫尺寸：刀庫的尺寸直接決定了刀庫中刀具的尺寸范圍，同時需要注意最大可選刀具的直徑，通常來說該直徑往往不超過機床主軸尺寸的兩倍。
2. 優(yōu)先擇大：
在不干涉的情況下，應盡量選擇直徑大的刀盤，目的是降低走刀路線的長度，同時減少接刀次數(shù)，使得加工效率更高。
3.加工圓角:應選擇滿足“刀具直徑＜內(nèi)R角”情況下，直徑最大的銑刀。刀具直徑<R角除了可以加工出產(chǎn)品輪廓以外，還可以規(guī)避刀具的對圓角的沖擊。
4.工件材料：除了硬度和加工特征之外，工件材料的合金元素、有無熱處理等眾多因素也會影響著我們對刀具的槽型、材質、切削參數(shù)的選擇，基于此考慮，引入ISO標準來為大家簡單概括金屬切削的材料組。
ISO P - 鋼是金屬切削領域最大的材料組，涵蓋了從非合金鋼到高合金材料的整個范圍。鋼通常具有良好的切削加工性，但會因材料硬度、碳含量等的不同而有很大區(qū)別。
ISO M - 不銹鋼指的是鉻含量至少為12%的合金材料。這些合金材料的共同點是切削刃在切削時會產(chǎn)生大量的熱量、容易出現(xiàn)溝槽磨損和積屑瘤。
ISO K - 與鋼相反，鑄鐵是一種短切屑材料。灰口鑄鐵 (GCI) 和可鍛鑄鐵 (MCI) 非常容易加工，而球墨鑄鐵 (NCI)、蠕墨鑄鐵 (CGI) 和等溫淬火球墨鑄鐵 (ADI) 則較難加工。所有鑄鐵都含有碳化硅 (SiC)，對切削刃會造成很大的磨料磨損。
ISO N - 有色金屬是材質較軟的金屬，例如鋁、銅、黃銅等。硅 (Si) 含量達到13%的鋁合金具有很強的磨料磨損性。通常情況下，具有鋒利切削刃的刀片能夠實現(xiàn)高切削速度和長刀具壽命。
ISO S - 高溫合金，包括鐵基、鎳基、鈷基和鈦基材料。這類材料具有粘性，會產(chǎn)生積屑瘤，在加工過程中會變硬 (加工硬化)，并且會產(chǎn)生大量熱量。它們與ISO M材料非常相似，但切削難度要高得多，并且會降低刀片切削刃的壽命。
ISO H - 該組材料包括硬度介于45-65 HRc之間的鋼以及硬度約為400-600 HB的冷硬鑄鐵。由于硬度的原因，這組材料都難以加工。在切削過程中，這些材料會產(chǎn)生大量熱量，對切削刃有很大的磨料磨損性。
O (其他)：非ISO。熱塑性塑料、熱固性塑料、GFRP (玻璃纖維增強聚合物/塑料)、CFRP (碳纖維增強塑料)、碳纖維復合材料、芳綸纖維增強塑料、硬橡膠、石墨 (技術)。目前，各行業(yè)都在廣泛使用復合材料，特別是航空航天工業(yè)。
5.刀具材料
1）涂層硬質合金切削刀具材料
a.涂層 - CVD: CVD涂層具有較高的耐磨性，對硬質合金有出色的附著性，常見于鋼件普通車削和鏜削 (通過厚CVD涂層確?？乖卵劳菽p性能)、不銹鋼普通車削以及用于ISO P、ISO M、ISO K材料的銑削材質。
b.涂層 - PVD: PVD涂層的高硬度使其能夠增加材質的耐磨性。其殘留壓應力還能增加切削刃強度以及抗梳狀裂紋能力，這類應用非常廣泛，包括所有整體立銑刀和整體鉆頭，以及用于切槽、螺紋加工和銑削的大多數(shù)材質都是PVD材質。
c.硬質合金:?目前占切削刀具類型中約80%-90%，是加工工件類型多的首選刀具。
2）金屬陶瓷切削
與硬質合金相比，金屬陶瓷具有更高的耐磨性和更低的粘結趨勢。另一方面，它具有較低的抗壓強度和較差的抗熱沖擊性能。金屬陶瓷材質經(jīng)常用于易出現(xiàn)積屑瘤問題的粘性材料加工。
3）陶瓷
所有陶瓷切削刀具在高切削速度下都具有出色的耐磨性。陶瓷材質可用于范圍廣泛的應用和材料，最常用于高速車削工序，也用于切槽和銑削工序。其他還有無涂層硬質合金、聚晶金剛石等小范圍應用的刀具材料，在此不多加贅述。
02 機加工工時快速估算法
根據(jù)作者經(jīng)驗，詳細計算工時之前，應當明確以下內(nèi)容：
工件材料
硬度
待加工特征（平面，曲面，型腔，孔，槽…）
走刀路線
刀具直徑
刀具材料
機床型號
機床功率
切削參數(shù)（轉速，線速度，背吃刀量，切削寬度）等
然而如果想要搞清楚上面這么多的內(nèi)容，需要具備很多知識，包括但不限于機加工藝知識、材料學知識、編程知識、機床知識和刀具知識。除了知識儲備不完善的問題以外，日常工作中的時間壓力，以及信息的匱乏都是導致一般人無法完成對工時的詳細計算。
所以說本期的話題非常具有挑戰(zhàn)性：我們將嘗試建立一種快速估算工時的方法，可直接在日常工作中被大多數(shù)無機加工工藝知識的人員所使用，同時需要這種估算方法計算方便快速，但也要具備一定邏輯和準確度。
化繁為簡，我們將影響銑削工藝切削工時的眾多參數(shù)中抽離出我們認為最重要的4個參數(shù)：
工件材料
刀具規(guī)格（直徑，材料）
加工特征
加工余量。
1和2在上節(jié)已經(jīng)詳細描述，在此不多加贅述。3. 加工特征，常見的分類有平面，曲面，型腔，槽，孔等。4. 加工余量，此處簡化為粗加工（0.3-3MM）和精加工(0.05-0.3)。
借助山特維克機加工計算器，通過改變以上四個參數(shù)進行快速模擬。在粗加工（加工余量3MM）硬度為175HB的低合金鋼工件的平面特征（1000*800）時，選用同一臺機床，通過改變刀具直徑，我們得出以下數(shù)據(jù)：
從該數(shù)據(jù)可以看出， 在機床允許（功率，刀庫）的情況下，選擇高性能大功率機床配合大直徑刀具可以大大提高加工效率，節(jié)省加工時間。在會上有細心的小伙伴指出，山特的切削參數(shù)偏高，遠超實際數(shù)值。讓我們以選用的40MM切削直徑的刀具為例來探討一下這個問題，下圖為其詳細切削參數(shù)：
可以看出該刀具線速度高達269米/分鐘, 主軸轉速1950轉/分鐘; 而小伙伴反饋在機加廠內(nèi)，盤刀粗加工時常用的線速度基本在180米/分鐘， 轉速1300轉/分鐘。
基于此信息，我們得出初步使用建議, 即山特維克的金屬去除率乘以0.7約為普通機加工廠的實際加工效率。在刀具直徑不變，工件材料不變，機床不變情形下，通過改變產(chǎn)品特征，我們獲得以下數(shù)據(jù)：
可見，在不同加工對象下，其金屬材料去除率有幾倍的差異（還僅僅限于我們的小范圍取樣）。最后每個討論組成員領了不同特征的查詢?nèi)蝿?，將會根?jù)不同的刀具直徑在山特維克工時模擬器上對不同特征進行工時模擬，從而整理出關于銑削工藝金屬去除率的小字典（見下表）有需要的朋友請聯(lián)系我們。那么怎么使用這個去除率小字典對工時進行速算呢？
產(chǎn)品凈切削工時=產(chǎn)品切削體積/對應刀具的金屬去除率*0.7
假設選擇6MM直徑刀具，粗加工某P系列材料制成的塊料產(chǎn)品的一個平面，待去除材料體積為90000mm3，則其凈切削工時約為（90000/27300）*60=197秒。
表中數(shù)據(jù)存在非線性變化的情況，如用直徑40mm的刀對P系列材料加工時，比用63mm的金屬去除率要低的情況。原因可能有很多，例如刀盤過重，因此設備在額定功率下所能達到的轉速下降，金屬切除率也相應下降；工件材料和刀具材料并不是最佳的切削選擇；63mm的刀具的切削面積不滿等。
03 機加實驗室總結
機加實驗室在今天告一段落，議程從原本的4節(jié)變?yōu)?次，面對這個話題，組員們的感受出奇的一致：感覺越討論知道的越少。我們在探索新事物的時候都有這種恐慌感，深入研究成本固然難，但是可貴的是，我們在保持思考。
