# 按主轴功率划分的材料去除率：10 与 20 kW

> 针对八种常用 CNC 合金，给出 10 与 20 kW 主轴上的受功率限制材料去除率（MRR）对照数据，并附单位切削功率表、已发表车间实测基准与一个完整的切削时间算例。

https://www.sinbo-machining.com/zh/wiki/reference/material-removal-rate/

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## 本页内容

- 10 与 20 kW 主轴功率下的粗加工 MRR 上限（受功率限制，计算值）
- 10 kW 的 CNC 机床在铝件上能实现多大材料去除率？
- 同一台 10 kW 主轴上，304 不锈钢比 6061 慢多少？
- 10 kW 机床上加工 4140 钢，MRR 应该按多少规划？
- 钛合金粗加工受主轴功率限制吗？
- 20 kW 主轴能让去除率翻倍吗？
- 同一台机床上，为什么铣削 MRR 低于车削？
- 粗加工时主轴负载应该控制在多少？
- 铣削和车削的 MRR 公式是什么？
- 如何把 MRR 换算成加工时间？
- 这些 MRR 数字用于报价时有多准？
- 这些数值怎么用
- 常见问题
- 标准与来源
- 相关页面
- 下载本表

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# 按主轴功率划分的材料去除率

针对八种常用 CNC 合金，给出 10 与 20 kW 主轴上的受功率限制材料去除率（MRR）对照数据，并附单位切削功率表、已发表车间实测基准与一个完整的切削时间算例。

## 10 与 20 kW 主轴功率下的粗加工 MRR 上限（受功率限制，计算值）

| 材料与状态 | 采用的 K_p（kW/(cm³/s)） | 10 kW 车削（cm³/min） | 10 kW 铣削，循环平均（cm³/min） | 20 kW 车削（cm³/min） | 20 kW 铣削，循环平均（cm³/min） |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| Aluminum 6061-T6 (wrought, ~95 HB) | 0.76–0.90 | 425–505 | 340–405 | 850–1,010 | 680–810 |
| Aluminum 7075-T6 (wrought, ~150 HB) | 0.76–0.90 | 425–505 | 340–405 | 850–1,010 | 680–810 |
| Carbon steel 1045 (190–220 HB) | 1.70–2.32 | 165–225 | 130–180 | 330–450 | 260–360 |
| Alloy steel 4140 (Q&T, 280–320 HB) | 2.18–3.29 | 115–175 | 90–140 | 230–350 | 180–280 |
| Stainless 304 (annealed, 150–180 HB) | 1.64–2.94 | 130–235 | 105–190 | 260–470 | 210–380 |
| Stainless 316 (annealed, 150–180 HB) | 1.64–2.94 | 130–235 | 105–190 | 260–470 | 210–380 |
| Titanium Ti-6Al-4V (annealed, 330–350 HB) | 1.65–1.77 | 215–230 | 170–185 | 430–460 | 340–370 |
| Brass C36000 (free-cutting, 90–120 HB) | 0.82–1.90 | 200–465 | 160–370 | 400–930 | 320–740 |

> **如何读这张表。** Q_max = 60 × P_rated × η × L / K_p，其中传动效率 η = 0.85、粗加工负载率 L = 0.75：每 kW 额定功率只有 0.64 kW 到达切屑（0.85 × 0.75 = 0.6375 ≈ 0.64）。10 kW 列取整到 5 cm³/min；铣削列 = 取整后的车削列 × 0.8（切削中占比 80%）；20 kW 列精确等于 10 kW 值的 2 倍。这些是功率上限值，不是实测典型值——报价请取下限。

## 10 kW 的 CNC 机床在铝件上能实现多大材料去除率？

按本表假设的 75% 负载，10 kW 主轴在 6061-T6 粗加工中可驱动 425–505 cm³/min；40 锥度立式加工中心在铝件上采用 HSM 刀路时通常稳定在 245–410 cm³/min。两者之间的差距来自刀具与排屑限制，而不是主轴功率。

| 来源 | 机床 / 案例 | 材料 | MRR（cm³/min） | 备注 |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| S5 | 40-taper VMC, stable roughing | Carbon steel | 50–100 | 原文为 3–6 in³/min |
| S5 | 40-taper VMC, HSM strategy | Aluminum | 245–410 | 原文为 15–25 in³/min |
| S5 | 50-taper / horizontal | Steel | 100–200 | 约为 40 锥度数值的两倍 |
| S6 | 120 kW, 27,000 rpm (DST Ecospeed) | Aluminum 7050 | 5,160 | 竞品 PCD 刀具，案例 1 |
| S6 | 120 kW, 27,000 rpm | Aluminum 7050 | 7,465 | RAL90 涂层，同一案例 |
| S6 | 120 kW, 33,000 rpm (Makino MAG 3.W) | Aluminum (cutter diameter 50 mm) | 7,000 | 60 min 去除 420,000 cm³ |
| S8 | Bridgeport 2 hp / HAAS 30 hp comparison | Aluminum | 165 | 切削功率 1.1–3.0 kW 时为 10.1 in³/min |

## 同一台 10 kW 主轴上，304 不锈钢比 6061 慢多少？

约慢 2–4 倍：304 为 130–235 cm³/min，6061 为 425–505 cm³/min，因为奥氏体不锈钢需要 1.64–2.94 kW/(cm³/s)，而铝只需 0.76–0.90。同样一道 86 cm³/min 的切削，在 6061 上只让 10 kW 主轴负载 15%，在 304 上则达到 50%。

| 材料 | 状态 | ISO | 硬度（HB） | K_p（kW/(cm³/s)） | 来源（低 / 高） |
| --- | --- | --- | --- | --- | --- |
| Aluminum 6061-T6 | wrought, T6 | N | ~95 | 0.76–0.90 | S4 / S3 |
| Aluminum 7075-T6 | wrought, T6 | N | ~150 | 0.76–0.90 | S4 / S3 — take the upper end for 7075 |
| Carbon steel 1045 | hot-rolled / normalized | P | 190–220 | 1.70–2.32 | S2 (190 HB) / S3 (200–220 HB) |
| Alloy steel 4140 | quenched and tempered, 28–32 HRC | P | 280–320 | 2.18–3.29 | S3 (280–320 HB) / S4 (220–420 HB upper bound) |
| Stainless 304 | annealed | M | 150–180 | 1.64–2.94 | S3 (150–175 HB) / S4 (austenitic 150–275 HB) |
| Stainless 316 | annealed | M | 150–180 | 1.64–2.94 | S3 (150–175 HB) / S4 (austenitic 150–275 HB) |
| Titanium Ti-6Al-4V | annealed | S | 330–350 | 1.65–1.77 | S4 (300–360 HB) / S3 (Ti-150 A, 340 HB) |
| Brass C36000 | leaded free-machining | N | 90–120 | 0.82–1.90 | S3 / S4 — see the conflict register |

## 10 kW 机床上加工 4140 钢，MRR 应该按多少规划？

对于 280–320 HB 的 4140，车削按 115–175 cm³/min、铣削循环平均按 90–140 cm³/min 规划，并从低端报价。下面的功率账说明原因：同样 86 cm³/min 的切削，在 6061 上让 10 kW 主轴负载 15%，在 4140 上则达到 55%。在铝上能产出 86 cm³/min 的参数不能直接搬到钢上——每种材料都要先降到自己的切削速度，因此这张账只比较功率成本。

| 材料 | K_p（kW/(cm³/s)） | 刀具处 P_c（kW） | 主轴输入 P_spindle（kW） | 10 kW 主轴负载（%） |
| --- | --- | --- | --- | --- |
| Aluminum 6061-T6 | 0.90 | 1.29 | 1.5 | 15 |
| Carbon steel 1045 | 2.32 | 3.33 | 3.9 | 39 |
| Alloy steel 4140 | 3.29 | 4.72 | 5.6 | 55 |
| Stainless 304 | 2.94 | 4.21 | 5.0 | 50 |
| Titanium Ti-6Al-4V | 1.77 | 2.54 | 3.0 | 30 |
| Brass C36000 | 1.90 | 2.72 | 3.2 | 32 |

## 钛合金粗加工受主轴功率限制吗？

不受：Ti-6Al-4V 只需要 1.65–1.77 kW/(cm³/s)，因此 10 kW 主轴的功率上限是 215–230 cm³/min——热量和刀具寿命会远早于主轴成为实际切削的瓶颈。钛合金一行只应当作上限校验，绝不能当作目标值，并且必须保留 cutting-parameters 表所要求的高压冷却。

| 项目 | 数值 | 怎么读 |
| --- | --- | --- |
| K_p (unit power) | 1.65–1.77 kW per cm³/s | 低于 4140——主轴不是瓶颈 |
| 10 kW turning ceiling | 215–230 cm³/min | 功率允许的去除率高于车间通常采用的水平 |
| 10 kW milling ceiling, cycle avg | 170–185 cm³/min | 按切削中占比 80% 折算的循环平均值 |
| 20 kW turning ceiling | 430–460 cm³/min | 翻倍的是上限，不是允许的切削量 |
| Actual limiter | Heat and tool life | 按 cutting-parameters 表的速度运行，并配高压冷却——冷却是前提，不是选项 |

## 20 kW 主轴能让去除率翻倍吗？

它能让功率上限翻倍——6061 达到 850–1,010 cm³/min——但前提是刀具和夹具能吸收这些功率。在 50 × 50 mm 的槽里用 Ø12 刀具，20 kW 主轴不会带来任何变化：切削时间仍是 17.5 s，因为约束在刀具，不在主轴。

| 参数 | Ø12 刀具（算例） | Ø20 刀具（示意） |
| --- | --- | --- |
| Tool | Ø12 mm, 3-flute carbide end mill | Ø20 mm — an example, not a recommendation |
| Radial width a_e (mm) | 6 | 10 |
| Axial depth a_p (mm) | 6 | 10 |
| Feed speed V_f (mm/min) | 2,388 | 2,000 |
| MRR (cm³/min) | 86 | 200 |
| Cutting time for 25 cm³ | 17.5 s | 7.5 s |

## 同一台机床上，为什么铣削 MRR 低于车削？

铣削是断续切削，刀具约有 20% 的循环时间不在切削，因此铣削循环平均去除率是车削的 0.8 倍：6061 在 10 kW 下：铣削 340–405、车削 425–505 cm³/min。切削中的瞬时去除率仍可达到车削的数值。

| 步骤 | 规则 | 6061-T6，10 kW |
| --- | --- | --- |
| 1 | Turning ceiling: Q_max = 60 × 10 × 0.6375 / K_p, rounded to 5 cm³/min | 425–505 |
| 2 | Milling column = 0.8 × the rounded turning column, rounded to 5 cm³/min | 340–405 |
| 3 | 20 kW columns = 2 × the 10 kW columns (exact doubling) | 850–1,010 turning / 680–810 milling |

## 粗加工时主轴负载应该控制在多少？

额定功率的 70–85%；本表取 75%，为刀具磨损和硬度波动留出余量。下面的固定假设是规划值——计算值，不是实测值——如果车间实测传动效率为 0.80 或 0.90，请按比例缩放整张表。

| 参数 | 数值 | 依据 |
| --- | --- | --- |
| Rated spindle power P_rated | 10 / 20 kW | 两种常见的立式加工中心功率档 |
| Drive efficiency η | 0.85 | 规划假设，不是实测值——请用机床厂数据确认 |
| Roughing load factor L | 0.75 | 70–85% 目标区间的中点（S5） |
| Usable cutting-power factor | 0.85 × 0.75 = 0.6375 ≈ 0.64 | 每 kW 额定功率只有 0.64 kW 到达切屑 |
| Tool condition | Sharp carbide | K_p 表是按锋利刀具编制的 |
| Milling in-cut factor | 0.80 | S5 算例：循环中 80% 的时间在切削 |
| Coolant and setup | Stable, no chatter | 钢和不锈钢用大流量乳化液；钛用高压冷却；铝用大流量冷却或 MQL |

## 铣削和车削的 MRR 公式是什么？

铣削：Q = a_e × a_p × V_f / 1,000。车削：Q = V_c × f × a_p。算例：Ø12 刀具、6 × 6 mm 切宽切深、2,388 mm/min，去除率为 86 cm³/min。参数刻意取保守值——每齿 0.10 mm，而 cutting-parameters 表中 Ø12 刀具为 0.15–0.19——以便每一步都可复核。

| 步骤 | 量 | 数值 |
| --- | --- | --- |
| 1 | Removal volume V | 50 × 50 × 10 mm pocket = 25 cm³ |
| 2 | Tool and engagement | Ø12 mm, 3-flute carbide end mill; V_c 300 m/min; f_z 0.10 mm/tooth; a_e = a_p = 6 mm |
| 3 | Spindle speed n = 1,000 × V_c / (π × D) | 7,958 → take 7,960 rpm |
| 4 | Feed speed V_f = n × z × f_z | 7,960 × 3 × 0.10 = 2,388 mm/min |
| 5 | MRR Q = a_e × a_p × V_f / 1,000 | 6 × 6 × 2,388 / 1,000 = 85.97 → 86 cm³/min |
| 6 | Cutting time T = V / Q | 25 / 86 = 0.291 min = 17.5 s (21.8 s with 20% non-cutting) |
| 7 | Power check P_c = K_p × Q, spindle input P_c / 0.85 | 0.90 × 1.433 = 1.29 kW → 1.52 kW → 15.2% of 10 kW |
| 8 | Reading | Spindle only 15% loaded — the Ø12 cutter in a 50 mm pocket is tool-limited; the 425 cm³/min ceiling would need V_f 11,806 mm/min, five times beyond this cutter |

## 如何把 MRR 换算成加工时间？

T = V / Q。50 × 50 × 10 mm 的槽体积为 25 cm³，按算例的 86 cm³/min，切削时间为 17.5 s——加上 20% 非切削时间（下刀、退刀、分层）后约 22 s。换刀和检测时间另计。下表中的时间按同一槽体 T = 25 / Q 计算，保留一位小数——计算值，不是实测值。

| 速率情形 | Q（cm³/min） | 25 cm³ 所需时间（s） |
| --- | --- | --- |
| Worked example toolpath (Ø12 in 6061) | 86 | 17.5 |
| Ø20 cutter example | 200 | 7.5 |
| 6061 10 kW turning ceiling | 425 | 3.5 |
| 304 planning low end | 130 | 11.5 |
| 4140 milling planning low end | 90 | 16.7 |

## 这些 MRR 数字用于报价时有多准？

把它们当作 ±25% 的规划区间，而不是保证值：假设包括锋利硬质合金刀具、85% 传动效率和稳定装夹。已发表的 120 kW 铝件案例达到 5,160–7,465 cm³/min——折合 43–62 cm³/min 每 kW——与本表假设的线性缩放一致。来源不一致的地方，冲突保持登记、不取平均。

| 冲突 | 来源 A | 来源 B | 本页处理方式 |
| --- | --- | --- | --- |
| 304 / 316 unit power | S3 handbook band 1.64–1.97 (150–200 HB, sharp tools) | S4 energy-study value 2.94 (austenitic 150–275 HB) | 完整的 1.64–2.94 区间保留在表中；除非硬度和刀具都确认处于有利端，否则按 130 cm³/min 的低端报价 |
| C36000 unit power | S3 leaded brass 0.82 | S4 leaded brass 1.90 | 0.82 与黄铜的物理量级一致（K_p ≈ k_c / 1,000，k_c ≈ 800 N/mm²），因此优先采用 0.82 端；200–465 区间作为登记包络保留 |
| 1045 / 4140 ranges | S3 by 20 HB steps | S4 220–420 HB envelope | 不是冲突——区间随硬度变化；不要描述成来源互相矛盾 |

## 这些数值怎么用

- 这些列是功率上限，不是典型 MRR：已发表的 40 锥度基准在碳钢上为 50–100 cm³/min，而 1045 的上限是 165–225 cm³/min，把上限当典型值报价会把产能高估 2–4 倍。
- 钛合金和奥氏体不锈钢两行受刀具寿命限制，而不是受功率限制：Ti-6Al-4V 的 215–230 cm³/min 只是上限校验，实际可达区间由 cutting-parameters 速度下的热量和刀具寿命决定。
- 取整规则：10 kW 列取整到 5 cm³/min，铣削列 = 取整后的车削列 × 0.8 后再取整到 5，20 kW 列精确等于 10 kW 列的两倍——表中的翻倍是精确的。
- 0.85 的传动效率、0.75 的粗加工负载率以及由此得到的 0.64 可用功率系数都是规划假设，不是实测值——如果车间实测值不同，请按比例缩放整张表。
- 每个 K_p 区间都横跨多个已发表来源：低端是最省功率的值，高端是保守值。产能按低端报价——硬度处于区间上限、刀具磨损、切屑变薄都会把 K_p 推高。
- K_p（kW/(cm³/s)）在数值上等于 k_c / 1,000；Sandvik 的表用 k_c，主轴手册用 K_p，本页统一用 K_p。

## 常见问题

### 10 kW 的 CNC 机床在铝件上能实现多大材料去除率？

在假设的 75% 负载下，6061-T6 为 425–505 cm³/min；40 锥度立式加工中心采用 HSM 刀路时通常稳定在 245–410 cm³/min。

### 同一台 10 kW 主轴上，304 不锈钢比 6061 慢多少？

约慢 2–4 倍：304 为 130–235 cm³/min，6061 为 425–505 cm³/min，因为 304 需要 1.64–2.94 kW/(cm³/s)，而铝只需 0.76–0.90。

### 10 kW 机床上加工 4140 钢，MRR 应该按多少规划？

280–320 HB 的 4140：车削 115–175 cm³/min，铣削循环平均 90–140 cm³/min；从低端报价。

### 钛合金粗加工受主轴功率限制吗？

不受——Ti-6Al-4V 只需要 1.65–1.77 kW/(cm³/s)，因此 10 kW 的功率上限是 215–230 cm³/min；热量和刀具寿命会先成为实际切削的瓶颈。

### 20 kW 主轴能让去除率翻倍吗？

它能让功率上限翻倍（6061 为 850–1,010 cm³/min），但前提是刀具和夹具能吸收这些功率；Ø12 刀具在 50 × 50 mm 的槽里不会带来任何收益。

### 同一台机床上，为什么铣削 MRR 低于车削？

刀具约有 20% 的循环时间不在切削，因此铣削列是车削列的 0.8 倍：6061 在 10 kW 下：铣削 340–405、车削 425–505 cm³/min。

### 粗加工时主轴负载应该控制在多少？

额定功率的 70–85%；本表取 75%，为刀具磨损和硬度波动留出余量。

### 铣削和车削的 MRR 公式是什么？

铣削 Q = a_e × a_p × V_f / 1,000；车削 Q = V_c × f × a_p——Ø12 刀具、6 × 6 mm、2,388 mm/min 时去除率为 86 cm³/min。

### 如何把 MRR 换算成加工时间？

T = V / Q：50 × 50 × 10 mm 的槽为 25 cm³，86 cm³/min 时切削时间为 17.5 s（加 20% 非切削时间约 22 s）。

### 这些 MRR 数字用于报价时有多准？

按 ±25% 的规划区间使用：假设锋利硬质合金刀具、85% 传动效率和稳定装夹；已发表的 120 kW 铝件案例达到 5,160–7,465 cm³/min，与线性缩放一致。

## 标准与来源

- S1——Sandvik Coromant，Specific cutting force：k_c1 定义、切屑厚度修正与功率公式
- S2——Sandvik Coromant，Workpiece materials（MC code 表）：P 组钢的 k_c1 值与 m_c 指数
- S3——DynoSpindles，Application Engineering Data Part Two（Book of Spindles），表 5/9/10/11/12：锋利硬质合金刀具的 K_p 单位功率值
- S4——Kellens 等（2012），UPLCI-CO2PE! 附录 II，表 MR1.2(a)，Int. J. Life Cycle Assess. 17: 242–251：独立的单位切削能交叉校验
- S5——MFG Calcs，Driving Material Removal Rate Without Burning Up Spindles：40/50 锥度车间基准、70–85% 主轴负载目标与 80% 切削中占比算例
- S6——Sandvik Coromant 航空航天案例 C-1040-169：120 kW 铝件加工，5,160 / 7,465 / 7,000 cm³/min
- S7——Rough Logic 主轴 MRR 计算器（单位功率值取自 Machinery Handbook）：第三方交叉校验
- S8——MIT OCW 2.008 第 7 讲（Cutting）：比切削能与一个 165 cm³/min、1.1–3.0 kW 的铣削算例
- S9——Sinbo cutting-parameters 表：同样八种材料，这些功率上限所接入的速度与进给
- K_p（kW/(cm³/s)）在数值上等于 k_c / 1,000；两种记法各自保留其来源
- 全部 Q_max 值都由 K_p 区间加固定假设计算得出——计算值，不是实测值；源研究的三项车间确认事项（逐机床传动效率、手头 4140 的硬度区间、7075 专用 K_p 行）属于待补的车间数据，不是已发表值

## 相关页面

- [/zh/wiki/reference/cutting-parameters/](/zh/wiki/reference/cutting-parameters/) — Sibling quick table: the speeds and feeds that turn these power ceilings into actual parameters
- [/zh/wiki/reference/material-density/](/zh/wiki/reference/material-density/) — Sibling quick table: density for the same eight materials
- [/zh/wiki/reference/thermal-expansion-coefficients/](/zh/wiki/reference/thermal-expansion-coefficients/) — Sibling quick table: thermal expansion coefficients for the same materials

## 下载本表

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