數(shù)控加工的切削基礎(chǔ)1

1、1.1 數(shù)控加工工藝系統(tǒng)概述數(shù)控加工工藝系統(tǒng)概述數(shù)控加工的切削基礎(chǔ)數(shù)控加工的切削基礎(chǔ) 以數(shù)控機床加工中的工藝問題為研究對象的一門綜合基礎(chǔ)技術(shù)課程，它以機械制造中的工藝基本理論為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)控機床高精度、高效率和高柔性等特點，綜合應(yīng)用多方面的知識，解決數(shù)控加工中的工藝問題。 數(shù)控加工工藝 數(shù)控機床完成零件數(shù)控加工的過程數(shù)控機床完成零件數(shù)控加工的過程零件工藝分零件工藝分析確定零件析確定零件的加工要素的加工要素編寫零件的加編寫零件的加工程序工程序加工零件加工零件換刀裝置換刀裝置程序輸送到程序輸送到NC機床機床向向MCU輸入輸入零件的加工程序零件的加工程序NC機床機床顯示刀具路徑顯示刀具路徑機 床控制

2、 單 元機 床控制 單 元（MCU）圖1-1 數(shù)控加工的過程數(shù)控加工的主要內(nèi)容包括數(shù)控加工的主要內(nèi)容包括 根據(jù)零件加工圖樣進行工藝分析根據(jù)零件加工圖樣進行工藝分析 用規(guī)定的程序代碼或用編程軟件用規(guī)定的程序代碼或用編程軟件 CAD/CAM 程序的輸入或傳輸。程序的輸入或傳輸。進行試運行、刀具路徑模擬等進行試運行、刀具路徑模擬等 運行程序，完成零件的加工。運行程序，完成零件的加工。數(shù)控加工工藝系統(tǒng)的構(gòu)成及相互關(guān)系數(shù)控加工工藝系統(tǒng)的構(gòu)成及相互關(guān)系刀具刀具夾具夾具工件工件制造過程制造過程定位部分運動部分能量部分控制部分加工程序幾何參數(shù)工藝參數(shù)數(shù)控機床輸出輸入圖圖1-2 數(shù)控加工工藝系統(tǒng)數(shù)控加工工藝系統(tǒng)

3、1.2 刀具幾何角度及切削要素刀具幾何角度及切削要素1.2.1 切削運動和切削用量切削運動和切削用量（1）切削運動）切削運動 主運動主運動 進給運動進給運動 合成切削運動合成切削運動=主運動主運動+進給運動進給運動 輔助運動輔助運動 圖圖1-3 切削運動和工件表面切削運動和工件表面 切削加工過程中，形成了三個不斷變切削加工過程中，形成了三個不斷變化著的表面：化著的表面： （2）工件表面）工件表面 已加工表面已加工表面 待加工表面待加工表面 過渡表面過渡表面 切削速度（切削速度（vC）: vC=dn/1000 ; 進給量（進給量（f） : vf=nf ; vf=nZfZ ; 背吃刀量（背吃刀量（

4、aP） : aP=（dw dm）/2; （3）切削用量）切削用量1.2.2 刀具切削部分的幾何形狀和角度刀具切削部分的幾何形狀和角度1.2.2.1 刀具切削部分的組成刀具切削部分的組成 前刀面（前刀面（A ）: 切屑流過的表面；切屑流過的表面； 主后刀面（主后刀面（A ）: 與過渡表面相對的表面；與過渡表面相對的表面； 副后刀面（副后刀面（A ） :與已加工表面相對的表面；與已加工表面相對的表面； 主切削刃（主切削刃（S）: 前刀面與主后刀面的交線，擔負前刀面與主后刀面的交線，擔負主要切削工作；主要切削工作； 副切削刃（副切削刃（S ）: 前刀面與副后刀面相交得到的刃前刀面與副后刀面相交得到的

5、刃邊；邊； 刀尖刀尖: 主、副切削刃的連接處的一小部分切削刃主、副切削刃的連接處的一小部分切削刃;刀具切削部分的組成刀具切削部分的組成1.2.3 切削層切削層（1）切削層參數(shù)）切削層參數(shù) 切削厚度（切削厚度（hD） 切削寬度（切削寬度（bD） 切削面積（切削面積（AD） 圖圖1-17 縱車外圓切削層參數(shù)縱車外圓切削層參數(shù)1.3 金屬切削過程的基本理論及規(guī)律金屬切削過程的基本理論及規(guī)律1.3.1 切削過程中的變形 （1）第一變形區(qū)的剪切滑移變形）第一變形區(qū)的剪切滑移變形 （2）第二變形區(qū)的擠壓摩擦和變形）第二變形區(qū)的擠壓摩擦和變形 （3）第三變形區(qū)的變形）第三變形區(qū)的變形三個變形區(qū)的劃分三個變形

6、區(qū)的劃分在剪切面OM附近的切削層金屬，在刀具的作用下，在OA到OM之間由許多切應(yīng)力曲面構(gòu)成的剪切滑移區(qū)，其寬度很窄，只有0.020.2mm。當前刀面以切削速度擠壓切削層時，其中某一質(zhì)點P便進入剪切滑移區(qū)，由位置1移至位置2，22之間的距離就是它的滑移量。此后，P點的滑移依次為33、44，滑移量也相應(yīng)依次增加，切應(yīng)力應(yīng)變也逐漸增大。當P點移至OM面（終剪切面）上，切應(yīng)力達到屈服點時，滑移變形基本結(jié)束，切削層變形為切屑且沿前刀面流出。 第一變形區(qū)第一變形區(qū)切屑沿前刀面流出時，受到前刀面的擠壓和摩擦，使靠近前面處的金屬再次產(chǎn)生剪切變形，使其切屑底層薄薄的一層金屬流動滯緩。這一層滯緩流動的金屬層稱為滯

7、流層。滯流層的變形程度比切屑上層大幾倍到幾十倍。 第二變形區(qū)第二變形區(qū)刀具后刀面和工件的接觸區(qū)。切屑底層和前刀面之間的擠壓摩擦，使切屑底層的金屬晶粒纖維化而拉長，在帶有鈍圓半徑的切削刃口處被分為兩部分：一部分隨切屑沿前刀面流出；另一部分沿后刀面流出，形成已加工表面，它受到切削刃鈍圓半徑和后刀面的擠壓、摩擦與回彈，造成已加工表面金屬的纖維化和加工硬化，并產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力。第三變形區(qū)的金屬變形，將影響到工件的表面質(zhì)量及使用性能。 第三變形區(qū)第三變形區(qū)1.3.2 1.3.2 積屑瘤積屑瘤（）積屑瘤的現(xiàn)象在中速或較低切削速度范圍內(nèi)，切削一般鋼料或其它塑性金屬材料，而又能形成帶狀切屑時，常在切削刃口附

8、近粘結(jié)一硬度很高（通常為工件材料硬度的23.5倍）的楔狀金屬塊，它包圍著切削刃且覆蓋部分前刀面，這種楔狀金屬塊稱為積屑瘤。 （二）積屑瘤的形成過程在切削過程中，由于刀-屑間的摩擦，使前刀面和切屑底層一樣都是剛形成的新鮮表面，它們之間的粘附能力較強。因此在一定的切削條件（壓力和溫度）下，切屑底層與前刀面接觸處發(fā)生粘結(jié)，使與前刀面接觸的切屑底層金屬流動較慢，而上層金屬流動較快。流動較慢的切屑底層，稱為滯流層。如果溫度與壓力適當，滯流層金屬就與前刀面粘結(jié)成一體。隨后，新的滯流層在此基礎(chǔ)上逐層積聚、粘合，最后長成積屑瘤。長大后的積屑瘤受外力作用或振動影響會發(fā)生局部斷裂或脫落。積屑瘤的產(chǎn)生、成長、脫落過

9、程是在短時間內(nèi)進行的，并在切削過程中周期性地不斷出現(xiàn)。 （三）積屑瘤在切削過程中的作用1、增大前角 積屑瘤粘附在前刀面上，它增大了刀具的實際前角，當積屑瘤最高時，刀具有30左右的前角，因而可減少切屑變形，降低切削力。 2、增大切削厚度 積屑瘤前端伸出于切削刃外，伸出量為D（見圖1-15），使切削厚度增大了hD，因而影響了加工尺寸。 3、增大已加工表面粗糙度 積屑瘤的產(chǎn)生、成長與脫落是一個帶有一定周期性的動態(tài)過程（每秒鐘幾十至幾百次），使切削厚度不斷變化，以及有可能由此而引起振動；積屑瘤的底部相對穩(wěn)定一些，其頂部很不穩(wěn)定，容易破裂，一部分粘附于切屑底部而排出，一部分留在已加工表面上，形成鱗片狀毛

10、刺；積屑瘤粘附在切削刃上，使實際切削刃呈一不規(guī)則的曲線，導致在已加工表面上沿著主運動方向刻出一些深淺和寬窄不同的縱向溝紋。 4影響刀具耐用度 積屑瘤包圍著切削刃，同時覆蓋著一部分前刀面。積屑瘤一旦形成，它便代替切削刃和前刀面進行切削。于是，切削刃和前刀面都得到積屑瘤的保護，從而減少了刀具磨損。但在積屑瘤不穩(wěn)定的情況下使用硬質(zhì)合金刀具時，積屑瘤的破裂可能使硬質(zhì)合金刀具顆粒剝落，使刀具磨損加劇。 （四）影響積屑瘤的主要因素及防止方法1、切削速度 實驗研究表明，切削速度是通過切削溫度對前刀面的最大摩擦系數(shù)和工件材料性質(zhì)的影響而影響積屑瘤的。所以控制切削速度使切削溫度控制在300以下或380以上，就可

11、以減少積屑瘤的生成。 2、進給量 進給量增大，則切削厚度增大。切削厚度越大，刀與屑的接觸長度越長，從而形成積屑瘤的生成基礎(chǔ)。若適當降低進給量，則可削弱積屑瘤的生成基礎(chǔ)。 3、前角 若增大刀具前角，切屑變形減小，則切削力減小，從而使前刀面上的摩擦減小，減小了積屑瘤的生成基礎(chǔ)。實踐證明，前角增大到35時，一般不產(chǎn)生積屑瘤。 4、切削液 采用潤滑性能良好的切削液可以減少或消除積屑瘤的產(chǎn)生。 1.3.3切削力1.3.4切削熱與切削液1.3.5 1.3.5 刀具磨損和耐用度刀具磨損和耐用度（1 1）刀具磨損形式）刀具磨損形式 前刀面磨損前刀面磨損 ：VcVc較高，切削厚度較大時產(chǎn)生較高，切削厚度較大時產(chǎn)

12、生 后刀面磨損后刀面磨損 ：VcVc較低，切削厚度較小時產(chǎn)生較低，切削厚度較小時產(chǎn)生 前刀面和主后刀面同時磨損前刀面和主后刀面同時磨損：中等切削速度和進：中等切削速度和進給量給量 圖圖1-29 刀具的正常磨損形式刀具的正常磨損形式（3 3）刀具磨損過程與磨鈍標準）刀具磨損過程與磨鈍標準 刀具磨損過程刀具磨損過程 a.a.初期磨損階段（初期磨損階段（OA） b. 正常磨損階段（正常磨損階段（AB） c. 急劇磨損階段（急劇磨損階段（BC）車刀類型車刀類型工工 件件 材材 料料加加 工工 性性 質(zhì)質(zhì)磨鈍標準磨鈍標準VBVB/mm/mm高速鋼高速鋼硬質(zhì)合金硬質(zhì)合金外圓車刀、外圓車刀、端面車刀、端面車

13、刀、鏜刀鏜刀碳鋼、合碳鋼、合金鋼金鋼1.51.5 2.02.01.01.0 1.41.4精車精車1.01.00.40.4 0.60.62.02.0 3.03.00.80.8 1.01.0半精車半精車1.51.5 2.02.00.60.6 0.80.8粗、精車粗、精車1.01.01.01.0鈦合金鈦合金粗、半精車粗、半精車0.40.4 0.50.5淬硬鋼淬硬鋼精車精車0.80.8 1.01.0陶瓷車刀陶瓷車刀0.50.5粗車粗車灰鐵、可鍛鑄鐵灰鐵、可鍛鑄鐵耐熱鋼、不銹鋼耐熱鋼、不銹鋼粗車粗車 刀具的磨鈍標準刀具的磨鈍標準: : 根據(jù)加工要求規(guī)定的主后刀面中根據(jù)加工要求規(guī)定的主后刀面中間部分的平均

14、磨損量間部分的平均磨損量VB作為磨鈍標準。一般情況下，作為磨鈍標準。一般情況下，車刀磨鈍標準的推薦值如表車刀磨鈍標準的推薦值如表1-1所示。所示。（4 4）刀具耐用度）刀具耐用度 刀具耐用度的概念刀具耐用度的概念 影響刀具耐用度的因素影響刀具耐用度的因素 a.a.切削用量；切削用量； b.b.刀具幾何參數(shù)；刀具幾何參數(shù)； c.c.刀具材料；刀具材料； d.d.工件材料。工件材料。 刀具耐用度的確定刀具耐用度的確定 合理刀具耐用度的確定原則是提高生產(chǎn)效率和合理刀具耐用度的確定原則是提高生產(chǎn)效率和降低加工成本。降低加工成本。刀刀 具具 類類 型型刀具耐用度刀具耐用度T T 值值高速鋼車刀高速鋼車刀

15、60906090高速鋼鉆頭高速鋼鉆頭8012080120硬質(zhì)合金焊接車刀硬質(zhì)合金焊接車刀6060硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀硬質(zhì)合金可轉(zhuǎn)位車刀15301530硬質(zhì)合金面銑刀硬質(zhì)合金面銑刀120180120180齒輪刀具齒輪刀具200300200300自動機用高速鋼車刀自動機用高速鋼車刀180200180200生產(chǎn)中常用刀具耐用度參考值見表生產(chǎn)中常用刀具耐用度參考值見表1-21-2。選擇刀具耐用度時，還應(yīng)該考慮以下幾點：選擇刀具耐用度時，還應(yīng)該考慮以下幾點： a. a. 復雜、高精度、多刃刀具耐用度應(yīng)比簡單、低精度、單復雜、高精度、多刃刀具耐用度應(yīng)比簡單、低精度、單刃刀具高；刃刀具高； b. b. 可轉(zhuǎn)位

16、刀具換刃、換刀片快捷方便，為保持刀刃鋒利，可轉(zhuǎn)位刀具換刃、換刀片快捷方便，為保持刀刃鋒利，刀具耐用度刀具耐用度，可選得低一些；可選得低一些； c . c . 精加工刀具切削負荷小，刀具耐用度應(yīng)選得比粗加工精加工刀具切削負荷小，刀具耐用度應(yīng)選得比粗加工刀具高一些；刀具高一些； d. d. 精加工大件時，為避免中途換刀，應(yīng)選得高一些；精加工大件時，為避免中途換刀，應(yīng)選得高一些； e. e. 數(shù)控加工中的刀具耐用度應(yīng)大于一個工作班，至少應(yīng)大數(shù)控加工中的刀具耐用度應(yīng)大于一個工作班，至少應(yīng)大于一個零件的切削時間。于一個零件的切削時間。1.41.4金屬材料的切削加工性金屬材料的切削加工性（1 1）金屬材料

17、切削加工性的概念）金屬材料切削加工性的概念指的是金屬材料切削加工的難易程度。（2 2）衡量金屬材料切削加工性的指標）衡量金屬材料切削加工性的指標 切削速度指標切削速度指標v v 相對加工性指標相對加工性指標 Kr Krv60/(v60)jv60/(v60)j 加工性等加工性等級級名稱及種類名稱及種類相對加工相對加工性性K Kr r代表性材料代表性材料1 1很容易切削很容易切削材料材料一般有色一般有色金屬金屬 3 35-5-55-5-5銅鉛合金、銅鉛合金、9-49-4鋁銅合鋁銅合金、鋁鎂合金金、鋁鎂合金2 2容易切削材容易切削材料料易切削鋼易切削鋼2.532.53退火退火15C15Cr r， b

18、 b=0.3730.441GP=0.3730.441GPa a ; ;自動機鋼自動機鋼 b b=0.3930.491GP=0.3930.491GPa a3 3較易切削鋼較易切削鋼1.62.51.62.5正火正火3030鋼鋼 b b=0.441-0.549GP=0.441-0.549GPa a4 4普通材料普通材料一般鋼及一般鋼及鑄鐵鑄鐵1.01.61.01.64545鋼，灰鑄鐵鋼，灰鑄鐵5 5稍難切削稍難切削材料材料0.651.00.651.02Cr132Cr13調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) b b=0.834GP=0.834GPa a；8585鋼鋼 b b=0.883GP=0.883GPa a6 6難切削材料難

19、切削材料較難切削較難切削材料材料0.50.650.50.654545調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) b b=1.03GP=1.03GPa a；65Mn65Mn調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì) b b=0.932-0.981GP=0.932-0.981GPa a7 7難切削材難切削材料料0.150.50.150.550Cr50Cr調(diào)質(zhì)調(diào)質(zhì), 1Cr18Ni9Ti, , 1Cr18Ni9Ti, 某某些鈦合金些鈦合金8 8很難切削很難切削材料材料 0.150.15某些鈦合金，鑄造鎳基高溫某些鈦合金，鑄造鎳基高溫合金合金常用材料的相對加工性分為八級常用材料的相對加工性分為八級（3 3）改善金屬材料切削加工性的途徑）改善金屬材料切削加工性的途徑 熱

20、處理方法熱處理方法 調(diào)整材料的化學成分調(diào)整材料的化學成分1.4.3 1.4.3 切削用量的合理選擇切削用量的合理選擇1.4.3.1 1.4.3.1 切削用量的選擇切削用量的選擇（1 1）切削用量的選擇原則）切削用量的選擇原則 粗加工時切削用量的選擇原則粗加工時切削用量的選擇原則 精加工時切削用量的選擇原則精加工時切削用量的選擇原則 （2 2）切削用量的選擇方法）切削用量的選擇方法 背吃刀量的選擇背吃刀量的選擇ap (mm)的選擇的選擇 進給量進給量f（mm/r）、每齒進給量）、每齒進給量fz（mm/z）和進給速度（和進給速度（mm/min）的選擇）的選擇3. 切削速度切削速度vC（m/min）

21、的選擇）的選擇 4.機床功率的校核機床功率的校核1.5 1.5 刀具幾何參數(shù)的合理刀具幾何參數(shù)的合理選擇選擇1.5.1 1.5.1 前角及前面形狀的選擇前角及前面形狀的選擇（1 1）前角的功用）前角的功用 （2 2）合理前角的選擇原則）合理前角的選擇原則 （3 3）前面形狀及刃區(qū)參數(shù)的選擇）前面形狀及刃區(qū)參數(shù)的選擇 （表（表1-51-5） 圖圖1-37 刀具的合理刀具的合理前角前角（1 1）后角的功用）后角的功用（2 2）合理后角的選擇原則）合理后角的選擇原則（3 3）后面形狀及選擇）后面形狀及選擇1.5.2 1.5.2 后角及后面形狀的選擇后角及后面形狀的選擇圖圖1-38 后面形狀后面形狀1.5.3 1.5.3 主偏角及副偏角的選擇主偏角及副偏角的選擇（1 1）主偏角的功用及其選擇原則）主偏角的功