1、第一章 數控加工工藝基礎一、切削運動一、切削運動1 1、切削運動、切削運動切削加工時切削加工時, ,為了獲得各種形狀的零件為了獲得各種形狀的零件, ,刀具與工件必須具有一定的刀具與工件必須具有一定的相對運動相對運動, ,我們將這種相對運動稱為切削運動。我們將這種相對運動稱為切削運動。 切削運動按其所起的作用可分為：切削運動按其所起的作用可分為：主運動主運動進給運動進給運動 （1 1）主運動）主運動主運動是使刀具和工件之間產生相對運動，從而切除多余材料。主運動是使刀具和工件之間產生相對運動，從而切除多余材料。主運動的特點速度最高，消耗的功率最大。主運動的特點速度最高，消耗的功率最大。（2 2）進

2、給運動）進給運動進給運動使刀具與工件間產生附加的相對運動，保證切削連續進行，進給運動使刀具與工件間產生附加的相對運動，保證切削連續進行，加工出具有所需幾何特性的已加工表面。加工出具有所需幾何特性的已加工表面。 進給運動的特點：速度較低，消耗的功率較小。進給運動的特點：速度較低，消耗的功率較小。主運動的運動形式可以是旋轉運動，也可以是直線運動；主運動的運動形式可以是旋轉運動，也可以是直線運動；主運動可以由工件完成，也可以由刀具完成；主運動可以由工件完成，也可以由刀具完成；主運動和進給運動可以同時進行，也可以間歇進行；主運動和進給運動可以同時進行，也可以間歇進行；主運動通常只有一個，而進給運動的數

3、目可以有一個或幾個。主運動通常只有一個，而進給運動的數目可以有一個或幾個。常見的切削運動常見的切削運動（3 3）主運動和進給運動的合成）主運動和進給運動的合成 當主運動和進給運動同時當主運動和進給運動同時進行時，切削刃上某一點進行時，切削刃上某一點相對于工件的運動為合成相對于工件的運動為合成運動，常用合成速度向量運動，常用合成速度向量v ve e來表示，如圖所示。來表示，如圖所示。2 2、切削時的表面、切削時的表面 切削加工過程中，在切削運動的作用下，工件表面一切削加工過程中，在切削運動的作用下，工件表面一層金屬不斷地被切下來變為切屑，從而加工出所需要的新層金屬不斷地被切下來變為切屑，從而加工

4、出所需要的新的表面，在新表面形成的過程中，工件上有三個依次變化的表面，在新表面形成的過程中，工件上有三個依次變化著的表面，它們分別是：著的表面，它們分別是： 待加工表面待加工表面 即將被切去金屬層的表面；即將被切去金屬層的表面；切削表面切削表面 切削刃正在切削而形成的表切削刃正在切削而形成的表面面, , 切削表面又稱加工表切削表面又稱加工表面或過渡表面；面或過渡表面；已加工表面已加工表面 已經切去多余金屬層而形成已經切去多余金屬層而形成的新表面。的新表面。3 3、切削用量、切削用量 切削用量是用來表示切削加工中主運動和進給運動參數的量。切削用量是用來表示切削加工中主運動和進給運動參數的量。 切

5、削用量包括：切削用量包括：切削速度切削速度進給量進給量背吃刀量背吃刀量（1 1）切削速度）切削速度vcvc 在切削加工時，切削刃選定點相對于工件主運動的瞬時速度稱為切在切削加工時，切削刃選定點相對于工件主運動的瞬時速度稱為切削速度，它表示在單位時間內工件和刀具沿主運動方向相對移動的削速度，它表示在單位時間內工件和刀具沿主運動方向相對移動的距離距離, ,單位為單位為m/minm/min或或m/sm/s。主運動為旋轉運動時主運動為旋轉運動時, ,切削速度切削速度vcvc計算公式為計算公式為: :)/min/(1000smmndvc或式中式中d d切削刃上選定點所對應的工件直徑或刀切削刃上選定點所對

6、應的工件直徑或刀 具的回轉直徑（具的回轉直徑（mmmm） n n工件或刀具每分工件或刀具每分( (秒秒) )鐘轉數鐘轉數(r/min(r/min或或r/sr/s) )主運動為往復運動時主運動為往復運動時, ,平均切削速度為：平均切削速度為：)/min/(10002smmnLvrc或式中式中L L一往復運動行程長度一往復運動行程長度(mm)(mm) nr nr一主運動每分鐘的往復次數一主運動每分鐘的往復次數( (往復次數往復次數/min)/min)。（2 2）進給量）進給量f f 進給量是主運動轉一周或往復一個行程，刀具相對工件在進給方向上進給量是主運動轉一周或往復一個行程，刀具相對工件在進給方

7、向上的位移量（的位移量（mm/rmm/r）。）。車削時進給量的單位是車削時進給量的單位是mm/rmm/r，即工件每轉一圈，即工件每轉一圈, ,刀具沿進給運動方向移刀具沿進給運動方向移動的距離。動的距離。刨削等主運動為往復直線運動刨削等主運動為往復直線運動, ,其間歇進給的進給量為其間歇進給的進給量為mm/mm/雙行程，即雙行程，即每個往復行程刀具與工件之間的相對橫向移動距離。每個往復行程刀具與工件之間的相對橫向移動距離。單位時間的進給量，稱為進給速度，車削時的進給速度單位時間的進給量，稱為進給速度，車削時的進給速度vfvf 計算公式為計算公式為: :銑削時，由于銑刀是多齒刀具，進給量單位除銑削

8、時，由于銑刀是多齒刀具，進給量單位除mm/rmm/r外，還規定了每齒進給外，還規定了每齒進給量，用量，用fzfz表示，單位是表示，單位是(mm/z)(mm/z)，vfvf、f f、fzfz三者之間的關系為：三者之間的關系為：)/min/(smmmmfnvf或z z為多齒刀具的齒數為多齒刀具的齒數 （3 3）背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）apap 背吃刀量背吃刀量apap是指已加工表面與待加工表面之間的垂直距離（是指已加工表面與待加工表面之間的垂直距離（mmmm） 。 2mwpdda式中式中 dwdw待加工表面直徑待加工表面直徑 dmdm已加工表面直徑已加工表面直徑刀具的幾何形狀及主要

9、角度刀具的幾何形狀及主要角度一一 、刀具切削部分的幾何形狀刀具切削部分的幾何形狀各種刀具都是由切削部分和夾持部分兩部分組成各種刀具都是由切削部分和夾持部分兩部分組成. 二者既可以是一體二者既可以是一體的，也可以是由不同材料連接起來的，也可以是由不同材料連接起來. 1.刀具切削部分的組成刀具切削部分的組成刀桿：起裝夾和支撐作用刀桿：起裝夾和支撐作用刀頭刀頭:(三面三面) 前刀面：刀具上切屑流過的前刀面：刀具上切屑流過的表面表面 主后刀面：刀具上與過渡表主后刀面：刀具上與過渡表面相對的表面面相對的表面 副后刀面：刀具上與已加工副后刀面：刀具上與已加工表面相對的表面表面相對的表面 (兩刃兩刃) 主切

10、削刃：刀具上前刀面與主切削刃：刀具上前刀面與主后刀面的交線主后刀面的交線 副切削刃：刀具上前刀面與副切削刃：刀具上前刀面與副后刀面的交線副后刀面的交線 (一尖一尖) 主切削刃與副切削刃的交點主切削刃與副切削刃的交點 ,通常磨成圓角通常磨成圓角(修圓刀尖修圓刀尖)或短平或短平刃刃(倒角刀尖倒角刀尖)(a)(a)直線過渡刃直線過渡刃 這種過渡刃多用于粗加工或強力切削的車刀上。(b)(b)圓弧過渡刃圓弧過渡刃 過渡刃也可磨成圓弧形。它的參數就是刀尖圓弧半徑r。刀尖圓弧半徑增大時，使刀尖處的平均主偏角減小，可以減小表面粗糙度數值，且能提高刀具耐用度。但會增大背向力和容易產生振動，所以刀尖圓弧半徑不能過

11、大。通常高速鋼車刀r=0.55mm，硬質合金車刀r=0.52mm。(c)(c)水平修光刃水平修光刃 修光刃是在副切削刃靠近刀尖處磨出一小段r=0o的平行刀刃。其長度b（1.21.5）f，即b 應略大于進給量f。但b 過大易引起振動。 普通車刀切削部分的組成普通車刀切削部分的組成外圓車刀內孔車刀 刀具角度是刀具設計、制造、刃磨和測量刀具角度是刀具設計、制造、刃磨和測量時所使用的幾何參數，它們是確定刀具切削時所使用的幾何參數，它們是確定刀具切削部分幾何形狀（各表面空間位置）的重要參部分幾何形狀（各表面空間位置）的重要參數。數。 參考系：用于定義和規定刀具角度的各基參考系：用于定義和規定刀具角度的各

12、基準坐標面。準坐標面。 參考系：刀具靜止參考系和刀具工作參考參考系：刀具靜止參考系和刀具工作參考系。系。 二二 定義刀具角度的參考系定義刀具角度的參考系 建立刀具靜態坐標參考系，應以切削運建立刀具靜態坐標參考系，應以切削運動為依據，預先給出假定條件：動為依據，預先給出假定條件： 假設運動條件假設運動條件: : 用主運動向量用主運動向量vcvc近似地代近似地代替相對運動合成速度向量替相對運動合成速度向量veve( (即即vfvf=0)=0)。 假設安裝條件假設安裝條件: :規定刀桿中心線與進給運動規定刀桿中心線與進給運動方向垂直；刀尖與工件中心等高。方向垂直；刀尖與工件中心等高。刀具靜止參考系或

13、標注角度參考系：在設計、制刀具靜止參考系或標注角度參考系：在設計、制造、刃磨和測量時，用于定義刀具幾何參數的參造、刃磨和測量時，用于定義刀具幾何參數的參考系?？枷?。1 1刀具靜止參考系刀具靜止參考系在該參考系中定義的角度稱為刀具的標注角度。在該參考系中定義的角度稱為刀具的標注角度。靜止參考系中最常用的是靜止參考系中最常用的是正交平面參考系正交平面參考系。 2.2.正交平面參考系正交平面參考系由以下三個在空間由以下三個在空間相互垂直的參考平相互垂直的參考平面構成。面構成。(1)(1)基面基面p pr r通過切削刃上選定通過切削刃上選定點，垂直于假定主點，垂直于假定主運動方向的平面。運動方向的平面

14、。通常平行于車刀的通常平行于車刀的安裝面（底面）。安裝面（底面）。(2)(2)切削平面切削平面p ps s 通過切削刃通過切削刃上選定點，與主上選定點，與主切削刃相切并垂切削刃相切并垂直于基面的平面。直于基面的平面。(3)(3)正交平面正交平面p po o 通過切削刃上選定通過切削刃上選定點，同時與基面和切削點，同時與基面和切削平面垂直的平面。平面垂直的平面。參考系參考系基基 面面 Pr切削平面切削平面 Ps正交平面正交平面 Po 通過主切削刃上的通過主切削刃上的某一點，與主運動方某一點，與主運動方向相垂直的平面向相垂直的平面 通過主切削刃上的某通過主切削刃上的某一點，與主切削刃相切一點，與主

15、切削刃相切并垂直于基面的平面并垂直于基面的平面 通過主切削刃上的某一點，通過主切削刃上的某一點，并同時垂直于基面和切削平面并同時垂直于基面和切削平面的平面的平面作用：用于定義和規定刀具角度的各基準坐標平面，只是假定參作用：用于定義和規定刀具角度的各基準坐標平面，只是假定參考，事實看不見，摸不著考，事實看不見，摸不著3 3、刀具標注角度定義刀具標注角度定義（1 1）在基面內測量的角度）在基面內測量的角度主偏角主偏角 r r 主切削刃與進給運動方向之間主切削刃與進給運動方向之間的夾角。的夾角。副偏角副偏角 r r 副切削刃與進給運動反方向之副切削刃與進給運動反方向之間的夾角間的夾角。 刀尖角刀尖角

16、 r r 主切削平面與副切削平面間的主切削平面與副切削平面間的夾角。夾角。 )(180rrr刀尖角與主偏角和副偏角的關系：刀尖角與主偏角和副偏角的關系： PoPrPso0 r已加工面加工面待加工面rfnPsPrPo0 r已加工面 r注意：車外注意：車外圓與車端面圓與車端面主、副偏角主、副偏角的變化的變化（2 2）在主切削刃正交平面內）在主切削刃正交平面內(O-O)(O-O)測量的角度測量的角度 前角前角 o o 前刀面與基面間的夾角。當前前刀面與基面間的夾角。當前刀面與基面平行時，前角為零。刀面與基面平行時，前角為零?；嬖谇暗睹嬉詢?，前角為負?；嬖谇暗睹嬉詢龋敖菫樨?。基面在前刀面以外，前

17、角為正?；嬖谇暗睹嬉酝猓敖菫檎?。后角后角 o o 后刀面與切削平面間的夾角。后刀面與切削平面間的夾角。楔角楔角 o o 前刀面與后刀面間的夾角。前刀面與后刀面間的夾角。楔角與前角楔角與前角 o o和后角和后角 o o的關系的關系如下：如下： )(90ooo（3 3）在切削平面內）在切削平面內(S (S向向) )測量的角度測量的角度 刃傾角刃傾角 s s 主切削刃與基面間的夾角。主切削刃與基面間的夾角。 刃傾角正負的規定如圖所示。刀尖處于最高點時，刃傾角為正；刀尖處于刃傾角正負的規定如圖所示。刀尖處于最高點時，刃傾角為正；刀尖處于最低點時，刃傾角為負；切削刃平行于底面時，刃傾角為零。最低點時

18、，刃傾角為負；切削刃平行于底面時，刃傾角為零。（4 4）刀具角度的正負）刀具角度的正負 前角前角o ：前刀面與切削平面前刀面與切削平面之間的夾角為之間的夾角為銳角，銳角，前角為正前角為正，夾角為鈍角，前角為負值。，夾角為鈍角，前角為負值。 后角后角o ：后刀面與基面之間后刀面與基面之間的夾角為的夾角為銳角，后銳角，后角為正，角為正，夾角為鈍角，后角為負值。夾角為鈍角，后角為負值。 刃傾角刃傾角s ：刀尖是主切削刃上：刀尖是主切削刃上最高點最高點時時刃傾角為刃傾角為正，正，刀尖位于主切削刃上最低點時刀尖位于主切削刃上最低點時刃傾角為負，刃傾角為負，主切削刃與基面平行時時主切削刃與基面平行時時刃傾

19、角為零。刃傾角為零。三、刀具角度的選擇三、刀具角度的選擇在保證加工質量的前提下，能夠滿足刀具使用壽命長、生產效率高、加工成本低的刀具幾何參數，稱為刀具的合理幾何參數1前角和后角的選擇前角和后角的選擇3刃傾角的選擇刃傾角的選擇2主偏角、副偏角的選擇主偏角、副偏角的選擇1.1.前角前角O （1 1）功用功用O 刀刃鋒利刀刃鋒利，切屑變形，切屑變形切削力和切削功率切削力和切削功率刀刃和刀尖強度刀刃和刀尖強度，散熱體積，散熱體積刀具壽命刀具壽命 前角的大小主要解決刀頭前角的大小主要解決刀頭的堅固性與鋒利性的矛盾的堅固性與鋒利性的矛盾 （2 2）選擇選擇工件材料強度、硬度較低時，應取較大前角，反工件材料

20、強度、硬度較低時，應取較大前角，反之應取較小的前角。之應取較小的前角。加工塑性材料時，應取較大前角，加工脆性材料加工塑性材料時，應取較大前角，加工脆性材料時，應取較小的前角。時，應取較小的前角。刀具材料韌性好（高速鋼），取較大前角，反之刀具材料韌性好（高速鋼），取較大前角，反之（硬質合金）取較小前角。（硬質合金）取較小前角。粗加工時，取較小前角，精加工時，取較大前角。粗加工時，取較小前角，精加工時，取較大前角。 首先要考慮加工材料的硬度，其次考慮加工性質 2.2.后角后角o （1 1）功用功用o 后刀面與工件的摩擦后刀面與工件的摩擦后刀面的磨損率后刀面的磨損率（2 2）選擇選擇首先考慮加工性質

21、 ，其次考慮加工材料的硬度 粗加工或工件材料較硬，后角取較小值；粗加工或工件材料較硬，后角取較小值；工件材料越軟、塑性越大，后角越大；工件材料越軟、塑性越大，后角越大；工藝系統剛度較差時，適當減小后角；工藝系統剛度較差時，適當減小后角； 3.3.主偏角主偏角r r 和副偏角和副偏角r r （1 1）功用功用r r 和和r r 刀刃強度刀刃強度表面粗糙度表面粗糙度，散熱條件散熱條件刀具壽命刀具壽命切屑厚度和單位長切屑厚度和單位長度上的切削力度上的切削力注：主、副偏角過小使徑向切削力增大注：主、副偏角過小使徑向切削力增大, ,容易引起切削振動容易引起切削振動 （2 2）選擇選擇工藝系統剛性較好時，

22、主、副偏角取較小值；這樣有利于提高車刀使用壽命和改善散熱條件及表面粗造度；反之取較大值。當加工臺階時，主偏角應取90，加工中間切入的工件，主偏角一般取60 。 加工很硬的材料時，為減小單位切削刃上的負荷，宜取較小的主偏角。切削層面積相同時，主偏角大的切削厚度大，易斷屑。副偏角大小取決于表面粗糙度，粗加工時取大值，精加工取小值。首先考慮機床、夾具和刀具組成首先考慮機床、夾具和刀具組成的工藝系統的剛性的工藝系統的剛性 ，其次考慮加其次考慮加工工件的幾何形狀和加工性質工工件的幾何形狀和加工性質4.4.刃傾角刃傾角s s （1 1）功用功用（2 2）選擇選擇 主要影響刀頭的強度、切主要影響刀頭的強度、

23、切削分力和切屑的流動方向。削分力和切屑的流動方向。加工一般鋼料和鑄鐵，無沖擊時：加工一般鋼料和鑄鐵，無沖擊時： 粗車粗車s s 0 05 5 精車精車s s 0 0+5+5 有沖擊時：有沖擊時：s s 5 51515 特別大時：特別大時：s s 30304545切削加工高強度鋼、冷硬鋼時：切削加工高強度鋼、冷硬鋼時： s s 30304545。主要看加工性質主要看加工性質 如當如當S =0o 時，時，切屑垂直于切削刃流切屑垂直于切削刃流出；出；S為負值時，為負值時，切屑流向已加工表面；切屑流向已加工表面；S為正值時，切屑為正值時，切屑流向待加工表面。流向待加工表面。 刃傾角增大，可刃傾角增大，

24、可減小切屑變形減小切屑變形,使切使切削輕快。削輕快。控制切屑的流向控制切屑的流向 斷續切削時，當斷續切削時，當刃傾角為零，切削刃刃傾角為零，切削刃與工件同時接觸，同與工件同時接觸，同時切離，會引起振動；時切離，會引起振動；若刃傾角不等于零則若刃傾角不等于零則切削刃上各點逐漸切切削刃上各點逐漸切入工件和逐漸切離工入工件和逐漸切離工件，故切削過程平穩。件，故切削過程平穩?？刂魄邢魅性谇腥肱c切出時的平穩性控制切削刃在切入與切出時的平穩性 切削層是刀具或工件沿進給方向每移動切削層是刀具或工件沿進給方向每移動f f后，刀具正在切除的金屬層。后，刀具正在切除的金屬層。切削層參數就是指這個切削層的截面尺寸。

25、切削層參數就是指這個切削層的截面尺寸。 為了簡化計算，切削層形狀、尺寸規定在刀具的基面中度量，為了簡化計算，切削層形狀、尺寸規定在刀具的基面中度量，切削層的形狀和尺寸將直接影響刀具切削部分所承受的負荷切削層的形狀和尺寸將直接影響刀具切削部分所承受的負荷和切屑的尺寸大小。和切屑的尺寸大小。通常在基面通常在基面PrPr內度量。內度量。 四、切削層參數四、切削層參數如圖所示，車外圓時，當主、副切削刃為直線，且如圖所示，車外圓時，當主、副切削刃為直線，且 s =0s =0，切削層就是車刀由，切削層就是車刀由位置位置移動到位置移動到位置即一個即一個f f距離，刀具正在切削的那層金屬層，可見，切削距離，刀

26、具正在切削的那層金屬層，可見，切削層的形狀是平行四邊形。層的形狀是平行四邊形。hDf fapapbD r切削層厚度切削層厚度h hD D 是垂直于切削表面度量的切削層尺是垂直于切削表面度量的切削層尺寸。寸。 hD fsinr切削層寬度切削層寬度b bD D 是沿切削表面度量的切削層尺寸。是沿切削表面度量的切削層尺寸。 bD ap/sinr切削層橫截面積切削層橫截面積A AD DDDpDbhafA五、刀具工作角度五、刀具工作角度 刀具在工作參刀具在工作參考系中確定的角考系中確定的角度稱為刀具工作度稱為刀具工作角度。角度。 研究刀具工作研究刀具工作角度的變化趨勢，角度的變化趨勢，對刀具的設計、對刀

27、具的設計、改進、革新有重改進、革新有重要的指導意義。要的指導意義。1 1刀具工作參考系的建立刀具工作參考系的建立 與靜止參考系中正交平面參考系建立的定與靜止參考系中正交平面參考系建立的定義和程序相似，不同點就在于用合成切削速度義和程序相似，不同點就在于用合成切削速度向量代替切削速度向量；用實際安裝條件代替向量代替切削速度向量；用實際安裝條件代替假定安裝條件。假定安裝條件。 2 2刀具工作角度的分析刀具工作角度的分析 在車削、鏜孔、銑削等加工中，通在車削、鏜孔、銑削等加工中，通常因刀具工作角度的變化，對工件已常因刀具工作角度的變化，對工件已加工表面質量或切削性能造成不利影加工表面質量或切削性能造

28、成不利影響。響。v用刃傾角用刃傾角s s=0=0車刀車削外圓時，由于車車刀車削外圓時，由于車刀的刀尖高于工件中心，刀的刀尖高于工件中心，工作前角工作前角oeoe增大增大，而而工作后角工作后角oeoe減小減小。v若切削刃低于工件中心，則若切削刃低于工件中心，則工作前角工作前角oeoe減減小小，而而工作后角工作后角oeoe增大。增大。1)1)刀尖安裝高低對工作前、后角的影響刀尖安裝高低對工作前、后角的影響v當刀桿中心線與進給運動方向不垂直且逆時當刀桿中心線與進給運動方向不垂直且逆時針轉動針轉動G G角時，工作主偏角將增大，工作副偏角角時，工作主偏角將增大，工作副偏角將減小。將減小。2 2）刀桿安裝

29、偏斜對工作主、副偏角的影響）刀桿安裝偏斜對工作主、副偏角的影響六、刀具材料六、刀具材料 金屬切削過程除了要求刀具具有適當的幾金屬切削過程除了要求刀具具有適當的幾何參數外，還要求刀具材料對工件要有良好的何參數外，還要求刀具材料對工件要有良好的切削性能。切削性能。 刀具材料刀具材料(cutting tool materials)(cutting tool materials)在切削在切削時要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊、振動，金屬切削時要承受高溫、高壓、摩擦、沖擊、振動，金屬切削過程中的加工質量、加工效率、加工成本，在很過程中的加工質量、加工效率、加工成本，在很大程度上取決于刀具材料的合理選擇。大程度上取決于刀具材料的合理選擇。1. 1. 刀具材料應具備的性能刀具材料應具備的性能（1 1）高的硬度和耐磨性）高的硬度和耐磨性（2 2）足夠的強度和韌性）足夠的強度和韌性（3 3）高的耐熱性與化學穩定性）高的耐熱性與化學穩定性（4 4）導熱性好，有利于切削熱傳導，降低切削區溫度，導熱性好，有利