铣削和车削的工艺基本原理

1、第一节 数控机床概述一、数控机床的概念数控机床是一种通过数字信息控制机床按给定的运动规律，进行自动加工的几点一体化新型加工装备。一个国家的机床数控化率，反映了这个国家机床工业和机械制造业水平的高低，同时也是衡量一个国家科技进步的重要标志之一。它对于实现生产过程的自动化，促进科技进步和加速现代化建设，都有十分重大的意义。发达国家视数控技术为机械工业发展的战略重点，而大力推进和发展数控技术。二、数控机床的特点1、加工精密度高，产品质量稳定；因为数控机床是按照预定的加工程序自动进行加工，加工过程消除了操作者人为的操作误差，所以零件加工的一致性好，而且加工精度还可以利用软件来进行校正及补偿，因此可以获

2、得比机床本身精度还要高的加工精度及重复精度。2、适用范围广；数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工。因此数控机床在宇航、造船、模具等加工业中得到广泛应用。3、生产效率高；采用数控机床比普通机床可以提高生产效率2-3倍，尤其对某些复杂零件的加工，生产效率可提高十几倍至几十倍。4、劳动强度低；数控机床在输入纸带启动后，就能自动连续加工，直至工件加工完毕自动停车。这样就简化了工人的操作，对工人的加工技术水平要求降低了。同时，在加工过程中，工人的紧张程度也大为减轻。5、有利于生产管理；用数控机床加工零件，能准确地计划零件的加工工时，简化检验工作，减轻工夹具、半成品的管理工作

3、，减少因误操作造成废品和损坏刀具的可能性。这些都利于生产管理水平的提高，可实现生产管理现代化。6、有利于产品的更新改型；用数控机床加工零件，在产品改型时只需重新制作信息载体或重新编制手动输入程序，就能实现对新零件的加工。三、数控机床所涉及的主要技术数控机床是综合了当今世界上许多领域最新的技术成果。主要包括精密机械、计算机及信息处理、自动控制及伺服驱动、精密检测及传感和网络通讯等技术。这些技术的核心是由微电子技术向精密机械技术渗透所形成的机电一体化技术。四、数控机床的主要性能指标1、数控机床的精度指标 定位精度和重复定位精度定位精度是指数控机床上工作台等移动部件在确定的终点所到达的实际位置的精度

4、，因此移动部件实际位置与理想位置之间的误差称为定位误差。定位误差将直接影响零件加工的位置精度。重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同程序代码加工一批零件，所达到的连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统的间隙与刚性以及摩擦特性等因素的影响。它影响一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。 分度精度分度精度是指分度工作台在分度时，理论要求回转的角度和实际回转的角度值的差值。分度精度既影响零件加工部位在空间的角度位置，也影响孔系加工的同轴度等。 分辨度与脉冲当量分辨度是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隔。对测量系统而言，分辨度是可以测量的最小增量；对控制系统而言

5、，分辨度是可以控制的最小位移增量，即数控装置每发出一个脉冲信号，反映到机床移动部件上的移动量，一般称为脉冲当量。脉冲当量是指设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定数控机床的加工精度和表面质量。2、数控机床的可控轴数与联动轴数数控机床的可控轴数是指机床装置能够控制的坐标数目。数控机床的联动轴数是指机床数控装置控制的坐标轴同时达到空间某一点的坐标数目。目前有两轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。三轴联动数控机床可以加工空间复杂曲面；四轴联动、五轴联动数控机床可以加工宇航叶轮、螺旋桨等零件。3、数控机床的运动性能指标数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、摆角范围和刀库

6、容量及换刀时间等。五、数控机床的组成及结构1、数控机床的组成从广义上来说，数控机床由以下几部分组成，其原理框图如下所示：程序载体输入装置数控装置伺服驱动系统强电控制装置检测装置机床（主运动，进给运动，辅助操作）2、数控机床的典型结构在数控机床发展的最初阶段，人们通常将传统机床装备上数控装置，或将通用机床进行局部改进就认为是一台很好的数控机床，随着数控技术的发展，对数控机床的生产率、加工精度和寿命提出了更高的要求。因此，传统机床的一些弱点例如结构刚性不足，抗震性差，滑动面的摩擦阻力较大以及传统元件中的间隙等，就越来越明显，它的某些结构限制着数控机床技术性能的发挥，因此，现代数控机床在机械结构上许

7、多地方与普通机床显著不同。现今的数控机床有着独特的机械结构，除了基础部件外，主要由以下各部分组成：1 主传动系统；2 伺服系统；3 进给系统；4 工件实现回转、定位的装置及附件；5 自动换刀装置；6 实现某些动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置；7 实现其他特殊功能装置如监控装置、加工过程图形显示、精度检测等。第二节 铣削和车削的工艺基本原理一、切削率和速度( 铣削）每个单独范例中刀具的最优速度取决于切削刀具材料等级、工件的材料以及刀具直径。在实践工作中，刀具的最优速度通常是在未经任何计算而是根据多年的经验输入的。然而确定最优速度的最佳方法是，根据适用表格

8、中指定的切削速度计算出最优速度值。确定切削速度 :首先，根据制造商目录或者参考表手册确定最优的切削速度。平均值 Vc = 应该选择 115 m/min。计算速率：使用切削速度和已知的刀具直径计算速率 n。以下实例示范如何计算两种刀具的速率：在这种情况下，输入将为 S580和S900。在这种速率下，切削速度可达到 115 m / min。要确定刀具切削，必须给该切削速度或者速率分配刀具进料速度。进给率的基本值是特征量“每齿进给”。 确定每齿进给：像切削速度一样，每齿进给的数值同样也是使用参考表手册或者刀具制造商的适用文件确定的。确定进给率：进给率 vf 是通过每齿进给、齿数和已知的速率计算出来的

9、。以下实例示范如何用不同的齿数计算进料速度：d1 = 63mm, z1 = 4 d2 = 63mm, z2 = 9在这种情况下，输入值四舍五入为 F340和 F780在这种进给率下，每齿进给可达到 0.15 mm。二、切削率和速度( 车削）和铣削不同，车削通常要求直接对期望的切削速度进行程序设计，即在粗加工、精加工和切入磨削时对切削速度进行程序设计。只要当钻削和 ( 大多数情况下）当切削螺纹时，才使用程序设计的期望速度。确定切削速度：首先，根据制造商目录或者参考表手册确定最优的切削速度。粗加工、精加工和切入磨削时的切削速度固定值vc( G96)：要确保选择的切削速度适用于每种工件直径，应通过控

10、制系统使用命令G96=固定切削速度采用适用的速率。该程序可以通过使用直流电动机或者变频三相电动机执行。 通过缩小直径，在理论上速率可以无限增大。为了避免由于径向力过大造成的事故，必须通过程序设计极限速度，例如将速度限定在每分钟转数 （r.p.m） 3,000 次以内。在这种情况下，输入量应为 G96 S180 LIMS=3000。钻削和切削螺纹时的固定速率 n ( G97)：由于在钻削时速率是固定的，在这种情况下必须使用命令 G97 = 固定速率。The spe速率取决于期望的切削速度 ( 在这种情况下选择 120 m / 分）以及刀具直径。在这种情况下，输入量应为 G97 S1900。要确定

11、刀具切削，必须给该切削速度或者速率分配刀具进给率。进给率的基本值是特征量“每齿进给”。确定进给：像切削速度一样，进给的数值同样也是使用参考表手册或者刀具制造商的适用文件或者根据经验知识确定的。进给量和进给率之间的相互关系：固定的进给量f 和进给率vf产生的适用速率。 由于速率不同，不同的直径上的进给率也不同(尽管程序设计的进给相同）。第三节 手工编程中的数学问题在手工编程工作中，数学处理不仅占有相当大的比例，有时甚至成为零件加工成败的关键。它不仅要求编程人员具有较扎实的数学基础知识，还要求掌握一定的计算技巧，并具有灵活的处理问题的能力，才能准确和快捷地完成计算处理工作。一、数学处理的内容数学处

12、理的内容包括数值换算、尺寸链解算、坐标值计算和辅助计算等。二、手工编程中常用的计算方法1、作图计算法作图计算法是以准确绘图为主，并辅以简单加、减运算的一种处理方法，因其实质为作图，故在习惯上也称为作图法。其绘图、计算后所得将诶过得准确度，完全由绘图得精度确定。作图计算法的要求有：1 要求绘图工具的质量较高；2 绘图要做到认真、仔细并保证度量准确；3 图线应尽量细而清晰，多次绘制同一个同心圆时，要避免圆心移位；4 图形严格按比例进行，当采用坐标纸进行绘图时，可尽量选用较大的放大比例，并尽可能使基点落在坐标格的交点上。2、代数和平面几何计算法代数计算法常用公式：(1) 乘方公式：（a±b

13、）2=a2±2ab+b2(2) 一元一次方程ax2+bx+c=0(a0)的求根公式平面几何计算法常用知识点：（1） 勾股定理（2） 相似三角形原理 3、三角函数计算法三角函数计算法简称三角计算法。在手工编程中，因为这种方法比较容易掌握，所以应用十分广泛，是进行数学处理时重点掌握的方法之一。三角计算法主要应用三角函数关系式及部分定理： 在直角三角形ABC中，a、b、c分别是A、B、C的对边，C为直角。则定义以下运算方式：sinA=A的对边长/斜边长，sinA记为A的正弦；sinAa/c cosA=A的邻边长/斜边长，cosA记为A的余弦；cosAb/c tanA=A的对边长/A的邻边长

14、，tanAsinA/cosAa/b tanA记为A的正切；当A为锐角时sinA、cosA、tanA统称为“锐角三角函数”。 sinAcosB sinBcosA常见三角函数：在平面直角坐标系xOy中，从点O引出一条射线OP，设旋转角为，设OP=r，P点的坐标为(x,y)。在这个直角三角形中，y是的对边，x是的邻边，r是斜边，则可定义以下六种运算方法：基本函数表达式语言描述正弦函数sin=y/r角的对边比斜边余弦函数cos=x/r角的邻边比斜边正切函数tan=y/x角的对边比邻边余切函数cot=x/y角的邻边比对边正割函数sec=r/x角的斜边比邻边余割函数csc=r/y角的斜边比对边 正弦定理

15、余弦定理 4、平面解析几何计算法因为数控机床加工的零件轮廓多由直线和圆弧组成，所以这里主要介绍采用直线和圆的方程解其基点坐标的计算方法。1 常用直线方程的形式（1） 直线方程的一般形式：式中A、B、C为任意实数，并且A、B不能同时为零。（2） 直线方程的标准形式（斜截式）：式中k为直线的斜率，即倾斜角的正切值；b为直线在Y轴上的截距。（3） 直线方程的点斜式式中、为直线通过已知点的坐标。（4） 直线方程的两点式式中、为直线上已知点1的坐标；、为直线上已知点2的坐标。（5） 直线方程的截距式式中a、b分别为直线在X、Y轴上的截距。（6） 直线方程的法线式式中为正想X轴与正向法线（n）间沿逆时针方

16、向的夹角。P为直线到坐标原点的距离（ON）。NhXYOL2 常用的圆方程（1） 圆的标准方程（2） 圆的一般方程将圆的标准方程展开后，即可得到圆的一般方程：（3） 圆心在坐标原点上的圆方程第四节 工件定位和加工路线一、夹具的选择、工件装夹方法的确定1.夹具的选择数控加工对夹具主要有两大要求：一是夹具应具有足够的精度和刚度；二是夹具应有可靠的定位基准。选用夹具时，通常考虑以下几点：1 尽量选用可调整夹具、组合夹具及其它通用夹具，避免采用专用夹具，以缩短生产准备时间；2 在成批生产时才考虑采用专用夹具，并力求结构简单；3 装卸工件要迅速方便，以减少机床的停机时间；4 夹具在机床上安装要准确可靠，以

17、保证工件在正确的位置上加工。2.夹具的类型数控车床上的夹具主要有两类：一类用于盘类或短轴类零件，工件毛坯装夹在带可调卡爪的卡盘(三爪、四爪)中，由卡盘传动旋转；另一类用于轴类零件，毛坯装在主轴顶尖和尾架顶尖间，工件由主轴上的拨动卡盘传动旋转。数控铣床上的夹具，一般安装在工作台上，其形式根据被加工工件的特点可多种多样。如：通用台虎钳、数控分度转台等。3.工件的安装数控机床上零件的安装方法与普通机床一样，要合理选择定位基准和加紧方案，注意以下两点：1 力求设计、工艺与编程计算的基准统一，这样有利于编程时数值计算的简便性和精确性；2 尽量减少装夹次数，尽可能在一次定位装夹后，加工出全部待加工表面。二

18、、走刀路线的确定走刀路线与工件的加工精度和粗糙度直接相关。其确定原则是：1 使数值计算容易，以减少编程工作量；2 尽量使走刀路线最短，减少刀具空程距离和时间；3 铣削加工中顺铣和逆铣得到的表面粗糙度是不同的，精铣时应尽量采用顺 铣，以利于提高零件的表面质量。顺铣是指在铣刀与工件的相切点，刀齿旋转的切线方向与工件的进给方向相反。逆铣是指在铣刀与工件相切的点上，刀齿旋转的切线方向与刀具的进给方向相同。 逆铣时，每个刀齿从切入至切出，其切削厚度由零增至最大值。由于刀齿的刃口不可能磨得绝对锋利，因而每个刀齿切入工件时，总是首先挤压已加工表面，并滑行一小段路程后才切入工件，这样不仅会使工件已加工表面产生

19、硬化，影响表面质量，而且将加速刀具的磨损。此外，逆铣时，刀齿对工件作用力的垂直分力方向向上，这对压紧工件是个不利因素。但逆铣时，其进给运动比顺铣平稳，在工件表面硬度较高时宜采用逆铣。顺铣时，每个刀齿的切削厚度由最大减小到零，切入时没有挤压和滑行现象，对减小刀齿磨损、工件表面硬化程度和表面粗糙度都比较有利。同时，刀齿对工件作用力的垂直分力方向向下，有利于压紧工件。由于顺铣时刀齿的水平分力与进给运动方向相反，刀齿忽大忽小的水平分力可能会使丝杠牙行与螺母之间忽而左侧出现间隙，忽而右侧出现间隙，导致丝杠与螺母传动时断时续。因此，顺铣时进给运动不平稳，容易发生扎刀或打刀事故。而逆铣则相反，进给运动非常平

20、稳。第五节 刀具磨损和提高耐用度一、刀具磨损1、刀具的磨损形式刀具作为生产消耗品，切削过程中刀具的前刀面和后刀面经常要与切屑和工件接触，产生剧烈摩擦，同时接触区内有相当高的温度和压力。因此前刀面和后刀面会发生磨损。其磨损的形式有三种：a 前刀面磨损 切削塑性材料时，切屑与前刀面相互接触，以形成月牙洼磨损为主。b 后刀面磨损 切削脆性材料时，切屑与前刀面接触长度短，而相对刀刃钝圆使后刀面磨损较大c 边界磨损 切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮以及副切削刃靠近刀尖处的后刀面上，磨出较深的沟纹。2、刀具磨损的原因由于工件、刀具材料和切削条件变化很大，刀具磨损形式也各不相同。正常磨损主要是机械磨损和

21、热、化学磨损。3、刀具磨损的过程铣削加工产生刀具磨损过程分为三个阶段：a 初期磨损阶段 新刃磨的刀具刀面存在粗糙不平之处以及显微裂纹、氧化等缺陷，切削刃比较锋利，接触面较小，压应力较大。因此，这一阶段磨损较快。b 正常磨损阶段 经过初期磨损后，刀具毛糙表面已经磨平，进入正常磨损阶段，这个阶段磨损比较缓慢均匀，随时间延长而成近似的正比例增加。因此，这一阶段时间较长。c 急剧磨损阶段 当磨损带宽度增加到一定限度后，加工表面变得粗糙，切削力与切削温度迅速升高，磨损速度增加很快，以致刀具损坏而失去切削能力。生产中为了合理使用刀具，保证加工质量，应当避免达到这个磨损阶段。在这个阶段到来之前，就要及时换刀

22、。4、如何减少刀具磨损a 刀具的安装应保证刀夹清洁无异物，确保刀具的安装精度；b 选择刀具时，尽可能选用刚性好（大直径或柄径）的刀具；c 刀具安装时，悬出长度应尽可能短；d 刀具在开始使用时，首先应进行低速磨合，速度一般掌握在正常速度的50%；e 粗加工时，应尽可能采用顺铣；f 加工过程中，遇振动加剧，应及时暂停，降低转速、走刀速度；g 使用切削液，充分冷却、润滑，不可中途加注或关闭；h 及时清理切削区域的切屑。二、刀具耐用度1.刀具耐用度的定义所谓刀具耐用度是指刃磨后的刀具从开始切削至达到磨钝标准时，所用的切削时间。在磨损限度确定后，刀具耐用度和磨损速度有关。磨损速度愈慢，耐用度愈高，因此凡

23、影响刀具磨损的因素都要影响刀具耐用度。而且刀具耐用度是衡量刀具切削性能好坏的重要标志。因此我们要分析影响刀具耐用度的因素，从而有效地控制这些因素之间的相互关系，以便得到合理的刀具耐用度，使刀具具有良好的切削性能。刀具磨损到一定限度就不再继续使用，这个磨损限度称为磨钝标准。在生产实际中，为可更方便、快速、准确地判断刀具的磨损情况，一般是以刀具耐用度来间接地反映刀具的磨钝标准。刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准所经历的总切削时间称为刀具耐用度。刀具耐用度与刀具重磨次数的乘积就是刀具寿命，即一把新刀具从开始投入使用直到报废为止的总切削时间。2.影响刀具耐用度的因素影响刀具耐用度的因素，归纳

24、起来可以分为五个方面：切削用量，刀具的几何参数，工件材料，刀具材料，刀具的刃磨质量和润滑冷却条件。1 切削用量对刀具耐用度的影响切削用量即切削速度v，进给量f和切削深度ap，对刀具耐用度的影响规律是：切削用量增大，使切削温度升高，刀具磨损愈快，刀具耐用度下降，但由于切削速度、进给量及切削深度三者对切削温度的影响程度不同，因此对刀具耐用度的影响也不同。例如用YT15硬质合金车刀，以f0.30.75毫米转的进给量车削b7.5公斤力毫米的碳素钢时，当切削速度v增大一倍时，刀具 耐用度下降97；进给量f增大一倍时，刀具耐用度下降70，而切削深度ap增大一倍时， 刀具耐用度下降仅40左右，由此看来切削速

25、度影响最大，进给量次之，切削深度影响最小。因 此当确定了刀具耐用度的合理值后，应首先考虑增大切削深度ap，然后根据加工条件和加工要求 选择尽可能大的发挥刀具的切削性能，又能提高切削效率。刀具耐用度和切削用量的推荐表刀具材料被加工材料工序切削用量推荐的刀具耐用度T（min）vc（m/min）f(mm/r)ap(mm)切削液YT1545钢粗车外圆1000.354无102YT1545钢粗车外圆1340.604.5无56YT1545钢（调质）粗车外圆590.555无75YT1538CrSi（调质）粗车外圆800.605无63YT1540Cr粗车外圆770.252无99YT1540Cr镗内孔830.54

26、无60YT1530Cr2MoVA粗车外圆690.455.5无55YG8HT20-40粗车外圆890.84.5无55YG8HT20-40粗车端面650.6535无95高速钢45钢钻¢20孔200.210乳化液801202 刀具几何参数对刀具耐用度的影响前角对刀具耐用度的影响很明显，如太大，刀刃的强度降低，散热差，且易破损；如太小又使切削力 和切削温度增加过多，在这两种情况下耐用度都会下降，前角对刀具耐用度的影响呈“驼峰形”，它的峰顶前角耐用度最高。主偏角K减小，增加刀具强度，改善散热条件，耐用度增高。此外 适当减小副偏角K和增大刀尖圆弧半径都能提高刀具强度，改善散热条件，使刀具耐用度提

27、高。刀具几何参数对刀具耐用度有较显著的影响，是刀具几何参数合理和先进与否的重要标志之一。3 工件材料对刀具耐用度的影响工件材料的强度、硬度越高，产生的切削温度越高，故刀具磨损越快，刀具耐用度越低。切削碳素结构钢时，钢的含碳量对刀 具耐用度有较大的影响。含碳量越高，渗碳 体和珠光体的比重就越大，硬度就越高，刀具的磨损也就越快。因此切削高碳钢时刀具磨损较快，耐用度较低；切削中碳钢时刀具磨损就相对较慢，耐用度也相对较高。此外加工材料的延伸率越大 或导热系数越低，均能使切削温度升高，刀具耐用度降低。4 刀具材料对刀具耐用度的影响刀具切削 部分材料是影响刀具耐用度的主要因素，改善刀具材料的切削性能，使用

28、高，就越耐磨，耐用度也 越高。5 刀具刃磨质量和冷却润滑条件对刀具耐用度的影响刀具的刃磨质量对刀具的耐用度有很大的 影响。如硬质合金刀具用碳化硅砂轮刃磨后，若不用细油石研磨，则由于刀刃有锯齿状的微小缺口、前后刀面表面粗糙度较高等原因，刀具的磨损较快，耐用度低，有时还易崩刃。实践表明，经过仔细研磨的车刀，耐用度可比未研磨的提高50左右。使用冷却润滑液能降低切削区的温度并减 少刀具与工件、刀具与切屑间的摩擦，对提高刀具耐用度是有利的。实验表明，用乳化液能降低切 削区温度50100，用切削油能降低切削区温度4060。所以，高速钢刀具在切 削负荷较重的条件下，则多用水剂润滑液冷却，切削负荷较轻而精度较高和表面粗糙度要求较低的 条件下则多用油剂润滑液，使刀具与工件