数控机床编程与操作4、数控机床加工的切削用量

1、第4讲数控机床加工的切削用量4.1 车削加工与刀具车削加工与刀具4.2 车削加工切削用量的选择车削加工切削用量的选择4.3 铣削加工与刀具铣削加工与刀具4.4 铣削加工切削用量的选择铣削加工切削用量的选择 第4讲数控机床加工的切削用量4.1 车削加工与刀具车削加工与刀具1.车削加工原理 在数控车床上，可以进行工件的外表面、端面、内表面以及内、外螺纹的加工。要完成这些加工，刀具和工件之间必须具有相对运动，这种相对运动称为切削运动。根据切削运动在切削过程中的不同可以分为主运动和进给运动。各种机床的主运动和进给运动见下表：主运动主轴（砂轮刀具）工作台（或砂轮轴）机床类型数控车床数控铣床数控磨床数控镗

2、床主轴（工件）主轴（刀具）主轴（刀具）进给运动刀架工作台工作台 第4讲数控机床加工的切削用量（1）主运动 主运动是指机床提供的主要运动。主运动使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具的前刀面接近工件并对工件进行切削。在车床上，主运动是机床上主轴的回转运动。这一点对于普通车床和数控车床是一样的。（2）进给运动 进给运动是指由机床提供的使刀具与工件之间产生的附加相对运动。进给运动与主运动相配合，可以形成完整的切削加工。在普通车床上进给运动是机床刀架（溜板）的直线移动。它可以是纵向的移动（与机床主轴线平行），也可以是横向的移动（与机床主轴轴线垂直），但只能是一个方向的移动。例如车削外圆时，车刀沿平行

3、工件轴线（即主轴轴线的方向）作纵向运动；而车削端面时，车刀沿垂直于机床主轴轴线的方向作横向移动。 第4讲数控机床加工的切削用量 与普通车床不同的是，数控车床可以同时实现两个方向的进给，从而加工出各种具有复杂母线的回转体工件。 在车削加工中，主运动消耗的能量较大，进给运动所消耗的能量要小些。在普通车床中，主运动和进给运动的动力都来源于同一台电动机。通过一系列的机械传动，把电动机的能量分配给主运动和进给运动，进而实现车削加工。在数控车床中，主运动和进给运动是由不同的电动机来驱动的，分别称为主轴电动机和坐标轴伺服电动机。它们由机床的控制系统进行控制，自动完成切削加工。 第4讲数控机床加工的切削用量2

4、.切削用量 切削用量是指机床在切削加工时的状态参数（如图如图）。不同类型的机床对切削用量参数的表述也略有不同，但其基本的含义都是一致的。（1）切削速度（V c） 切削刃上的切削点相对于工件运动的瞬时速度称为切削速度。切削速度的单位为mm /min。在各种金属切削机床中，大多数切削加工的主运动都是机床主轴的运动，即都是回转运动。切削速度与机床主轴之间进行转换的关系为：Vc = dn/1000式中：Vc 切削速度， mm /min；d 工件直径， mm；n 主轴转速，r/min 。 第4讲数控机床加工的切削用量（2）进给量（f ） 不同种类的机床，进给量的单位是不同的。对于普通车床，进给量为工件（

5、主轴）每转过一转，刀具沿进给方向上相对于工件的移动量，单位为mm/r；对于数控车床，由于其控制原理与不同车床不同，进给量还可以用进给速度V f（单位为mm/min）来表示，即刀具在单位时间内沿着进给方向上相对于工件的位移量。（3）背吃刀量（ap） 背吃刀量（原称为切削深度）为已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。对于车刀而言，背吃刀量ap的计算公式为：ap=（dw-dm）/2 式中：dw 待加工表面直径，mm； dm 已加工表面直径，mm； 第4讲数控机床加工的切削用量车削加工中切削用量示意图车削加工中切削用量示意图ap=（dw-dm）/2 第4讲数控机床加工的切削用量 切削加工中，切削速度、

6、进给量和背吃刀量这三个参数是相互关联的。在粗加工中，为了提高效率，一般采用较大的背吃刀量。此时切削速度和进给量相对较小；而在半精加工和阶段，一般采用较大的切削速度、较小的进给量和背吃刀量，以获得较好的加工质量（包括表面粗糙度、尺寸精度和形状精度）。 （4）切削时间tm切削时间是反映切削效率高低的一种指标。（5）金属切除率 金属切除率是指每分钟切下工件材料的体积。它是衡量切削效率高低的另一个指标。（6）合成切削运动和合成切削速度 当主运动与进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对于工件的运动称为合成切削运动，其大小与方向用合成速度v表示，合成速度等于主运动与进给速度之和。Vf VVcV= Vc

7、+ Vff 第4讲数控机床加工的切削用量合成切削速度示意图合成切削速度示意图 第4讲数控机床加工的切削用量3.切削刀具（车刀） 车刀分为焊接刀具和机夹刀具两大类。 车刀切削部分的主要构成包括：（1）前刀面Ar 指被切下的切屑经过的刀片表面。 （2）主后刀面A 刀头上与待加工表面相对的表面。（3）副后刀面A 刀具上与已加工表面相对的表面。（4）主切削刃S 前刀面与后刀面相交处形成的切削棱，用于切出工件上的过渡表面，是刀具主要的加工刃。 （5）副切削刃S 前刀面与副后刀面相交处形成的切削棱，主要作用是配合主切削刃，完成金属材料的切除。（6）刀尖 主切削刃与副切削刃交接处形成的切削点。刀尖有倒棱刀尖

8、和倒圆刀尖两种。 第4讲数控机床加工的切削用量车刀示意图车刀示意图 第4讲数控机床加工的切削用量4.刀具切削部分（刀头）的几何角度（1）基面Pr 此平面是指通过切削刃上的某个选定点且垂直于主运动方向的平面。对于车刀就是通过刀尖并与刀柄安装平面平行的平面。 （2）切削平面Ps 是指通过切削刃上的某个选定点且垂直于基面的平面。对于一般切削刃的车刀，这个平面就是包含切削切削刃并与刀柄安装平面垂直的平面。 （3）正交平面P。 也称为主截面。是指通过切削刃上的选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。即经过刀尖并垂直于切削刃在基面上投影的平面。 第4讲数控机床加工的切削用量正交平面参考系正交平面参考系 第

9、4讲数控机床加工的切削用量在正交平面内测量的角度有： 前角。 前刀面与基面的夹角。当前刀面与基面的夹角小于90时，前角为正值；刀面与基面的夹角大于90时，前角为负值。 后角。 后刀面与切削平面间的夹角。由于后角的存在，后刀面与加工过渡面之间的摩擦力大大减小。 楔角。 前刀面与后刀面间的夹角。在基面内测量的角度有： 主偏角Kr 主切削平面与假定运动方向之间的夹角，恒定为正值。 副偏角Kr 副切削平面与假定运动反方向之间的夹角，恒定为正值。 刀尖角r 主切削平面与副切削平面之间的夹角。 第4讲数控机床加工的切削用量车刀的主要角度车刀的主要角度 第4讲数控机床加工的切削用量5.切削层1.切削层参数

10、切削层形状、尺寸直接影响着刀具承受的负荷。切削层尺寸与背吃刀量、进给量f 大小有关，直接影响切削过程的是切削横截面面积及其厚度、宽度尺寸。它们的定义如下：1）切削厚度ac 垂直于加工表面度量的切削层尺寸， mm。2）切削宽度aw 平行于加工表面度量的切削层尺寸， mm。3）切削面积 A Ac 切削层在基面投影中的面积。 第4讲数控机床加工的切削用量切削层参数切削层参数 第4讲数控机床加工的切削用量4.2 车削加工切削用量的选择车削加工切削用量的选择 当确定了刀具的几何参数后，还需要选择切削用量参数背吃刀量ap 、进给量f 和切削速度 v 才能进行切削加工。目前一般是先参考切削用量手册，在根据经

11、验，最后通过工艺试验来确定切削用量。相同的加工条件，选用不同的切削用量会产生不同的切削效果。切削用量选低了，会降低生产效率，增加生产成本；切削用量选高了，将加速刀具磨损，降低加工质量，增加磨刀时间和磨刀费用，也会影响生产效率和生产成本。因此，数控加工时要优选出一组相对最佳的切削用量，在满足经济性和效率较高的情况下，加工出符合质量要求的零件。 第4讲数控机床加工的切削用量 机床功率 切削用量对机床功率的影响是由于切削力和切削速度变化造成的。当背吃刀量ap和切削速增大时，均使切削功率度成正比增加。此外，增大ap使切削力增加较多，而增大进给量f 使切削力增加，消耗功率也较少。所以在粗加工时，应尽 量

12、增大进给量f 。 刀具耐用度 在切削用量参数中，对刀具耐用度影响最大的因素是切削速度v，其次是进给量f ，影响最小的是背吃刀量ap。过高的切削速度和进给量，会由于经常磨刀、装卸刀而增加加工费用。可见优先增大背吃刀量ap可提高生产效率。 第4讲数控机床加工的切削用量 加工表面粗糙度 这是在半精加工、精加工时确定切削用量应优先考虑的因素。在理想的条件下，提高切削速度v能减小表面粗糙度值。而在一般条件下，增大背吃刀量ap对切削过程产生的积屑瘤、鳞刺、冷硬和残余应力的影响并不显著，故增大ap对表面粗糙度影响较小。所以，进给量f 的增加将主要受加工表面粗糙度的限制。 综上所述，合理选择切削用量应首先选取

13、尽量大的背吃刀量ap，其次选择大的进给量f ，最后根据已确定的ap和 f ，并在刀具耐用度和机床功率允许条件下选择合理的切削速度v。 第4讲数控机床加工的切削用量2.切削用量选择举例 粗加工的切削用量，一般以提高生产效率为主，但也应考率加工成本；半精加工和精加工的切削用量应以保证加工质量为前提，并兼顾切削效率和加工成本。粗车和半精车切削用量的具体选择方法介绍如下：（1）粗车切削用量选择1）背吃刀量ap 根据加工余量多少而定。除留给下道工序的余量外，其余的粗车余量用尽可能少的走刀次数切除。例如在纵车外圆时： 当粗车余量A大或加工的工艺系统刚性较差时，加工余量A可分两次或数次走刀切除： 第一次走刀

14、的背吃刀量ap为 ap1=（2/3-3/4）A 第二次走刀的背吃刀量ap为 ap2=（1/3-1/4）A 第4讲数控机床加工的切削用量2）进给量f 当背吃刀量确定后，再选出进给量f ，就能计算切削力。该力作用在工件、机床和刀具上，应为它们的刚度和强度所允许。也就是说，应在不损坏刀片和刀杆、不损坏机床进给机构、不顶弯工件和不产生振动的条件下，选取一个最大的进给量f 值。或者利用确定的和f ，求出主切削力Fz，来校验刀片和刀杆的强度；根据计算出的切深抗力Fy来校验工件的刚度；根据计算出的进给抗力Fx来校验机床进给机构薄弱环节的强度等。 按上述原则，可利用计算的方法或查手册资料来确定进给量f 值。3

15、）切削速度v 在背吃刀量和进给量选定后，根据规定达到的合理耐用度值，就可确定切削速度v。 第4讲数控机床加工的切削用量1.切削用量选择原则 要提高生产效率应尽量增大背吃刀量ap、进给量f 和切削速度 v 。事实上，在提高切削用量时会受到切削力、切削功率、刀具耐用度和加工表面粗糙度等许多因素的限制。因此，所确定的切削用量应是达到零件的质量要求、并在工艺系统强度和刚度允许的条件下充分利用机床功力和发挥刀具切削性能的最大切削用量。生产效率 背吃刀量ap、进给量f 和切削速度 v 增大，会使切削时间减小。当加工余量一定时，减小背吃刀量ap会使走刀次数增多，切削时间增加，生产效率降低。所以，一般情况下尽

16、量优先增大ap，以求一次进刀切除全部加工余量。 第4讲数控机床加工的切削用量（2）半精车、精车切削用量选择1）背吃刀量 半精车的余量较小，约在1mm 2mm 左右。精车余量更小。半精车、精车的背吃刀量的选择，原则上应一次切除。但当使用硬质合金车刀精车时，考虑到刀尖圆弧半径与刃口圆弧半径的挤压和摩擦作用，背吃刀量不宜过小，建议取值0.5mm 。2）进给量f 半精车和精车的背吃刀量较小，产生的切削力不大，所以增大进给量主要受到表面粗糙度限制。在已知的切削速度v（预先假设）和刀尖圆弧半径条件下，根据加工要求达到的表面粗糙度，可利用计算的方法或手册资料确定进给量。 第4讲数控机床加工的切削用量3）切削

17、速度Vc 半精车、精车的背吃刀量和进给量f 较小，切削力对工艺系统强度和刚度影响较小，消耗功率较少，故切削速度Vc主要受刀具耐用度限制。需要注意的是，交流变频调速的数控车床低速输出力矩较小，因此切削速度不能太低。（3）车削螺纹时的主轴转速 在车削螺纹时，车床的主轴转速将受到螺纹导程大小、驱动电机的升降频特性，以及螺纹插补运算速度等多种影响，故对于不同的数空系统，推荐不同的主轴转速选择范围。一般数控车床的车削螺纹时的主轴转速为n1200（P-k）（k为保险系数，一般取80）。 第4讲数控机床加工的切削用量3.切削用量优化设计概念 实际生产中，由于加工零件、所用机床、刀具和夹具等条件的变化和切削用

18、量选择的理论依据与实际加工情况的差别，因此无法从手册或凭经验来确定一组合理的切削用量。在切削用量中，背吃刀量是由零件的余量决定的，假定它为常数。优化设计是指求出最优的切削速度和进给量。 切削用量优化的评定指标可以从下述几个方面确定：按最高生产率标准评定；按最低成本标准评定；按最大利润标准评定。 第4讲数控机床加工的切削用量4.3 铣削加工与刀具 铣削适用于加工平面、台阶面、沟槽、成形表面及切断等。下面以圆柱铣刀和面铣刀为例，介绍铣刀的几何参数和铣削过程特点。 1.铣刀的类型和几何参数（1）铣刀的类型 铣刀是刀齿分布在旋转表面上或端面上的多刃刀具。按刀齿背形状可分为尖齿铣刀和铲齿铣刀，尖齿铣刀与

19、铲齿铣刀相比，具有加工表面质量好、耐用度高、切削效率高等优点，因此得到广泛使用。 第4讲数控机床加工的切削用量（2）铣刀的几何参数以圆柱铣刀和面铣刀为例来分析铣刀的几何参数。1）铣刀的标注坐标系 铣削时，铣刀旋转是主运动，工件与沿铣刀进给方向的相对运动是进给运动。铣刀的主剖面标准坐标系由基面、切削平面、主剖面组成，基面是垂直于主运动速度方向的平面；切削平面是过切削刃上选定点与切削刃相切且垂直于基面的平面。主剖面是通过切削刃上选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。2）铣刀的几何角度 圆柱铣刀的几何角度：圆柱铣刀的主剖面和进给剖面相重合，所以前角和后角分别等于进给前角和进给后角。 圆柱铣刀的螺旋

20、角是螺旋刀刃展开成直线后，刀刃与铣刀轴线间的夹角。一般细齿圆柱铣刀=30 35，粗齿圆柱铣刀=40 45。 第4讲数控机床加工的切削用量2.铣削用量（如图所示）（如图所示）（1）铣削深度 平行于铣刀轴线测量的切削层尺寸，mm；（2）铣削宽度垂直于铣刀轴线测量的切削层尺寸，mm；（3）进给用量1）每齿进给量 铣刀每转过一个刀齿时，工件与铣刀的相对位移，mm/z；2）每转进给量铣刀每转一转时，工件与铣刀的相对位移，mm/r；3）进给速度单位时间内工件与铣刀的相对位移，mm/min；铣削时进给运动的大小有下列三种表示法： 铣削加工的切削用量铣削加工的切削用量 第4讲数控机床加工的切削用量 第4讲数控

21、机床加工的切削用量（4）铣削速度铣刀旋转运动的线速度。可按下式计算： v =d n /1000式中：d 铣刀直径，mm；n 铣刀转速，r /min；3.铣削切削层要素 铣削时，铣刀相邻两个刀齿在工件上形成加工表面间的一层金属层称为切削层，切削层剖面的形状与尺寸对铣削过程有很大影响。（1）圆柱铣刀层切削要素1）切削厚度 是铣刀上相邻两个刀齿所形成的加工表面间的垂直距离。2）切削宽度 是主切削刃参加工作的长度。 第4讲数控机床加工的切削用量（2）面铣刀切削层要素1）切削厚度 端铣时，刀齿的接触角由最大变为零，然后由零变为最大。所以刀齿开始切入工件时，切削厚度为最小，以后逐渐增大，到中间位置时切削厚度增大，然后又逐渐减小。2）切削宽度端铣时切削宽度保持不变。4.铣削力 铣削时，每个切削的刀齿都受到变形抗力和摩擦力的作用。每个刀齿的切削位置和切削面积随时在变化，所以作用在每个刀齿上的铣削力的大小和方向也在不断变化。在粗铣平面时，可采用阶梯面铣刀，使刀齿在径向和轴向成阶梯形分布，以减小切削深度，增大进给量。 第4讲数控机床加工的切削用量4.4 铣削加工切削用量的选择铣削加工切削用量的选择 切削用量主要包括：铣削深度、铣削速度、进给速度。对于不同的加工方法，需要选用不同的切削用量，合理选择切削用量的原则是：粗加工时，一般以提高生产率为主，但也应该考虑经济性和加