数控加工工艺第一章课件

1、1.1 数控加工工艺系统1.1 数控加工工艺系统的基本组成1、数控机床加工工件的基本过程数控加工工艺系统的组成工艺系统的概念：机械加工中，由机床、夹具、刀具和工件等组成的统一体，称为工艺系统。 数控加工工艺系统的组成：由数控机床、夹具、刀具和工件等组成的 如图1-20 ：图1-20 工艺系统的组成各组成的概念（）数控机床：采用数控技术，或者说装备了数控系统的机床，称为数控机床 。（）夹具：在机械制造中，用以装夹工件（和引导刀具）的装置统称为夹具。 （）刀具：金属切削刀具是现代机械加工中的重要工具。 （）工件：工件是数控加工的对象。1.2 切削运动和切削用量一、切削运动思考：何为金属切削加工 金

2、属切削加工是用金属切削刀具切除工件上多余的或预留的金属，使工件的形状、尺寸及表面质量都达到预定要求的加工。按作用分：切削运动可分为主运动和进给运动二、工件上形成的表面1待加工表面：工件上有待切除的表面。2已加工表面：工件上经刀具切削后形成的新表面。3过渡表面：工件上由切削刃形成的那部分表面。 当用单刃刀具切削时，它将在工件或刀具的下一转或者下一次切削行程中被切除（如车削、刨削），而用多刃刀具切削时，它将被随后的一个切削刃切除（如铣削）。2进给量f进给量是刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量，如图1-3所示。可用刀具或工件每转（或每行程）的位移量来表示，单位为mm/r或mm/行程。 进给速度指

3、切削刃选定点相对工件进给运动的瞬时速度，单位mm/s。车削时进给运动速度 3背吃刀量 背吃刀量是垂直于进给速度方向测量的切削层最大尺寸，单位mm。车外圆时背吃刀量一般指工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离， 工件待加工表面直径（mm）工件已加工表面直径（mm）1.2.2、刀具切削部分的几何角度 金属切削刀具种类繁多、形状各异，但刀具切削部分的组成却有共同点。车刀的切削部分可看作是其它各种刀具切削部分最基本的形态。（一）车刀的组成 车刀由刀柄和刀头组成，刀柄是刀具的夹持部分，刀头则是刀具的切削部分。如图2-5所示，刀头由以下几部分构成。 （1）前刀面A） 切屑流出时经过的刀面称为前刀面。 （2

4、）后刀面A 与过渡表面相对的刀面称为后刀面（也称主后刀面）。 （3）副后刀面A 与已加工表面相对的刀面称为副后刀面。 （4）（主）切削刃S 前刀面与后刀面汇交的边缘称为（主）切削刃。在切削加工过程中，它承担主要的切削任务。 （5）副切削刃S 前刀面与副后刀面汇交的边缘称为副切削刃。它承担少量的切削工作，配合主切削刃完成切削工作并最终形成工件上的已加工表面。 （6）刀尖 刀尖是主、副切削刃的连接部位，或者是主、副切削刃的交点。大多数刀具在刀尖处磨成一小段直线刃或圆弧刃，也有一些刀具主、副切削刃直接相交，形成尖刀尖。 （一）车刀的组成 车刀由刀柄和刀头组成，刀柄是刀具的夹持部分，刀头则是刀具的切削

5、部分。如图2-5所示，刀头由以下几部分构成。（二）刀具的静止角度参考系 为了确定刀具切削部分各刀面和刀刃在空间的位置，以便于设计、制造、刃磨和测量刀具，必须建立一个空间坐标平面参考系，也称为刀具静止角度参考系。由于刀具的几何角度是在切削过程中起作用的，因此，刀具静止角度参考系中坐标平面的建立应以切削运动为依据。 首先给出假定工作条件，假定工作条件包含假定运动条件和假定安装条件，然后建立参考系。在该参考系中确定的刀具几何角度，称为刀具的静止角度，即标注角度。（1）假定运动条件 以切削刃选定点位于工件中心高时的主运动方向作为假定主运动方向； 以切削刃选定点的进给运动方向，作为假定进给运动方向，一般

6、不考 虑进给运动大小的影响，即假设进给量= 0。（2）假定安装条件 假定车刀安装绝对正确，即安装车刀时应使刀尖与工件中心等高，车 刀刀杆对称面垂直于工件轴线。 这样便可用平行或垂直于假定主运动方向的平面构成坐标平面，即参考系。现将刀 具静止参考系的坐标平面定义如下： 基面Pr：通过切削刃选定点垂直于假定主运动方向的平面称为基面。对于车刀，基面平 行于车刀刀杆底面。 切削平面Ps：通过切削刃选定点，与主切削刃相切并垂直于基面的平面称为切削平面。 1 正交平面静止参考系 （1）参考系的建立 正交平面参考系由上述基面、切削平面和正交平面三个 相互垂直的坐标平面组成，如图2-7所示，其中正交平面Po是

7、通过切削刃选定点，同时垂直于基面与切削平面的平面。 （2）角度的标注 在该参考系中可标注以下几个角度，如图2-8所示。 主偏角r 基面中测量的主切削刃与假定进给运动方向之间的夹角称为主偏角。 刃倾角s 切削平面中测量的主切削刃与过刀尖所作基面之间的夹角称为刃倾角。 前角O 正交平面中测量的前刀面与基面之间的夹角称为前角。 后角O 正交平面中测量的后刀面与切削平面之间的夹角称为后角。 副偏角r 基面中测量的副切削刃与假定进给运动方向之间的夹角称为副偏角。 副后角O 副正交平面中测量的副后刀面与副切削平面之间的夹角称为副后角。 楔角O 正交平面中测量的前、后刀面之间的夹角称为楔角O=90o-（O

8、+O） 刀尖角r 基面中测量的主、副切削刃之间的夹角称为刀尖角。 r =180o（r+r） 车削切削层参数（1） 切削层公称厚度hD ：在主切削刃选定点的基面内，垂直于过渡表面的切削层尺寸 。切削层截面的切削厚度为： hD f sinr （2） 切削层公称宽度bD切削层公称宽度bD ：在主切削刃选定点的基面内，沿过渡层表面度量的切削层尺寸 切削层截面的公称切削宽度为： bD ap/sinr切削层公称横截面积AD ：在主切削刃选定点的基面内，切削层的截面面积 。车削切削层公称横截面为： ADhD bDf ap1.3.1 切削过程金属在加工过程中会发生剪切和滑移，图2-4表示了金属的滑移线和流动轨

9、迹，其中横向线是金属流动轨迹线，纵向线是金属的剪切滑移线。图2-5表示了金属的滑移过程。由图可知，金属切削过程的塑性变形通常可以划分三个变形区。（2）第二变形区产生塑性变形的金属切削层材料经过第一变形区后沿刀具前刀面流出，在靠近前刀面处形成第二变形区。在这个变形区域，由于切削层材料受到刀具前刀面的挤压和摩擦，变形进一步加剧，材料在此处纤维化，流动速度减慢，甚至停滞在前刀面上。而且，切屑与前刀面的压力很大，高达23GPa，由此摩擦产生的热量也使切屑与刀具面温度上升到几百度的高温，切屑底部与刀具前刀面发生粘结现象。粘结现象时的摩擦状况2积屑瘤的形成及对加工影响概念：在一定的切削速度和保持连续切削的

10、情况下，加工塑性材料时，在刀具前刀面常常粘结一块剖面呈三角状的硬块，这块金属被称为积屑瘤。 积屑瘤的成因：当金属切削层从终滑移面流出时，受到刀具前刀面的挤压和摩擦，切屑与刀具前刀面接触面温度升高，挤压力和温度达到一定的程度时，就产生粘结现象，也就是常说的“冷焊”。切屑流过与刀具粘附的底层时，产生内摩擦，这时底层上面金属出现加工硬化，并与底层粘附在一起，逐渐长大，成为积屑瘤，如图2-9所示。 积屑瘤的产生与不但与材料的加工硬化有关，而且也与刀刃前区的温度和压力有关。 积屑瘤对金属切削过程产生的影响 ：（1）实际刀具前角增大（2）实际切削厚度增大（3）加工后表面粗糙度增大（4）切削刀具的耐用度降低

11、 （1）实际刀具前角增大刀具前角o指前刀面与基面之间的夹角，其概念将在后节详细论述。如图所示，由于积屑瘤的粘附，刀具前角增大了一个b角度，如把切屑瘤看成是刀具一部分的话，无疑实际刀具前角增大,现为o b 。刀具前角增大可减小切削力，对切削过程有积极的作用。而且，切削瘤的高度Hb 越大，实际刀具前角也越大，切削更容易。（2）实际切削厚度增大由图2-9可以看出，当切削瘤存在时，实际的金属切削层厚度比无切削瘤时增加了一个hD，显然，这对工件切削尺寸的控制是不利的。值得注意的是，这个厚度hD的增加并不是固定的，因为切削瘤在不停变化，它是一个产生，长大，最后脱落的周期性变化过程，这样可能在加工中产生振动

12、。（3）加工后表面粗糙度增大积屑瘤的变化不但是整体，而且积屑瘤本身也有一个变化过程。积屑瘤的底部一般比较稳定，而它的顶部极不稳定，经常会破裂，然后再形成。破裂的一部分随切屑排除，另一部分留在加工表面上，使加工表面变得非常粗糙。可以看出，如果想提高表面加工质量，必须控制积屑瘤的发生。（4）切削刀具的耐用度降低从积屑瘤在刀具上的粘附来看，积屑瘤应该对刀具有保护作用，它代替刀具切削，减少了刀具磨损。积屑瘤的粘附是不稳定的，它会周期性的从刀具上脱落，当它脱落时，可能使刀具表面金属剥落，从而使刀具磨损加大。对于硬质合金刀具这一点表现尤为明显。问题某工厂车工师傅在粗加工一件零件时，他采用了在刀具上产生积屑

13、瘤的加工方法，而在精加工时，他又努力避免积屑瘤的产生，请问这是为什么？在防止积屑瘤方面，你认为能用哪些方法。回答1、根据本节积屑瘤对加工的影响分析可知，积屑瘤能增大刀具实际前角，使切削更容易，所以这位师傅在粗加工时采用了利用积屑瘤的加工方法，2、积屑瘤很不稳定，它会周期性地脱落，这就造成了刀具实际切削厚度在变化，影响零件的加工尺寸精度。3、积屑瘤的剥落和形状的不规则又使零件加工表面变得非常粗糙，影响零件表面光洁度。所以在精加工阶段，这位师傅又努力避免积屑瘤的发生。避免积屑瘤的发生的措施、首先从加工前的热处理工艺阶段解决。通过热处理，提高零件材料的硬度，降低材料的加工硬化。、调整刀具角度，增大前

14、角，从而减小切屑对刀具前刀面的压力。、调低切削速度，使切削层与刀具前刀面接触面温度降低，避免粘结现象的发生。或采用较高的切削速度，增加切削温度，因为温度高到一定程度，积屑瘤也不会发生。、更换切削液，采用润滑性能更好的切削液，减少切削摩擦。2.1.3 影响切削变形的因素1工件材料2刀具几何参数 3切削速度4切削厚度1工件材料通过试验，可以发现工件材料强度和切屑变形有密切的关系。从图可以看出，随着工件材料强度的增大，切屑的变形越来越小。 图2-10 材料强度对变形系数的影响 2刀具几何参数由图2-7可以看到，当刀具前角O增大时，沿刀面流出的金属切削层将比较平缓的流出，金属切屑的变形也会变小。通过对

15、高速钢刀具所作的切削试验也证明了这一点。在同样的切削速度下，刀具前角O愈大，材料变形系数愈小。刀尖圆弧半径对切削变形也有影响，刀尖圆弧半径越大，表明刀尖越钝，对加工表面挤压也越大，表面的切削变形也越大。3、切削速度由图2-11可以看出，随切削速度变化的材料变形系数曲线并不是一直递减，而是在某一段有一个波峰，这实际是积屑瘤产生的影响。所以切削速度对材料变形的影响分为两个段，一个是积屑瘤这一段，另一个是无积屑瘤段。积屑瘤段情况切削速度对切屑变形的影响主要是通过积屑瘤对切屑变形的影响来实现的。在积屑瘤增长阶段，积屑瘤随着切削速度的增大而增大，积屑瘤越大，实际刀具前角也越大，切屑的变形相对减少，所以在

16、此阶段，切削速度增加时，材料变形系数也减少。随着速度的增加，积屑瘤增大到一定程度又会消退，在消退阶段，积屑瘤随着切削速度的增加而减小，同时，实际刀具前角也减小，材料的变形将增大，在积屑瘤完全消退时，材料变形将最大。在无积屑瘤段材料变形系数是随着切削速度的增加而减小。主要是因为塑性变形的传播速度比弹性变形的慢，速度低时，金属始剪切面为OA，当速度增大到一定值时，金属流动速度大于塑性变形速度，在OA面金属并未充分变形，相当于始剪切面后移至OA面（见图2-12），终剪切面OM也后移至OM，第一变形区后移，使得材料变形系数减小。另外，速度越大，摩擦系数减小，材料变形系数也会减小。4切削厚度如图2-11

17、所示，显示了进给量（即切削厚度）对切屑变形的影响。在无积屑瘤段，进给量f越大，材料的变形系数越小。二、 切削力 切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力(cutting force) 。一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率1. 切削力的来源切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和刀具与工件及刀具与切屑之间摩擦阻力。2.切削力的分解 通常将合力F分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc 、进给力 Ff 、背向力 Fp 。切削力Fz(Fc)总切削力在主运动方向的分力，大小约占总切削力的80%90% 。Fc消耗的功率最多，约占总功

18、率的90%左右，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。背向力 Fy（Fp）进给力Fx (Ff)总切削力在垂直于工作平面方向的分力，Fp不消耗功率。但容易使工件变形，甚至可能产生振动，影响工件的加工精度。是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。总切削力在进给方向的分力，进给力也作功，但只占总功的1%5%。是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数计算切削功率(cutting power) Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床主电动机功率。主运动消耗的切削功率 Pc

19、Fcc/6010-3 （kW）机床电机功率 PE =Pcm（m0.750. 85）。 3切削功率三、影响切削力的因素1. 工件材料影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。2. 切削用量进给量f和背吃刀量ap 进给量f和背吃刀量ap增加，使切削力Fc增加。切削速度在520m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐渐增加，切削力减小；切削速度继续在2035m/min范围内增加，积屑瘤逐渐消失，切削力增加；在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升

20、，摩擦系数减小，切削力下降。一般切削速度超过90m/min时，切削力无明显变化。在切削脆性金属工件材料时，因塑性变形很小，刀屑界面上的摩擦也很小，所以切削速度c 对切削力Fc无明显的影响。在实际生产中，如果刀具材料和机床性能许可，采用高速切削，既能提高生产效率，又能减小切削力。 切削速度c 前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料）主偏角的影响：Kr Fp , Ff 3. 刀具几何参数kr1Krkr2FpFf4. 刀具磨损5. 切削液6. 刀具材料 刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。三、 切削热和切削温度（一）、切削热的产生与传导金属切削过程的三

21、个变形区就是产生切削热(cutting heat)的三个热源：1)切屑变形所产生的热量，是切削热的主要来源； 2)切屑与刀具前刀面之间的摩擦所产生的热量；3)工件与刀具后刀面之间的摩擦所产生的热量。切削热向切屑、工件、刀具以及周围的介质传导，使它们的温度上升，从而导致切削区内的切削温度(cutting temperatures)上升。用高速钢车刀及与之相适应的切削速度切削钢料时，切削热传出的比例是：切屑传出的热约为50%86%；工件传出的热约为40%10%；刀具传出的热约为9%3%；周围介质传出的热约为1%。 （二）、切削温度对切削加工过程的影响1.对刀具材料的影响 高速钢刀具材料的耐热性为6

22、00左右，超过该温度刀具失效。硬质合金刀具材料耐热性好，在高温8001000时，强度反而更高，韧性更好。因此适当提高切削温度，可防止硬质合金刀具崩刃，延长刀具寿命。2.对工件尺寸精度的影响 车削工件外圆时，工件受热膨胀，切削后冷却至室温，尺寸变小，特别是在精加工和超精密加工时，切削温度的变化对工件尺寸精度的影响特别大，因此控制好切削温度，是保证加工精度的有效措施。（三）、影响切削温度的因素 1.工件材料 材料的强度、硬度越高，则切削抗力越大，消耗的功越多，产生的热就越多； 导热系数越小，传散的热越少，切削区的切削温度就越高。 切削脆性材料时，由于塑性变形很小，崩碎切屑与前刀面的摩擦也小，产生的

23、切削热较少。 热处理状态不同，切削温度也不相同。 2.切削用量切削速度对切削温度的影响最大，背吃刀量对切削温度的影响最小。3.刀具几何参数4.刀具磨损 5.切削液 1)前角o塑性变形和摩擦切削温度。但前角不能太大，否则刀具切削部分的锲角过小，容热、散热体积减小，切削温度反而上升。 2)主偏角r切削刃工作接触长度，切削宽度bD，散热条件变差，故切削温度。 刀具主后面磨损时，后角减小，后面与工件间摩擦加剧。刃口磨损时，切屑形成过程的塑性变形加剧，使切削温度增大。 利用切削液的润滑功能降低摩擦系数，减少切削热的产生，也可利用它的冷却功用吸收大量的切削热，所以采用切削液是降低切削温度的重要措施。（四）

24、 切削液1、切削液的作用 切削液(cutting fluid)的冷却作用主要靠热传导带走大量的切削热，从而降低切削温度，提高刀具寿命；减少工件、刀具的热变形，提高加工精度；降低断续切削时的热应力，防止刀具热裂破损等。1）.切削液的冷却作用2）.切削液的润滑作用 使用切削液后，切屑、工件与刀面之间形成完全的润滑油膜，成为流体润滑摩擦，此时摩擦系数很小；实际情况是属于边界润滑摩擦，其摩擦系数大于流体润滑，但小于干摩擦。3）切削液的清洗作用2.切削液的分类水溶液:主要成分是水，并加入少量的防锈剂等添加剂,有良好的冷却作用和清洗作用。（1）水溶液 矿物油 少量动植物油非溶性切削液主要起润滑作用。（3）

25、切削油（2）乳化液乳化液乳化油用水稀释而成，具有良好的流动性和冷却作用，并有一定的润滑作用 3. 切削液的选用按工件材料选用 加工钢等塑性材料时，需要切削液；加工铸铁等脆性材料时，不用切削液。按刀具材料选用 高速钢刀具耐热性差，粗加工时应选用以冷却作用为主的切削液，以降低切削温度；在精加工时应使用润滑性能好的极压切削油或高浓度的极压乳化液，以提高加工表面质量。硬质合金刀具由于耐热性好，一般不用切削液；按加工方法选用 对半封闭、封闭加工，选用极压乳化液或极压切削油，以对切削区进行冷却、润滑和对切屑冲洗。磨削加工时，由于磨削区温度很高，磨屑会破坏已磨削表面质量,要求切削液具有良好的冷却、清洗、排屑

26、和防锈性能，一般选用乳化液。四、 刀具磨损和耐用度（一）、刀具磨损的形态（二）、刀具磨损过程1.刀具磨损过程初期磨损阶段（）正常磨损阶段（）急剧磨损阶段（）（三）、影响刀具磨损的因素 切削用量、刀具材料、刀具几何形状、工件材料以及是否使用切削液等，也都会影响刀具的磨损(tool wear) 。 在切削用量中，增大切削速度切削温度随之增高，对刀具磨损的影响最大，进给量f次之，背复杂的吃刀量ap最小。 耐热性好的刀具材料，就不易磨损。 适当加大刀具前角，由于减小了切削力，可减少刀具的磨损。（四）、刀具耐用度1. 刀具耐用度的定义刀具耐用度（现称刀具寿命）是指一把刃磨好的新刀从投入使用直至达到磨钝标

27、准所经历的实际切削时间。刀具耐用度是衡量刀具材料切削性能、工件材料的切削加工性及刀具几何参数是否合理的重要参数。2.刀具耐用度的选择原则复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应选得比简单的、低精度的、单刃的刀具高。对于机夹可转位刀具，由于换刀时间短，为使切削刃始终处于锋利状态，刀具耐用度可选得低些。对于换刀、调刀比较复杂的数控刀具、自动线刀具以及多刀加工时，刀具耐用度应选得高些，以减少换刀次数，保证整机和整线的可靠工作。精加工刀具切削负荷小，刀具耐用度应比粗加工刀具选得高些。大件加工时，为避免一次进给中中途换刀，刀具耐用度应选得高些。刀具寿命：刀具从开始投入使用到完全报废的总切削时间刀具几何参数 刀 具 材 料 工 件 材 料切 削 用 量（五）、影响刀具寿命的因素五、 切削用量的选择1、选择切削用量的原则 合理切