数控车削加工工艺设计基础

第二章数控车削加工工艺设计基础内容提要：本章主要介绍数控车削加工工艺路线的的拟定、常用夹具、刀具及切削用量的选择第一节金属材料的切削加工性工件材料切削加工性可以从多方面进行评定。不同加工情况,可采用不同的指标衡量。

粗加工时,通常采用刀具耐用度指标;

精加工时,通常采用加工表面质量指标。在刀具耐用度指标中以相对加工性(用kr表示)使用最为方便。即以HBS170～229,σb=0.637GPa的45钢的Vc60为基准,记作Vc060,其它材料的Vc60与Vc060之比称kr;根据kr的大小可方便地判断出材料加工的难易程度。常用工件材料的kr见下页表格。Kr越大,材料加工性越好。对课题引入中提出的问题,查表不难发现45钢的kr介于1~1.6之间,而45调质钢的kr介于0.5～0.65之间,所以45钢更容易加工。

2.1.1工件材料切削加工性

刀具耐用度指标有绝对指标和相对指标之分。绝对指标是以在一定的刀具耐用度(切削时间)条件下,允许的切削速度的高低来表示材料的切削加工性。对于切削一般材料,耐用度取60min,用Vc60表示,其具体含义是,切削某种工件材料,当刀具耐用度为60min时所允许的切削速度;对于切削难加工材料,耐用度取20min,用Vc20表示。显然,在相同条件下,Vc20或Vc20越高,材料的加工性越好。相对指标则是以45钢的Vc60为基准,记作(Vc060)j,其他材料的Vc60与之的比值称为相对加工性,用kr表示,即：kr=Vc60/(Vc060)j

其他指标有加工表面质量指标、切屑控制难易指标、切削温度、切削力、切削功率指标。加工表面质量指标是在相同加工条件下,比较加工后的表面质量(如表面粗糙度等)来判定切削加工性的好坏。加工表面质量越好,加工性越好。切屑控制难易指标是从切屑形状及断屑难易与否来判断材料加工性的好坏。切削温度、切削力、切削功率指标根据切削加工时产生的切削温度的高低、切削力的大小、功率消耗的多少来评判材料加工性,这些数值越大,说明材料加工性越差。工件材料的切削加工性分级基准值工件材料的切削加工性分级切削加工性易切削较易切削较难切削难切削等级代号12345678硬度HB≤100＞100～150＞150～200＞200～250＞250～300＞300～350＞350～400＞400HRC

＞14～24.8＞24.8～32.3＞32.3～38.1＞38.1～43＞43抗拉强度≤0.441>0.441~0.588>0.588~0.784>0.784~0.98＞0.98~1.176>1.176~1.372>1.372~1.568＞1.568σb(GPa)伸长率≤15＞15～20＞20～25＞25～30＞30～35＞35～40＞45～50＞50~60δ(%)冲击韧性≤392＞392～588＞588～784＞784～980＞980～1372＞1372～1764＞1764～1962＞1962αk(kJ/m2)导热系数≥167.47<167.47~83.74＜83.74~62.8<62.8~41.87＜41.87~33.5＜33.5~25.12<25.12~16.75＜16.75k[W/(m·K)]相对加工性Κr＞3.0≤3.0～2.5≤2.5～1.6≤1.6～1.0≤1.0～0.65≤0.65～0.5≤0.5～0.15＜0.15典型材料铜铅合金,退火15Cr,钛合金45钢,灰铸铁2Cr13调质,45Cr调质,50CrV调质,某些钛合铝铜合金,1Cr18Ni9Ti,金,铸造镍基高温合金自动机钢85钢65Mn调质铝镁合金钛合金

一般有色易切削钢较易切削钢普通材料稍难切削材料

难切削材料很难切削切削加工性2.1.2影响材料切削加工性的主要因素

材料的物理力学性能、化学成分、金相组织是影响材料切削加工性的主要因素。

1.材料的物理力学性能

就材料物理力学性能而言,材料的强度、硬度越高,切削时抗力越大,切削温度越高,刀具磨损越快,切削加工性越差;强度相同,塑性、韧性越好的材料,切削变形越大,切削力越大,切削温度越高,并且不易断屑,故切削加工性越差。材料的线膨胀系数越大、导热系数越小,加工性也越差。

2.化学成分就材料化学成分而言,增加钢的含碳量,强度、硬度提高,塑性、韧性下降。显然,低碳钢切削时变形大,不易获得高的加工表面;高碳钢切削抗力太大,切削困难;中碳钢介于两者之间,有较好的切削加工性。增加合金元素会改变钢的切削加工性,例如,锰、硅、镍、锡等都能提高钢的强度和硬度。石墨的含量、形状、大小影响着灰铸铁的切削加工性,促进石墨化的元素能改善铸铁的切削加工性,例如,碳、硅、铝、铜、镍等;阻碍石墨化的元素能降低铸铁的切削加工性,例如,锰、磷、硫、铬、钒等。

3.金相组织就材料的金相组织而言,钢中的珠光体有较好的切削加工性,铁素体和渗碳体则较差;托氏体和索氏体组织在精加工时能获得质量较好的加工表面,但必须适当降低切削速度；奥氏体和马氏体切削加工性很差。

难加工材料种类繁多,高锰钢、不锈钢是常用的难加工材料。高锰钢加工硬化严重,造成切削困难;导热性差,仅为45钢的1/4,切削温度高,刀具易磨损;韧性大、塑性好,变形严重,不易断屑。

不锈钢中由于铬、镍含量较大,强度、韧性较好,加工硬化严重,易粘刀,断屑困难;切屑与前刀面接触长度较短,刀尖附近应力较大,易崩刃;导热性差,切削温度高,刀具耐用度低。不难看出,这些材料性能相差甚大,所以加工特点也不相同。只要从材料特性去把握它的切削特点,就能通过改变切削条件,来解决它们的切削问题。

2.1.3改善工件材料切削加工性的途径1.进行适当的热处理

一般说来,将工件材料进行适当的热处理是改善材料切削加工性的主要措施。对于性质很软、塑性很高的低碳钢,加工时不易断屑、容易硬化。往往采用正火的办法,提高其强度和硬度、降低韧性,从而改善其切削加工性。对于硬度很高的高碳工具钢,加工时刀具极易磨损。可以采用球化退火的办法,降低其硬度,从而改善其切削加工性。【知识链接】实践证明,材料硬度一般在170～230HBS左右时,其切削加工性最好。

2.改变加工条件

合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量也是改善材料切削加工性的有效措施。对于铝及铝合金等易切削材料,为了减小积屑瘤和加工硬化等对已加工表面质量带来的不利影响,通常选用大前角刀具和高的切削速度,并尽量把刀磨得锋利、光整。对于不锈钢材料,为了克服其容易加工硬化、导热性差、切削温度高、不易断屑等突出问题,通常采用韧性好的K类硬质合金刀片、选用较大的前角和小的主偏角、采用较大的进给量等。3.采用新技术

采用新的切削加工技术也是解决某些难加工材料切削问题的有效措施。这些新加工技术是加热切削、低温切削、振动切削,在真空中切削等。例如,对耐热合金、淬硬钢、不锈钢等难加工材料在切削部位加工工件上进行电阻、高频感应、电弧加热切削,通过切削区中材料温度的增高,降低材料的抗剪切强度,减小接触面间的摩擦系数,可减小切削力。另外,加热切削能减小冲击振动,使切削过程平稳,从而提高了刀具的使用寿命。总之,确定了材料的切削加工性能,对合理选择刀具材料、刀具几何参数、切削用量以及改善材料切削加工性提供了重要依据。练习与思考

1.了解材料切削加工性的目的何在?2.影响工件材料切削加工性的因素有哪些?根据不锈钢材料难加工的原因给出针对性的措施。3.如何改善工具钢的切削加工性?第二节数控车削加工工艺路线的拟定2.2.1数控车削加工方案的确定

（根据编程步骤从图样分析确定加工方案）

一般根据零件的加工精度、表面粗糙度、材料、结构形状、尺寸及生产类型确定零件表面的数控车削加工方法及加工方案。1．数控车削外表面及端面加工方案的确定：(1)加工精度为IT7~IT8级、Ra0.8~1.6μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案加工。

(2)加工精度为IT5~IT6级、Ra0.2~0.63μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、细车的方案加工。

(3)加工精度高于IT5级、Ra<0.08μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案加工。(4)对淬火钢等难车削材料，其淬火前可采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工。

2．数控车削加工内表面加工方案的确定

(1)加工精度为IT8~IT9级、Ra1.6~3.2μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用普通型数控车床，按粗车、半精车、精车的方案加工。

(2)加工精度为IT6~IT7级、Ra0.2~0.63μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、细车的方案加工。

(3)加工精度为IT5级、Ra＜0.2μm的除淬火钢以外的常用金属，可采用高档精密型数控车床，按粗车、半精车、精车、精密车的方案加工。

(4)对淬火钢等难车削材料，淬火前可采用粗车、半精车的方法，淬火后安排磨削加工。2.2.2数控加工工艺分析

1.对零件图进行数控加工工艺性分析

以统一基准标注方法或直接标注坐往往在考虑装配等使用特性方面的标尺寸的方法既便于编程,也便于尺寸之问题,从而不得不采取局部分散的标注方间的相互协调,同时又保持了设计基准、法,如右图所示。然而，这样一来会给工工艺基准、测量基准与工件原点设置的序安排与数控加工带来诸多不便。一致性。

从方便编程的角度考虑，同时考虑到数控机床加工精度及重复定位精度都较高，所以宜将局部分散的标注方法改为统一基准标注方法。

分析构成零件轮廓的几何元素条件（1）三角形角度（2）勾股定理a2+b2=c2（3）三角函数

定位基准的选择3.分析工件结构的工艺性图(a)所示零件,需用三把不同宽度的切槽刀切槽,如无特殊需要,显然是不合理的,若改成图(b)所示结构,只需一把刀即可切出三个槽。既减少了刀具数量,少占了刀架刀位,又节省了换刀时间。2.2.3工序的划分数控车削加工工序的划分方法：１.以一次安装所进行的加工作为一道工序２.以一个完整数控程序连续加工内容为一道工序４.以粗、精加工划分工序５.按加工部位划分工序３.以工件上的结构内容组合用一把刀具加工

为一道工序数控经常以一个完整的程序划分３.以工件上的结构内容组合用一把刀具加工

为一道工序４.以粗、精加工划分工序５.按加工部位划分工序第一道工序第二道工序第三道工序第四道工序非数控车削加工工序的安排

(1)零件上有不适合数控车削加工的表面，如渐开线齿形、键槽、花键表面等，必须安排相应的非数控车削加工工序。(2)零件表面硬度及精度要求均高，热处理需安排在数控车削加工之后，则热处理之后一般安排磨削加工。

(3)零件要求特殊，不能用数控车削加工完成全部加工要求，则必须安排其他非数控车削加工工序，如喷丸、滚压加工、抛光等。

(4)零件上有些表面根据工厂条件采用非数控车削加工更合理，这时可适当安排这些非数控车削加工工序，如铣端面打中心孔等。

数控加工工序与普通工序的衔接

数控工序前后一般穿插有其他普通工序，如衔接得不好就容易产生矛盾，最好的办法是相互建立状态要求，如：要不要留加工余量，留多少；定位面的尺寸精度要求及形位公差；对矫形工序的技术要求；对毛坯的热处理状态要求等。其目的是达到相互能满足加工需要，且质量目标及技术要求明确，交接验收有依据。数控以外的加工，为别的工序2.2.4加工顺序的安排

加工顺序的安排应根据工件的结构和毛坯状况,选择工件的定位和安装方式,重点保证工件的刚度不被破坏,尽量减少变形,因此制定零件数控车削加工工序顺序需遵循下列原则。

(1)先加工定位面，即上道工序的加工能为后面的工序提供精基准和合适的夹紧表面，不能互相影响。制定零件的整个工艺路线就是从最后一道工序开始往前推，按照前工序为后工序提供基准的原则先大致安排。

(2)先加工平面，后加工孔；先内后外,先加工工件的内腔,后进行外形加工；先加工简单的几何形状，再加工复杂的几何形状。(3)根据加工精度要求的情况,可将粗、精加工合为一道工序。对精度要求高，粗精加工需分开进行的，先粗加工后精加工。(4)以相同定位、夹紧方式安装的工序，最好接连进行，以减少重复定位次数、夹紧次数及空行程时间。(5)中间穿插有通用机床加工工序的要综合考虑、合理安排其加工顺序。(6)在一次安装加工多道工序中,先安排对工件刚性破坏较小的工序。上述工序顺序安排的一般原则不仅适用于数控车削加工工序顺序的安排,也适用于其他类型的数控加工工序顺序的安排。

调用程序要按加工顺序工序安排：

先粗后精先近后远

粗加工精加工工步顺序和进给路线的确定工步顺序安排的原则：上述工步顺序安排的一般原则同样适用于其他类型的数控加工工步顺序的安排。３.内外交叉４.保证工件加工刚度５.同一把刀把能加工内容连续加工２.先近后远１.先粗后细2.2.5工步顺序和进给路线的确定确定进给路线(1)确定进给路线的主要原则

①首先按已定工步顺序确定各表面加工进给路线的顺序。②所定进给路线（加工路线）应能保证零件轮廓表面加工后的精度和粗糙度

要求。按照零件图纸要求

③寻求最短加工路线（包括空行程路线和切削路线），减少行走时间以提高加工效率。

④要选择零件在加工时变形小的路线，对横截面积小的细长零件或薄壁零件应采用分几次走刀加工到最后尺寸或对称去余量法安排进给路线。⑤简化数值计算和减少程序段,减小编程工作量。⑥据工件的形状、刚度、加工余量和机床系统的刚度等情况,确定循环加工次数。循环即分几次走刀加工？⑦合理设计刀具的切入与切出的方向。采用单向趋近定位方法,避免传动系统反向间隙而产生的定位误差。确定进给路线的工作重点，主要在于确定粗加工及空行程的进给路线，因精加工切削过程的进给路线基本上都是沿零件轮廓顺序进行的。确定进给路线(2)确定粗加工进给路线

①常用的粗加工进给路线

a.“矩形”循环进给路线。右图(a)所示为利用数控系统具有的矩形循环功能安排的“矩形”循环进给路线。

b.“三角形”循环进给路线。右图(b)所示为利用数控系统具有的三角形循环功能安排的“三角形”循环进给路线。c．沿轮廓形状等距线循环进给路线。右图(c)所示为利用数控系统具有的封闭式复合循环功能控制车刀沿着零件轮廓等距线循环的进给路线。d．阶梯切削路线。右图所示为车削大余量工件的两种加工路线，右图(a)是错误的阶梯切削路线，右图(b)按1-5的顺序切削，每次切削所留余量相等，是正确的阶梯切削路线。因为在同样背吃刀量的条件下，按右图(a)的方式加工所剩的余量过多。e．双向切削进给路线。利用数控车床加工的特点，还可以放弃常用的阶梯车削法，改用轴向和径向联动双向进刀，顺工件毛坯轮廓进给的路线.（见右图）。②最短的粗加工切削进给路线

对以上三种切削进给路线，经分析和判断后可知矩形循环进给路线的进给长度总和最短。因此，在同等条件下，其切削所需时间（不含空行程）最短，刀具的损耗最少，为常用粗加工切削进给路线，但也有粗加工后的精车余量不够均匀的缺点，所以一般需安排半精加工。

常用的粗加工循环进给路线

平行于水平轴用直线靠近轮廓仿轮廓进行切削走刀对应指令G71指令G01指令G73指令“矩形”循环“三角形”循环沿轮廓形状等距线循环确定进给路线(3)精加工进给路线的确定①最终轮廓的进给路线在安排一刀或多刀进行的精加工进给路线时，其零件的最终轮廓应由最后一刀连续加工而成，并且加工刀具的进刀、退刀位置要考虑妥当，尽量不要在连续的轮廓中切入和切出或换刀及停顿，以免因切削力突然变化而造成弹性变形，致使光滑连接轮廓上产生表面划伤、形状突变或滞留刀痕等缺陷。

②换刀加工时的进给路线主要根据工步顺序要求决定各刀加工的先后顺序及各刀进给路线的衔接。

③切人、切出及接刀点位置的选择应选在有空刀槽或表面间有拐点、转角的位置，而曲线要求相切或光滑连接的部位不能作为切人、切出及接刀点位置。数控车床车削端面加工路线如左下图所示,A-B-C-Op-D,其中A为换刀点,B为切入点,C-Op为刀具切削轨迹,Op为切出点,D为退刀点。数控车床车削外圆的加工路线如右下图所示A-B-C-D-E-F,其中A为换刀点,B为切入点,C-D-E为刀具切削轨迹,E为切出点,F为退刀点。④各部位精度要求不一致的精加工进给路线若各部位精度相差不是很大时，应以最严的精度为准，连续走刀加工所有部位；若各部位精度相差很大，则精度接近的表面安排在同一把刀走刀路线内加工，并先加工精度较低的部位，最后再单独安排精度高的部位的走刀路线。刀具切入方向刀具切出方向车削端面车削外圆

数控车床车削端面路线

车削端面和外圆切入、切出要领数控车床车削外圆路线A→B→C→Op→DA→B→C→D→E→F确定进给路线(4)空行程最短进给路线的确定

在保证加工质量的前提下，使加工程序具有空行程最短的进给路线，不仅可以节省整个加工过程的执行时间，还能减少机床进给机构滑动部件的磨损等。

①合理设置起刀点下图(a)所示为采用矩形循环方式进行粗车的一般情况示例。其对刀点O的设定是考虑到加工过程中需方便地换刀，故设置在离零件较远处，同时将起刀点与其对刀点重合在一起，粗车的进给路线安排如下。

第一刀O—1—2—3—O。

第二刀O—4—5—6—O。

第三刀O—7—8—9—O。图(b)所示则是将循环加工的起刀点与对刀点分离，并设图示1点位置，仍按相同的切削量进行粗车，其进给路线如下。循环加工的起刀点与对刀点分离的空行程O—1。第一刀1—2—3—4—1。

第二刀1—5—6—7—1。

第三刀1—8—9—10—1。显然，图(b)所示的进给路线短。该方法也可用在其他循环（如螺纹车削）切削加工中。②合理设置换（转）刀点为了考虑换（转）刀的方便和安全，有时也可将换（转）刀点设在离零件较远的位置处（如图中的O点），那么，当换第二把刀后，进行精车时的空行程路线必然也较长；如果将第二把刀的换刀点也设置在图(b)中的1点位置上（因工件已去掉一定的余量），则可缩短空行程距离，但一定要注意换刀过程中不能发生碰撞。

③合理应用“回零”路线当车削比较复杂轮廓的零件而用手工编程时，为使其计算过程尽量简化，既不出错，又便于校核，编程者有时会将每一刀加工完后的刀具终点通过执行“回零”（即返回对刀点）指令返回到对刀点位置，然后再执行后续程序。这样会增加进给路线的距离，从而降低生产效率。因此，在合理安排“回零”路线时，应尽量缩短前一刀终点与后一刀起点间的距离，或者使其为零，即可满足进给路线为最短的要求。另外，在选择返回对刀点指令时，在不发生加工干涉现象的前提下，宜尽量采用X、Z坐标轴双向同时“回零”指令，则该指令功能的“回零”路线将是最短的。远近确定进给路线(5)特殊的进给路线

在数控车削加工中，一般情况下，Z坐标轴方向的进给运动都是沿着负方向进给的，但有时按这种方式安排进给路线并不合理，甚至可能车坏零件。前图所示零件加工，当采用尖头车刀加工大圆弧外表面时，有两种不同的进给路线，其结果大不相同。对于左图(a)所示的第一种进给路线（沿Z轴负方向），因切削时尖头车刀的主偏角为100º-105º，这时切削力在X向的分力Fp将沿着图2-17所示的正X方向作用，当刀尖运动到圆弧的换象限处，即由负Z、负X向负Z、正X变换时，吃刀抗力F，马上与传动横拖板的传动力方向相同，若丝杆螺母有传动间隙，就可能使刀尖嵌入零件表面（即“扎刀”），其嵌入量在理论上等于其机械传动间隙量e（见中图）。即使该间隙量很小，由于刀尖在X方向换向时，横向拖板进给过程的位移量变化也很小，加上处于动摩擦与静摩擦之间呈过渡状态的拖板惯性的影响，仍会导致横向拖板产生严重的爬行现象，从而大大降低零件的表面质量。对于左图(b)所示的进给方法，因为尖刀运动到圆弧的换象限处，即由正Z、负X向正Z、正X方向变换时，吃刀抗力Fp与丝杠传动横向拖板的传动力方向相反（见右图），不会受丝杆螺母传动间隙的影响而产生嵌刀现象，所以左图(b)所示进给路线是较合理的。

此外，在车削螺纹时，有一些多次重复进给的动作，且每次进给的轨迹相差不大，这时进给路线的确定可采用系统固定循环功能。刀具沿Ｘ负向加工，丝杆与螺母向上贴合，由于丝杆与螺母的传动间隙，当突然改变方向，由负转向为正时，丝杆与螺母向相反方向贴合，此时由于切削力的作用，刀具快速向下移动传动间隙ｅ值，刀尖嵌入零件表面（即“扎刀”）“扎刀”“合理”3.确定对刀点与换刀点

对刀点就是刀具相对工件运动的起点。在程编时不管实际上是刀具相对工件移动，还是工件相对刀具移动，都是把工件看作静止的而刀具在运动，因此常把对刀点称为程序原点，也称工件编程原点，即工件原点。对刀点的选择应遵循“找正和编程容易、对刀误差小、检查方便”的原则。在实际生产中，对刀误差可以通过试切加工进行调整。对刀点即工件原点选定后，即确定了机床坐标系和工件坐标系之间的相互位置关系。刀具在机床上的位置是由“刀位点”的位置来表示的。不同的刀具，刀位点不同。

对车刀、镗刀类刀具，刀位点为其刀尖。对刀点找正的准确度直接影响加工精度，对刀时，应使“刀位点”与“对刀点”一致。

对刀点选择的原则，主要是考虑对刀点在机床上对刀方便、便于观察和检测，编程时便于数学处理和有利于简化编程。对刀点可选在零件或夹具上。为提高零件的加工精度，减少对刀误差，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，如以孔定位的零件，应将孔的中心作为对刀点；对车削加工，则通常将对刀点设在工件外端面的中心上，如下图（b）所示，工件原点即为对刀点。对刀点Ｗ

称为程序原点，也称工件编程原点，也即工件原点工件原点工件原点工件原点对刀点选择的原则，主要是１.考虑对刀点在机床上对刀方便、便于观察和检测，２.编程时便于数学处理和有利于简化编程。３.对刀点可选在零件或夹具上。４.为提高零件的加工精度，减少对刀误差，对刀点应尽量选在零件的设计基准或工艺基准上，如，以孔定位的零件，应将孔的中心作为对刀点；对车削加工，则通常将对刀点设在工件外端面的中心上，如下图所示，工件原点即为对刀点。后置刀架刀位点刀位点是指在加工程序编制中,用以表示刀具特征的点,也是对刀和加工的基准点。对于车刀,各类车刀的刀位点如图所示。装刀与对刀是数控机床加工中极其重要并十分棘手的一项基本工作。对刀的好与差,将直接影响到加工程序的编制及零件的尺寸精度。一般对刀时，应使“刀位点”与“对刀点”一致确定对刀点与换刀点

换刀点是为加工中心、数控车床等多刀加工的机床程编而设置的，因为这些机床在加工过程中间要进行换刀。为防止换刀时碰伤零件或夹具，换刀点常常设置在被加工零件的外面，并有一定的安全量。对数控车床、镗铣床、加工中心等多刀加工数控机床，在加工过程中需要进行换刀，故编程时应考虑不同工序之间的换刀位置(即换刀点)。为避免换刀时刀具与工件及夹具发生干涉，换刀点应设在工件的外部，如上图（a）所示。（a）换刀点起刀点通常在数控车床多把刀加工时，起刀点和换刀点重合

数控车床的对刀点、起刀点和换刀点

对刀点——程序原点、工件原点起刀点的设置起刀点的设置对刀就是寻找、确定工件原点起刀点远起刀点近第三节数控车床常用夹具

数控车床工件的装夹2.3.1三角自动定心卡盘数控车床工件的装夹2.3.2四爪单动卡盘四爪视频卡盘第四节刀具选择2.4.1刀具材料应具备的性能⒈足够的硬度和良好的耐磨性⒉足够的强度和韧性⒊高耐热性⒋热导率大⒌良好的工艺性和经济性其他刀具材料⒈陶瓷①高纯氧化物陶瓷(矿物陶瓷)。②复合陶瓷(金属陶瓷)。⒉人造聚晶金刚石⒊立方氮化硼(CBN)2.4.2材料种类：

高速钢刀具：加工有色金属、各种金属材料，做复杂成形刀；

硬质合金刀具：加工不锈钢、铸铁、淬火钢、耐热钢；涂层刀具：使硬质合金刀具耐用度大大提高；非金属刀具：加工铸铁、翠火钢、石墨制品、玻璃钢、硬质合金；硬质合金、非铁金属材料等。在车床上以70m/min的切削速度精加工右图所示大端φ50,小端φ45的材料为45钢零件,试选用合理刀具材料。分析:选择刀具材料时,要考虑的主要是:工件材料、切削加工速度和不同的切削加工阶段:粗车、精车和半精车等;切削速度在很大程度上决定着刀具材料的选用。常用刀具材料的选用:⒈低速切削时的刀具材料

部分刀具常用工具钢碳素工具钢和合金工具钢仅适合制作手用铰刀、圆板牙等手用刀具,而手用刀具的切削速度不会超过10m/min。只有高速钢才是机加工刀具的主要材料,但高速钢材料的耐热温度仅600~700℃,在使用中,切削中碳钢时,切削速度一般不能大于30m/min。高速钢成形工艺性能好,在形状复杂刀具制作中,占主要地位。刀具种类碳素工具钢合金工具钢高速钢车刀、镗刀﹣﹣W18Cr4V(T1),W6Mo5Cr4V2(M2钼系)成形车刀﹣﹣W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2麻花钻﹣﹣W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2机用铰刀﹣﹣W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2手用铰刀T12A9SiCr﹣拉刀﹣CrWMnW18Cr4V圆板牙T12A,T10A9SiCr﹣几种高速钢的力学性能高速钢机械性能粉末冶金高速钢粉末冶金高速钢是把炼好的高速钢液,在保护性气罐中,在高压氧气或纯氮气等惰性气体中雾化成细小粉末,并在高速冷却下获得细小而均匀的结晶组织,然后将粉末在高温、高压下压制成紧密钢坯,最后用一般锻造或轧制方法成形。与熔炼的高速钢相比,粉末冶金高速钢有如下特点:提高了强度和硬度；减小热处理变形与内应力。粉末冶金高速钢适用于制造切削难加工材料的刀具,特别适用于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。⒉高速切削时的刀具材料常用硬质合金的牌号及用途

耐热温度达800~1000℃切削速度100m/min⑴P类硬质合金(YT)主要成分为WC+TiC+Co用兰色标志,具有较高的耐热性、较好的抗黏结、抗氧化能力;主要用于加工长切屑的黑色金属;不适宜切削含Ti元素的不锈钢,因Ti和刀具亲和加剧磨损牌号中数字越大,Co含量越多,韧性越好,承受冲击性能好;对于前页例中以70m/min的速度车削45钢零件最好选择P类硬质合金,精加工对刀具材料的耐磨性要求较高,所以选择刀具牌号P01⑵K类硬质合金(YG)主要成分为WC+Co用红色标志,主要用于加工短切屑的黑色金属、有色金属和非金属车削Cr18Ni9Ti不锈钢材料,如何选择?Cr18Ni9Ti为塑性材料,似乎可选P类硬质合金;但此不锈钢材料含Ti元素,采用P类硬质合金亲和作用发生黏结而加剧刀具磨损,使工件表面粗糙;选K类比较合理⑶W类硬质合金(YW)主要成分为WC+TiC+4%TaC(NbC)+Co用黄色标志,具有高的耐热性和高温硬度主要用于加工黑色金属和有色金属种类牌号相近旧牌号主要用途P类P30YT5粗加工钢料P10YT15半精加工钢料(钨鈦鈷类)P01YT30精加工钢料K类K30YG8粗加工铸铁、有色金属及其合金(钨鈷类)K20YG6半精加工铸铁、有色金属及其合金K10YG3精加工铸铁、有色金属及其合金W类W10YW1半精加工、精加工难加工材料[钨鈦钽(铌)鈷类]W20YW2粗加工、断续切削难加工材料表：2-13刀片材料型号：

P类(适合加工钢类)表：2-15刀片材料型号：

K类(适合加工铸铁等)表：2-14刀片材料型号：

M类(适合加工不锈钢等)

硬质合金的选用粗加工时,切削用量大,切削抗力大,有时还有冲击和振动。这时要求刀具材料具有高的抗弯强度和冲击韧性,应选用含钴量高的硬质合金,如YG8、YT5等。精加工时,要求加工精度较高,表面粗糙度值小、切削量小,切削力也小,切削过程比较平稳,一般情况下的切削速度比较高,要求刀具材料的硬度、耐磨性及耐热性高,以保持刀刃的锋利、平直及稳定的几何形状,应选择含钴量少的硬质合金,如YG3、YT30等。切削不规则的工件,要求刀具抗冲击能力强,一般应选择含钴量较高的硬质合金,如YG8、YT5等。切削铸铁等脆性材料,一般形成崩碎切屑,切削力和切削热都集中在刀尖附近,切削不平稳,有冲击和振动,要求刀具有较高的抗弯强度、韧性和导热性,宜选用YG类硬质合金。切削钢等塑性材料时,一般形成带状切屑,塑性变形大,摩擦力大,切削温度高,切削过程连续而且平稳,要求刀具材料有较高的硬度、耐磨性和耐热性,宜选用YT类硬质合金。切削不锈钢、高强度钢、高温合金及铁合金等较难加工材料时,由于这类材料的强度高,韧性大,黏附性强,切削力大,切削温度较高,导热性差,因而对刀具材料的抗弯强度、韧性及导热性的要求更高,宜选用YG类硬质合金。YW类硬质合金,一般是在YT类中,使用TaC(NbC)代替部分TiC。硬质合金中加入TaC(NbC)后,提高了刀具的抗弯强度和冲击韧度,同时,耐磨性和耐热性也有所提高。这类硬质合金刀具,既可切削加工铸铁和非铁合金材料(如铜、铝合金),也可以加工各类钢料,主要用于加工较难加工材料。

其他硬质合金随着科学技术的发展,对刀具材料的要求越来越高,上述常用的刀具材料已难以满足使用要求,因此,不断开发出许多其他硬质合金。①碳化钛基硬质合金(YN类)。YN有较高的耐磨性和耐热性,但韧性较差,主要用于碳钢、合金钢、工具钢、淬火钢等材料的连续切削和精加工,对尺寸较大和表面粗糙度值要求较小的工件精加工,可获得更好的效果。②钢结硬质合金(YE类)。其性能介于硬质合金和高速钢之间,具有良好的耐磨性和耐热性,良好的韧性和可切削加工性,且有良好的锻造与热处理性。因此,可用于制造钻、铣刀等结构复杂的刀具。③细晶粒和超细晶粒硬质合金。晶粒细化可提高硬质合金的硬度,但抗弯强度会有所降低。如果在细化晶粒的同时,又增加黏结剂的含量,使黏结层保持一定厚度,即增大了黏结面积,则既可增加硬度,又可提高抗弯强度。如YG1OH类(含钴量增至9%~15%)就属于这种硬质合金。细晶粒和超细晶粒硬质合金,主要用于原来只能用高速钢制造的刀具,如齿轮滚刀等。④表面涂层硬质合金。与非涂层刀具相比较,涂层硬质合金刀具可降低切削力和切削温度,极大地提高了刀具的耐磨性和刀具的寿命,且提高了工件的加工表面质量。涂层硬质合金刀具主要用于机夹不重磨的刀片,作为精加工和半精加工,适用于各种钢材、铸铁的精加工、半精加工或负荷轻的粗加工等。氮铝鈦TiAlN碳氮鈦TiCN碳氮铝鈦TiAlCN碳氮鈦多层TiCN-MP超级氮化碳S-TiNCOATINGTOOL

2.4.3数控车削刀具

车刀的种类和用途

刀具的种类外圆和端面车刀内孔车刀2、刀具类型：（1）按进刀方向：左、右、中间进刀；（2）按加工位置：内孔、外圆、端面；（3）按加工形状：槽、螺纹、仿形。车刀内孔用刀具的种类整体式焊接式机械夹固式类型特点应用场合整体式整体高速钢制造、刃磨锋利小型车床、加工有色金属、成形车刀焊接式焊接硬质合金或高速钢刀片,各类车刀,特别是小刀具结构紧凑,使用灵活机械夹固式机夹重磨式避免焊接刀缺点,使用灵活方便各类车刀机夹可转位式避免焊接刀缺点,高效特别适用于数控机床结构上分:加工表面特征上分:普通车刀和成形车刀车刀可换式刀片的装夹１、从结构上可分为：整体式，镶嵌式，内冷式，减振式，机夹可转位刀具等。２、从加工工艺上可分为：车刀，钻刀（钻头），镗刀，铣刀。３、数控“刀具”的发展趋势：由整体式工具系统向模块式工具系统发展。有利于提高劳动生产率，提高加工效率，提高产品质量。数控刀具的要求与特点１、要有很高的切削效率。提高切削速度致关重要，硬质合金刀具切削速度可达500~600m/min,陶瓷刀具可达800~1000m/min２、要有很高的精度和重复定位精度，一般3~5µ或者更高。３、要有很高的可靠性和耐用度，是选择刀具的关键指标,４、实现刀具尺寸的预调和快速换刀，缩短辅助时间提高加工效率５、具有完善的模块式工具系统，储存必要的刀具以适应多品种零件的生产６、建立完备的刀具管理系统，以便可靠、高效、有序的管理刀具系统７、要有在线监控及尺寸补偿系统，监控加工过程中刀具的状态，提高加工可靠度。数控刀具的种类数控车削用常规刀具尖形车刀:刀尖由直线形的主切削刃和副切削刃相交构成90°内外圆车刀左右端面车刀切槽(切断)车刀刀尖倒棱很小的各种外圆和内孔车刀尖形车刀几何角度选择应结合数控加工(加工路线、加工干涉)的特点圆弧形车刀:以圆度或线轮廓误差很小的圆弧形切削刃为特征车刀圆弧刃上每一点都是圆弧形车刀的刀尖,因此编程使用的刀位点不在圆弧上,在圆心刀位点也是对刀和加工的基准点圆弧形车刀可用于车削内外表面,特别适用于车削各种光滑连接(凹形)的成形面成形车刀数控加工中尽量少用或不用成形车刀分三类外圆车刀外螺纹车刀内圆车刀内螺纹车刀切断刀具

中心钻孔加工刀具:

镗刀

丝锥

······

常规刀具机床中心高/mm150180~200260~300350~400方刀柄断面H2/mm2(16)2(20)2(25)2(30)2矩形刀断面B×H/mm×mm12×2016×2520×3025×40常用车刀刀柄截面尺寸数控车削用可转位刀具要求特点目的

刀片采用M级或更高精度等级保证刀片重复定位精度,方便坐标设定,保证刀尖位置精度精度高刀杆多采用精密级

用带微调装置的刀杆在机外预调好

采用断屑可靠性高的断屑槽型或有断

可靠性高屑台和断屑器的车刀断屑稳定,不能有紊乱和带状切屑

采用结构可靠的车刀,复合式夹紧结适应刀架快速移动和换位以及整个自动切削过程中夹

构和夹紧可靠的其他结构紧不得有松动的要求换刀迅速采用车削工具系统迅速更换不同形式的切削部件,完成多种切削加工,提采用快换小刀架高生产效率刀片材料较多采用涂层刀片满足生产节拍要求,提高加工效率刀杆截形较多采用正方形刀杆,但因刀架系统刀杆与刀架系统匹配结构差异大,有的需采用专用刀杆

知识点◎可转位机夹车刀刀片◎可转位机夹车刀刀柄◎可转位车刀的夹紧形式◎机械夹固刀的合理使用技能点◎可转位成形车刀刀片型号的识别及选择

在生产实践中,人们摸索出了合理的刀具几何参数,将这些合理参数压制在硬质合金刀片上,用机械夹固的方法,将其固定在标准刀杆上,这就是机械夹固式车刀。图

所示为用在机夹可转位式车刀上的硬质合金刀片。要想充分发挥机械夹固式车刀的作用,首先必须熟悉硬质合金刀片的型号,例如型号为TNUM160308FRA4的硬质合金刀片,其中各字母和数字代表哪些参数,如何根据加工要求选择相应型号的硬质合金刀片;其次,要正确、合理地使用它。

机械夹固式车刀使用方便高效,并能克服常用焊接式车刀存在的诸如在焊接和刃磨时常产生内应力,极易导致裂纹而造成工作时产生崩刃或打刀,刀杆不能重复使用等缺点。因此,在加工自动线上,尤其在数控机床上推广使用机械夹固式车刀,特别是其中的可转位式车刀,对提高劳动生产率,意义重大。硬质合金刀片可转位刀片型号及其选用1、刀片型号代码CNMG120408RPF12345678910如，刀片型号，刀片牌号VAMT120408RPF，YB235VCGT120404RPF，YB2352、选用（1）刀片夹固系统；（2）刀片型号；（3）刀片刀尖圆弧；（4）刀片材料型号：

PKM类适合加工材料：钢铸铁合金钢及不易加工材料对应表：2-132-152-14可转位刀片型号及其选用号位12345678910表达刀片法后角刀片类型刀片刀片刀尖圆角切削刃截切削断屑槽类特性形状精度边长厚度半径面形状方向型与宽度说明字母字母字母字母数字数字数字字母字母字母+数字实例TNUM16O3O8FRA4刀片型号刀片型号刀片型号代码CNMG120408RPF12345678910如，刀片型号，刀片牌号VAMT120408RPF，YB235VCGT120404RPF，YB235可转位刀片型号及其选用1、刀片型号代码CNMG120408RPF12345678910可转位刀片形状F可转位硬质合金车刀刀片形状示意图刀片形状应用场合正三边形T用于60º、90º、93º外圆、端面、内孔车刀正四边形S用于外圆、端面、内孔、倒角车刀带副偏角三角形F用于90º外圆、端面、内孔车刀凸三边形W用于90º外圆、端面、内孔车刀正五边形P用于工艺系统刚性较好时,不能兼做外圆和端面车刀圆形R用于车削曲面、成形面、精车菱形V、D用于数控车床法后角3º5º7º15º20º25º30º0º11º其他(需专门说明)代号ABCDEFGNPO代号固定方式断屑槽代号固定方式断屑槽代号固定方式断屑槽N无固定孔无A圆形孔无B单面70~90º沉孔无R单面有M单面有H单面有F双面有G双面有C双面70~90º沉孔无W单面40~60º沉孔无Q双面40~60º沉孔无J双面有T单面有U双面有X其他,需图形并附加说明可转位车刀法后角可转位刀片的类型可转位刀片断屑槽类型常用断屑槽特点及适用场合槽型特点正前角,零刃倾角切削刃上各点前角相同,槽型简单,常用槽型正前角,正刃倾角刀片制出6°刃倾角,减小了径向切削力变截面切削刃上各点槽深、槽宽、刃倾角不同,槽型复杂,但断屑稳定,切屑不飞溅,应用范围较广刀片夹固系统号位12345678910表达夹紧刀片车刀头部刀片法切削车刀刀柄刀柄刀片紧密刀柄的特性方式形式形式后角方向高度宽度长度边长测量基准说明字母字母字母字母字母数字数字字母数字字母实例CTGNR3225M16Q代号夹紧方式C装无孔刀片,利用压板从刀片上方将刀片夹紧M装圆孔刀片,利用刀片孔从刀片上方将刀片夹紧P装圆孔刀片,利用刀片孔将刀片夹紧S装沉孔刀片,用螺钉直接穿过刀片孔将刀片夹紧夹紧方式刀柄型号代号头部形式代号头部形式代号头部形式代号头部形式A90º直头側切F90º偏头端切L95º偏头側切及端切T60º偏头側切B75º直头側切G90º偏头側切M50º直头側切U93º偏头端切C90º直头端切H107.5º偏头側切N63º直头側切V72.5º直头側切D45º直头側切J93º偏头側切R75º偏头側切W90º偏头端切E60º直头側切K75º偏头端切S45º偏头側切Y90º偏头端切代号ABCDEFGHJKLM长度32405060708090100110125140150代号NPQRSTUVWXY长度160170180200250300350400450特殊尺寸500刀柄长度车刀头部形式第五节切削用量的选择

2.5.1零件表面的形成和车床切削运动

切削运动和切削过程中的三个表面

主运动

主运动必定有,一般只有一个进给运动

进给运动以有多个,但也可能没有切削运动VVf前刀面Aγ(主)后刀面前刀面Aγ(副)后刀面主切削刃副切削刃刀尖(三面二刃一尖)(过渡表面)切削刀具的主偏角“k”切削用量三要素：1、切削速度v或主轴转速n2、背吃刀量或吃刀深度3、切削进给速度Vf或进给量数控机床加工的切削用量：（3要素）1、切削速度vc（或主轴转速n）；2、切削深度ap（铣床：背吃刀量）；3、进给量f（或进给速度Vf）。一般，粗加工以提高效率为主，可选大；半精和精加工，以保证质量，选小。切削用量三要素切削速度Vc=;n=背吃刀量αp=进给量f:进給速度Vf=nf(进给量)(mm/min)(mm/r)矢量Vc=V+vfπDn10001000VcπDD–d2切削用量的选择先选择背吃刀量αp,再选择进给量f,最后选择切削速度Vc⒈背吃刀量αp的选择:余量大或工艺系统刚性差:分两(或多)次切除:第一次进给的背吃刀量αp1=(2/3~3/4)A第二次进给的背吃刀量αp2=(1/3~1/4)A⒉进给量f的选择:一般在100~200mm/min切断、加工深孔20~50mm/min加工精度、表面粗糙度要求高20~50mm/min⒊切削速度Vc的选择:应根据加工性质和刀具材料进行选择:

普通高速钢刀具<30m/min精加工硬质合金刀具<100m/min总之,切削用量的具体数值应根据加工要求、机床性能、相关经验类比确定材料切除率Q−−衡量切削效率高低的指标之一单位时间内所切除材料的体积。Q=