学习情境一 数控加工工艺文件的识读(项目一切削用量和切削液的选择)

第1章数控加工工艺文件的识读本章要点切削运动与切削要素金属切削机床金属切削过程11.1切削运动与切削要素一、零件表面1.1.1零件表面及其成形方法常用的表面：由平面、内（外）圆面、和成形表面等几种表面元素组成的。外圆面和内圆面（孔）是以某一直线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时所形成的表面。平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。成形面是以曲线为母线，以圆或直线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成的表面。2二、工件表面的形成方法任何规则表面都可以看作是一条线（称为母线）沿着另一条线（称为导线）运动的轨迹。母线和导线统称为形成表面的发生线。1.1.1零件表面及其成形方法3二、工件表面的形成方法可逆表面—形成表面的两条发生线—母线和导线可以互换，而不改变形成表面的性质。不可逆表面——如果母线和导线不可以互换。注意：有些表面的两条发生线完全相同，只因母线的相对位置不同，也可形成不同的表面，如圆柱面、圆锥面和双曲面。1.1.1零件表面及其成形方法4母线位置不同形成不同表面11-与轴线平行；22-与轴线不平行，不相交；33-与轴不平行，相交。5三、形成发生线的方法及所需运动形成发生线的方法可归纳为四种：轨迹法利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。刀刃为切削点1，它按一定轨迹运动，形成所需的发生线2。形成发生线需要一个成形运动。1.1.1零件表面及其成形方法6轨迹法7三、形成发生线的方法及所需运动

成形法(仿型法)利用成形刀具对工件进行加工的方法。刀刃为切削线1，它的形状和长短与需要形成的发生线2完全重合，刀具无须任何运动就可以得到所需的发生线形状。形成发生线2不需运动。1.1.1零件表面及其成形方法8成形法(仿型法)9展成法利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法。刀刃为切削线1，它的形状和长短与需要形成的发生线2的形状不吻合，切削线1与发生线2彼此作无滑动的纯滚动，发生线2就是切削线1在切削过程中连续位置的包络线。曲线3是切削刃上某点A的运动轨迹。在形成发生线2的过程中，或者仅由切削刃1沿着由它生成的发生线2滚动；或者切削刃1和发生线2（工件）共同完成复合的纯滚动，这种运动称为展成运动。形成发生线需要一个成形运动（展成运动）。三、形成发生线的方法及所需运动10展成法11相切法利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。刀刃为旋转刀具（铣刀或砂轮）上的切削点1，刀具作旋转运动的同时，其中心按一定规律运动，切削点1的运动轨迹与工件相切，形成了发生线2。由于刀具上有多个切削点，发生线2是刀具上所有的切削点在切削过程中共同形成的。形成发生线需要二个成形运动：刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律运动。三、形成发生线的方法及所需运动12相切法13形成发生线所需的运动—成形运动按组成情况不同，可分为

简单成形运动：

复合成形运动：一个成形运动是由单独的旋转运动或直线运动构成的。一个成形运动，是由两个或两个以上旋转运动或直线运动，按照某种确定的运动关系组合而成。1.1.2表面成形运动14例：车螺纹。螺纹车刀是成形刀具，因此形成螺旋面只需1个运动即车刀在不动的工件作空间螺旋运动。该螺旋运动分解成等速的旋转运动和等速的直线运动。图b中以B11和A12代表。为得到一定导程的螺旋线，B11和A12须严格保持相对运动关系，即工件每转一周，刀具的移动量应为一个导程。15金属切削加工是通过工件与刀具之间的相对运动实现的,而机械加工中的相对运动是通过机床实现的。在机床上所具有的这种相对运动称为切削运动。切削运动按其所起的作用可分为：主运动进给运动

1.1.3切削运动161.主运动主运动是使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前面接近工件实现切削的运动。主运动的特点速度最高，消耗的功率最大。2.进给运动由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使待切除的金属层不断投入切削，从而完成整个表面加工时的运动。。主运动的运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动；主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；主运动通常只有一个，而进给运动的数目可以有一个或几个，也可以没有。1.1.3切削运动17常见的切削运动183.主运动和进给运动的合成

当主运动和进给运动同时进行时，切削刃上某一点相对于工件的运动为合成运动，常用合成速度向量ve来表示，如图所示。1.1.3切削运动19常见机床的切削运动机床名称主运动进给运动卧式车床工件旋转车刀纵向、横向移动切削运动及切削要素钻床钻头旋转钻头轴向移动铣床铣刀旋转工件纵向、横向、垂直方向移动牛头刨床刨刀往复工件横向、垂直方向间隙移动外圆磨床砂轮旋转工件旋转、工件往复或砂轮横向移动平面磨床砂轮旋转工件往复移动，砂轮横向、垂直移动镗床镗刀旋转镗刀轴向移动、工件轴向移动龙门刨床工件往复刨刀横向、垂直方向间隙移动20

切削加工过程中，在切削运动的作用下，工件表面一层金属不断地被切下来变为切屑，从而加工出所需要的新的表面，在新表面形成的过程中，工件上有三个依次变化着的表面，它们分别是：

已加工表面

已经被切去多余金属层所形成的新表面。待加工表面

即将被切去金属层的表面。过渡表面

正在被切削刃切削而形成的表面,又称加工表面或切削表面；一、工件表面1.1.4切削要素nf已加工表面过渡表面待加工表面dm21一、工件表面22一、工件表面23切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削用量包括：切削速度进给量背吃刀量二、切削用量1.1.4切削要素24（1）切削速度vc

在切削加工时，切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离,单位为m/min或m/s。主运动为旋转运动时,切削速度vc计算公式为:式中d－工件直径（mm）n－工件或刀具每分(秒)钟转数(r/min或r/s)二、切削用量25主运动为往复运动时,平均切削速度为：式中l一往复运动行程长度(mm)nr一主运动每分钟的往复次数(往复次数/min)。（1）切削速度vc

二、切削用量26（2）进给量f或进给速度进给量是在主运动的一个循环内，刀具和工件之间沿进给运动方向所移动的距离，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。车削时进给量的单位是mm/r，即工件每转一圈,刀具沿进给运动方向移动的距离。刨削等主运动为往复直线运动,其间歇进给的进给量为mm/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。二、切削用量27单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度vf计算公式为:铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用az表示，单位是(mm/z)，vf、f、az三者之间的关系为：z为多齿刀具的齿数

（2）进给量f或进给速度二、切削用量28（3）背吃刀量（切削深度）ap

背吃刀量ap是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进给运动方向上的投影值。对于外圆车削，背吃刀量ap等于工件已加工表面和待加工表面之间的垂直距离,单位为mm。即：式中dw－待加工表面直径dm－已加工表面直径二、切削用量29三、切削层参数

切削层是主运动在一个切削循环内，刀具切削部分从工件上切除的材料层。切削层参数就是指这个切削层的截面尺寸。为了简化计算，切削层形状、尺寸规定在刀具的基面中度量，切削层的形状和尺寸将直接影响刀具切削部分所承受的负荷和切屑的尺寸大小。通常在基面Pr内度量。

dmdwfn12fapKr30如所示，车外圆时，当主、副切削刃为直线，且

s=0，切削层就是车刀由位置Ⅰ移动到位置Ⅱ即一个f距离，刀具正在切削的那层金属层，可见，切削层的形状是平行四边形。hDfapbD

r切削层公称厚度hD

简称切削厚度，是垂直于切削表面度量的切削层尺寸。

hD＝

f×sinκr切削层公称宽度bD

简称切削宽度，是沿切削表面度量的切削层尺寸。

bD＝ap/sinκr切削层公称横截面积AD三、切削层参数

待加工表面过渡表面已加工表面ⅡⅠ31直角切削：λs＝0的切削，主切削刃与切削速度方向垂直斜角切削：λs≠0的切削，主切削刃与切削速度方向不垂直四、切削方式321.2.1切屑类型由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程中材料的弹性或塑性变形的程度也就不同，因而所产生的切屑种类也不同。1.2金属切削过程的基本规律331.带状切屑产生条件：金属塑性大切削厚度小切削速度高前角较大特点：内表面是光滑的，外表面是毛茸的。切削过程比较平稳，切削力波动较小，已加工表面粗糙度较小。但不规则的缠绕会妨碍切削，并划伤工件。342.节状切屑产生条件：中等塑性金属切削厚度大切削速度低前角较小特点：外表面出现剪切断裂呈锯齿形，有明显裂痕，内表面有时有裂纹，但并未断开。切削力波动较大，切削变形严重，已加工表面粗糙度高。353.粒状切屑产生条件：塑性更差金属切削厚度更大切削速度更低前角更小特点：整个剪切面发生严重塑性变形，切应力大于材料强度极限时，切屑被剪切断裂成颗粒状。切削力波动更大，已加工表面粗糙度更高。364.崩碎切屑产生条件：脆性金属切削厚度大硬度高、脆性高特点：切削脆性金属时，材料的塑性很小，抗拉强度较低，刀具切入后，切削层内靠近切削刃和前刀面的局部金属未经明显的塑性变形就在拉应力状态下脆断，形成不规则的碎块状切屑。37381.2.2切屑的流向和折断１、切屑的流向主切削刃A点参与切削终点副切削刃B点参与切削终点39

刃倾角对切屑流向的影响刃倾角-λsΚr，Κr＝90；-γ0；切屑易流向已加工表面

刃倾角对切屑流向的影响40２.切屑的折断切屑的卷曲是切屑基本变形或经过卷屑槽使之产生附加变形的结果41第二变形区(前刀面摩擦区)断屑是对已变形的切屑再附加一次变形42示例：切屑卷曲刀具加工工件时产生的切屑被卷曲的情况43示例：切屑卷曲刀具切削工件时产生断屑的情况 44研究可知：增加切屑厚度，减小切屑卷曲半径，切屑材料的极限应变值小，切屑易折断。

减小断屑槽宽；增加断屑台高；增长刀——屑接触长度；有利于断屑45三.断屑措施

１、作出断屑槽a),b)加工碳钢、合金钢、工具钢和不锈钢；c)加工塑性更高的材料46断屑槽位置及刃倾角作用外倾式刃倾角-λs，断屑范围广，粗加工；平行式刃倾角λs=0，碰到切削表面折断，用于粗加工、半精加工；内倾式刃倾角+λs，半精加工、精加工。472.改变切削用量f,断屑,影响较大（aＣ影响），ap，f时有效，v的影响较小，v时容易断屑。483.其它断屑方法固定附近断屑挡块；采用间断切削；切削刃上开分屑槽491.2.2金属切削变形过程和积屑瘤一、切屑的形成正交自由切削金属切削过程是切削层金属在刀具前刀面的推挤下，发生以剪切滑移为主的塑性变形而形成切屑的过程。50二、切削时的三个变形区剪切滑移变形与前刀面挤压摩擦已加工表面变形51三、第I变形区的变形特点1.金属的剪切滑移变形始剪切线终剪切线52剪切平面与切削速度方向的夹角为剪切角。o金相组织：切屑中晶粒被拉长呈纤维化。532.剪切角的计算主应力方向与极值切应力方向之间的夹角为450的原理。FnFsFf工件vco54四、第II变形区的变形特点1.金属的挤压摩擦变形55562.前刀面上的摩擦内摩擦外摩擦冷焊现象573.积屑瘤

切削塑性金属时；形成积屑瘤的主要因素是压力和切削温度；当近切削刃处的压力和温度很低或很高时，均不易形成积屑瘤。5859积屑瘤对切削加工的影响

稳定的积屑瘤可代替切削刃和前刀面进行切削，减少刀具的磨损；使实际前角增大，切屑变形减小，切削力降低；积屑瘤具有一定的高度，使切削厚度增大；积屑瘤的不断变化，使实际切削厚度不断变化，零件的表面粗糙度变化，表面质量下降；积屑瘤脱落时会剥离前刀面上的刀具材料，造成刀具磨损加剧。60切削45钢避免产生积屑瘤的方法采用冷却性和润滑性好的切削液。61五、第III变形区的变形特点621.已加工表面的形成过程切削刃钝圆部分OB、磨损棱面BC和后刀面CD构成后刀面的接触长度，并在其共同作用下形成已加工表面。632.已加工表面的质量指标已加工表面质量几何方面质量表面材质表面粗糙度加工变质层指工件经过切削加工后影响其使用性能的质量变化。

表面层的加工硬化程度和硬化层深度；表面层与一定深度层的残余应力大小和分布；表面层金相组织的变化。643.已加工表面的粗糙度表面粗糙度几何因素不稳定因素经过切削加工后的表面总会有微观几何不平度，此不平度的高度称为表面粗糙度。6566不稳定因素产生的粗糙度（1）积屑瘤

处于不稳定状态，易产生过切；部分破碎的积屑瘤碎片嵌入已加工表面；生长与破碎导致切削力波动，引起振动。67（2）鳞刺

中低速、大进给量、较小前角对塑性、韧性材料加工中；形成节状切屑或单元切屑时；形成具有积屑瘤的带状切屑时。68（3）刀具磨损刀具后角过小或后面出现严重磨损，使刀具后面与已加工表面间产生挤压和摩擦，形成如图所示的理论粗糙度高度被挤平和划伤。

69（4）系统振动切削时工艺系统的振动，可明显增加表面粗糙度值、降低加工表面质量，严重时会影响机床精度和损坏刀具。

切削力的波动波形纵向振纹704.影响表面粗糙度的其它因素（1）切削速度vc高速时71（2）前角o72（3）后角适当增大刀具后角可获得较小的表面粗糙度。o73741.2.3切削力及切削功率克服被加工材料弹性、塑性变形的抗力；克服切屑对刀具前面、过渡表面对后面和已加工表面对副后面的摩擦力与挤压力等。一、切削力的来源

弹性变形抗力和塑性变形抗力，在切削中的三个变形区中均存在，但以第一变形区中的抗力最大。75二、切削力和切削功率

切削力Fc：垂直于基面，与切削速度方向一致。

背向力Fp：作用于基面内，与进给方向垂直。

进给力Ff：作用于基面内，与进给方向平行。A76

切削功率Pc：单位时间内消耗在切削过程中的功。771.2.4

切削热和切削温度一、切削热的来源和传散切屑与前面，工件与后面之间的摩擦所产生的摩擦功；

弹性变形和塑性变形所消耗的变形功。78不同的切削方法，切削热沿不同传导途径传递出去的比例也各不相同。79二、切削温度的测定原理1.研究和测量切削温度的目的研究各种因素对切削温度的影响；校核切削温度理论计算的准确性；把测得的切削温度作为自适应控制的输入信号。

切削温度是指切削区域（前刀面与切屑接触区）的平均温度。80人工热电偶法2.切削温度的测量方法8182三、切削温度的分布红外胶片法

刀－屑面间温度最高；前、后刀面的最高温度都不在刀刃上；切屑中的平均温度较刀具、工件中的高。沿剪切面方向上各点温度几乎相同。83四、影响切削温度的主要因素1.切削用量84

切削速度增加，切削变形小，切削力略有下降，切削温度降低。

切削速度增加，切屑与前刀面的接触长度变长，接触时间变短，向切屑中传递的热量减少，散热条件差，摩擦加剧，切削温度提高很快。85

进给量增大，切削力增大，摩擦挤压加剧，切削温度增加；切削厚度增加，切屑热容量增加，切屑带走热量增加。

背吃刀量增大，切削力增大，摩擦挤压加剧；切削宽度增大，切削刃参加的长度增加，显著改善了热量的传散。862.工件材料通过材料的硬度、强度和热导率来影响切削温度的。

b=0.589GPaHB=187

b=0.736GPaHB=229

b=1.452GPaHRC=44(418HB)87合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数一般均低于45钢。88脆性金属(HT20)的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中切削区的塑性变形很小，切屑呈崩碎状或脆性带状，与前刀面的摩擦也很小，产生的切削热较少。893.刀具几何参数前角

前角增大，剪切角增大，切削变形小，切屑与前面的摩擦减小，切削温度降低。

前角过大，刀头体积减小，散热条件差，对降低切削温度产生不利影响。90主偏角

主偏角减小，切削变形和摩擦增加，切削热增多；

主偏角减小后，刀头的体积增大，散热大为改善，切削温度总体呈现降低。91

刀具磨损

刀具磨损后，切削刃变钝，对刃区前方的挤压作用增大，切削区的塑性变形增加；

磨损后的刀具后角变为零度，使工件与刀具的摩擦加大。921.2.3改善工件材料的切削加工性1.切削加工性的概念及标志方法2.影响工件材料切削加工性的因素3.改善切削加工性的途径4.难加工材料的切削加工性93切削加工性的概念切削加工性：指工件材料切削成合格零件的难易程度比较：Q235和45#从加工表面质量方面比较：45#>Q235从切削力大小方面比较：45#>Q235特点：相对性注：工件材料的切削加工性与加工密切相关，还应考虑刀具材料的性能94切削加工性的概念切削加工性：指工件材料切削成合格零件的难易程度比较：Q235和45#从加工表面质量方面比较：45#>Q235从切削力大小方面比较：45#>Q235特点：相对性注：工件材料的切削加工性与加工密切相关，还应考虑刀具材料的性能95切削加工性的标志（衡量指标）按加工质量来衡量材料的加工性表面质量表面粗糙度↓—加工性↑残余应力↓—加工性↑加工硬化程度↓—加工性↑应用条件：精加工常以此作切削加工性指标96按刀具耐用度或一定耐用度T下的vT.常用v60。（难加工材料可用v15或v30）T↑、v60↑—加工性↑应用条件：常用指标，适用不同加工条件都从三方面理解保证T相同时，切削某种材料允许的速度，即vT保证相同切削条件下，刀具材料达到的T数值（min)保证相同切削条件下，保证刀具达到VB*时所切下金属体积的量(mm3/s)97按单位切削力和切削温度相同条件下kc↑—F↑—Pc↑—θ↑—加工性↓应用条件：粗加工、工艺系统刚性不足因切削温度数据不易得到，故此指标较少用98按切屑处理性（断屑性能）排屑易—处理性↑—加工性↑断屑易—处理性↑—加工性↑卷屑易—处理性↑—加工性↑断屑性能要求高的工序如：深孔、盲孔、镗孔、钻削应用条件：自动机床、自动生产线此外，可用切削路程Lm，金属切除率Zw

作为衡量指标99常用切削加工指标vT:当刀具耐用度为T（min,s)时，切削某种材料所允许的切削速度vT↑——材料的加工性↑实际中人们最关注：生产率，经济性目前还没有一个理想的方法评价切削加工性100相对加工性Kv以45#钢的v60为基准，记为（v60)j,其它材料的v60与（v60)j之比，叫相对加工性Kv加工性Kv>1比45#易切Kv<1比45#难切工件材料切削加工性等级,见P.27表1-3101影响工件材料切削加工性因素工件材料物理力学性能的影响工件材料化学成分的影响工件材料金相组织的影响102一、物理力学性能因素硬度常温硬度HB↑—

F↑—Pc↑—θ↑—VB↑—T↓—v60↓高温硬度HB↑—刀具硬度↓—硬度比↓—VB↑—T↓—v60↓工件材料中硬质点HB↑—擦伤作用↑—v60↓加工硬化硬化程度↑—VB↑—v60↓103强度（包括常温和高温）σb↑—Fr↑—Pc↑—θ↑—VB↑—v60↓塑性硬度和强度相近时δ↑—v60↓工业纯铁、纯铜硬度低，塑性很高，也很难加工（粘刀）改善措施——降低塑性硬化（冷拔）热处理104韧性αk↑—折断前吸收能量↑—越难断屑—v60↓材料导热系数k↓——v60↓k有色>k中碳钢>k合金钢>k工具钢>k不锈钢、耐热钢切削紫铜时k=393；45#时k=50；1Cr18Ni9Ti时k=14k与合金元素有关Cr、Ni、Mo、W↑—k↓105化学成分因素钢含碳量C%↑↑—HB↑、σb↑—v60↓C%↓↓—δ↑、αk↑—v60↓合金元素Cr、Ni、V、Mo、W、Mn↑—硬度↑—v60↓Si、Al↑—硬质点多↑—v60↓S、P、Se、Pb↑—v60↑106铸铁Si、Al、Ni、Cu、Ti↑—石墨化↑—v60↑Cr、V、Mn、Mo、Co、P、S↑—石墨化↓—v60↓白口铁—麻口铁—灰口铁—球铁V60↑铸铁的相对加工性见下表107铸铁的相对加工性铸铁种类铸铁组织硬度HBS伸缩率δ%相对加工性Kv白口铁细粒珠光体+碳化铁600—难切削麻口铁细粒珠光体+少量碳化铁263—0.4珠光体灰铸铁珠光体+石墨225—0.85灰铸铁粗珠光体+石墨+铁素体190—1.0铁素体灰铸铁铁素体+石墨100—3.0球墨铸铁（或可锻铸铁）石墨为球状26520.621540.920717.51.3180201.8108金相组织因素针状珠光体—片状珠光体—球状珠光体马氏体→索氏体→回火马氏体v60↑v60↑109改善切削加工性的途径调整化学成分，发展易切钢在钢中适当添加一些元素（S、Pb、Se等），使刀具耐用度↑，切削力↓，容易断屑，加工表面质量↑安排合适的热处理工序1.25粗车半精车正火精车渗碳淬火磨削110加工半轴下料锻造正火机加工调质盘部钻孔磨花键111坐标镗床主轴要求:调质硬度HB240~280,表面硬度HV900~1100,氮化深0.5mm选用切削加工性好的材料状态冷拔低碳钢>热轧低碳钢45#热轧钢>锻件(坯件余量不匀,有硬皮)下料锻造退火粗加工调质半精加工低温退火精车低温退火粗磨磁力探伤氮化磁力探伤半精磨油煮定性精磨油煮定性超精磨油煮定性研配112难加工材料的切削加工性难加工材料应用于：高性能机械结构和机器、造船、航空、电站、石油化工、国防等喷气发动机、原子能发电站、空间探索、海底探测、地壳勘探等重点发展材料：用于核动力和燃烧循环过程的材料用于计算机、传感器和微电子器件等有关传递的材料113材料特点强度高：高温强度、抗蠕变强度高抗氧化能力强：抗高温氧化能力高耐低温难点：材料的结构愈来愈复杂，重量越来越轻要考虑加工成型时单位体积所需的能量114高锰钢概念含Mn量达11~14%，当高锰钢全部都是奥氏体组织时，才能获得较好的使用性能（如韧性、强度及无磁性等）特点硬度、强度低易产生加工硬化、断屑难导热率低115措施选用韧性、导热性较高的刀具材料粗车：YG8、YG8X；精车：YT14、YT15（YM052、YM051）、YW3（复合氧化铝）陶瓷刀具选择合理刀具几何角度适当增