《数控加工工艺》课件 第四讲 数控加工的切削基础

课程:数控加工工艺学Chapter2、数控加工的切削基础金属切削加工：利用刀具与工件的相对运动（切削运动），使毛坯上多余的金属（通常称为加工余量）变成切屑的一种加工，目的是制成一定的形状、尺寸精度和相互位置精度以及表面质量都合乎技术要求的零件或半成品。Chapter2、数控加工的切削基础

在金属切削加工中，为了切除毛坯上多余的金属，获得合乎技术要求的形状、尺寸精度和表面质量的工作表面，刀具与工件之间必须具有一定的相对运动，这种相对运动称为切削运动。切削运动主运动进给运动主运动加上进给运动，即可不断地或连续地切除材料，并得到具有所需几何特征的表面。

合成运动（1）主运动

——

是由机床或人力提供的刀具和工件之间的主要相对运动。它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，导致切削层转变为切屑。

指直接切除工件上的余量形成加工表面的运动。主运动的速度即切削速度，用ν（m/s）表示。切削速度最高，消耗功率最大，只有一个。

主运动可以由工件、也可以由刀具完成，主运动和进给运动是实现切削加工的基本运动，可以由刀具来完成，也可以由工件来完成.（2）进给运动——是由机床或人力提供的刀具和工件之间附加的相对运动，配合主运动，不断地将多余金属投入切削，以保持切削连续或反复地进行的运动。

指为不断把余量投入切削的运动。进给运动的速度用进给量（ƒ—mm/r）或进给速度（νƒ

—mm/min）表示。速度较低，消耗功率较小，可有一个或多个，也可不存在。可以是连续的，也可以是间歇运动。在确定进给运动方向时，一般指连续进给方向或间歇运动中的主要一个。

主运动vｃ和进给运动vｆ可以由刀具或工件分别完成，或由刀具单独完成。

主运动和进给运动可以同时进行（车削、铣削等），也可交替进行（刨削等）。

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工件的运动称为合成切削运动。

合成速度向量等于主运动速度与进给运动速度的向量和：

vｅ=vｃ+vｆ

（3）合成运动与合成切削速度vｅ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、垂直方向间隙移动正在加工的工件表面，根据其所处的状态分为：

已加工表面：已经加工完成的表面。

加工表面（过渡表面）：切削刀具正在进行切削加工的表面。

待加工表面：即将进入切削加工的表面。

加工表面切削要素切削用量三要素：切削速度vc:主运动的线速度(mm/min)进给量：刀具相对工件沿进给方向移动的距离。1）（周期）进给量f(mm/r)：主运动一个循环2）进给速度vf(mm/min)：单位时间内3）每齿进给量af(mm/z)：刀具每个刀齿背吃刀量（切削深度）ap(mm):已加工表面与待加工表面间的距离。补充定义：在垂直于进给运动方向上测量的主切削刃切入工件的深度。切削刃选定点相对于工件的主运动的瞬时速度称为切削速度，以最大切削速度为准，车削外圆时：1、切削速度vc式中n

——

主运动转速（r/s）；

D——

刀具或工件的最大直径（mm）。若主运动为往复运动时，其平均速度为：式中nr——

主运动每秒钟往复次数（str/s）；l——

往复运动行程长度（mm）。2、进给量ƒ(vƒ)

工件或刀具每转一周时(或主运动一循环时)，两者沿进给方向上相对移动的距离，单位为mm/r。对于多齿刀具还可用每齿进给量ƒz表示,单位为mm／min。若刀具齿数z为，则进给量与进给运动速度、每齿进给量的关系为：

vƒ=ƒn

主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向及进给运动方向所组成的平面的法线方向上测量的值。单位为mm。工件上待加工表面与已加工表面间的垂直距离。3、背吃刀量ap式中：dw——工件待加工表面的直径；

dm——工件已加工表面的直径。车削外圆时：切削层参数切削层是指切削过程中，由切削部分的一个单一动作所切除的工件材料层。(1)切削层公称宽度（bD)。

是在给定瞬间，作用主切削刃截形上两个极限点间的距离，单位mm。(2)切削层公称横截面积(AD)。

是在给定瞬间，切削层的实际横截面积，单位mm2。(3)切削层公称厚度（hD)。

在同一瞬间的切削层公称横截面积与其公称切削层宽度之比，单位mm。残留面积ΔAD

残留面积高度：H=f/(ctgKr+ctgKr’)切削用量的合理选择

切削用量的选择直接影响工件加工质量、生产率和刀具的使用寿命(耐用度)。切削用量(主要指背吃刀量和进给量)的增大，都会使切削力增大、使工件变形的可能增大，并有可能引起振动，还会使残留面积的高度显著增大，降低加工精度和增大表面粗糙度(见动画4)。由图可知，截面ABE为未被切除的残留面积。切削液切削液的作用冷却作用润滑作用防锈作用清洗作用降温冷却作用，进提高刀具耐用度和加工质量

由于润滑剂的渗透性和吸附性极强，部分接触面间存在着流体润滑吸附膜，起到减小摩擦系数的作用。在金属切削过程中，为了防止碎屑（如铸铁屑）或磨料微粒粘附在工件、刀具或机床上，影响已加工表面质量、刀具耐用度和机床精度，要求切削液具有良好的清洗作用为了使工件、机床和刀具不受周围介质的腐蚀，以及工件在工序间运行不生锈，要求切削液具有良好的防锈作用。切削液的分类水溶液冷却为主的冷却润滑液。切削油主要成分是矿物油，少数情况采用植物油或复合油。乳化液兼顾冷却与润滑的切削液。切削液的选用粗加工时加工余量和切削量较大，产生的切削热量多，刀具易磨损。这时需尽量降低切削温度，应选用以冷却作用为主的水溶液或乳化液。精加工时采用切削液主要是改善加工表面质量和提高刀具耐用度，稳定尺寸精度。切削高强度钢、高温合金钢等难加工材料时由于含硬质点多，机械擦伤作用大，导热性低等原因，对切削液的冷却与润滑方面都有较高的要求。难加工材料的切削均处于极压润滑摩擦状态下，因此应选用极压切削油或极压乳化液。切屑的形成金属切削过程实质上是一种挤压过程，根据实验结果，切削塑性金属过程中，金属在受到刀具前面的挤压后，将发生塑性剪切滑移变形，然后被切离工件形成切屑。实际上，塑性变形—滑移—切离三个过程，会根据加工材料等条件不同，不完全地显示出来。金属的切削过程切屑变形区的划分第I变形区（剪切区、塑性变形区）：从开始发生塑性变形到晶粒剪切滑移基本完成。切屑收缩现象：变形系数

越大，切削变形越大，切削力越大，消耗功率越大，切削温度越高，加工表面质量越差。第II变形区（摩擦区）形成条件：中低速切削塑性金属特性：无→有→小→大→脱落周期性对切削过程的影响：保护刀刃；使工作前角增大，切削力减小；切削平稳性差；影响加工精度和表面粗糙度。变形强化（加工硬化）成因：1）挤压塑性变形2）表面相变对加工过程的影响：影响后续加工影响加工表面质量产生残余应力消除变形强化的措施：通过热处理降低材料塑性；采用切削液；加工后通过热处理消除变形强化。（3）第III变形区（挤压区）例如，加工铸铁等脆性材料时，被切层在弹性变形后很快形成切屑离开母材。而加工塑性很好的钢材时，滑移阶段特别明显。由于切屑形成过程不同，切屑的形状也不同。一般可以分成四类切屑的种类积屑瘤

切削钢和铝合金等塑性金属时，在切削速度不高且形成带状切屑的情况下，常有一些来自切屑和工件的金属粘接层堆积在刀具的前面上，形成硬度很高(约为工件材料硬度的2～3.5倍)的楔块，称为积屑瘤，积屑瘤形成过程见动画和视频。积屑瘤的形成主要取决于切削温度，如在300～380℃切削碳钢时易产生积屑瘤。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关形成积屑瘤的条件(1)实际前角增大。积屑瘤对切削过程的影响(2)使加工表面粗糙度增大。(3)对刀具寿命的影响。防止积屑瘤的主要方法

(1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；

(2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度；

(3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦；

(4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；

(5）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。切削力的构成与分解切削力Fc（切向力）－占功率90%；进给力Ff（轴向力）

---占功率1-5%；背向力Fp（径向力）

--不消耗功率但使工件变形。切削力和切削功率2.切削功率切削过程所需功率Pm可按下式计算：式中：Fc──切削力（N）；

vc

──切削速度(m/s)；

Ff──进给力（N）；

vf

──进给速度(mm/s)。切削力的变化规律1)切削深度ap和进给量f对切削力的影响2)前角对切削力的影响3)切削速度对切削力的影响工件材料强度越高，所需切削力越大，可以认为这是切削力第三规律。

4)工件材料强度对切削力的影响5)主偏角Kr对切削力的影响6）影响切削力的其它因素(1)刀具棱面(2)刀具圆弧半径(3)刀具磨损(4)前角(5)刃倾角切削力的测定

1)测定机床功率，计算切削力2)用测力仪测量切削力3)切削力的经验公式和切削力估算切削热和切削温度

1.切削热的产生和传导2.切削温度的计算与测量3.影响切削温度的主要因素1)切削用量的影响2)刀具几何参数的影响4)刀具磨损的影响3)工件材料的影响5)切削液的影响4.切削温度对工件、刀具和切削过程的影响(1)切削时的温度虽然很高，但是切削温度对工件材料硬度及强度的影响并不大，剪切区域的应力影响也不太明显。

(2)适当地提高切削温度，对提高硬质合金的韧性是有利的。

(3)切削温度对工件尺寸精度有影响。

(4)利用切削温度可自动控制切削速度或进给量。

(5)利用切削温度与切削力，可控制刀具磨损。2.2常用工件材料性能基础2.2.1金属材料的加工特性

1.金属材料可加工性的概念

2.可加工性的衡量指标

加工性等级名称及种类相对加工性Kr1很易切削材料一般有色金属〉3.02容易切削材料易切钢2.5~3.03较易切削钢1.6~2.54普通材料一般钢与铸铁1.0~1.65稍难切削材料0.65~1.06难切削材料较难切削材料0.5~0.657难切削材料0.15~0.58很难切削材料<0.152.2.2非金属材料的加工特性影响因素材料硬度；材料塑性和韧性；材料强度；弹性模量E；导热系数；其它因素。改善措施（1）选用切削性好材料及表面状态好的材料（2）热处理改善切削加工性，中、低碳钢正火处理；高碳钢球化退火；（中碳及中碳合金钢）调质钢调质处理。（3）选用合理的刀具材料及刀具角度（4）特种切削加工：振动切削；加热切削；低温切削。影响切削加工性的因素及其改善措施刀具的磨损与耐用度

1、刀具磨损过程2.刀具的磨损的形式（a）前刀面磨损（b）后刀面磨损（