1、第2章 数控加工的切削基础 武汉交通职业学院 机电系第2章 数控加工的切削基础 本章内容本章内容 数控加工的金属切削原理、数控加工的金属切削原理、刀具的选用和切削过程中的相刀具的选用和切削过程中的相关问题。关问题。第2章 数控加工的切削基础 2.1 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 切削运动（合成切削运动，刀具和工件之间的相对运动）主运动（主要运动，切削速度最高、消耗功率最大，只能有一个）进给运动（附加运动、消耗的功率小，可以有多个或者没有）第2章 数控加工的切削基础 2.1 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 加工中的工件表面 以加工表面 （切削后形成）待加工表面 （待切除的切削层表面
2、）过渡表面 （切削刃形成的那一部分表面）第2章 数控加工的切削基础 2.1 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 切削要素 切削用量切削层几何参数切削速度Vc进给量f背吃刀量ap切削层公称厚度hD切削层公称宽度bD切削层公称横截面面积AD第2章 数控加工的切削基础 2.1 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 切削用量三要素1.切削速度Vc 切削时，切削刃选定点相对于件主运动的瞬时速度，即工件和刀具沿主运动方向的相对位移 回转运动：往复直线运动：1000ndVwc10002LnVc第2章 数控加工的切削基础 2.进给量f 在主运动的一个循环内，刀具在进给方向上相对于工件的移动量 车削时：2.1
3、 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 切削用量三要素nfVf第2章 数控加工的切削基础 3.背吃刀量ap 以加工表面和未加工表面之间的垂直距离 车削外圆时：2.1 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 切削用量三要素2mwpdda第2章 数控加工的切削基础 2.1 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 切削层参数 金属切削过程是通过刀具切削工件切削层而进行的。在切削过程中，刀具的刀刃在一次走刀中从工件待加工表面切下的金属层，被称为切削层。切削层的截面尺寸被称为切削层参数。切削层几何参数切削层公称厚度hD切削层公称宽度bD切削层公称横截面面积AD第2章 数控加工的切削基础 2.1 切削运动与切
4、削要素切削运动与切削要素 右图：hD f sinr r为刀具主偏角，即刀具主切削刃与进给方向的夹角。根据上式可以看出，进给量f或刀具主偏角r增大，车削切削层厚度hD增大。v 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，称为切削层公称厚度。第2章 数控加工的切削基础 2.1 切削运动与切削要素切削运动与切削要素 切削层参数2.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 右图：bDap/sinkr 由上式可以看出，当背吃刀量ap增大或者主偏角kr减小时，切削层公称宽度bD增大。第2章 数控加工的切削基础 2.1 切削运动与切
5、削要素切削运动与切削要素 切削层参数 3.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 右图：AD hD*bD f*ap。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 常用刀具分类 数控加工刀具可分为常规刀具和模块化刀具两大类。模块化刀具是发展方向。发展模块化刀具的主要优点：减少换刀停机时间，提高生产加工时间；加快换刀及安装时间，提高小批量生产的经济性；提高刀具的标准化和合理化的程度；提高刀具的管理及柔性加工的水平；扩大刀具的利用率，充分发挥刀具的性能；有效地消除刀具测量工作的中断现象，可采用线外预调。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切
6、削刀具 常用刀具分类1.从结构上分类 整体式 装配式 复合式 减震式 内冷式 其他特殊形式2.按加工方法分类 切刀 孔加工刀具 拉刀 铣刀 螺纹刀具 齿轮刀具 磨具3.按切削刃特点分类 单刃刀具 多刃刀具4.按工艺特点分类 通用刀具 定尺寸刀具 成型刀具第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具材料 刀具材料主要是指刀具的切削部分的材料。刀具的切削性能主要取决于刀具的材料，其次取决于切削部分的几何参数及刀具结构的选择和设计是否合理。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具材料1.刀具材料的性能 刀具要承受很大的切削力、切削变形和摩擦产生的高温，
7、要使刀具保持切削能力必须具有一定的性能。高硬度、耐磨、足够的强度和韧性、良好的耐热性和导热性、良好的加工工艺、经济性第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具切削部分组成要素 前刀面A：切屑沿其流出的表面,主后刀面A：与过渡表面相对的面。副后刀面A：与已加工表面相对的面 主切削刃：前刀面与主后刀面。第2章 数控加工的切削基础 副切削刃：前刀面与副后刀面相交形成的刀刃刀尖：主副刃连接处的一小部分切削刃第2章 数控加工的切削基础 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具几何角度 刀具的几何角度是在一定的平面参考系中确定的，一般有正交平面参考系、法平面参
8、考系和假定工作平面参考系。右图所示采用的是正交平面参考系，各参考面如下：切削平面Ps：过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面 正交平面Po：过切削刃选定点同时垂直于切削平面和基面的平面 基面Pr：过切削刃选定点平行或垂直刀具安装面（或轴线）的平面 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具主要的标注角度 前角o：在主切削刃选定点的正交平面Po内，前刀面与基面之间的夹角 后角o：在正交平面Po内，主后刀面与基面之间的夹角 在正交平面中测量的角度还有楔角o=90-（o+o）度第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具主要的标注角度 主偏角r：主
9、切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角 副偏角r：基平面中，副切削平面与进给运动反方向间的夹角 在基平面中测量的角度还有刀尖角r=180-（r+r）度第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具主要的标注角度 刃倾角s：在切削平面ps内，主切削刃与基面Pr的夹角 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择 所谓刀具几何参数的合理选择是指在保证加工质量的前提下，选择能提高切削效率，降低生产成本，获得最高刀具耐用度的刀具几何参数 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择1.前角的选择 前角主要影响切削
10、变形和切削力的大小以及刀具耐用度和加工表面的质量 前角大：刀刃变锋利，切削变形和摩擦小，故切削力小，切削热低，加工表面质量高，但是刀具的强度低耐用度下降。前角小：刀具强度高，切削变形大，易断屑；但是过小会使切削力和切削热增加，刀具的耐用度也下降。刀具前角的合理选择，主要由刀具材料和工件材料的种类与性质决定 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择-前角的选择a.前角的选择与刀具材料的关系 由于刀具前角增大，将降低刀刃强度，因此在选择刀具前角时，应考虑刀具材料的性质。刀具材料的不同，其强度和韧性也不同，强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具
11、甚至取负的前角。如高速钢前角可比硬质合金刀具大510度；陶瓷刀具，前角常取负值，其值一般在0-15度之间。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择-前角的选择b.前角的选择与工件材料的关系 加工钢件等塑性材料时，切屑沿前刀面流出时和前刀面接触长度长，压力与摩擦较大，为减小变形和摩擦，一般采用选择大的前角。加工脆性材料时，切屑为碎状，切屑与前刀面接触短，切削力主要集中在切削刃附近，受冲击时易产生崩刃，因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提高刀刃的强度。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具几何参数的选择-前角的选择c.前角
12、的选择与加工过程的关系 粗加工时，因加工余量大，切削力大，一般取较小的前角；精加工时，宜取较大的前角，以减小工件变形与表面粗糙度；带有冲击性的断续切削比连续切削前角取得小。总之，前角选择的原则是在满足刀具耐用度的前提下，尽量选取较大前角。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具几何参数的选择2.后角的选择 加工表面在后刀面有一个被挤压然后又弹性回复的过程，使刀具与加工表面产生摩擦，刀具后角越小，则与加工表面接触的挤压和摩擦面越长，摩擦越大。因此，后角的主要作用是减小刀具后刀面与加工表面的摩擦.后角的选择主要考虑因素是切削厚度和切削条件 第2章 数控加工的切削基础 2.2
13、 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择后角的选择a.后角的选择与切削厚度的关系 当切削厚度hD（和进给量f）较小时，切削刃要求锋利，因而后角o应取大些。如高速钢立铣刀，每齿进给量很小，后角取到16o。车刀后角的变化范围比前角小，粗车时，切削厚度hD较大，为保证切削刃强度，取较小后角，o4o8o；精车时，为保证加工表面质量，o8o12o。车刀合理后角在f 0.25/r时，可选o10o12o；在f 0.25/r时，o5o8o。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具几何参数的选择后角的选择b.后角的选择与工件材料的关系 工件材料强度或硬度较高时，为加强切削刃，一般采
14、用较小后角。对于塑性较大材料，已加工表面易产生加工硬化时，后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大时，一般取较大后角。选择后角的原则是，在不产生摩擦的条件下，应适当减小后角。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具切削部分组成要素 前刀面A：切屑沿其流出的表面,主后刀面A：与过渡表面相对的面。副后刀面A：与已加工表面相对的面 主切削刃：前刀面与主后刀面。第2章 数控加工的切削基础 副切削刃：前刀面与副后刀面相交形成的刀刃刀尖：主副刃连接处的一小部分切削刃第2章 数控加工的切削基础 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具几何角度 刀具的几何角度
15、是在一定的平面参考系中确定的，一般有正交平面参考系、法平面参考系和假定工作平面参考系。右图所示采用的是正交平面参考系，各参考面如下：切削平面Ps：过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面 正交平面Po：过切削刃选定点同时垂直于切削平面和基面的平面 基面Pr：过切削刃选定点平行或垂直刀具安装面（或轴线）的平面 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具主要的标注角度 前角o：在主切削刃选定点的正交平面Po内，前刀面与基面之间的夹角 后角o：在正交平面Po内，主后刀面与基面之间的夹角 在正交平面中测量的角度还有楔角o=90-（o+o）度第2章 数控加工的切削基础 2.2
16、 金属切削刀具金属切削刀具 刀具主要的标注角度 主偏角r：主切削刃在基面上的投影与进给方向的夹角 副偏角r：基平面中，副切削平面与进给运动反方向间的夹角 在基平面中测量的角度还有刀尖角r=180-（r+r）度第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具主要的标注角度 刃倾角s：在切削平面ps内，主切削刃与基面Pr的夹角 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择 所谓刀具几何参数的合理选择是指在保证加工质量的前提下，选择能提高切削效率，降低生产成本，获得最高刀具耐用度的刀具几何参数 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属
17、切削刀具 刀具几何参数的选择1.前角的选择 前角主要影响切削变形和切削力的大小以及刀具耐用度和加工表面的质量 前角大：刀刃变锋利，切削变形和摩擦小，故切削力小，切削热低，加工表面质量高，但是刀具的强度低耐用度下降。前角小：刀具强度高，切削变形大，易断屑；但是过小会使切削力和切削热增加，刀具的耐用度也下降。刀具前角的合理选择，主要由刀具材料和工件材料的种类与性质决定 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择-前角的选择a.前角的选择与刀具材料的关系 由于刀具前角增大，将降低刀刃强度，因此在选择刀具前角时，应考虑刀具材料的性质。刀具材料的不同，其强度和韧性也
18、不同，强度和韧性大的刀具材料可以选择大的前角，而脆性大的刀具甚至取负的前角。如高速钢前角可比硬质合金刀具大510度；陶瓷刀具，前角常取负值，其值一般在0-15度之间。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择-前角的选择b.前角的选择与工件材料的关系 加工钢件等塑性材料时，切屑沿前刀面流出时和前刀面接触长度长，压力与摩擦较大，为减小变形和摩擦，一般采用选择大的前角。加工脆性材料时，切屑为碎状，切屑与前刀面接触短，切削力主要集中在切削刃附近，受冲击时易产生崩刃，因此刀具前角相对塑性材料取得小些或取负值，以提高刀刃的强度。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金
19、属切削刀具金属切削刀具刀具几何参数的选择-前角的选择c.前角的选择与加工过程的关系 粗加工时，因加工余量大，切削力大，一般取较小的前角；精加工时，宜取较大的前角，以减小工件变形与表面粗糙度；带有冲击性的断续切削比连续切削前角取得小。总之，前角选择的原则是在满足刀具耐用度的前提下，尽量选取较大前角。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具几何参数的选择2.后角的选择 加工表面在后刀面有一个被挤压然后又弹性回复的过程，使刀具与加工表面产生摩擦，刀具后角越小，则与加工表面接触的挤压和摩擦面越长，摩擦越大。因此，后角的主要作用是减小刀具后刀面与加工表面的摩擦.后角的选择主要考虑
20、因素是切削厚度和切削条件 第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具 刀具几何参数的选择后角的选择a.后角的选择与切削厚度的关系 当切削厚度hD（和进给量f）较小时，切削刃要求锋利，因而后角o应取大些。如高速钢立铣刀，每齿进给量很小，后角取到16o。车刀后角的变化范围比前角小，粗车时，切削厚度hD较大，为保证切削刃强度，取较小后角，o4o8o；精车时，为保证加工表面质量，o8o12o。车刀合理后角在f 0.25/r时，可选o10o12o；在f 0.25/r时，o5o8o。第2章 数控加工的切削基础 2.2 金属切削刀具金属切削刀具刀具几何参数的选择后角的选择b.后角的选择与工
21、件材料的关系 工件材料强度或硬度较高时，为加强切削刃，一般采用较小后角。对于塑性较大材料，已加工表面易产生加工硬化时，后刀面摩擦对刀具磨损和加工表面质量影响较大时，一般取较大后角。选择后角的原则是，在不产生摩擦的条件下，应适当减小后角。第2章 数控加工的切削基础 2.3 金属切削过程金属切削过程切屑的形成及种类 金属切削的过程是切屑形成的过程。1.切削形成的过程 弹性变形塑性变形-挤裂2.切屑的种类第2章 数控加工的切削基础 2.3 金属切削过程金属切削过程积屑瘤 在中速或者低速时，紧靠切削刃的前刀面上黏结一硬度很高的楔形金属块，并包围切削刃和部分前刀面，这块楔形金属就称为积屑瘤。由于高温，晶
22、格发生畸变，虽然化学成分和被切金属相同，但是硬度却高了24倍。第2章 数控加工的切削基础 2.3 金属切削过程金属切削过程 积屑瘤 积屑瘤的形成分为两步：积屑瘤核形成瘤长大。积屑瘤的产生、成长和脱落过程是在短时间完成的，并且周期性的不断出现。第2章 数控加工的切削基础 2.3 金属切削过程金属切削过程 积屑瘤对切削过程的影响 （1）实际刀具前角增大 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（3）加工后表面粗糙度增大（4）切削刀具的耐用度降低 切削稳定时保护刀具，但是不稳定时，切屑瘤的破裂可能使刀具颗粒
23、剥落，加剧磨损。第2章 数控加工的切削基础 2.3 金属切削过程金属切削过程积屑瘤的防止 （1）控制切削速度从而控制切削温度。（2）适当降低进给量，减少刀与屑的接触长度。（3）增大前角，减小前刀面上的摩擦。（4）采用润滑性能良好的切削液。（5）提高工件材料的硬度、降低塑性。第2章 数控加工的切削基础 2.3 金属切削过程金属切削过程切削力-刀具在切削过程中克服加工阻力所需的力 切削力主要由以下几个方面产生：克服被加工材料对弹性变形的抗力 克服被加工材料对塑性变形的抗力 克服切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工表面间的摩擦力。第2章 数控加工的切削基础 2.3 金属切削过程金属
24、切削过程切削热与切削温度1.切削热 切削过程中的功耗都转化为切削热，金属的切削加工中将会产生大量切削热，切削热又影响到刀具前刀面的摩擦系数，积屑瘤的形成与消退，加工精度与加工表面质量、刀具寿命等 切削热通过切屑、刀具、工件和周围的介质传散。切削速度越高、切削厚度越大，则切削带走的热量热多。第2章 数控加工的切削基础 2.3 金属切削过程金属切削过程2.切削温度 切削温度是指切削区的平均温度，即切屑、工件和刀具接触区的平均温度。切削温度的影响因素：a.切削用量（速度、进给量、背吃刀量）b.刀具几何角度（前角o与主偏角r）c.工件材料（强度、硬度和导热系数）d.切削液（导热性能、比热、流量、浇注方
25、式以及本身的温度）第2章 数控加工的切削基础 2.4 金属材料的切削加工性金属材料的切削加工性 切削加工工艺性的概念和指标 金属材料的切削加工工艺性是指工件材料进行切削加工的难易程度，也称可加工性。常用指标有：a.刀具耐用度或一定耐用度下所允许的切削速度VTb.精加工中的表面质量和表面粗糙度c.切削力或者切削功率d.断屑能力第2章 数控加工的切削基础 2.4 金属材料的切削加工性金属材料的切削加工性影响切削加工性的因素材料本身的物理力学性能1.硬度 材料的硬度越高，切削温度增加，磨损加剧；工件材料的高温硬度高时，刀具材料与工件材料的硬度比下降，可切削性降低，材料的可加工性差；工件材料中含硬质点
26、，对刀具的擦伤性大，可加工性差。2.强度 强度越高，切削温度增大，刀具磨损增大，可加工性差。第2章 数控加工的切削基础 2.4 金属材料的切削加工性金属材料的切削加工性3.塑性与韧性 材料的塑性大，切削变形大，温度高，已黏结，加剧刀具磨损，加工表面质量差，可切削性降低；塑性过低，刀与屑接触长度短，切削力与热集中在刀尖，加剧刀具磨损，可切削性也低；韧性越大，断屑越困难，可加工性差。4.导热性 材料的导热率越小，切削热不易传出，温度高，道具磨损加剧，可切削性降低。第2章 数控加工的切削基础 2.4 金属材料的切削加工性金属材料的切削加工性改善金属材料切削加工性的途径1.热处理:降低硬度或者降低可塑
27、性，得到加工性较好的晶相组织。2.选择合适的毛坯成型方式。3.选择合适的刀具材料和角度。4.确定合理的切削用量。5.安排适当的加工工艺过程。第2章 数控加工的切削基础 2.5 切削用量及切削液的选择切削用量及切削液的选择切削用量的选择 切削用量是切削加工过程中切削速度、进给量和背吃刀量的总称。切削用量的选择，对加工效率、加工成本和加工质量都有重大的影响。1.切削用量选用原则 粗加工时：首先选择背吃刀量大；再选择大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳切削速度；精加工时：根据余量选择较小的背吃刀量，其次根据粗糙度选择较小的进给量，最后根据刀具耐用度选择较高的切削速度。第2章 数控加工的切削基础 切
28、削用量的选择2.背吃刀量的选择 背吃刀量的选择根据加工余量确定。切削加工一般分为粗加工、半精加工和精加工几道工序，各工序有不同的选择方法。粗加工时（表面粗糙度Ra5012.5m），在允许的条件下，尽量一次切除该工序的全部余量。中等功率机床，背吃刀量可达810。可以采用多次走刀。半精加工时（表面粗糙度Ra6.33.2m），背吃刀量一般为0.52。精加工时（表面粗糙度Ra1.60.8m），背吃刀量为0.10.4。第2章 数控加工的切削基础 2.5 切削用量及切削液的选择切削用量及切削液的选择切削用量的选择3.进给量的选择 粗加工时，进给量主要考虑工艺系统所能承受的最大进给量，如机床进给机构的强度，
29、刀具强度与刚度，工件的装夹刚度等。精加工和半精加工时，最大进给量主要考虑加工精度和表面粗糙度。另外还要考虑工件材料，刀尖圆弧半径、切削速度等。如当刀尖圆弧半径增大，切削速度提高时，可以选择较大的进给量。在生产实际中，进给量常根据经验选取。第2章 数控加工的切削基础 2.5 切削用量及切削液的选择切削用量及切削液的选择切削用量的选择4.切削速度的选择 切削速度的选取原则是：粗车时，因背吃刀量和进给量都较大，应选较低的切削速度，精加工时选择较高的切削速度；加工材料强度硬度较高时，选较低的切削速度，反之取较高切削速度；刀具材料的切削性能越好，切削速度越高。注意：尽量避开积屑瘤产生的区域；断续切削时，
30、要降低切削速度；切削速度要避开自激振动的临界速度；加工易变形件和带外皮的工件时选择较低的切削速度。第2章 数控加工的切削基础 2.5 切削用量及切削液的选择切削用量及切削液的选择切削液的选择1.切削液的作用 冷却作用 润滑作用 清洗作用 防锈作用2.切削液的种类 水溶液（导热性和冷却效果好的水+添加剂）；乳化剂（乳化油用水稀释后加入添加剂）；切削油（矿物油、动植物油或者复合油加入添加剂）第2章 数控加工的切削基础 2.5 切削用量及切削液的选择切削用量及切削液的选择切削液的选择3.切削液的选用原则（1）粗加工时，切削用量大，产生的切削热量多，容易使刀具迅速磨损。此类加工一般采用冷却作用为主的切削液，如离子型切削液或35乳化液。（2）精加工时，切削液的主要作用是提高工件表面加工质量和加工精度。选用润滑性能较好的切削液。（3）切削塑性材料时需要切削液，切削铸铁、黄铜等脆性材料的时候一般不用，以免粹屑黏附在机床的运动部件上。
