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数控机床加工工艺教案

机械工程系数控技术教研室 编

数控机床加工工艺
第一章  绪论
一、数控加工在机械制造业中的地位和作用
数控机床综合应用了电子计算机、自动控制、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果，具有高柔性、高精度与高自动化的特点。
应用数控加工技术是机械制造业的一次技术革命，使机械制造业的发展进入了一个新的阶段，提高了机械制造业的制造水平，为社会提供了高质量、多品种及高可靠性的机械产品。
目前应用数控加工技术的领域已从当初的航空工业部门逐步扩大到汽车、造船、机床、建筑等民用机械制造业，并已取得了巨大的经济效益。
二、数控加工的发展
1.数控机床的发展
数控机床的发展经历了电子管（1952年）、晶体管(1959年)、小规模集成电路（1965年）、大规模集成电路及小型计算机（1970年）和微处理机或微型计算机(1974年)等五代数控系统 。由于现代数控系统的控制功能大部分由软件技术来实现，因而使硬件进一步得到了简化，系统可靠性提高，功能更加灵活和完善。目前现代数控系统几乎完全取代了以往的普通数控系统。
2.自动编程系统的发展
在本世纪50年代后期，美国首先研制成功了APT(Automatically Progammed Tools)系统。到了本世纪60年代和70年代又先后发展了APTⅢ和APTⅣ 系统。在西欧和日本，也在引进美国技术的基础上发展了各自的自动编程系统，如德国的EXAPT系统、法国的IFAPT系统、英国的2CL系统等。我国的自动编程系统发展较晚，但进步很快，目前主要有用于航空零件加工的SKC系统以及ZCK、ZBC和用于线切割加工的SKG等系统。
3.自动化生产系统的发展
在本世纪60年代末期出现了直接数控系统DNC(Direct NC)，1976年出现了由多台数控机床联接成可调加工系统，这是最初的柔性制造系统FMS（Flexible Manufcturing Cell)。自动化生产系统的发展，使加工技术跨入了一个新的里程，建立了一种全新的生产模式。我国已开始在这方面进行探索与研制，并取得了可喜的成果，已有一些FMS和CIMS成功地用于生产。

三、数控加工的特点
（1） 自动化程度高
（2） 加工精度高，加工质量稳定
（3）对加工对象的适应性强
（4）生产效率高
（5） 易于建立计算机通信网络
当然，数控加工在某些方面也有不足之处，这就是数控机床价格昂贵，加工成本高，技术复杂，对工艺和编程要求较高，加工中难以调整，维修困难。为了提高数控机床的利用率，取得良好的经济效益，需要确实解决好加工工艺与程序编制、刀具的供应、编程与操作人员的培训问题。
四、数控加工工艺研究的内容及任务
数控机床加工工艺的内容包括金属切削和加工工艺的基本知识和基本理论、金属切削刀具、典型零件加工及工艺分析等。数控机床加工工艺研究的宗旨是，如何科学地、最优的设计加工工艺，充分发挥数控机床的特点，实现在数控中的优质、高产、低耗。
通过本课程的学习，应基本掌握数控加工的金属切削及加工工艺的基本知识和基本理论；学会选择机床、刀具、夹具及零件表面的加工方法；掌握数控加工工艺设计方法；通过有关教学环节的配合，初步具有制订中等复杂程度零件的数控加工工艺和分析解决生产中一般工艺问题的能力。
五、数控机床加工工艺的特点及学习方法
数控机床加工工艺是一门综合性、实践性、灵活性强的专业技术课程。学习本课程应注意下列几点：
本课程包含面广、内容丰富、综合性强。在学习时要善于将《数控加工基础》和《数控机床》等知识同本课程的知识结合起来，合理的综合运用。
数控机床加工工艺同生产实际密切相关，其理论源于生产实际，是长期生产实践的总结。
数控机床加工工艺的应用有很大的灵活性。对具体问题要具体分析，优选最佳方案。

第一章 数控加工的切削基础
第一节 概 述
一、切削运动及加工中的工件表面
（一）切削运动
在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对运动，这种相对运动就称为切削运动。按切削运动在切削加工中的功用不同分为主运动和进给运动。
1.切削运动
（1）主运动：主运动是由机床提供的主要运动，它使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具前刀面接近工件并切除切削层 。(图1—1)
（2）进给运动：进给运动又称走刀运动，是由机床提供的使刀具与工件之间产生附加的相对运动，即进给运动是切削过程中使金属层不断地投入切削，加上主运动从而加工出完整表面所需的运动。 (图1—1)     总之，在各类切削加工中，主运动必须有一个，而进给运动可以有一个(如车削)、两个(如圆磨削)或多个，甚至没有(如拉削)。
由主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动（图2—1）。刀具切削刃上选定点相对工件的瞬时合成运动方向称为合成切削运动方向，其速度称为合成切削速度。合成切削速度为同一选定点的主运动速度与进给运动速度的矢量和，即：
Ve=Vc+Vf
（二）加工中的工件表面
切削过程中，工件上多余的材料不断地被刀具切除而转变为切屑，因此工件在切削过程中形成了三个不断变化的表面：
（1）已加工表面  工件上经刀具切削后产生的表面称为已加工表面。 （图1—1）
（2）待加工表面  工件上有待切除切削层的表面称为待加工表面。 （图1—1）
（3）过渡表面  过渡表面就是工件上由切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程（如刨削）、刀具或工件的下一转里(如单刃镗削或车削)将被切除，或者由下一切削刃(如铣削)切除。 （图1—1）。
二、切削要素
切削要素包括切削用量和切削层的几何参数。
（一）切削用量（图1—2）
1、切削速度（vc）
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。大多数切削加工的主运动是回转运动，其切削速度vc（单位为m/min)的计算公式见式（1-1）。
2.进给量（f）
刀具在进给方向上相对于工件的位移量称为进给量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表达或度量（图1-2）。
车削时的进给速度vf（单位为mm/min)与进给量之间的关系见式（1-2）。
3.背吃刀量（ap)
背吃刀量是已加工表面和待加工表面之间的垂直距离，其单位为mm。外圆车削时见式（1-4）。
（二）切削层参数
1.切削厚度（h D）
切削厚度是在垂直于切削刃的方向上度量的切削层截面的尺寸。直线切削刃上各点的切削层厚度相等（图1-3）。见式（1-5）。
2.切削宽度（b D）
切削宽度是沿切削刃方向度量的切削层截面尺寸。对于直线主切削刃，见式（1-6）。
3.切削面积（A D）
切削面积是指切削层在切削层尺寸平面里的横截面积，即图1-5中的ABCD所包围的面积。
车削时切削面积A D可按式（1-7）计算。
三、刀具几何角度
（一）刀具切削部分组成要素
1、前刀面(Aγ)  刀具上切屑流过的表面。
2、主后刀面(Aα)  刀具上与过渡表面相对的表面。
3、副后刀面(Aαˊ)  刀具上与已加工表面相对的表面。
4、主切削刃(S)  前刀面与主后刀面的交线，它完成主要的金属切除工作。
5、副切削刃(Sˊ)  前刀面与副后刀面的交线，它配合主切削刃完成金属切除工作，负责最终形成工件已加工表面。
6、刀尖  主切削刃与副切削刃的连接处的一小部分切削刃。它分为修圆刀尖和倒角刀尖两类(图2—6)
（二）刀具切削部分的几何角度
1、正交平面参考系(图2—7)
① 基面(Pr)  通过切削刃选定点并垂直于主运动方向的平面。
② 切削平面(PS)  通过切削刃选定点与切削刃相切并垂直于基面的平面。
③ 正交平面(Po)  正交平面是指通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。
2、刀具的标注角度（图2—8）
（1）在正交平面中测量的角度
① 前角(γo)  前刀面与基面间的夹角。当前刀面与切削平面夹角小于90°时，前角为正值；大于90°时，前角为负值。它对刀具切削性能有很大的影响。
② 后角(αo)  后刀面与切削平面间的夹角。当后刀面与基面夹角小于90°时，后角为正值；大于90°时，后角为负值。它的主要作用是减小后刀面与工件之间的摩擦和减少后刀面的磨损。
③楔角(βo)  前刀面与后εr刀面的夹角。 βo = 90°－（γo +αo）
（2）在基面中测量的角度
①主偏角（κr） 主切削平面与假定进给运动方向之间的夹角，总为正值。主偏角的大小影响切削条件和刀具寿命。车刀常用的主偏角有45°、60°、75°和90°四种。
②副偏角(κrˊ)  副切削平面与假定进给运动反方向间的夹角。其大小主要影响表面粗糙度。
③刀尖角(εr)  主切削平面与副切削平面间的夹角。εr = 180°－（κr +κrˊ）
（3）在切削平面中测量的角度
刃倾角(λS)  主切削刃与基面间的夹角。当刀尖相对于车刀刀柄安装面处于最高点时，刃倾角为正值；当刀尖处于最低点时，刃倾角为负值；当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为0°
（4）在副正交平面中测量的角度
在副正交平面中测量的角度有副后角，它是副后刀面与副切削平面间的夹角。
3.刀具的工作角度
现以横车为例说明刀具的工作角度。如图1-11所示。
四、刀具材料
（一）刀具材料应具备的性能
1.高的硬度和耐磨性
2.足够的强度和韧性
3.良好的耐性和导热性
4.良好的工艺性
5.经济性
（二）刀具材料的种类
1.高速钢
高速钢是含有较多的钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢。
(1)通用型高速钢 ：不适合高速切削和硬的材料切削。
(2)高性能高速钢：加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。
2、硬质合金
常用的硬质合金有三大类
（1）钨钴类硬质合金(YG)：适用于加工脆性材料(铸铁等)。
（2）钨钛钴类硬质合金(YT)：适用于切屑呈带状的钢料等塑性材料。
（3）钨钛钽(铌)类硬质合金(YW) ：既能加工钢、铸铁、有色金属，也能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。
3.其他刀具材料
（1）涂层刀具材料：刀具既具有基体材料的强度和韧性，又具有很高的耐磨性
（2）陶瓷材料：主要用于钢、铸铁、高硬度材料及高精度零件的精加工。
（3）金刚石：一般不适宜加工黑色金属，主要用于有色金属以及非金属材料的高速精加工。
（4）立方氮化硼(CNB) ：目前主要用于加工淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料
第二节 金属切削过程基本规律及其应用
一、切屑的形成及种类
（一）切屑的形成过程
从实践中可知，切屑的形成过程就是切削层变形的过程。在切削过程中把切削区域分为三个变形区，如图1-12所示。
1.第Ⅰ变形区
即剪切滑移区，如图1-13所示。
2.第Ⅱ变形区
这一层滞缓流动的金属称为滞流层。
3.第Ⅲ变形区
将影响到工件的表面质量及使用性能。
（二）切削的种类
根据切削过程中变形程度的不同，可把切削分为四种不同的形态，如图1-14所示。
1、带状切屑
2、挤裂切屑
3、单元切屑
4、崩碎切屑
二、积屑瘤
（一）积屑瘤的现象
在中速或较低切削速度范围内，切削一般钢料或其它塑性金属材料而，又能形成带状切屑时，常在切削刃口附近粘结一硬度很高的楔形金属块，它包围着切削刃覆盖部分前刀面，这种楔形金属块称为积屑瘤， 如图（1-15）所示。
（二）积屑瘤的形成过程
在一定的切削条件下，切削底层与前刀面接触处发生粘结，使与前刀面接触的切削底层金属流动较慢，而上层金属流动较快。流动较慢的切削底层，称为滞流层。如果温度与压力适当，滞流层金属就与前刀面粘结成一体。随后，新的滞流层在此基础上逐层积聚、粘合，最后长成积屑瘤。
（三）积屑瘤在切削过程中的作用
1.增大前角
2.增大切削厚度
3.增大已加工表面粗糙度
4.影响刀具耐用度
（四）影响积屑瘤的主要因素及防止方法
1.切削速度
控制切削速度使切削温度控制在300℃以下或380℃以上，就可以减少积屑瘤的生成。
2.进给量
适当降低进给量，则可削弱积屑瘤的生成基础。
3.前角
前角增大到35℃时，一般不产生积屑瘤。
4.切削液
采用润滑性能良好的切削液可以减少或消除积屑瘤的产生。
三、切削力
（一）切削力的来源及分解
切削时作用在刀具上的力来自两个方面，即三个变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；切屑、工件与刀具间的摩擦力。如图1-16所示它们的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处。
1、主切削力Fc
2、背向力FP
3、进给抗力Ff
总切削力与它们之间的关系见式（1-15）。
Fp、Ff与Fpf有如下关系见式（1-16），（1-17）。
（二）计算切削力的经验公式
1.计算切削力的指数公式 计算切削力Fc的指数公式见式（1-18）。
2.用单位切削力计算切削力的公式见式（1-22）。
单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用p（单位为N/m㎡）表示。
（三）切削功率
1、切削功率用Pc表示，单位为kW，计算公式见式（1-23）。
2、机床电动机消耗的功率PE（单位为kW）见式（1-24）。
（四）影响切削力的主要因素
1.工件材料的影响
2.切削用量的影响
（1）背吃刀量和进给量
（2）刀具磨损的影响
（3）切削速度
（4）切削液的影响
（5）刀具几何角度的影响
3.刀具几何角度的影响
4.刀具磨损的影响
5.切削液的影响
四、切削热与切削温度
（一）切削热的产生
切削热的产生 具体在三个变形区内产生，如图1-18所示。
（二）切削温度及其影响因素
1.切削用量对切削温度的影响
2.刀具几何参数对切削温度的影响
3.工件材料对切削温度的影响
4.刀具磨损对切削温度的影响
5.切削液对切削温度的影响
五、刀具磨损与刀具耐用度
（一）刀具磨损形式
下面主要介绍正常磨损的形态（1-19）。
1、前面磨损 （见图1-19a）
2、后面磨损 （见图1-19b
3、前面和主后面同时磨损
（二）刀具磨损过程与磨钝标准
1.刀具磨损过程 （见图1-20）
（1）初期磨损阶段（OA）
（2）正常磨损阶段（AB）
（3）急剧磨损阶段（BC）
2．刀具的磨钝标准
刀具磨损到一定限度就不能继续使用，这个磨损限度称为刀具的磨钝标准。由于后刀面磨损最常见，且易于控制和测量，因此通常按后刀面磨损宽度来制定磨钝标准。
（三）刀具耐用度
1．刀具耐用度的定义
所谓刀具耐用度（又称刀具寿命）是指刃磨后的刀具自开始切削直到磨损量达到磨钝标准为止的切削时间，以T表示，单位为分钟。
一把新刀从开始投入切削到报废为止总的实际切削时间，称为刀具总寿命。因此刀具总寿命等于这把刀的刃磨次数（包括新刀开刃）乘以刀具耐用度。
2、影响刀具耐用度的因素
刀具耐用度的经验公式
由于切削速度对切削温度影响最大，因而对刀具磨损影响最大，因此切削速度是影响刀具耐用度的最主要因素。它们的关系是用实验方法求得的。
同样按照求T-v关系式的方法，固定其他切削条件，分别改变进给量和背吃刀量，求得T-f和T-ap关系式。
综合整理后，得出下列刀具耐用度的实验公式：

式中，CT——与工件材、刀具材料和其他切屑条件有关的常数。
例如用YT5硬质合金车刀切屑σb=0.63GPa（65kgf/mm2）的钢碳时，切削用量三要素的指数分别为：；；，它们分别表示各切削用量对刀具耐用度的影响程度。可见，切削速度v对刀具耐用度的影响最大，进给量f次之，背吃刀量ap最小。在保证一定刀具耐用度的条件下，为提高生产率，应首先选取大的背吃刀量，然后选取较大的进给量，最后选择合理的切削速度。
（1）切削用量
在保证一定刀具耐用度的条件下为了提高生产效率，应首先选取大的背吃刀量αp，然后选择较大的进给量f，最后选择合理的切削速度Vc。
（2）刀具的几何参数
刀具几何参数对刀具耐用度影响最大的是前角 γo 和主偏角Kr
前角γo增大，可使切削力减小，切削温度降低，耐用度提高；但是前角γo太大会使锲角βo太小，刀具强度削弱，散热性差，且易与破损，刀具耐用度降低。由此可见，对于每一种具体加工条件，都有一个使刀具耐用度T最高的合理的数值。
主偏角Kr减小，可使刀尖轻度提高，改善散热条件，提高道具耐用度；但主偏角Kr过小，则背力增大，对刚性差的工艺系统，切削时引起 振动。
此外，如果减小副偏角Kr`，增大刀尖圆弧半径Rε，其对刀具耐用度的影响与主偏角减小时相同。
（3）刀具材料
刀具材料的高温强度越高，耐磨性越好，道具耐用度就越高。但在有冲击切削和难加工材料切削时，影响刀具耐用度的主要因素是冲击和抗弯强度。韧性越好，抗弯强度越高，越不容易产生破损
（4）工件材料
工件材料的温度越高，耐磨性越好，刀具耐用度越低。此外，工件的塑性、韧性越高，导热性越低，切削温度越高，刀具耐用度越低。
3、刀具耐用度的确定
合理选择刀具耐用度，可以提高生产率和降低加工成本。刀具耐用度过高，就要选取较小的切削用量，从而降低金属切削率，降低生产率，提高了加工成本。反之耐用度过低，虽然可以采取较大的切削用量，却因刀具磨损快，换刀、磨刀时间增加，刀具费用增大，同样会使生产效率降低和成本提高。目前的刀具耐用度见下表。

刀具类型
耐用度T值
高速钢车刀
高速钢钻头
硬质合金焊接车刀
硬质合金可转位车刀
硬质合金面铣刀
齿轮刀具
自动机用高速钢车刀
60~90
80~120
60
15~30
120~180
200~300
180~200
选择刀具耐用度时，应考虑到以下几点；
1）复杂的、高精度的、多刃的刀具耐用度应比简单的、低精度的、单刃刀具高
2）可转位刀具换刀、换刀片快捷，为使切削刃始终处于锋利状态，
3) 精加工刀具切削负荷小，道具耐用度应比粗加工刀具选的高一些
4）精加工大件时，为了避免中途换刀，耐用度应选的高一些
5）数控加工时，刀具耐用度大于一个工作班，至少应大于一个零件的切削时间
第三节 金属材料的切削加工性
一、金属材料切削加工的概念
金属材料的性能不同，切削加工的难易程度也不同。例如，与切削45钢相比，切削铜、铝合金比较为快；且笑合金钢比较困难；切削耐热合金更为困难。金属材料切削材料的难易程度成为材料额度切削加工性。
金属材料的切削加工与材料的力学、物力性能以及加工要求和切削条件有关。一般的说，良好的且笑加工性能是指：刀具耐用度T 较高或一定耐用度下的切削速度VcT较高；切削
力较小，切削温度较低；容易获得好的表面质量；切削形状容易控制或容易断屑，反之则认为切削性差。
二、衡量金属材料切削加工性的指标
衡量金属材料切削加工性的指标较多，最常用的是切削速度Vct和相对加工性Kr。
Vct的含义是当刀具耐用度为T时，切削某种材料所允许的最大切削速度。在形同的道具耐用度夏，Vct 值高的材料切削加工性较好。一般用T=60min时所允许的Vct 高低来评价材料的加工性的好坏。难加工材料用Vct来评定。
Kr是以正火状态45钢的Vc60为基准，记作（Vc60）j，将其它材料的Vc60 与（Vc60）j相比，即
Kr=Vc60/（Vc60）j
凡Kr大于1 的材料，其加工性比45钢好；Kr小于1的材料，加工性比45钢叉。常对加工性分为八级
加工性等级
名称及种类
相对加工Kr
代表性材料
1
很容易切削的材料
一般有色金属
〉3.0
5-5-5铜铅合金，9-4铝铜合金，铝镁合金
2

容易切削的材料
易切削钢
2.5~3.0
退火15Cr，自动机钢
3
较易切削钢
1.6~2.5
正火30钢
4

普通材料
一般钢及铸铁
1.0~1.6
45钢，灰铸铁
5
稍难切削材料
0.65~1.0
2Cr13调质
85钢
6
难切削材料
较难切削材料
0.5~0.65
45r调质
65Mn调质
7
难切削材料
0.15~0.5
50Cr调质，1Cr18Ni9Ti，
某些钛合金
8
很难切削材料
《0.15
某些钛合金

三、改善金属材料切削加工的途径
材料的切削加工性对生产率和表面质量有很大的影响，因此在满足零件使用要求前提下，应尽量选用加工性比较好的材料
材料的切削加工性，还可以通过一些措施予以改善，采用热处理方法是改善材料切削加工性的重要途径之一。例如，低碳钢的塑性过高，通过正火适当降低塑性，提高硬度，可使网状片状的渗碳体组织转变为球状的渗碳体，从而降低硬度，改善切削加工性；出现白口组织的铸铁，可在950~1000度下退火来降低硬度，使切削加工较易进行。
此外，调整材料的化学成分也是改善其切削加工性的重要途径。例如在钢中适当加入硫、铝等元素是之成为易切钢，切削时可使刀具的耐久度提高，切削力减小，断屑容易，并可获得较好的表面加工质量。
第四节 刀具几何参数的合理选择
一、前角的选择：尽量大
（一）前角的功用
前角的功用主要影响切削变形和切削力的大小及刀具耐用度和表面质量的高低。增大前角使切削变形和摩擦减少，故切削力小、切削热少，加工表面质量高。但前角过大，刀具强度降低，散热体积减少，刀耐用度下降。减少前角，刀具强度提高，刀屑变形增大，易断屑。但前角过小，会使切削力和切削热增加，道具耐用度降低。
（二）合理前角的选择原则
① 刀具材料：
脆性↑→γo↓（高速钢→γo↑，硬质合金→γo↓，陶瓷→γo↓ ）
② 工件材料：
塑性材料→γo↑ , 脆性材料→γo↓ , 强度→γo↓ , 硬度→γo↓
③ 加工要求：
粗加工→γo↓ , 断续切削→γo↓ , 精加工→γo↑
④ 机床功率和系统刚度:
功率大刚度高γο↓ , 数控机床、自动线：γο↓
二、后角的选择：尽量小
（一）后角的功用
后角的主要功用是减小主后刀面与过渡表面的弹性恢复层之间的摩擦，减轻刀具磨损。后角小使主后刀面与工件表面的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差；尤其是切削厚度较小时，由于刃口钝圆半径的影响，上述情况更为严重。后角增大，摩擦减小，也减小了刃口钝圆半径，这对切削厚度较小的情况有利，但使刀刃强度和散热情况变差。
（二）合理后角的选择原则
① 粗加工：
ａo↓ , 精加工：ａo↓
② 塑性材料:
ａo↑ , 脆性材料:ａo↓, 硬度高:ａo↓ , 强度高ａo↓
③ 工艺系统：
刚度高ａo↓
三、前后刀面的形式及选择
（1）前刀面常见的形式及其选择
a、正前角单平面型：精加工刀具、复杂刀具加工脆性材料的刀具
b、正前角曲面带倒棱型：加工塑性材料的刀具
c、负前角单平面型：后刀面磨损刀具
d、负前角双平面型：前后刀面磨损的刀具
（2）后刀面的常见形式
① 单一后刀面：
基本形式、常用，精加工刀用
② 有刃带的后刀面：
可增加刀具耐磨性，定尺寸刀具用
③ 带消振棱的后刀面：
可抑制振动，加工时容易振动使用
④ 双重或三重后刀面：
可增加刃口强度，较少后刀面磨损
四、主偏角及负偏角的选择
（一）主偏角的功用及合理主偏角的选择
1、主偏角的功用
主偏角的功用主要影响刀具耐用度、已加工表面粗糙度及切削力的大小。主偏角κr较小，则刀头强度高，散热条件好，已加工表面残留面积高度小，作用主切削刃的长度长，单位作用主切削上的切削负荷小；其负面效应为背向力大，切削厚度小，断屑效果差。主偏角较大时，所产生的影响与上述完全相反。
2、主偏角的功用
① 系统刚度：刚度好，Kr取小值，刚度差，Kr取大值
② 工件形状：Kr按工件阶梯的角度选
③ 工件材料：工件很硬时，Kr取小值
④ 散热条件：需要时加强散热时，Kr取小值
⑤ 产量条件：需要刀具通用性好时,取Kr＝90°、Kr＝45°
（二）副偏角的功用及合理副偏角的选择
1、副偏角的功用
负偏角的功用主要是减小副切削刃和已加工表面的摩擦。较小的副偏角，可减小残留面积高度，提高刀具强度和改善散热条件，但将增加副后刀面与已加工表面之间的摩擦，且易引起振动。
2、副偏角的选择
1）一般刀具的副偏角 ，在不引起振动的情况下，可选取较小的副偏角，如车刀、刨刀均可取κr`=5度~10度
2）精加工刀具的副偏角应取的小一些，以减小残留面积，从而减小表面粗糙度。
3）加工强度、高硬度材料或断续切削时，应取较小的副偏角（κr` =4度~6度）
4）切断刀、锯片刀和槽铣刀等，为了保证刀头强度和重磨后刀头宽度变化较小，只能取很小的副偏角。（κr` =1度~2度）
五、刃倾角的功用
（一）刃倾角的功用
刃倾角主要影响切削流向和刀尖强度。刃倾角为正值，切削开始为正值，切削开始时刀尖与工件接触，切屑流向待加工表面，可避免缠绕和划伤已加工表面，对半精加工、精加工有利。刃倾角为负值。切削开始时刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面，容易将已加工表面划伤；在粗加工开始时，尤其是在断续切削时，可避免刀尖受冲击，起保护刀尖的作用，并可改善刀具散热条件。
（二）刃倾角的选择
刃倾角：使刀具刃口锋利，切削平稳 
原则：
1）粗加工λS< 0（保护刀尖）精加工λS> 0（使FP小些）
2）断续切削：λS< 0（保护刀尖）
3）工件σb、HB大：λS< 0（保护刀尖）
4）系统刚性差：λS> 0（使FP小些）
5）微量切削：λS取大值(使刀具实际刃口半径↓）
面间的摩擦。一般车刀、刨刀等的副后角取得与主后角相等；而切断到、切槽刀及锯刀铣刀等的副后角因受刀头强度限制，只能取得较小，通常α` =1度 ~2度
五、其他几何参数的选择
（一）负倒棱及其参数的选择
在粗加工钢和铸铁的硬质合金刀具上，常在主切削刃上磨出一个前角为负值的倒棱面，称为负倒棱。其作用是增加刀刃强度，改善刃部散热条件，避免崩刃并提高刀距耐用度。由于倒棱宽度很窄，它不改变刀具前角的作用。
负倒棱参数（包括倒棱宽度bγ1和倒棱角r01）应适当选择。太小时，起不到应有的作用。太大时，又会增大切削力和切削变形。一般情况下，工件材料强度、硬度高，而刀具材料的抗弯强度低且进给量大时，bγ1和│γ01│应较大；
加工钢料时：
若αp<0.2mm，f<0.3mm/r，可取bγ1=（0.3~0.8）f，γ01=-5度~ -10度；
当αp）2mm，f<0.7mm/r， bγ1=（0.3~0.8）f ，γ01= —25度
（二）过渡刃及其参数选择
从第一节中已知，连接刀具主、副切削刃的刀尖通常磨成一段圆弧或直线刃，他们统称为过渡刃。
两种过渡刃：圆弧过渡刃，直线过渡刃

① 取过渡刃：
粗加工用直线过渡刃
精加工用圆弧过渡刃：高速钢：rｇ＝０.５～５mm
硬质合金：rｇ＝０.２～２mm　
② 设修光刃：Krε′= 0
bε＇= (1.2～1.8)f
六、刀具几何参数选择示例
对于上述刀具几何参数的选择原则不能生搬硬套，而是根据具体情况分析，合理运用。下面以加工细长轴的银白屑车刀为例，加以介绍分析
（一）加工对象
加工碳钢光扛、丝扛等长轴零件（d=10~30mm）
（二）使用机床
中等功率、刚性一般的数控机床
（三）刀具材料
刀具材料为硬质合金YT15，刀杆材料为45钢。
（四）刀距几何参数的选择和分析
共建材料的切削加工性是好的，切削过程中要解决的主要矛盾是防止工件的弯曲变形。为此要尽量见效背向力，增强工艺系统得刚性，防止振动的产生。
1)采用较大的前角γo=20度~30度，以见效切屑的变形，减小切削力，使切削轻快。
2）采用较大的主偏角Kr=90度，以减小背向力，避免加工时共建的弯曲变形和振动。
3)沿主切削刃磨出bγ1=0.15~0.2mmγ01=,—20度~—30度的倒棱，在切削过程中他作为产生积削瘤的基座并能提高切削刃的强度。由于负倒棱存在，切削时产生的积削瘤比较稳定，可代替切削刃进行切削，并使实际工作前角增大到35度~45度。
4）采用刃倾角λs=+3度，使切削流向代加工表面，不致于划伤已加工表面。
5）前刀面上磨出高度为4~6mm的直线圆弧型卷屑槽，以提高排卷屑效果。
（五） 切削用量
1）粗车时：αp=1~3mm f=。3~。mm/r Vc=60m/min。
2）半精车时：αp=1~1.5mm f=0.3~0.4mm/r Vc=60~120m/min
3）精车时：αp=0.5~1mm f=0.08~0.2mm/r Vc=100~120m/min。
采用上述几何参数的银白屑车刀和切削用量车削细长轴同用一般外圆车刀相比，生产效率提高2倍以上，能耗比降低15%，刀具寿命可延长20%。

第五节 切削用量及切削液的选择
一、切削用量的选择
切削用量的大小对切削力、切削功率、刀具磨损、加工质量和加工成本均有显著影响。选择切削用量时，就是在保证加工质量和刀具耐用度前提下，充分发挥机床性能和刀具切削性能，使切削效率最高，加工成本最低。
（一）切削用量选择原则
1、粗加工时切削用量的选择原则
首先选取尽可能大的背吃刀量；其次要根据机床动力和刚性的限制条件等，选取尽可能大的进给量；最后根据刀具耐用度确定最佳的切削速度。
2、精加工时切削用量的选择原则
首先根据粗加工的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面粗糙度要求，选取较小的进给量；最后在保证刀具耐用度的前提下尽可能选用较高的切削速度。
（二）切削用量的选择方法
1、背吃刀量的选择
根据加工余量确定。粗加工（Ra10~80μm）时，一次进给应尽可能切除全部余量。在中等功率机床上，背吃刀量可达8~10mm。半精加工（Ra1.25~10μm）时，背吃刀量取为0.5~2mm，精加工（Ra0.32~1.25μm）时，背吃刀量取为0.1~0.4mm。
在工艺系统刚性不足或毛坯余量很大，或余量不均匀时，粗加工要分几次进给，并且应当把第一、二进给的背吃刀量取得大一些。
2、进给量的选择
粗加工时，由于对工件表面质量没有太高的要求，这时主要考虑机床进给机构的强度和刚性及力杆的强度和刚性等限制因素。根据加工材料、刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量来选择进给量。
在半精加工和精加工时，则按表面粗糙度的要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度来选择进给量。
3、切削速度的选择
根据已经选定的背吃刀量、进给量及刀具耐用度选择切削速度。可用经验公式计算，也可根据生产实践经验在机床说明书允许的切削范围内查表选取。
在选择切削速度时，应考虑以下几点：
1）应尽量避开积屑瘤产生的区域。
2）断续切削时，为减小冲击和热应力，要适当降低切削速度。
3）在易发生振动的情况下，切削速度应避开自激振动的临界速度。
4）加工大件、细长件和薄壁工件时，应选用较低的切削速度。
5）加工带外皮的工件时，应适当降低切削速度。
4、机床功率的校核
切削功率Pc可用公式计算。机床有效功率PE’=PEη
式中 PE——机床电动机功率
η—机床传动功率
如Pc’<PE，则选择的切削用量可在指定的机床上使用，如Po《PE’，则机床功率没有得到充分的发挥，这时可以规定较低的刀具的耐用度（如采用机夹可转位刀片的合理耐用度可选为15~30min），或采取切削性能更好的刀具材料，以提高切削速度的办法使切削功率增大，以期充分利用机床功率，达到生产的目的。
如Pc>PE’，则选择的切削用量不能在指定的机床上使用，这时可调换功率较大的机床，或根据所限定的机床功率降低切削用量（主要是降低切削速度）。这时虽然机床功率得到充分的利用，但刀具的性能却未能充分发挥。
二、切削液的选择
在切削金属过程中，合理选择切削液，可以改善工件与刀具间的摩擦状况，降低切削温度和切削力，减轻刀具磨损，减少工件的热变形，从而可以提高刀具耐用度，提高加工效率和加工质量。
（一）切削液的作用
1、冷却作用
切削液可以将切削过程中产生的热量迅速的从切削区带走，使切削区温度降低。切削液的流动性越好，比热、导热系数和气化热等参数越高，则其冷却性能越好。
2、润滑作用
切削液能在刀具的前、后刀面与工件之间形成一层润滑薄膜，可减少或避免刀具与工件或切屑间的直接接触，减轻摩擦和粘结程度，因而可以减轻刀具的磨损，提高刀具表面的加工质量。
为保证润滑作用的实现，要求切削液能够迅速渗入刀具与工件或切屑的接触界面，形成牢固的润滑油膜，使其不至在高温、高压及剧烈摩擦的条件下被破坏。
3、清洗作用
在切削过程中，会产生大量切屑、金属碎片和粉末，特别是在磨削过程中，砂轮上的沙粒会随时脱落和破碎下来。使用切削液便可以及时将他们从刀具工件上冲洗下来，从而避免切屑粘附刀具、堵塞排屑和划伤已加工表面。这一作用对于磨削、螺纹加工和深孔加工等程序尤为重要。为此，要求切削液有良好的流动性，并且在使用时有足够的压力和流量。
4、防锈作用
为了减轻工件、刀具和机床受周围介质（如空气、水分等）的腐蚀，要求切削液具有一定的防锈作用。防锈作用的好坏，取决于切削液本身性能和加入的防锈添加剂品种和比例
（二）切削液的种类
常用的切削液分为三大类：水溶液、乳化液和切削油。
1、水溶液
水溶液是以水为主要成分的切削液。水的导热性很好，冷却效果好。但单纯的水容易使金属生锈，润滑作用差。因此，常在水溶液中加入一定的添加剂，如防锈添加剂、表面活性物质和油性添加剂等，使其既有良好的防锈功能，又具有一定的润滑性能。在配制水溶液时，要特别注意水质情况，如果是硬水，必须进行软化处理。
2、乳化液
乳化液是将乳化油用95%~98%的水稀释而成，呈乳白色或半透明状的液体，具有良好的冷却作用。但润滑、防锈性能较差。实际使用中，常加入一定量的油性、极压添加剂和防锈添加剂，配制成极压乳化液或防锈乳化液。
3、切削油
切削油的主要成分是矿物油，少数采用动植物油或复合油。纯矿物油不能在摩擦界面形成坚固的润滑膜，润磨效果较差。实际使用中，常加入油性添加剂、极压添加剂和防锈添加剂，以提高润滑和防锈作用。
（三）切削液的作用
1、粗加工时切削液的选用
粗加工时，加工余量大，所用切削用量大，产生大量的切削热。采用高速钢刀具切削时，使用切削液的主要目的是降低切削温度，减小刀具磨损。硬质合金刀具耐热性好，一般不用切削液，必要时可采用低浓度的乳化液或水溶液。但必须连续、充分的浇注，以避免处于高温状态的硬质合金刀片产生巨大的内应力而出现裂纹。
2、精加工时切削液的选用
精加工时，要求表面粗糙值较小，一般选用润滑性能较好的切削液，如高浓度的乳化液或含极压添加剂的切削油。
3、根据工件材料的性质选用切削液
切削塑性材料时需用切削液。切削铸铁、黄铜等脆性材料时，一般不用切削液，以免崩碎切屑粘附在机床的运动部件上。
加工高强度钢、高温合金等难加工材料时，由于切削加工处于极压润滑摩擦状态，故应选用含极压添加剂的切削液。
切削有色金属和铜、铝合金时，为了得到较高的表面质量和精度，可采用10%~20%的乳化液、煤油或煤油与矿物油的混合物。但不能用含硫的切削液，因硫对有色金属有腐蚀作用。
切削镁合金时，不能用水溶液，以免燃烧。

第二章 工件在数控机床上的装夹

第一节 机床夹具概述
装夹及夹具：
装夹：机床上加工零件，为保证加工精度，必须现使工件在机床上占据一个正确的位置，即定位，然后将其夹紧。这种定位与夹紧的过程称为工件的装夹。
夹具：用于装夹工件的工艺装备就是机床夹具。
一、机床夹具的分类