数控编程与加工技术 第三章

1第三章数控加工的切削用量3.1数控加工的切削基础3.1.1切削运动与切削要素3.1.1.1切屑运动与工件加工表面切削加工是指利用金属切削刀具将工件加工余量切除而获得符合图纸规定尺寸的零件。切削运动就是在切削过程中刀具与工件的相对运动，这种运动有重叠的轨迹。切削运动一般是金属切削机床通过两种以上运动单元组合而成，其一是产生切削力的运动称为主运动，剩下的运动单元保证切削工作连续进行而称为进给运动。（1）主运动主运动是机床提供的，在切削过程中切下工件加工余量所需的运动。其突出特征是该运动中工件与刀具相对速度最大，运动耗损的功率占机床所耗总功率的4/5以上。如车削中主轴的旋转运动、铣镗加工中刀具的旋转运动以及刨削加工中刀具的直线运动等等。主运动一般只有一个，多刃特种机床的主运动可以看成一类，如采用特种多刃组合机床一次加工内燃发动机的本体时的拉削运动。（2）进给运动进给运动俗称“走刀”运动，这种运动提供刀具与工件的附加相对运动，其相对速度与耗费功率较主运动相比均很小，但可以配合主运动产生连续的切削动作。如车削加工中车刀相对工件轴线的平移运动及车削端面时垂直进刀运动，铣镗加工中用于固定工件的工作台的移动；刨削加工中工件的移动等均属于进给运动。甚至有不存在进给运动的加工方法（如拉削加工及搓丝加工）。（3）加工中的工件表面加工中的工件表面分为三种：待加工表面工件上有待切除的加工面。过渡表面工件上由切削刀具的切削刃形成的加工表面。一般该表面应在下一切削动作中被切除而形成新的过渡表面。已加工表面经刀具切削加工后形成的表面。它可能是最终的零件表面，也可能是下一阶段（换刀以后）的待加工表面。3.1.1.2切削要素切削要素包括切削用量和切削层的一些组合参数背吃刀量进给量1．切削用量的三要素切削用量的三要素为切削速度、切削进给量及背吃刀量这三个参数。在数控加工指令中用SXXX来规定主轴转速，也即规定了车削及铣镗加工的切削速度，用FXXX来指定刀具相对工件的进给运动速度，也即规定了车削及铣镗加工的切削进给量。至于背吃刀量则用两次走刀中坐标数值的改变来体现其数值的大小。（1）切削速度（）切削刀具中刀位点相对于主运动的瞬时线速度称为切削速度，单位是m/min。这个速度受到刀具允许切削速度的限制。当主运转是旋转运动时，切削速度按下式计算：VC＝式中：d-工件或刀具的回转直径。n-刀具或工件的转速（r/min）。由于在加工过程中工件的直径逐渐减少，故一般用最大的切削速度去检验是否包含在刀具允许的切削速度范围之内。1000dnπ（2）切削进给量（f）（以下简称进给量）在主运动的一个循环里（如图3-1）刀具在进给方向相对于工件的移动量称为进给量（俗称走刀量）。用刀具或工件每转（或每个行程）的移动量来表示。如车削加工的mm/r,刨削加工的mm/行程。但在数控加工中常用进给速度（mm/min）来说明进给量。这是因为在数控机床中刀具相对于工件的进给运动一般由计算机控制的步进电机提供，用进给速度表示进给量在编程中更方便。（3）背吃刀量背吃刀量表示已加工表面与待加工表面的垂直距离，故俗称切深（mm）。如车削外圆时：再如铣镗加工时Z方向的进刀量也是背吃刀量。数控加工中一般用两次走刀中坐标数值的改变表示背吃刀量的多少。但要特别指出：数控车削加工时背吃刀量等于X坐标变动值的1/2。因为此时X的变动代表工件直径方向的变动，而仅表示半径方向的变动。2wmpddapa2.切削层参数在切削过程中，刀具相对工件每移动一个进给量f所切除的金属层称为切削层。如下图所示：描绘切削层的几何形状的参数称为切削层参数。主要有切削厚度切削宽度及切削面积这三个参数。DhDbDA3.1.2切削过程中的几个基本概念3.1.2.1切削过程中出现的三个变形区所谓切削是在刀具的强力挤压下被切削金属层产生剪切滑移进而直到剪切断裂。通常把切削过程中金属的塑性变形区分成三个区域。。I-第一变形区；II-第二变形区；III-第三变形区第一变形区被切削金属层在刀具前刀面的挤压力作用下，首先产生弹性变形，当最大切应力达到材料的屈服极限时，即沿图3-4中的OA-OM曲线发生剪切滑移，并依次由位置1移至位置2第二变形区经第一变形区剪切滑移而形成的切屑，沿刀具前刀面流出时，又受到前刀面的挤压而产生滑动摩擦，靠近前刀面处的金属再次产生拖曳变形，使切屑底层薄薄的一层金属流动滞缓，这一层滞缓流动的金属层称为滞流层。第三变形区第三变形区在刀具后刀面和工件的接触区产生，是指工件过渡表面和已加工表面的金属层受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦与金属本身回弹而产生塑性变形的区域。第三变形区的金属变形造成已加工表层金属的纤维化和加工硬化，并产生一定的加工残余应力，这些情况将影响到工件的表面质量和使用性能。三个变形区是既相互联系又相互影响的。金属切削过程中的许多物理现象都和三个变形区的变形密切相关.切削变形区域的大小，主要取决于第一变形区及第二变形区的挤压和摩擦情况:3.1.2.2切屑的形成和种类(1)切屑的形成金属的切削过程是被切削金属层在刀具切削刃和前刀面的挤压作用下而产生剪切，滑移变形的过程。切削金属时，切削层金属受到刀具的挤压开始产生弹性变形。随着刀具的推进，应力、应变逐渐加大，当应力达到材料的屈服强度时产生塑性变形；当刀具继续切入，当应力达到材料的抗拉极限时，金属层被撕裂而形成切屑。(2)切屑的种类如前所述，金属切削层变形的过程即为切屑的形成过程。由于工件材料不同及切削加工条件不同，所以金属切削过程中的变形程度也就不同，从而形成不同种类的切屑。根据切削过程中变形程度的不同，切屑可分为三种不同的形态。(1)带状切屑这种切屑的底层（与前刀面接触的面）光滑，外表面呈毛茸状，无明显裂纹。形成带状切屑时，切削过程平稳，但如果切屑会缠绕影响工件质量且不安全。通常使用在刀具上制作断屑槽等方法断屑。（2）节状切屑节状切屑又称“挤裂”切屑。这种切屑的底面有时出现裂纹，上表面呈现明显的锯齿状。切屑过程不太稳定，已加工表面质量相对于带状切屑而言较低。（3）粒状切屑粒状切屑又称“单元”切屑。当采用小前角或负前角，以极低的切削速度和较大的切削厚度切削脆性金属（延伸率较低的结构钢）时，会产生这种切屑。切削过程不平稳，已加工表面质量较差。一旦产生粒状切屑就应改变工件夹持方式，改制刀具的前角或调整切削用量。3.1.2.3积屑瘤与鳞刺(1)积屑瘤在切削塑性金属材料时，常在刀具的切削刃口附近黏结硬度很高（通常为工件材料硬度的2～3.5倍）的楔状金属瘤，它包围着切削刃且覆盖部分前刀面，这种楔状金属块称为积屑瘤，如图所示在切削过程中，由于刀与屑的摩擦而导致的“冷焊”是积屑瘤的主要成因。俗称“粘刀”（1）控制切削速度控制切削速度使切削温度限制在300℃以下或380℃以上。（2）降低进给量进给量增大刀—屑的接触长度越长，从而形成积屑瘤的生长基础。若适当降低进给量，则可削弱积屑瘤的生成基础。（3）增大刀具前角若增大刀具前角，切削力减小，从而使前刀面上的摩擦减小。（4）使用切削液采用润滑性能较好的切削液可以降低前刀面的温度和刀具（5）减小前刀面的粗糙度前刀面粗糙，摩擦力较大（6）降低工件材料的塑性影响积屑瘤形成的主要因素是工件材料的塑性太好。（2）鳞刺鳞刺是在已加工表面上出现的鳞片状反刺。它是用较低的速度切削塑性材料时（如拉削、插齿、滚齿、螺纹切削等）常出现的一种现象，使工件已加工表面质量恶化。鳞刺生成的原因是由于部分金属材料的黏结层积，而导致即将切离的切屑从根部发生断裂，在已加工表面层留下金属被撕裂的痕迹。产生鳞刺的原因与形成切削瘤原因大致相同，故避免产生鳞刺的措施与积屑瘤类似。3.1.3.选择切削用量与切削液的一般原则3.1.3.1确定切削用量的基本原则数控机床中对刀和确定工件坐标系的原点都是手动操作。由于刀具的损坏需要重新对刀,必然会引起一定的对刀误差并耗费大量的时间，故在各加工阶段应保证刀具能顺利完成一次装夹的工件切削任务，最好能让刀具在一个工作班内保持完好。这样机床的利用率可以提高。故在粗加工阶段应以刀具的耐用度满足要求作为选择刀具的首要条件。粗加工阶段主要追求较高的加工效率。故在满足刀具耐用度条件下加大背吃刀量是粗加工阶段选择切削用量的基本思路。在进行工件的精加工时主要追求工件的粗糙度及精度满足图纸要求。这个阶段需要切削速度较高，进给量及背吃刀量均较小，故刀具的耐用度一般可以满足要求。因此，在满足刀具耐用度的条件下以较高的切削速度及较小的进给量及背吃刀量是精加工阶段选择切削用量的基本原则。有鉴于加工的两个基本阶段选择切削用量的思路不同，有条件时最好把刀具也分成精加工刀具及粗加工刀具。（1）对加工质量的影响（这里的加工质量主要指加工误差及加工表面粗糙度指标）①切削速度VC对其影响(温度上升；刀具变形)②进给量（f）对其的影响（螺旋线）③背吃刀量对其的影响（造成鳞刺）pa3.1.3.2切削液的选择皂化液；润滑油；压缩空气切削液在加工工程中主要起冷却和润滑作用。它们可以通过流动、蒸发带走刀具刃部的高温。切削液（如高浓度皂化液和润滑油）还能对刀具刃部进行润滑还能起到冲洗切屑的作用。但因其用量较大且无害化处理难度较大，切削液也会产生环境污染。新开发的硬质合金整体刀具不再需要切削液来进行冷却和润滑，代之以流量较大的空气也能有良好的冷却作用。粗加工与精加工追求重点不一样，故切削液的选择重点也不同。简言之：粗加工一般以乳化液为主要切削液，主要起冷却作用。而精加工以切削油为重点对象，目的是追求良好的润滑效果。刀具性能的进一步提高，新品种刀具如陶瓷刀具、整体硬质合金刀具和纳米切削刀具层出不穷。这些刀具强度大，耐高温性能好，一般不需要用液体冷却，切削液的主要作用已经开始淡化，一个不需要液态切削液代之以压缩空气的加工时代已经来到。3.2数控车削机床的切削用量（1）车外圆（2）车内孔papaff备注：①此表仅适用于车削外圆、内孔，不适用螺纹加工。②切削刀具的耐用度为60min。③车削直径平均工件材料（典型钢）工件热处理状态=6~12mm=2~6mm=0.6~1mm/r=0.3~0.6mm/r低碳钢(20#)热轧750~9501050~1300中碳钢（45#）热轧650~850950~1200调质550~750750~950合金钢16Mn、42CrMo热轧550~570750~950调质420~630550~750灰铸铁及球墨铸铁HBS200550~750630~850HBS=200~250420~630550~750高锰钢（Mn=13%）120~220铜及铜合金1000~12501250~1800铝及铝合金1200~16001500~220030mm（一般常用值）。若直径相差太多（超过60mm）则转速应按比例调整。3.2.3数控精车的切削用量精加工阶段的主要矛盾是解决表面质量及精度问题。故此阶段应有较高的切削速度，较小的背吃刀量及较低的切削速度例1中碳钢（45#、ZG550）热轧转速1300~16501600~2000rpm例2铝及铝合金＝0.6～1.2；0.1～0.5mm转速1500~60002000~7000rpmpa车削螺纹一般用一把螺纹成型车刀完成，并不严格区分粗、精加工。其切削用量的控制点不是刀具的耐用度。主要受到主电机转速升降特性及螺纹插补运算速度的影响而应放慢切削速度。切削螺纹可三刀成型。第一次进刀螺纹深度的3/5，第二次进刀螺纹深度的1.5/5，第三次完成最后成型。切削螺纹主轴的转速（r/min）可由下面的经验公式给出：式中：p——螺距(mm)1000100np3.3.2常用铣削加工的切削用量（1）面铣刀（又称平面铣刀）面铣刀采用多刃断续切削，加工过程比较平稳。影响这种刀具工作寿命的主要因素是工件的材质与硬度，故应着重考虑合理的切削速度，其次是进给量，而背吃刀量对其的影响最小。故在确定