数控切削原理与刀具基础

数控切削原理与刀具基础1.1如何选择切削用量？本节课主要研究：切削运动与切削要素，切削刀具及其刀具几何参数，切削过程的基本规律，并运用规律控制切削过程、改善切削性能、合理选用切削液。切削过程中:切削力、切削变形、切削热与切削温度、刀具磨损等现象及其规律，有利于控制和改善金属的切削过程。金属切削的目的：使被加工零件的尺寸精度、形状和位置精度、表面质量达到设计与使用要求。金属切削加工要切除工件上多余的金属，必须具备两个基本条件：切削运动和刀具。金属切削过程（车床）1.1.1切削运动1.切削运动（1）主运动由机床或人力提供的刀具与工件之间主要的相对运动,它使刀具切削刃及其邻近的刀具表面切入工件材料，使被切削层转变为切屑,从而形成工件的新表面。在切削运动中，主运动速度最高、耗功最大，是切下切屑所必须的基本运动。①主运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时主运动方向。②切削速度vc切削刃上选定点相对于工件的主运动的瞬时速度。刀具与工件之间附加的相对运动,它配合主运动依次地或连续不断地切除切屑,从而形成具有所需几何特性的已加工表面。进给运动可由刀具完成(如车削)，也可由工件完成(如铣削)，可以是间歇的（如刨削）,也可以是连续的（如车削）。（2）进给运动①进给运动方向切削刃上选定点相对于工件的瞬时进给方向。②进给速度vf切削刃上选定点相对于工件的进给运动的瞬时速度。主运动和进给运动合成的运动称为合成切削运动。（3）合成切削运动ve各种切削加工的切削运动1.1.2切削加工过程中的工件表面（1）已加工表面工件上待切除的表面。（2）待加工表面工件上经刀具切削后产生的新表面。（3）过渡表面工件上切削刃正在切削的表面。它是待加工表面和已加工表面之间的过渡表面。1.1.3切削用量切削要素主要指控制切削过程的切削用量要素和在切削过程中由余量变成切屑的切削层参数。（1）切削用量要素①切削速度Vc在进行切削加工时，刀具切削刃上选定点相对于工件的主运动瞬时线速度，用Vc表示，单位m/min或m/s。外圆车削的切削速度为vc=πdn/1000②进给量f是指刀具在进给运动方向上相对工件的位移量。当主运动是回转运动时，进给量指工件或刀具每回转一周，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/r；当主运动是直线运动时，进给量指刀具或工件每往复直线运动一次，两者沿进给方向的相对位移量，单位为mm/str或mm/单行程；③背吃刀量ap(切削深度)在基面上垂直于进给运动方向测量的切削层最大尺寸,外圆车削:ap＝(dw-dm)/2vc、f、ap构成了车削的切削用量三要素车削速度计算示例•将一直径为50mm的轴切削至45mm，•已知车床转速为600r/min，•问切削速度vc=?车削速度计算示例•Vc=（πxdxn）/1000•=（πx50x600）/1000•=30000π/1000•=30π（米/分）•近100米/分1.1.5切削用量的选择切削用量的选择原则和方法①背吃刀量的选择②进给量的选择③切削速度的选择合理选择切削用量的原则与方法正确地选择切削用量，对于保证加工质量、降低加工成本和提高劳动生产率都具有重要意义。所谓合理的切削用量，是指充分利用刀具的切削性能和机床性能（功率、扭矩等），在保证加工质量的前提下，获得高的生产率和低的加工成本的切削用量。对于粗加工来说，要尽可能保证较高的金属切除率和必要的刀具耐用度。提高切削速度，增大进给量和背吃刀量，都能提高金属切除率。但在这三个因素中，影响刀具耐用度最大的是切削速度，其次是进给量，影响最小的是背吃刀量。所以，在选择粗加工切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，其次考虑采用大的进给量，最后才能根据刀具耐用度的要求，选定合理的切削速度。切削用量三要素的确定（1）背吃刀量的选择背吃刀量根据加工余量确定。1)在粗加工时，一次走刀应尽可能切去全部加工余量，在中等功率机床上，ap可达8～10mm.2）下列情况可分几次走刀：①加工余量太大，一次走刀切削力太大，会产生机床功率不足或刀具强度不够时；②工艺系统刚性不足，或加工余量极不均匀，以致引起很大振动时，如加工细长轴或薄壁工件；③断续切削，刀具受到很大的冲击而造成打刀时。在上述情况下，如分二次走刀，第一次的ap也应比第二次大，第二次的ap可取加工余量的1/3～1/4左右。3）切削表层有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等冷硬较严重的材料时，应尽量使背吃刀量超过硬皮或冷硬层厚度，以防刀刃过早磨损或破损。4）在半精加工时，ap=0.5～2mm。5）在精加工时，ap=0.1～0.4mm。（2）进给量的选择粗加工时，对工件表面质量没有太高要求，这时切削力往往很大，合理的进给量应是工艺系统所能承受的最大进给量。这一进给量要受到下列一些因素的限制：机床进给机构的强度、车刀刀杆的强度和刚度、硬质合金或陶瓷刀片的强度及工件的装夹刚度等。精加工时，最大进给量主要受加工精度和表面粗糙度的限制。工厂生产中，进给量常常根据经验选取。粗加工时，根据加工材料、车刀刀杆尺寸、工件直径及已确定的背吃刀量从《切削用量手册》中查取进给量。在半精加工和精加工时，则按粗糙度要求，根据工件材料、刀尖圆弧半径、切削速度从《切削用量手册》中查得进给量。然而，按经验确定的粗车进给量在一些特殊情况下，如切削力很大、工件长径比很大、刀杆伸出长度很大时，有时还需对选定的进给量校验。（3）切削速度的确定根据已选定的背吃刀量ap、进给量f及刀具耐用度T，就可按公式计算切削速度Vc和机床转速n。切削用量及选择①粗车时，ap、f均较大，所以Vc较低，精加工时，ap、f均较小，所以Vc较高。②工件材料强度、硬度较高时，应选较低的Vc；反之，Vc较高。材料加工性越差，Vc较低。③刀具材料的切削性能愈好，Vc也选得愈高。此外，在选择Vc时，还应考虑以下几点：①精加工时，应尽量避免积屑瘤和鳞刺产生的区域。②断续切削时，为减小冲击和热应力，宜适当降低Vc。③在易发生振动情况下，Vc应避开自激振动的临界速度。④加工大件、细长件、薄壁件以及带外皮的工件时，应选用较低的Vc。表1-2硬质合金刀具切削用量推荐表刀具材料工件材料粗加工精加工切削速度（m／min）进给量（mm／r）背吃刀量mm切削速度（m／min）进给量（mm／r）背吃刀量mm硬质合金或涂层硬质合金碳钢2200.232600.l0.4低合金刚1800.20.2332202200.l0.10.4高合金钢1200.231600.l0.4铸铁800.20.233140·1400.l0.10.4不锈钢800.221200.l0.4钛合金400.30.21.51.560600.l0.10.4灰铸铁1200.30.3221501500.150.150.5球墨铸铁1000.20.321201200.150.150.5铝合金16000.21.516000.l0.5表1-2常用切削用量推荐表工件材料加工内容背吃刀量ap／mm切削速度vc／m·min-1进给量f/mm·r-l刀具材料碳素钢σb600MPa粗加工5-760～800.2～0.4YT类粗加工2-380～1200.2～0.4精加工2-6120～1500.1～0.2碳素钢σb600MPa钻中心孔500～800r·min-1W18Cr4V钻孔25～300.1～0.2切断（宽度5mm）70～1100.1～0.2YT类铸铁HBS200粗加工50～700.2～0.4YG类精加工70～1000.1～0.2切断（宽度5mm）50～700.1～0.2训练题：P121.2如何选用刀具几何角度1.2.1车刀几何角度各种刀具都是由切削部分（刀头）和被夹持部分（刀体或刀柄）两部分组成，二者既可以是一体的，也可以是由不同材料连接起来。1.刀具切削部分的组成刀杆：起夹持作用刀头:(三面)前刀面：刀具上切屑流过的表面主后刀面：刀具上与过渡表面相对的表面副后刀面：刀具上与已加工表面相对的表面(两刃)主切削刃：刀具上前刀面与主后刀面的交线副切削刃：刀具上前刀面与副后刀面的交线(一尖)主切削刃与副切削刃的交点,通常磨成圆角(修圆刀尖)或短平刃(倒角刀尖)（修光刃）：P14，图1-7。刀尖形状的选择普通车刀切削部分的组成2.刀具角度参考系及其坐标平面基面pr切削平面ps正交平面po通过主切削刃上的某一点，与主运动方向相垂直的平面通过主切削刃上的某一点，与加工表面相切并垂直于基面的平面通过主切削刃上的某一点，并同时垂直于基面和切削平面的平面作用：用于定义和规定刀具角度的各基准坐标平面，只是假定参考，事实看不见，摸不着。2.刀具角度参考系及其坐标平面(1)正交平面Po中测量的刀具角度1）前角γo前刀面与基面之间的夹角。2）后角αo后刀面与切削平面之间的夹角。3）楔角βo前刀面与后刀面之间的夹角，它是个派生角。它与前角、后角有如下的关系：βo＝90°－(γo＋αo);βo也是判断标注是否正确的验证式之一。2.刀具角度参考系及其坐标平面a）前、后角为正值b）前、后角为负c）前、后角为零图1-11车刀前、后角正负规定2.刀具角度参考系及其坐标平面(2)基面Pr中测量的刀具角度1）主偏角κr主切削刃在基面上的投影与进给运动速度vf方向之间的夹角。2）副偏角κr′副切削刃在基面上的投影与进运动速度vf反方向之间的夹角。3）刀尖角εr主、副切削刃在基面上的投影之间的夹角，它是派生角度。εr=180°-(κr＋κr′)εr是标注角度是否正确的验证公式之一。4）主切削刃和副切削刃之间的过渡刃参数将改变刀尖的几何形状,用刀尖圆弧半径rε描述，当rε=0时为尖角过渡，rε＞0时为圆角过渡，直线过渡时用κε和bε参数描述。(3)切削平面Ps中测量的刀具角度1）刃倾角λs主切削刃与基面之间的夹角。它在切削平面内标注或测量，但有正负之分。当主切削刃与基面平行时λs=0°；当刀尖点相对基面处于主切削刃上的最高点时λs＞0°；反之λs≤0°。2.刀具角度参考系及其坐标平面正交平面内前角γo后角αo主偏角κr副偏角κr’主切削刃与进给方向间的夹角前刀面与基面间的夹角主后刀面与切削平面间的夹角负切削刃与进给方向反向的夹角切削平面内刃倾角λs主切削刃与基面间的夹角基面内2.刀具角度参考系及其坐标平面1.2.2车刀图示及角度标注方法•绘制刀具图时，一般取基面投影为主视图，切削平面投影为向视图。同时做出主、副切削刃上的正交平面作为对应的剖视图，标注必要的刀具几何角度。•以普通外圆车刀为例，刀具角度的标注步骤如下。•（1）首先画出基面上的主视图，标出主偏角、副偏角和刀尖角。•（2）画出切削平面，标出刃倾角。•（3）在主切削刃剖面内标注出前角、后角、楔角。•（4）对于副切削刃角度，同样可在副切削刃剖面中标注出。2）典型车刀设计•（1）90°偏刀•设车刀以纵向进给车外圆，Kr=90°。刀具有一条主切削刃，一个刀尖，一条副切削刃。需要标注的独立角度共有6个，即前角、后角、主偏角、副偏角、刃倾角、副后角。（2）切断刀如图1-13所示，设车刀以横向进给车槽或切断。切断刀可以看做是两把端面车刀的组合，刀具有一条主切削刃，两个刀尖，两条副切削刃，可同时车出左、右两个端面。图中两条副切削刃与主切削刃同处在一个前刀面上，因此这把切断刀共有4个刀面，需要标注的独立角度共有8个。前角γ0――前刀面与基面间的夹角前角大，刃口锋利，切屑变小，切削力小，切削轻快。但易产生崩刃。后角α0――主后刀面与切削平面间的夹角增大后角可减少摩擦，提高工件加工质量和刀具耐用度，并使切削刃锋利。1.2.3刀具几何角度选择原则PoPrPsγoα0κr已加工面加工面待加工面κ'r主偏角κr――主切削刃与进给方向间的夹角影响切削层的形状，切削刃的工作长度和单位切削刃上的负荷。减少κr，主切削刃单位长度上的负荷减少，刀具磨损小，耐用。副偏角κr´――副切削刃与进给反方向间方向的夹角影响已加工表面的粗糙度和刀尖强度，减少κr´，减少表面的粗糙度的数值，还可提高刀具强度。过小，会使副切削刃与已加工面的摩擦增加，引起震动，降低表面质量。1.2.3刀具几何角度选择原则PoPrPsγoα0κr已