数控机床加工的切削用量

单元4 数控机床加工的切削用量教学目的1、了解数控机床的运动（主运动、进给运动）；2、了解数控机床加工刀具的角度及其作用；3、了解数控机床加工中有关切削层的参数及其作用；4、了解数控机床加工中的切削用量及其选用原则。

5、掌握常用不同材料零件在粗加工、半精加工和精加工时的切削用量选用；教学重点1、数控机床加工刀具的角度及其作用；2、数控加工中粗加工、半精加工和精加工时的切削用量选择；教学难点1、刀具的角度及其作用；2、切削用量选用教学方法讲练结合教学内容一、车削加工与刀具1. 车削加工原理在普通车床和一般数控车床上，可以进行工件的外表面、端面、内表面以及内外螺纹的加工。

对于车削中心，除上述各种加工外，还可进行铣削、钻削等加工。

从上述介绍可以看出：在切削过程中，刀具和工件之间必须具有相对运动，这种相对运动称为切削运动。

根据切削运动在切削过程中的作用不同可以分为主运动、和进给运动。

各种机床的主运动和进给运动参见下表。

各种机床的主运动和进给运动主运动是指机床提供的主要运动。

主运动使刀具和工件之间产生相对运动，从而使刀具的前刀面接近工件并对工件进行切削。

在车床上，主运动是机床上主轴的回转运动，即车削加工时工件的旋转运动。

2）进给运动进给运动是指由机床提供的使刀具与工件之间产生的附加相对运动。

进给运动与主运动相配合，可以形成完整的切削加工。

在普通车床上，进给运动是机床刀架（溜板）的直线移动。

它可以是纵向的移动（与机床主轴轴线平行），也可以是横向的移功（与机床主轴轴线垂直），但只能是一亇方向的移动。

在数控车床上，数控车床可以同时实现两亇方向的进给，从而加工出各种具有复杂母线的回转体工件。

在数控车床中，主运动和进给运动是由不同的电机来驱动的，分别称为主轴电机和坐标轴伺服电机。

它们由机床的控制系统进行控制，自动完成切削加工。

2. 切削用量切削用量是指机床在切削加工时的状态参数。

不同类型的机床对切削用量参数的表述也略有不同，但其基本的含义都是一致的，如下图所示。

车削加工中切削用量示意图（1）切削速度（c v ） 切削刃上的切削点相对于工件运动的瞬时速度称为切削速度。

切削速度的单位为（m/min ）米/ 分。

在各种金属切削机床中，大多数切削加工的主运动都是机床主轴的运动形成，即都是回转运动。

切削速度与机床主轴转速之间进行转换的关系为：1000dnv c π= ………………… 4-1式中：c v ——切削速度 (m/min)d ——工件直径 (mm)n ——主轴转速 (r/min)（2） 进给量（f ） 不同种类的机床，进给量的单位是不同的。

对于普通车床，进给量为工件（主轴）每转过一转，刀具沿进给方向上相对于工件的移动量，单位为mm/r ；对于数控车床，由于其控制原理与普通车床不同，进给量还可以用进给速度 f v （单位为 mm/min ）来表达，即：刀具在单位时间内沿着进给方向上相对于工件的位移量。

其它类型的机床则根据其结构不同，进给量的单位表达还可以为刀具或工件每转的位移量( mm/r ，使用多齿刀具的机床)。

在车削加工时，进给速度f v 是指切削刃上选定点相对于工件进给运动的瞬时速度。

它与进给量之间的关系为：f n v f ⨯= ……………………4-2（3) 切削深度（p a ） 己加工表面和待加工表面之间的垂直距离。

对于车床而言，切削深度p a 的计算公式为： 2m w f d d v -= ……………………4-3 式中： w d ——待加工表面直经 (mm)m d ——己加工表面直经 (mm)切削加工中，切削速度(c v )、进给量（f ）和切削深度（p a ）这三个参数是相互关联的。

在粗加工中，为了提高效率，一般采用较大的切削深度（p a ）。

此时切削速度（c v ）和进给量（f ）相对较小；而在半精加工和精加工阶段，一般采用较大的切削速度（c v ）、较小的进给量（f ）和切削深度（p a ），以获得较好的加工质量（包括表面粗糙度、尺寸精度和形状精度）。

（4) 切削时间 m t 切削时间是反映切削效率高低的一种指标。

车削外圆时切削时间可由下式计算： p f m a v lA t =……………………4-4式中：l ——刀具行程长度A ——半径方向加工余量（5）金属切除率（w z ） 金属切除率是指每分钟切下工件材料的体积。

它是衡量切削效率高低的另一个指标，金属切除率w z 由下式计算：f v v z f c w 1000= （单位mm 3/min ） ……………………4-5 （6）合成切削运动和合成切削速度 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于工件的运动称为合成切削运动，其大小与方向用合成速度c v 表示。

合成速度等于主运动与进给速度之和。

即：f c v v v += ……………………4-63. 切削刀具（车刀）以车刀为例介绍刀具的基础知识。

图示为普通外圆车刀的示意图。

车刀由夹持部分和切削部分组成。

夹持部分称为刀柄，用来把刀具装夹在车床的刀架上，一般用45＃钢材经锻造加工而成；切削部分俗称为刀头，在车刀上为单刀片。

刀片材料一般有高速钢（俗称白钢刀条）和硬质合金两种，用于切削金属材料。

根据刀具切削部分与夹持部分（即刀片与刀柄）连接方式的不同，车刀分为焊接刀具和机夹刀具两大类。

车刀示意图车刀切削部分的主要构成：1）前刀面(A ) 切削加工中被切下的切屑经过的刀片表面。

γA ) 刀具片上与待加工表面相对的表面。

2）后刀面（α3）副后刀面（α`A）刀具片上与己加工表面相对的表面。

4）主切削刃（ S ) 前刀面与后刀面相交处形成的切削刃。

用于切出工件上的过渡表面，完成主要的金属切除。

主切削刃是刀具主要的加工刃。

5）副切削刃（ S′）前刀面与副后刀面相交处形成的切削刃。

主要作用是配合主切削刃，完成金属材料的切除，形成工件的己加工表面。

6）刀尖指主切削刃与副切削刃交接处形成的切削点。

根据刀具所使用的场合不同，为使刀尖保持锋利，刀尖有倒棱刀尖和倒圆刀尖两种。

4. 刀具切削部分（刀片）的几何角度确定刀具的几何参数，需要以一定的参考坐标系和参考坐标平面为基准。

以车刀为例，引人一个坐标系，作为刀具几何参数的测量基准，这个坐标系就是刀具角度坐标系。

P）此平面是指通切削刃上的一个选定点而垂直于主运动方向的平面。

（1）基面（r对于车刀，这个选定点就是过刀尖而与刀柄安装平面的平面。

图4-8 刀具角度坐标系图4-9 车刀的角度P）此平面是指通过切削刃上的一个选定而垂直于基面的平面。

（2）切削平面（sP）也称为主截面。

正交平面是指通过切削刃选定点并同时垂直于（3）正交平面（o基面和切削平面的平面。

车刀的主要几何角度见下表。

车刀上的几种重要角度在正交平面（主截面）内测量的角度：1）前角（0γ） 前刀面与基面间的夹角。

当前刀面与基面间夹角小于90度时，前角为正值；前刀面与基面间夹角大于90度时，前角为负值。

前角对于刀具的切削性能有很大的影响。

2）后角（0α） 后刀面与切削平面间的夹角。

当后刀面切削平面间与夹角小于90度时，后角为正值；后刀面与切削平面间夹角大于90度时，后角为负值。

由于后角的存在，后用刀面与加工过渡表面之间的摩擦可以大大减小。

3）楔角（0β） 前刀面与后刀面间的夹角。

)(9000αγβ+-︒=r ……………………4-7在基面r P 内测量的角度：1）主偏角（r k ） 主切削平面与假定运动方向之间的夹角。

主偏角恒定为正值。

2）副偏角（r k '） 副切削平面与假定运动方向之间的夹角。

副偏角恒定为正值。

3）刀尖角（r ε） 主切削平面与副切削平面之间的夹角。

)(180`r r r k k +-︒=ε ……………………4-8在切削平面s P 内测量的角度：1）刃倾角（s λ） 指主切削刃与基面间的夹角。

当刀尖比车刀刀柄的安装面高时，刃倾角为正值；当刀尖比车刀刀柄的安装面低时，刃倾角为负值；当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为0°，此时，切削刃位于基面内。

以上是对上主切削刃的分析。

采用同样的方法，也可以定义副切削刃的参考坐标系和参考坐标平面，即定义由副基面（r P `）、副切削平面（s P `）和副正交平面（o P `）构成的参考坐标系，进而对副切削刃的各种角度进行分析。

刀具角度对加工的影响见下表。

刀具角度对加工的影响5. 切削层（1）切削层参数切削层尺寸与切削用量p a 、f 大小有关。

直接影响切削过程的是切削横截面面积及其厚度、宽度尺寸。

它们的符号与定义如下：1）切削厚度c a 垂直于加工表面度量的切削层尺寸。

2）切削宽度w a 平行加工表面度量的切削层尺寸。

3）切削面积c A 切削层在基面投影中的面积。

当刀具刃倾角︒=0s λ时，r c k f a sin = （mm ） ……………………4-9 r pw k a a sin = （mm ） ……………………4-10f a a a A p w c c ==（mm 2） ……………………4-11上述分析可知，切削厚度与切削宽度随主偏角的大小而变化。

当︒=90r k 、f a a c c ==max 、p w w a a a max =时，切削面积c A 由切削用量p a 、f 决定，不受主偏角变化的影响。

但是切削层横截面的形状则与主偏角、刀尖圆弧半径有关。

由于刀尖圆弧、主偏角的不同，引起切削厚度、切削宽度的变化，使得横截面形状的差异很大，对切削过程将产生不同的影响。

（2）正切屑与倒切屑 正切屑与倒切屑的切削层尺寸特征是：正切屑：W G a a ≤倒切屑： r pr k a k f sin sin ≥显然产生倒切屑的情况下，主要切削工作以由原来的副切削刃承担，此时p c a a =， f a w =。

原副切削刃上刀具的副前角 0`γ、副刃倾角s `λ对切削过程的影响，比0γ、s λ角更为重要。

这说明，在刀具切削时判定主切削刃和副切削刃除与切削运动有关外，还与切削层尺寸参数有关。

二、 车削加工切削用量的选择1. 切削用量选择原则根据不同的加工条件和加工要求，又考虑到切削用量各参数对切削过程的不同影响，故切削用量参数p a 、f 和v 增大的次序和程度应有所区别。

可从以下几个方面分析：（1） 生产效率 切削用量p a 、f 和v 增大，会使切削时间m t 减小。

当加工余量一定时，减小切削深度p a 会使走刀次数增多，切削时间增加，生产效率降低。

所以，一般情况下尽量优先增大p a ，以求一次进刀全部切除加工余量。

（2) 机床功率 切削用量对机床功率的影响是由于切削力与切削速度变化造成的。

当切削深度p a 和切削速度v 增大时，均使切削功率成正比增加。

此外，增大切削深度p a 使切削力增加较多，而增大进给量f 使切削力增加较少，消耗功率也较少。