第一章 数控车床基础知识

第一章数控车床基础知识1．1车削原理概述1．1．1车削加工原理金属切削加工，从其本质上来说，就是使用各种类型的金属切削刀具，把各种金属原材料（称为工件毛坯）上多余的金属材料（称为加工余量）从工件毛坯上剥离，得到图纸所要求的零件。金属切削加工的工艺过程大致可以分为三类：①工件毛坯进行回转运动，切削刀具进行平动。主要为车削和镗削等。②切削刀具进行回转运动，工件毛坯进行平动。主要为铣削、磨削、钻削等。③切削刀具和工件毛坯做相对运动（平动或转动）。主要为拉削、刨削等。图1-1车床的加工要素在车床（这里指的是普通车床和一般的数控车床）上，可以进行工件的外表面、端面、内表面（内孔）以及内外螺纹的加工。对于高等级的数控车床（称为车削中心），除了上述各种加工以外，还可以进行铣削、钻削等加工。从以上介绍的对加工工艺过程的分析中，我们可以知道：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。根据切削运动在切削加工中的作用不同分为主运动和进给运动。主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加工余量进行剥离。在车床上，主运动是机床主轴的回转运动，即车削加工时工件的旋转运动。这一点，对于普通车床和数控车床都是一样的。进给运动进给运动是指由机床所提供的使刀具与工件之间产生附加的相对运动。进给运动与主运动相配合，就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（沿机床主轴方向），也可以是横向的移动（与机床主轴方向相垂直），但只能是一个方向的移动。比如车削外圆时，车刀沿平行于工件轴线（也就是主轴轴线的方向）做纵向运动；而车削端面时，车刀就要沿垂直与机床主轴的方向做横向移动。在数控车床上，虽然进给运动的形式可能有所不同，但基本原理是一致的。与普通车床不同的是：数控车床可以同时进行两个方向的进给，从而加工出各种具有复杂母线的回转体工件。表1-1各种机床的主运动和进给运动机床类型主运动进给运动（数控）车床主轴（工件）刀架（数控）铣床主轴（刀具）工作台（数控）磨床主轴（砂轮）工作台（或砂轮轴，视磨床种类而定）（数控）镗床主轴（刀具）工作台从以上的分析中，我们可以知道：在车削加工中，主运动要消耗比较大的能量，才能完成切削。与之相比，进给运动所要消耗的能量要小一些。在普通车床中，主运动和进给运动的动力都来源于同一台电机。通过一系列的机械传动，把能量分配给主运动和进给运动，进而实现车削加工。在数控车床中，主运动和进给运动是分别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，完成加工任务。图1-2车削原理图二、切削用量切削用量是说明机床在进行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。1．切削速度（Vc）切削刃上的切削点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度。切削速度的单位为米/分（m/min）。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的，即都是回转运动。这样就需要在切削速度与机床主轴转速之间进行转换，两者的关系为：Vc=式中：Vc切削速度（m/min）d工件直径（mm）n主轴转速（rpm）2．进给量（f）对于不同种类的机床，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，刀具沿进给方向与工件的相对移动量，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，进给量也可以定义为刀具在单位时间内沿着进给方向上相对于工件的位移量（mm/min）。其他类型的机床则根据其结构不同，进给量的单位分别为刀具或工件每转的位移量（mm/min，车床等大部分机床；或mm/r，使用多齿刀具的机床）或每行程的位移量（mm/一个行程，刨床等机床）。3．切深（ap）已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。对于车床而言，切深（ap）的计算公式为：ap=式中：ap切深（mm）dw待加工表面直径（mm）dm已加工表面直径（mm）图1-3车削加工切削用量的示意图在切削加工中，切削速度（Vc）、进给量（f）和切深（ap）这三个参数是相互关联的。在粗加工中，为了提高效率，一般采用较大的切深（ap）。此时切削速度（Vc）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（Vc）、较小的进给量（f）和切深（ap），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）。三、切削刀具（车刀）切削加工离不开刀具。刀具是整个机械加工工艺系统中的一个重要环节。在各种刀具中，车刀的结构相对比较简单，具有代表性，下面以车刀为例予以介绍。图1-4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，一般采用普通钢材料锻造而得；切削部分俗称为刀头，在车刀上一般为单个刀片。刀片材料一般有高速钢（俗称白钢刀条）和硬质合金两种，用于剥离金属材料。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，车刀可以分为焊接刀具和机夹刀具两大类。图1-4车刀示意图车刀切削部分的主要构成为：1．前刀面（Aγ）切削加工而得的切屑经过的刀片表面2，主后刀面（Aα）刀具片上与过渡表面相对的表面3．副后刀面（Aα`）刀具片上与已加工表面相对的表面4．主切削刃（S）前刀面与主后刀面相交而得到的切削刃。用于切出工件上的过渡表面，完成主要的金属切除。主切削刃是主要的加工刃5．副切削刃（S`）前刀面与副后刀面相交而得到的切削刃。它的主要作用是配合主切削刃，完成金属材料的剥离工作，形成工件已加工表面6．刀尖指主切削刃与副切削刃的连接处。根据刀具所使用的场合不同，刀尖有倒角刀尖和倒圆刀尖两种。从以上的分析中，我们可以了解到：车刀的各个组成部分之间都有着密切的联系。实际上，在十几至几十平方毫米的区域内，若干个部分形成了一些角度。这些角度对加工质量和刀具的使用寿命有极大的影响。对刀具进行角度的分析，是刀具设计者和使用者的重要工作内容。四、刀具切削部分（刀片）的几何角度图1-5刀具角度坐标系对刀具几何参数进行确定，需要以一定的参考坐标系和参考坐标平面为基准。我们依然以车刀为例。我们引入一个坐标系，作为刀具几何参数的测量基准。这个坐标系就是如图1-5所示的刀具角度坐标系。在这个坐标系中，有三个相互垂直坐标轴。坐标轴所在的平面也是相互垂直的。（1）基面（Pr）：这个平面是指通过切削刃上的一个选定点而垂直于主运动方向的平面。对于车刀，这个选定点就是刀尖，而基面就是过刀尖而与刀柄安装平面平行的平面。（2）切削平面（Ps）：这个平面是指通过切削刃上的一个选定点而垂直于基面的平面。对于一般切削刃为直线的车刀，这个平面就是包含切削刃而与刀柄安装平面垂直平面。（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。也就是经过刀尖并垂直于切削刃在基面上投影的平面。刀具的角度有一些是空间角，根据立体几何知识，空间角应以其在坐标系内某一个平面内的投影来进行度量。因此，刀具所有的几何参数都可以在这个坐标系内的某一个平面内进行测量。图1-6车刀的角度下面介绍一些车刀的几何角度：在正交平面（Po）内测量的角度：（1）前角（γ0）：前刀面与基面的夹角。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。前角对于刀具的切削性能有很大的影响。（2）后角（α0）：后刀面与切削平面的夹角。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。由于后角的存在，后刀面与加工过渡表面之间的摩擦可以大大减小。（3）楔角（β0）：前刀面与后刀面之间的夹角。β0=90°-（γ0+α0）在基面（Pr）内测量的角度：（1）主偏角（κγ）：主切削平面与假定进给运动方向之间的夹角。主偏角总是为正值。（2）副偏角（κγ`）：副切削平面与假定进给运动反方向之间的夹角。（3）刀尖角（εγ）：主切削平面与副切削平面之间的夹角。εγ=180°-（κγ+κγ`）在切削平面（Ps）内测量的角度：（1）刃倾角（λs）：指的是主切削刃与基面间的夹角。刃倾角的正负值是这样设定的：当刀尖比车刀刀柄的安装面高时，刃倾角为正值；当刀尖低时，刃倾角为负值。当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为0°。这时，切削刃位于基面内。以上是对主切削刃的分析。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（Pr`）、副切削平面（Ps`）和副正交平面（Po`）构成的参考坐标系，进而对副切削刃的各种角度进行分析。表1-2车刀上的几种重要角度刀具角度符号说明前角γ0前刀面与基面的夹角后角α0后刀面与切削平面的夹角主偏角κγ主切削平面与假定进给运动方向之间的夹角副偏角κγ,副切削平面与假定进给运动反方向之间的夹角刃倾角λs主切削刃与基面间的夹角表1-3刀具主要角度对加工的影响刀具角度角度的作用选用原则前角前角主要影响切屑变形和切削力的大小以及刀具耐用度和加工表面质量的高低。前角增大，可以使切削变形和摩擦减小，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，耐用度下降。前角减小，刀具强度提高，切屑变形增大，易断屑。但前角过小，会使切削力和切削热增加，刀具耐用度也随之降低。1．工件材料：塑性材料选用较大的前角；脆性材料选用较小的前角2．刀具材料：高速钢选用较大的前角；硬质合金选用较小的前角3．加工过程：精加工选用较大的前角；粗加工选用较小的前角4．数控机床为了保证刀具稳定，一般使用的刀具前角比较小后角后角的主要功用是减小主后刀面与过渡表面层之间的摩擦，减轻刀具磨损。后角减小，可以使主后刀面与工件表面间的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差。后角增大，则摩擦减小，也减小了刃口钝圆半径，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。1．工件材料：工件硬度、强度较高以及脆性材料选用较小的后角2．加工过程：精加工选用较大的后角；粗加工选用较小的后角主偏角主偏角可影响刀具耐用度、已加工表面粗糙度及切削力的大小。主偏角较小，则刀片的强度高，散热条件好。参加切削的主切削刃长度长，作用主切削刃上的平均切削负荷减小。但切削厚度小，断屑效果差。1．工件材料：加工淬火钢等硬质材料时，主偏角较大2．使用硬质合金刀具进行精加工时，应选用较大的主偏角3．用于单件小批生产的车刀，主偏角应选为为45o或90o，提供刀具的通用性4．需要从工件中间切入的车刀，例如加工阶梯轴的工件，应根据工件形状选择主偏角。副偏角副偏角的功能在于减小副切削刃与已加工表面的摩擦。减小副偏角可以提高刀具强度，改善散热条件。但可能增加副后刀面与以加工表面的摩擦，引起震动。1．在不引起震动的情况下，刀具应选用较小的副偏角2．精加工刀具的副偏角应更小一些刃倾角刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。刃倾角为正值，切削开始时刀尖与工件先接触，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，尤其是在断续切削时，可避免刀尖受冲击，起到保护刀尖的作用1．粗加工刀具应选用刃倾角0o，使刀具具有良好的强度和散热条件2．精加工刀具应选用刃倾角0o，使切屑流向待加工表面，提高加工质量3．断续切削（如车床的荒加工）应选用刃倾角0o，以提高刀具强度4．工艺系统的整体刚性较差时，应选用数值较大的负刃倾角，以减小震动五、刀具材料与刀具的组成一样，刀具材料也分为刀柄材料和刀片材料。刀柄一般采用45#钢锻造，经过铣削加工而得。随着数控机床的日益普及，对机床刀具的要求也越来越高，越来越广，对于刀具的刀柄的要求也日益提高。现在对车刀刀柄的公差要求也提高了很多。我们现在谈论的刀具材料主要是指刀具切削部分（即刀片）的材料。刀具切削性能的优劣，主要取决于刀片的材料，其次取决于刀具几何参数和刀具结构的设计，再次取决于刀具切削用量的选用和刀具的安装情况。刀片在切削加工时，要