数控机床编程与切削技术

1　数控切削加工技术基础

1．1　数控加工概述

随着科学技术和社会生产的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，特别是在宇航、造船、军工、模具及计算机工业中，零件精度高、形状复杂、批量小、频繁改型，使用普通机床则存在加工困难、生产效率低、劳动强度大、精度难以保证等现象。

数控机床是20世纪50年代初期发展起来的一种新型自动化机床，它解决了复杂零件加工的困难。数控机床对复杂型面零件的加工，可以手工编程、自动编程，还可以使用CAD／CAM软件，在计算机上绘制图形，设计工艺参数，然后借助计算机高速运算处理后自动生成程序，用程序控制机床，完成零件的全部加工过程。

数控加工是指在数控机床上进行零件加工的一种工艺方法。这种加工方法与一般加工方法仅在控制方式上有所不同。在普通机床上加工零件，通常是先编写机械加工工艺规程卡，操作者按照工艺规程加工零件。在自动机床上加工零件，通常依靠凸轮、靠模和挡块，机床自动地按照凸轮、靠模和挡块规定的形状加工零件。普通机床加工零件的工艺卡片中的工艺过程和工艺参数的确定，以及自动机床加工零件时用的凸轮、靠模和挡块形状的确定，实际上都是编制相应的程序。

在数控机床上加工零件，事先将被加工零件的工艺过程、工艺参数、位移数据和辅助运动用数控机床规定的代码和程序段格式记录在控制介质上。数控机床根据控制介质上的指令，控制机床的进给运动，实现零件加工的全过程。记录工艺过程、工艺参数、位移数据和辅助运动的表格称为零件加工程序单，简称程序，它是制作控制介质的依据。这里，我们把从零件图纸到获得数控机床加工零件所需的控制介质的全过程称为数控编程。

数控机床目前常用的控制介质有穿孔带、磁盘、磁带、手工键盘等等。随着科学技术的发展，由计算机通过电缆接口，直接将程序输入数控机床的工作方法不断推广应用，DNC直接数控加工、CAD／CAM计算机辅助设计和辅助编程的应用也越来越广泛。

从世界上第一台数控机床诞生到现在，数控技术经过五十多年的发展和完善，现在已经非常成熟。数控机床运用中一个很重要的工作就是数控编程，因为数控机床的工作是按照事先编好的零件加工程序自动完成加工的，没有零件加工程序，数控机床就不能运动和工作。数控机床是高效自动化设备，理想的加工程序要保证加工出合格的零件，同时也应使数控机床的功能得到合理的应用和充分的发挥，使数控机床能安全、可靠、高效地工作，所以说，数控编程对于数控机床来说是一项非常重要的工作。

数控程序如此重要，那么，数控程序由哪些内容组成的呢？第一，编程时，首先要制订一个零件加工工艺顺序，决定先做零件的哪一部分，再做零件的哪一部分，例如要车一小轴，决定先粗车，后精车，再切槽，这些称为零件加工工艺；第二，加工中要确定主轴旋转速度、进给量、切削深度等等，这些称为选择工艺参数；第三，刀具从A点切削至B点，再切削到C点，程序中要有刀具的位移数据；第四，切削加工中要主轴旋转方向，冷却液开、关，刀具要更换等等，这些称为辅助运动。综上所说，数控程序实际上就是由工艺过程、工艺参数、位移数据和辅助运动四部分内容组成的。

数控程序是有章可循的，目前常用的标准是：

（1）国际编程标准　ISO标准。

（2）美国编程标准　EIA标准。

（3）我国编程标准　3208－83标准，与ISO标准和EIA标准相似。

ISO标准和EIA标准比较，ISO标准有如下优点：

（1）信息量大。

（2）采用偶数校验，可靠性高。

（3）便于逻辑判别和校验。

数控编程的方法、种类多种多样，但从根本上区别，可分为手工编程、自动编程、CAD／CAM软件编程三种。本书重点介绍手工编程。

数控机床手工编程工作框图见图1．1所示。

图1．1　数控机床编程工作框图

从框图可以看出，拿到图纸以后，首先要看清、看懂图纸，工艺分析时要分析零件的材料、形状、尺寸精度、形状位置精度、表面粗糙度以及技术要求、毛坯形状、热处理等。工艺设计要选择确定加工路线，工艺参数，如切削速度、转速、切削深度、预留精加工余量等等。数学处理的复杂程度，取决于零件的复杂程度和数控系统的功能，对于直线和圆弧组成的平面零件，可以用初等数学进行计算处理；对于二次曲线组成的平面轮廓，可以用直线或圆弧逼近的方法计算相邻直线的交点进行编程，目前一般数控系统都有计算参数，可以利用变量参数进行自由赋值，让计算机一边计算一边加工；对于三维以上的复杂轮廓，必须使用CAD／CAM软件进行设计和自动编程。

（1）手工编程　利用一般的计算工具，运用各种数学方法人工进行刀具轨迹的运算，并进行指令编制。这种方法变换比较简单，容易掌握，适应性较大，适用于中等复杂程度及计算量不大的零件编程，是数控机床操作人员必须掌握的一种编程方法。

（2）自动编程　利用微机及专用的自动编程软件，以人机对话方式确定加工对象和加工条件，自动进行运算和生成指令，适用于曲线轮廓、三维曲面等复杂型面的加工程序的编制。这种方法编制较复杂的零件加工程序效率高、可靠性好。专用软件多为在微机上开放式操作系统环境下开发的，成本低、通用性强。目前中小企业普遍采用这种方法。

（3）CAD／CAM软件编程　利用CAD／CAM集成软件进行零件的设计、分析及加工编程，适用于制造业中的大型CAD／CAM集成系统，如各类柔性制造系统（FMS）和集成制造系统（CIMS）。这种方法适应面广、效率高、程序质量好，但投资大，编程人员的素质要高，掌握起来需要一定的时间。

1．2　数控加工特点

随着数控机床的不断完善和更新，以及编程技术的迅速发展，使数控加工方法获得日益广泛的应用。这是因为数控加工方法有许多优点。

1）加工精度高，工件质量稳定

数控机床加工精度不受零件形状复杂程度的影响，一般在0．005～0．1mm，加工中消除了操作者的人为误差，提高了同批零件尺寸的一致性。这为提高产品的互换性和装配的工作质量提供了有利条件，使产品质量保持稳定。

2）生产效率高

使用数控机床加工，对工夹具的要求降低了。由于数控机床具有很高的自动化程度，省去了划线、多次装夹和准备时间，检验工作可以只做首件检验和抽检，节省了时间。在零件变更时只要更换程序，加工中心可以自动更换刀具，工序集中，使多道工序可以连续加工，缩短了加工周期，这些方面都使数控机床加工的生产效率显著提高。

3）自动化程度高，改善劳动条件

数控机床调整好后，除了手工装夹毛坯外，全部加工过程都是自动完成，简化了工人的操作，减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。

4）加工对象适应性强

在数控机床上实现自动加工是由程序控制的，当加工对象改变时，除了更换相应刀具和解决毛坯装夹方式外，只要重新编制零件加工程序，便可自动加工出新的零件，不必对机床作任何复杂调整。这样省去了许多专用样板和标准样件，又缩短了生产准备周期。针对产品改型频繁、试制周期要求短的特点，数控加工方法具有特殊的优越性。

5）有利于向计算机管理和通信发展

由于数控机床是使用数字信息，最宜与计算机联结，便于计算机直接管理与控制，形成计算机辅助设计与制造紧密结合的一体化系统。

数控机床优点显著，但它的技术复杂，价格昂贵，对机床维护与编程技术要求高，为了提高机床利用率，保持良好的经济效益，需要切实解决好加工程序编制、刀具供应、编程与操作维护人员的培训工作。

1．3　数控加工编程坐标轴与运动方向

1．3．1　坐标轴及运动方向

为了便于编程时描述机床的运动，简化程序的编制方法及保证记录数据的互换性，数控机床的坐标轴和运动方向均已标准化。我国JB　3051－82标准，对机床坐标轴及运动方向作了如下规定：

（1）刀具相对于静止的工件而运动的原则。这一原则使编程人员在不知道是刀具移近工件还是工件移近刀具的情况下，就可以依据零件图纸，确定零件的加工过程。也不论机床的具体结构是工件静止、刀具运动，还是工件运动、刀具静止，确定坐标系一律看作工件静止，刀具产生相对运动。

（2）标准坐标系的规定。在数控机床上，机床的动作是由数控装置来控制的。为了确定机床的运动，必须确定机床上运动的方向和距离，这就需要一个坐标系来实现，标准的机床坐标系是一个右手笛卡儿直角坐标系。如图1．2所示，拇指、食指和中指相互成直角，分别代表X、Y、Z三个坐标轴。

图1．2　右手笛卡儿坐标系

X、Y、Z三个坐标轴与机床的主要导轨相平行，工件安装在机床上，通过移动导轨来找正工件。

旋转方向用右手螺旋法则，拇指为轴的正方向，四指为绕轴旋转的正方向，分别代表A、B、C的正向旋转方向。

数控机床某一部件运动的正方向，是增大工件和刀具距离的方向。

Z坐标。Z轴是由“传递切削动力”的主轴所规定，通常是这样确定的：对于铣床、镗床、钻床，主轴带动刀具旋转的轴是Z轴；对于车床、磨床和其他加工旋转体的机床，主轴带动工件旋转，Z轴与主轴旋转中心重合，平行于床身导轨。

X坐标。对于铣床、钻床、镗床，X轴是水平的，它平行于工件装夹平面；对于车床、磨床等加工旋转体的机床，X轴在工件的径向上，它平行于横导轨。刀具远离工件旋转中心是X的正方向。

Y坐标。＋Y的运动方向，根据X、Z坐标的运动方向，按照右手笛卡儿坐标系来确定。

1．3．2　机床坐标系原点和编程原点

在确定了机床各坐标轴及运动方向后，还要确定机床坐标系的原点。

（1）机床原点。机床原点是生产厂家在制造机床时设置的固定坐标系原点，也称机床零点，它是在机床装配制造时设置的限位开关，一般都在机床坐标系正向的极限位置，它是数控机床进行加工运动的基准点，也是机床检测的基准。开机后，通过回零操作，建立机床坐标系。对于数控钻铣机床及铣削加工中心，X、Y、Z轴都在坐标系的正方向极限位置上，见图1．3。如果此时机床继续向正方向移动，就会超程。对于加工旋转体的机床，当回机床原点后，一般取卡盘端面法兰盘与主轴中心线的交点处，如图1．4所示。

图1．3　数控钻、铣机床原点与工件零点示意图

图1．4　数控车床原点和工件零点示意图

（2）编程原点。编程原点是编程员根据加工零件图纸选定的编制程序的坐标原点，也称编程零点、程序原点、工件零点或对刀点。编程员在选择设置编程原点时，应尽可能选择在零件的设计基准或工艺基准上，安装零件时应尽可能使“定位基准”与“设计基准”重合。

在数控加工中，选择确定工件零点是非常重要的，因为工件零点是零件加工时刀具相对零件运动的“基准点”，这一点往往是刀具加工的起点，有时也是刀具加工的终点。这一点可以设置在被加工零件上，也可以设置在夹具上与零件定位基准有一定关联的位置上。工件零点是零件安装好后，通过“对刀”找正确定下来的，所以有人又称这一点为“对刀点”。

选择确定工件零点的原则如下：

①所选的零点，便于数学计算，能简化程序的编制。

②工件零点应选在容易找正、在加工过程中便于检查的位置上。

③工件零点应尽可能选在零件的设计基准或工艺基准上，使加工引起的误差最小。

使用对刀确定工件零点时，在零件安装好后，就需要进行“对刀”。所谓“对刀”是指使“刀位点”与“对刀点”重合的操作。“刀位点”是指刀具的定位基准点。对于立铣刀来说，“刀位点”是立铣刀具的旋转轴线与刀具底面的交点；球头铣刀是球头的球心点或球顶端点；钻头是钻尖；车刀是刀尖，切断车刀有左右两个刀位点（见图1．5）。

图1．5　常用刀具的刀位点

选择工件零点除选在零件的设计基准或工艺基准上之外，还应选在对刀较方便的地方，使对刀工作能方便地进行。

（3）对刀找正工件零点

铣削加工对刀找正工件零点（编程零点）的方法，即“刀位点”与“对刀点”的重合操作：先把零件毛坯初步安装，移动机床X、Y、Z轴，用千分表或百分表找正零件的基准面，然后夹紧。对刀找正零点步骤如下：

①操作机床回机床零点。

②移动机床坐标轴将对刀杆慢慢接近工件，用0．02mm的塞尺（或纸片）放在工件与对刀杆之间，来回移动塞尺，当塞尺移动稍紧时，记录此时某轴相对机床零点的坐标值，X、Y、Z轴必须逐项进行。

若X方向坐标显示“－189．36”，Y方向坐标显示“－85．68”，Z方向坐标显示“－201．56”。

现在计算工件零点“O”坐标，设对刀杆球直径Sφ18mm，可得：

X＝－189．36＋（－9）＝－198．36

Y＝－85．68＋9＝－76．68

Z＝－201．56（用实际切削刀具对刀，不需要加减）

注意：如果工件精度高，塞尺的厚度也要算上。

把以上X、Y、Z计算结果存入编程时选择的零点指令里（G　54～G　59）即可，找正零点工作结束（见图1．6）。

图1．6　铣床、铣加工中心对刀示意图

SIEMENS系统在机床操作面板上设有和键，事先将刀具半径存入刀具参数表中，按“计算键”，系统会自动计算出零点坐标（详见该系统说明）。

有关找正工作详见第1．4．11节。

1．4　数控加工工艺

在数控机床上加工零件，无论是手工编程还是自动编程，首先遇到的问题就是工艺处理。数控机床用的零件程序通常要比普通机床用的零件工艺规程复杂得多。普通机床用的工艺规程实际上只是一个工艺过程卡，机床上用的刀具、切削用量、走刀路线、工序内的工步往往都由操作工人自行选定。在数控机床上，这些内容都要变成固定的程序，即使是操作者灵活掌握的东西，也要事先选定和安排好，写在程序里。零件程序要包括机床的切削运动过程、刀具的选择、走刀路线的确定、切削用量的选择等等。这就要求编程员有很高的素质，要熟悉机床性能、特点、切削规范和刀具系统，加工程序不能出错，否则会出事故。

1．4．1　零件图的工艺分析

在制定工件的加工工艺规程之前，首先要对零件图进行工艺分析。这项工作是很有必要的，它直接影响零件加工的合理性和经济性。我们首先要分析图样上的各项技术要求是否合理，零件是否具有良好的结构工艺性。结构工艺性良好是指在具体的生产条件下，零件的结构能在保证质量的前提下，以较高的生产率和较低的成本方便地制造出来。

通过分析零件和技术要求，了解被加工零件表面的尺寸精度和几何形状精度。各被加工表面之间的相互位置精度、表面粗糙度、表面质量、热处理要求等。通过分析、了解这些技术要求的作用，从中找出主要技术要求及在工艺上难以达到的技术要求，对制定工艺方案起决定作用。

零件的结构尺寸大小各不相同，但都是由平面、圆柱面、圆锥面、球面等基本表面和螺旋面、渐开浅面等特殊成型表面构成的。这些基本表面和特殊成型表面的不同组合形成了各自的零件结构特点。按照零件的结构特点和工艺过程的相似性可将工件分成轴类零件、套筒类零件、盘类零件、叉杆类零件和箱体类零件。对于轴类零件、套筒类零件以及圆盘类零件多用车削的加工方法；对于叉杆类零件和箱体类零件多用铣削、镗削的方法。

1．4．2　定位基准的选择

正确地选择定位基准对确保加工精度，提高生产率有至关重要的影响。

（1）基准　基准是用来确定零件上几何要素之间关系所依据的那些点、线、面。需要指出的是作为定位基准的点、线、面，不一定就是位于工件表面上的点、线、面。它们有的在工件体内，有的在工件体外。如孔或轴的中心线，键槽侧面的对称中心平面等，它们的存在要通过有关表面来体现，如圆柱面、球面等，这些面称为基面。

根据基准的作用不同，可分为设计基准和工艺基准两大类。

①设计基准　设计图样上采用的基准为设计基准。它是根据零件的工作条件和性能而确定的，零件的尺寸及相互位置要求，也是以设计基准为依据进行标注的。如图1．7所示，端面A是端面B、C的设计基准，外圆D是孔E的设计基准。

图1．7　设计基准

②工艺基准　在工艺过程中采用的基准，包括定位基准、工序基准、测量基准。

定位基准：在加工中用于定位的基准称为定位基准。

工序基准：在各工序中用来确定本工序加工表面的尺寸、形状、位置的基准，称为工序基准。

测量基准：测量时所采用的基准，称为测量基准。

另外，在装配过程中用来确定零件或部件在产品中的相对位置所采用的基准称为装配基准。

以上各类基准有时是重合的，有时是不重合的，有时是相互的。如图1．8所示，主轴孔的设计基准是底面2，而加工时的定位基准是顶面1。

图1．8　设计基准与定位基准不重合

（2）定位基准的选择　在最初的加工中，只能用毛坯上未经加工的表面作为定位基准，称为粗基准；在以后各序中采用已加工过的表面作为定位基准，称为精基准。一般情况下为使定位准确、稳定可靠，应考虑把最大尺寸的表面作为主要定位表面，选择距离最长的表面作为导向面。选择定位基准时应首先考虑保证位置精度，然后再考虑尺寸精度，还要考虑便于装卸、便于夹紧。除此之外，粗基准和精基准的选择还有各自的原则。

①粗基准选择原则

a．如果必须首先保证工件上加工表面与不加工表面之间的位置要求，则应以不加工表面作为粗基准。

b．如果必须保证工件某一重要表面的余量均匀，则应选择该表面作为粗基准。对于所有表面都要加工的零件应选择余量最小的表面作为粗基准，以免加工余量不足而造成废品。

c．粗基准一般不允许重复使用，在同一尺寸、方向上通常只使用一次。选为基准的表面应平整光洁，不能有飞边、浇口、冒口或其他缺陷，以保证定位准确、夹紧可靠。

②精基准选择原则

a．基准重合原则　应尽量选用设计基准作为定位基准，以免由于基准不重合而产生定位误差。然而在实际生产中经常遇到基准不重合的情况，这是由于用设计基准定位有困难或使夹具结构变得复杂等，而不得不采用与之不同的基准来定位。

b．基准统一原则　各工序尽可能用统一的定位基准来加工工件上的各表面，这样可较好地保证各加工表面之间的位置精度。此外，采用统一的基准可以在各道工序中使用构造相同或相似的夹具，从而节约工装的设计与制造费用。例如加工轴类零件，采用顶尖孔做统一基准加工各外圆表面，可保证各表面有很高的同轴度。

c．自为基准原则　当某些精加工工序要求加工余量小而均匀时，常以加工面本身作为定位基准。如磨削机床床身导轨，就以导轨面本身为基准找正，之后再加工。

d．互为基准原则　为使加工面之间有较高的位置精度，有时可采用互为基准反复加工的方法。如车床主轴轴颈与主轴锥孔之间，齿轮孔与齿面之间，可以互为基准反复加工，能够达到很高的精度。

所选择的精基准应保证定位准确，夹紧可靠，夹具结构简单，操作方便。

在上述基准选择原则中，常常不能一一满足，有时甚至是相互矛盾的，这就要求综合考虑，分清主次。

1．4．3　加工方法的选择及工艺路线拟定

（1）选择加工方法　主要考虑下列因素：

①要考虑经济加工精度　应选择其经济精度就能满足要求的加工方法。任何一种加工方法，其所能达到的加工精度和表面粗糙度都有一个相当大的范围，只有在某一个较窄的范围内才是经济的，这个范围就是经济精度。如公差IT7级、Ra0．4μm的外圆柱表面，通过精细车削是可以达到的，但既费工又费时，不如采用磨削的方法来得经济。

②要考虑工件材料的性质　如加工淬火钢宜采用磨削，而有色金属由于磨削困难，宜采用金刚铣或精细车等方法。

③要考虑工件结构和尺寸大小　如箱体上的孔宜采用镗或铰，不宜采用拉或磨。大孔径宜选用镗，小孔径宜选用铰。

一般零件的加工内容和方法：

在每一种零件上都有相似的内容，如：平面、曲面、孔、螺纹等，零件由这些内容组合而成。曲面内容可以用计算机辅助完成编程，平面内容可以用手工编程完成。

掌握平面类零件的加工方法是数控加工的基础。平面类零件一般包括孔、内螺纹、内外轮廓、型腔、平面、槽等加工内容，每一个加工内容都有相应的加工方法。

常见的平面类零件加工内容和加工方法见表1．1～表1．4。

表1．1　孔　类

续表1．1

表1．2　轮廓类

表1．3　型腔类

表1．4　槽　类

此外，还要考虑生产率和经济性及现有设备情况和技术条件等。各类表面的加工方案与其经济精度见表1．5～表1．6。

表1．5　外圆表面的加工路线及其经济精度和表面粗糙度

表1．6　内孔表面的加工路线及其经济精度和表面粗糙度

（2）加工顺序安排　主要考虑下列因素：

①先粗后精　当零件加工精度要求较高时，都要经过粗加工、半精加工、精加工，如果精度要求更高，还包括光整加工几个阶段。各阶段目的各不相同：粗加工阶段的主要目的是切去大部分加工余量，为后续工序提供精基准。这个阶段的主要问题是提高生产率。这个阶段中产生的切削力和切削热都较大，功率消耗多，夹紧力也大，因而受力、受热变形大，残余应力也大；半精加工阶段的主要目的是消除粗加工的误差，为精加工做好准备，留有一定的精加工余量，并完成一些次要表面的加工；精加工阶段的主要目的是保证各主要表面的加工精度和表面质量达到图样规定要求；光整加工阶段的主要目的是对于那些加工精度要求IT5级以上，表面粗糙度要求Ra0．2μm以下的零件，进一步提高尺寸精度、形状精度和减小表面粗糙度值，但一般不能纠正位置度误差。

②先基面后其他　选作精基准的表面应先加工，以便为后续工序提供精基准。

③先面后孔　对于箱体、支架等零件，平面尺寸轮廓较大，用于定位比较稳定，而孔的深度尺寸又是以平面为基准，故应先加工平面，然后加工孔。

④先主后次　即先加工主要表面，然后加工次要表面。

（3）工序的集中与分散　工序分散，就是将各表面加工工序分得很细，工序多而每道工序内容少，其特点是：

①机床、刀具、夹具结构简单，调整方便。

②有利于选用合理的切削用量。

③改变生产对象容易，生产适应性好。

④机床设备数量多，生产面积大，工艺路线长。

工序集中，就是零件各表面的加工集中在少数几个工序中，因而工序数量少而每道工序内容多，其特点是：

①有利于采用高效专用机床和工艺装备。

②工艺过程短，简化生产计划和组织工作。

③设备数量少，生产面积小，操作工人少。

④减少装夹次数，缩短辅助时间，有利于各加工表面之间的相互位置精度。

究竟采用工序集中还是工序分散，应根据生产纲领、零件的技术要求、产品特点以及生产条件来综合考虑。通常对于单件小批量生产采用工序集中；大批大量生产采用工序分散。随着数控机床及加工中心的普及与发展，特别是柔性制造单元和柔性制造系统的应用，即使是生产批量较大也采用工序集中，以便充分发挥现代化设备的巨大作用。

1．4．4　加工余量和工序尺寸的确定

1）加工余量

加工余量是指加工过程中，加工表面切去的金属层厚度。毛坯尺寸与零件图尺寸之差为总余量，相邻两工序的工序尺寸之差为工序余量。某一表面的总余量等于各工序余量之和。

任何加工方法都不可避免地产生加工误差，故实际切除的余量也大小不一。因此，加工余量又有名义余量（公称余量）、最大余量和最小余量。平面的余量是单边的，切削深度即是余量大小。回转表面的余量是双边的，切削深度是余量的一半。

正确规定加工余量的大小，是编制工艺规程的任务之一。余量过大，浪费材料、工时、人力、物力、财力；余量过小，不能切除缺陷层，不能纠正误差。

各工序加工余量的确定有以下几种方法：

（1）计算法　按理论公式计算，比较经济合理，但计算过程复杂而且资料要全。

（2）经验估计　凭经验确定，一般都偏大。

（3）查表　根据有关工艺手册，结合具体情况加以修正。

2）工序尺寸的确定

工序尺寸是指某道工序加工应达到的尺寸。工序尺寸的公差是确定工序后用加工方法的经济加工精度来决定的。零件的设计尺寸及公差，是经过粗加工、半精加工、精加工等多个工序加工最终得到的。因此，每个工序的加工尺寸是不同的，是逐步向设计尺寸靠近的。

确定工序尺寸及其公差，按基准的重合与否，计算方法有所不同。

基准重合时，工序尺寸及公差的确定比较简单，常见的有外圆、内孔及平面的加工。当我们根据零件图制定好加工工艺路线，就可按下列步骤求出各道工序的工序尺寸：

（1）确定各道工序的加工余量　根据各道工序加工性质，查表求得加工余量。

（2）计算各道工序名义尺寸　从零件设计尺寸开始，由最后一道工序向前推算至毛坯尺寸。

（3）确定各道工序公差及表面粗糙度　从有关手册查得经济精度及表面粗糙度。

（4）确定工序尺寸及公差　按入体原则，确定各道工序的上下偏差。对于毛坯尺寸，取双向偏差。

1．4．5　数控加工刀具

由于被加工工件的形状、尺寸及技术要求不同，使用的金属切削机床和加工方法不同，金属切削刀具品目繁多，形状各异。为便于刀具的使用，现将数控机床使用的刀具进行分类，大致有以下几种类型：

（1）切刀　切刀是金属切削刀具中应用最广泛的刀具之一。切刀的特点是结构简单，属单刃刀具。切刀包括车刀、镗刀、成型车刀等，其中车刀最具有代表性。

（2）孔加工刀具　孔加工刀具亦是应用很广泛的刀具之一。孔加工刀具可分为两大类：从实体材料上加工出孔的刀具，如中心钻、麻花钻和深孔钻等；对工件上已有孔进行加工的刀具，如扩孔钻、锪钻、镗刀等。

（3）铣刀　铣刀应用也十分广泛，铣刀可用于加工各种平面、台肩、沟槽、切断、成型表面及回转体表面。

铣刀属多刃刀具，它同时参加切削的刀刃总长度较长，生产效率较高。

一）车刀及切削部分的几何角度

车床上使用的刀具称为车刀。车刀的类型很多，按被加工表面的特征来分有外圆车刀、割槽刀、内孔镗刀、螺纹车刀等，如图1．9所示。

图1．9　车刀的类型

1—左偏刀；2—割槽刀；3—割内槽刀；4—内螺纹刀；5—镗孔刀；6—弯头外圆车刀；7—外圆车刀；8—右偏刀；9—螺纹车刀；10—成型刀

车刀从结构上来分类，有整体式、焊接式、机夹式和可转位式等四种类型，如图1．10所示。整体式车刀一般由高速钢制成，刃口可磨得比较锋利，但切削速度不能太高，一般用于加工有色金属或小零件。焊接式车刀是在普通材料的刀体上焊接硬质合金刀片而构成的，在生产中应用十分广泛。但因焊接时容易产生应力和裂纹，同时刀杆的利用率也低，因此使用不太方便。机夹式车刀和可转位式车刀则避免了焊接车刀的缺点，机夹式车刀的刀片可以集中刃磨。可转位式车刀刀片不需刃磨，刀片用钝后可以快速转位继续使用，故生产率高，是车刀发展的重要方向，目前，数控车床大多使用可转位式车刀，在生产中正得到越来越广泛的应用。

图1．10　车刀的结构型式

（a）整体式；（b）焊接式；（c）机夹式；（d）可转位式

1）车刀的组成

金属切削刀具的种类很多，形状和结构较复杂，且各不相同。但各种复杂刀具或多齿刀具，就其中一个齿来说，它的几何形状都相当于一把车刀的刀头。现以车刀为例介绍刀具几何角度的定义，这些定义也适用于其他刀具。

如图1．11所示，车刀由刀头和刀杆组成。刀头用来切削，又称为切削部分。刀杆用来将车刀夹固在车床刀架上。车刀切削部分一般由三个表面、两个刀刃和一个刀尖组成。

（1）三个表面

①前刀面　刀头上控制切屑沿着它排出的刀面，即与切屑相接触的刀面。

②主后刀面　刀头上与加工表面相对着的表面。

③副后刀面　刀头上与已加工表面相对着的表面。

（2）两个刀刃

①主切削刃　前刀面和主后刀面的交线，它承担着主要切削工作。

②副切削刃　前刀面和副后刀面的交线。通常靠近刀尖处的副切削刃起微量切削作用，在大进给切削时，副切削刃也起主要切削作用。

（3）刀尖

刀尖是主、副切削刃的交点。通常刀尖用短直线或圆弧取代它，以提高刀具的使用寿命。

不同类型的刀具，其刀面、切削刃的数量不完全相同。例如切断车刀就有两个副切削刃和两个刀尖。

2）参考坐标平面

刀具几何角度是确定刀面和切削刃相对空间位置的重要参数，它的大小对刀具切削性能有直接的影响。为了正确表示刀具几何角度，首先必须选择参考坐标平面它是设计计算、绘图标注、刃磨测量刀具几何角度时的基准。最基本的参考坐标系为主剖面坐标系，它由基面、切削平面和主剖面组成。

（1）基面

基面是通过切削刃上选定点而又垂直于该点相对运动速度的平面。若不考虑进给运动的影响，相对运动速度就是切削速度。所以基面是过切削刃上选定点，并垂直于该点切削速度的平面。如图1．12所示，基面平行于车刀底面，它是制造、刃磨和测量车刀的基准面。

图1．11　车刀的组成

1—刀尖；2—副后刀面；3—副切削刃；
4—前刀面；5—主切削刃；6—主后刀面

图1．12　车刀的基面与切削平面

（2）切削平面

切削平面是过切削刃上选定点并与工件上加工表面相切的平面，即与切削刃相切并包含相对运动速度的平面。若不考虑进给运动的影响，相对运动速度的方向就是切削速度的方向。切削平面垂直于基面，如图1．12所示。

（3）主剖面

主剖面是过切削刃上选定点并垂直于主切削刃在基面上的投影的平面，如图1．13所示。图中AB为主切削刃，A′B′为主切削刃在基面上的投影，垂直于A′B′的平面即为主剖面。

基面、切削平面和主剖面相互垂直正交，构成一个空间直角坐标系，称为主剖面坐标系，如图1．14所示。通常刀具的几何角度在主剖面坐标系内标注和度量。

图1．13　车刀的主剖面

1—切削平面；2—主剖面与切削平面的交线；3—主剖面与前刀面的交线；4—主剖面；5—主剖面与车刀底面的交线；6—主剖面与主后刀面的交线；7—车刀底面

图1．14　车刀的主剖面坐标系

1—基面；2—切削平面；3—主剖面

对于副切削刃上的选定点同样可以建立类似的坐标系。

3）刀具几何角度的基本定义

在刀具图纸上标注的角度称为标注角度，也就是制造、刃磨时控制的角度。刀具标注角度是在上述主剖面坐标系内度量的，如图1．15所示。

图1．15　车刀的标注角度

（1）在主剖面内度量的角度

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。

βo＝90°－（γo＋αo）

（2）在基面内测量的角度

①主偏角κr　主切削刃与进给方向之间的夹角。

②副偏角　副切削刃与进给反方向之间的夹角。

③刀尖角εr　主切削刃与副切削刃之间的夹角。

（3）在切削平面内测量的角度

刃倾角λs0主切削刃与基面之间的夹角。

（4）在副剖面内测量的角度

过副切削刃上选定点并垂直于副切削刃在基面上投影的平面称为副剖面。在副剖面内副后刀面与副切削平面之间的夹角称为副后角。

前角、后角、刃倾角均可为正值、负值或零。在主剖面中，前刀面与基面平行时前角为零，前刀面与切削平面间夹角小于90°时前角为正，大于90°时前角为负。后刀面与前刀面在切削平面同一侧时，后角为正，反之为负。图1．16为车刀刃倾角的三种不同情况。观察刀尖和切削刃上任意一点到车刀底面的距离，切削刃与底面平行时刃倾角为零度，若刀尖处于最高点，刃倾角为正，刀尖处于最低点时，刃倾角为负值。

图1．16　车刀的刃倾角

车刀有主、副两个切削刃。每个切削刃可建立一个坐标系。而在每一个坐标系的三个坐标平面上，都可以测量出三个基本角度：前角、后角和刃倾角，再加上主、副偏角，这样车刀一共就有八个基本角度，但因主副切削刃共处在一个前刀面上，当前角γo和刃倾角λ确定后，前刀面的方位即已确定，副前角和副刃倾角可以通过换算求得，称为派生角度。此外派生角度尚有εrβo。所以车刀的独立角度为六个：前角γo、后角αo、刃倾角λs、主偏角κr、副偏角和副后角。这些角度对切削过程影响很大，必须根据具体情况选择合理的数值，并标注在刀具工作图上。

4）刀具的工作角度

刀具的工作角度是车刀在切削时实际的切削角度。而车刀标注角度是车刀在前述静态坐标系中确定的几何角度，即在下列假定条件下建立的标注角度坐标系中确定的几何角度。

（1）假定进给运动等于零；

（2）车刀刀尖和工件中心等高，并且刃倾角等于零；

（3）刀杆中心线垂直于进给方向。

在实际切削过程中，刀具安装位置和进给运动均会导致实际切削角度与标注角度不相同。在某些情况下，两者甚至相差较大，其影响不可忽视。设计刀具时，一般先考虑工作角度有一合理数值，然后推算出刀具的标注角度。

①刀尖安装高低对刀具工作角度的影响

图1．17是切断刀的三种安装情祝。当刀尖对准工件中心安装时，切削平面与车刀底面相垂直，而基面与车刀底面相平行。若刀尖安装得高于或低于工件中心，则切削平面与基面发生倾斜，从而引起切削角角发生变化。当刀尖安装得高于工件中心时，前角γo增大，后角αo减小。与此相反，如果刀尖安装得低于工件中心，则前角γo减小，后角αo增大。工作角度与标注角度的关系如下：

γoe＝γo±τ

αoe＝αo±τ

图1．17　车刀刀尖安装高低对工作角度的影响

（a）刀尖对准中心；（b）刀尖高于中心；（c）刀尖低于中心

式中　γoe——刀具工作前角；

　αoe——刀具工作后角；

　τ——刀具角度变化值。

由图1．17可得：

式中　h——车刀刀尖高于或低于工件中心的距离；

　dw——被加工工件直径。

对于外圆车刀来说，当刀尖不对准工件中心安装时，工作角度也发生类似的变化。而镗孔时刀尖安装位置对工作角度的影响则与外圆车削相反。

②进给运动对工作角度的影响

图1．18为车削外圆时的情况。车削时，除工件旋转外，车刀尚需作纵向进给运动，这时所形成的加工表面实际为阿基米德螺旋面。过刀刃上某点相对速度的方向是ve而不是切削速度方向v，此时基面不通过工件中心而垂直于ve，方向为aa，切削平面也由原来的垂直方向转到ve方向。车刀的工作后角减小，工作前角增大。其工作角度与标注角度的关系如下：

αoe＝αo－μ

γoe＝γo＋μ

式中　αoe——车刀工作后角；

　γoe——车刀工作前角；

　μ——刀具角度的变化值。

由图1．18可得：

式中　vf——车刀进给速度，〔vf〕为mm／min；

　v——切削速度，〔v〕为m／min；

　f——进给量，〔f〕为mm／r；

　d——工件直径，〔d〕为mm。

图1．18　进给运动对车刀工作角度的影响

一般车削时，进给量f较小，由进给运动而引起的刀具角度变化值不超过30′～1°，故可忽略不计。但当车削大螺距螺纹时，μ值较大，应充分考虑它的影响。

5）切削层参数

工件上正在被切削刃切削着的一层金属称为切削层。车削外圆时，切削层是工件转一转主切削刃相邻两个位置间的一层金属。切削层被基面剖得的形状和尺寸见图1．19。切削层尺寸称为切削层参数。

图1．19　切削层参数

（1）切削厚度αc

切削厚度αc是用垂直于主切削刃在基面上的投影来度量的切削层的尺寸。由图1．19可知：

αc＝fsinκr

用曲线切削刃进行切削时，曲线切削刃上各点的主偏角不相等，所以切削刃上各点的切削厚度是变化的，如图1．20所示。愈造近刀尖，切削厚度愈小。

（2）切削宽度αw

切削宽度αw是沿着主切削刃在基面上的投影来度量的切削层尺寸。它表示主切削刃参加工作的长度。由图1．19可知：

（3）切削层面积Ao

切削层面积Ac是切削层在基面上投影的面积。由图1．19可知：

Ac＝acαw＝αpf

图1．20　曲线形切削刃的切削厚度和切削宽度

由上述分析可知，当切削深度和进给量一定时，切削厚度与切削宽度随主偏角的大小而变化。但切削面积仅与切削深度和进给量有关。用不同主偏角的车刀进行车削时，它的切削层横截面形状不同，但其切削面积不变。如图1．21所示，主偏角增大，切削厚度增大，而切削宽度减少。利用切削厚度和切削宽度能精确地阐明切削过程的物理本质，所以它们也称为切削过程的物理切削要素。

图1．21　主偏角对切削层尺寸的影响

（a）主偏角较小；（b）主偏角较大；（c）主偏角为90°

二）铣刀

铣刀是一种多齿刀具，图1．22是常用的各种铣刀的外形图。与车刀等单刀相比，铣刀的切削具有许多特点。因为铣削时由许多刀齿共同承担切削任务，每一个刀齿周期性地间歇参加工作，因而刀齿散热条件好，可以进行高速切削，所以铣削生产率高。但是铣刀同时参加铣削的刀齿数目是变化的，每一个刀齿周期性地切入和切出工件，这就使得切削力的大小和方向发生变化，所以铣削过程又是不平稳的，常常容易引起振动，影响铣刀的使用寿命并使加工表面质量下降。在生产中必须引起足够的重视。

铣削时主轴带动铣刀旋转作为主切削运动，工作台带动工件做直线进给运动，根据铣刀和工件的相对运动方向，铣削可分为顺铣和逆铣两种方式。当铣刀切削点的速度方向和工件的进给方向相同时称为顺铣，铣刀切削点的速度方向和工件的进给方向相反时称为逆铣，如图1．23所示。

逆铣时，切削厚度从零逐渐增大，由于铣刀刃口不可能绝对锋利，开始切削时刀齿在加工表面上打滑、挤压，产生严重的冷硬层，使刀齿容易磨损，同时恶化了表面质量。而顺铣时，刀齿从最大切削厚度开始切削，避免了上述打滑现象，因而能获得较好的表面质量。当工件表面无硬皮时，也提高了铣刀的使用寿命。但是带动铣床工作台纵向进给的丝杠和螺母传动副中存在着间隙，当螺母不动，丝杠转动并带动工作台前进时，间隙出现在与纵向进给方向相同的一侧。当作用在工件上的纵向切削分力Fe超过了工作台与滑座间的摩擦力时，工作台和丝杠即向前窜动，直至间隙出现在丝杠和螺母传动副的另一侧面之间。这就使工作台进给不均匀，并容易引起振动。逆铣时，作用在工件上的纵向切削分力Fe与进给方向相反，丝杠和螺母传动副之间的间隙始终出现在与纵向进给方向相反的一侧，切削比较平稳。

图1．22　铣刀的类型

由上述分析可知，若机床传动丝杠中有消除间隙的机构，工件表面又无硬皮时，应优先采用顺铣的方式，否则应采用逆铣的加工方式。

图1．23　顺铣和逆铣

1．4．6　金属切削运动及过程

一）切削时的运动和产生的表面

1）切削时的运动

金属切削加工是用金属切削刀具从工件毛坯上切去多余的金属层，从而获得合乎设计要求的工件的加工方法。在进行切削加工时，刀具与被加工工件之间必须具有一定的相对运动，它是由金属切削机床来实现的。切削运动一般可分为主运动和进给运动两大类。

（1）主运动

主运动是切削金属形成加工表面所必须的运动，车削加工时即为工件的旋转运动。它是速度最高、消耗功率最多的切削运动。主运动的线速度称为切削速度，用字母v来表示。车削时的切削速度为：

式中　v——切削速度，〔v〕为m／min；

　d——工件车削加工处的最大直径，〔d〕为mm；

　n——工件每分钟的转数，〔n〕为r／min。

（2）进给运动

进给运动是使新的金属层不断投入切削的运动。通常用进给量f表示其大小。车削时进给量是工件每转一转车刀沿进给运动方向相对于工件移动的距离。单位为mm／r。显然，进给速度vf可按下式计算：

vf＝fn

式中　vf——进给速度，〔vf〕为mm／min；

　f——进给量，〔f〕为mm／r；

　n——工件的转速，〔n〕为r／min。

当主运动和进给运动同时进行时，刀具切削刃上某一点相对工件的运动称为合成切削运动。其大小和方向用合成速度向量ve表示。它等于主运动速度（即切削速度v）和进给运动速度（即vf）的向量和。

2）产生的表面

切削时，刀具沿着进给方向运动，工件上的多余金属层不断地被切去成为切屑，加工出所需要的表面来。此时工件上有三个不断变化着的表面：

（1）待加工表面

工件上即将切去切屑的表面；

（2）已加工表面

工件上已经切去切屑的表面；

（3）加工表面

工件上切削刃正在切削着的表面。

图1．24为几种常见的车削加工方式。由图可见，车削时的切削运动和上述三个表面的位置。

每次走刀的切入深度用切削深度ap来表示。它是工件上已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。单位为mm。车削外圆时的切削深度为：

式中　ap——切削深度，〔ap〕为mm；

　dw——工件待加工表面的直径，〔dw〕为mm；

　dm——工件已加工表面的直径，〔dm〕为mm。

切断或切槽时的切削深度ap等于刀宽。

在生产实践中，通常把切削深度、进给量和切削速度称为切削用量三要素。它对加工过程的生产率、加工成本和加工精度影响很大。在加工工件之前，必须预先正确地选择好切削用量。

二）金属切削过程

切削时刀具挤压切削层，使之与工件分离变成切屑，获得所需要的表面，这个过程称为切削过程。

在切削过程中会出现许多现象，这些现象大多遵循一定的规律，如切削力、切削热的变化等。这些现象和规律直接影响着刀具的寿命、加工质量、切削效率以及切削加工的经济性，是进一步研究工件质量、生产率和加工成本的依据。

图1．24　车削加工

1—待加工表面　2—加工表面　3—已加工表面

1）切屑的形成过程和切屑的种类

图1．25所示为低速切削钢的情况。当刀具与工件开始接触的最初瞬间，工件内部产生弹性变形。随着切削运动的继续，刀刃对工件材料挤压作用加强，使金属材料内部的应力和应变逐渐增大。当材料内部的应力达到屈服极限时，被切削的金属层开始沿着剪应力最大的方向滑移，产生塑性变形。图1．25中的OA就代表始滑移面。以图中P点为例，当移动到1的位置时，由于OA面上的剪应力达到材料屈服极限，则点1在向前移动的同时也沿OA移动，其合成运动将使点1流动到点2，2′2就是它的滑移量。之后同理继续滑移到3、4处。离开点4位置以后，其流动方向与前刀面平行而不再沿OM面滑移。因为随着滑移的产生，剪应力逐渐增加，此时剪应力达到材料的强度极限，被切削层沿切削刃与工件基体分离，从而形成切屑沿前刀面流出。OM代表终滑移面，始滑移面和终滑移面之间的变形区称为滑移变形区，又称为第一变形区，其宽度很窄，约为0．02～0．2mm。通常就用平面OM来表示这一变形区。

切削层的金属经过第一变形区后，切离工件基体形成切屑沿前刀面流出。当切屑沿前刀面流出时，受到前刀面挤压和摩擦。在前刀面摩擦阻力的作用下，靠近前刀面的切屑底层金属再次产生剪切变形。使切屑底层薄薄的一层金属流动滞缓。流动滞缓的一层金属称为滞流层，这一区域又称为第二变形区，如图1．26中Ⅱ所示。它的变形程度要比切屑上层大几倍至几十倍。

图1．25　切屑的形成过程

图1．26　切削过程的三个变形区

由上述可知，被切削层的金属是由于刀具的挤压而产生弹性变形和塑性变形，从而切离工件本体形成切屑的。当切屑的内应力小于材料的强度极限时，则切屑连绵不断，没有裂纹，靠近前刀面的一面很光滑，另一面成毛茸状，形成常见的带状切屑。如图1．27（a）所示。

图1．27　切屑的种类

若被切削的金属塑性较小，或被切削的金属塑性变形过大，以致使材料达到终剪切面OM之前，内应力已达到强度极限，则金属将沿某一破裂面而破裂。当塑性变形很充分，材料塑性全部耗尽时，则裂纹贯穿整个切屑厚度，形成单元切屑，如图1．27（c）所示。当材料塑性变形较大但不是很充分时，切屑只在上部被挤裂，而下部仍旧相连，形成挤裂切屑，如图1．27（b）所示。在切削灰铸铁等脆性金属时，由于材料的塑性很小，切削层在刀具作用下产生弹性变形，内应力很快达到强度极限，使切屑往往不产生塑性变形而瞬间发生崩裂，形成崩碎切屑。如图1．27（d）所示。

形成带状切屑时，切屑与前刀面的接触长度较大，切削力的作用中心离刃口较远图1．28。但切削过程比较平稳，工件加工表面粗糙度小，然而切屑太长，需要采取断屑措施。形成挤裂切屑时，切削力有波动，切削过程欠平稳，表面粗糙度也较大。形成单元切屑时切削力变化更大，切削时振动较大，工件表面粗糙度大。形成崩碎切屑时切削力的变化最大，有可能引起强烈振动。而且切削力的作用点十分靠近刃口，切削温度也以刃口附近最高，因而刃口易被磨损。切屑崩离时，它与工件分离的表面很不规则，所以表面粗糙度最大。

图1．28　形成不同切屑时切削力作用中心的变化

由于各种不同切屑对切削效率、刀具寿命和加工质量的影响不同，因此可以用改变切削条件的办法来控制切屑的形态，以控制切削过程。

2）积屑瘤

在低速切削塑性金属时，往往在前刀面上刃口处黏结着一小块金属，它能代替切削刃切削工件，这块黏结在前刀面上的金属叫做积屑瘤，如图1．29所示。

图1．29　积屑瘤

切削塑性金属时，切屑经过第二变形区，其底层因受前刀面的挤压和摩擦作用，减低了流动速度，这层流速较慢的金属称为滞流层。切屑上层金属与滞流层之间产生相对滑移，它们之间的滑移阻力称为内摩擦力。在切削时所产生的温度和压力作用下，当刀具前刀面与切屑底部滞流层间的摩擦力大于内摩擦力时，滞流层的金属与切屑分离而黏结在前刀面上。随后形成的切屑，其底层则沿着这被黏结的一层相对流动，以致切屑的底部又产生新的滞流层。当它们之间的摩擦阻力大于上层金属的内摩擦力时，新的滞流层又产生黏结，这样一层一层地黏结，从而逐渐形成一个楔块，这就是积屑瘤。积屑瘤能保护切削刃，减少前后刀面的磨损，并使前角增大。但是积屑瘤的顶端从刀尖伸向工件内层，使实际切削深度和切削厚度发生变化，将影响工件的尺寸精度。积屑瘤极不稳定，时有时无、时大时小，使已加工表面粗糙度变大，并易引起振动。

影响积屑瘤的主要因素是工件材料、切削速度、进给量、前角和冷却润滑液等。

切削速度对积屑瘤的影响如图1．30所示。在中等切削速度时积屑瘤最大，因为此时切削温度约为300℃左右，外摩擦系数最大，滞流层的金属与切屑分离而黏结在前刀面上的可能性也最大。高速或低速时，会使切削温度高于或低于300℃，外摩擦系数降低，从而使积屑瘤减少。由此可知，提高或降低切削速度是减小积屑瘤的措施之一。

图1．30　切削速度对积屑瘤的影响

此外，增大前角γ0、减小进给量f、减小前刀面的粗糙度或合理地使用冷却润滑液，都可以减少积屑瘤。

3）已加工表面的变形

已加工的表面是经过多次复杂的变形而形成的。图1．26中的第Ⅲ变形区表示了工件加工表面与刀具后刀面接触处的第三变形区。切削时所使用的刀具无论磨得如何锋利，实际刃口总是近似于一段圆弧，如图1．31所示。其曲率半径rn的大小与刀具材料、刃磨情况和磨损程度有关。新刃磨的刀具rn约在10～20μm之间，由于这段刃口圆弧的影响，使O点以下厚度为Δac的一层金属无法切下，而是被刃口挤压在工件表面上，使这层金属产生很大的弹性变形，而刀刃挤过后，已加工表面又产生弹性恢复，Δh就表示弹性恢复的高度。它使后刀面与加工表面在一段长度上接触，摩擦加剧，已加工表面的变形严重。

上述变形结果使已加工表面的硬度增加，称为加工硬化。硬化层的硬度可达原工件硬度的1．2～2倍，深度可达0．01～0．05mm。切削加工所造成的已加工表面硬化层常常伴随着表面裂缝，使材料的疲劳强度下降，并且使下道工序的刀具易被磨损。因此切削加工时应设法避免或减轻加工硬化现象。

图1．31　车刀刃口圆弧

上述第一变形区是主要变形区，金属切削时的大部分能量消耗在这一区域。切屑和前刀面接触摩擦的第二变形区主要影响摩擦力的大小和由摩擦而产生的切削热，从而进一步影响刀具的磨损。第三变形区主要影响已加工表面的质量。

三）已加工表面粗糙度

已加工表面粗糙度是已加工表面质量的主要标志之一。它对机器的使用性能和寿命有直接的影响。本节主要介绍造成表面粗糙的原因及其影响因素。

1）造成已加工表面粗糙的原因

（1）残留面积

车削外圆时，工件每转一转，车刀沿着进给方向移动f。由图1．32可知，切削面积中△abc未被切去，残留在工作已加工表面上，造成表面粗糙。通常将△abc的面积称为残留面积，其高度H直接影响表面粗糙度的大小。由图1．32（a）可知，当刀尖圆弧半径rε＝0时，

图1．32　已加工表面上的残留面积

因此

当刀尖圆弧半径rε＞0时，

整理化简上式，略去H2项，可得：

减小进给量f，减小主偏角κr和副偏角κ′r，增大刀尖圆弧半径rε都可使残留面积高度H减小，从而减小表面粗糙度。

（2）鳞刺

鳞刺是已加工表面上的鳞片状毛刺，如图1．33所示。实验证明，在低速切削塑性金属时常出现鳞刺，出现鳞刺后，将使工件表面粗糙度显著增加。

图1．33　鳞刺

（3）积屑瘤

车削过程中出现积屑瘤时，由于积屑瘤轮廓非常不规则，沿切削刃积屑瘤的伸出量又不一致，在加工表面上切出一道道平行的、深浅和宽窄不同的犁沟，使加工表面粗糙度恶化。此外积屑瘤脱落时，部分积屑瘤碎片黏结在已加工表面上，形成突出的毛刺，这些毛刺被刀具挤平后又形成光亮的硬点。

（4）振动波纹

由于振动造成刀具和工件之间产生一附加相对位移，产生振动时，会使加工表面上出现周期性纵横向波纹，增加了表面粗糙度。产生振动的主要原因往往是机床、工件、刀具系统的刚性不足，尤其是当径向切削分力Fy较大时，情况更为严重。

造成表面粗糙的原因除上述几个方面以外，还有其他一些原因，例如由于刀刃不平整而复映在已加工表面上因而造成沟痕、后刀面和已加工表面之间摩擦、切屑拉毛工件等。

2）影响表面粗糙度的因素

凡是影响残留面积、积屑瘤、鳞刺、振动等的因素都会影响表面粗糙度。

（1）工件材料

加工塑性材料时，工件材料的塑性越低，硬度越高，则积屑瘤、鳞刺等现象越少，表面粗糙度越小。因此高碳钢、中碳钢、调质钢加工后表面粗糙度较小。加工铸铁时易形成崩碎切屑，在同样条件下铸铁被切削后的表面粗糙度略高于中碳钢零件。

（2）切削用量

在切削用量中，切削速度和进给量对表面粗糙度影响较大，切削深度对表面粗糙度没有显著的影响。(https://www.xing528.com)

①切削速度v

切削速度是影响表面粗糙度的重要因素。在一定的条件下，采用中等切削速度加工45钢，由于积屑瘤的影响，表面粗糙度较大。若采用低速或高速来加工，可以避免积屑瘤和鳞刺的产生，而获得较为光洁的表面。所以表面精加工时通常总是采用高速或很低的切削速度。但必须注意切削速度太高时可能会引起振动。

②进给量f

降低进给量f，可以减小残留面积高度，降低加工表面的粗糙度。但进给量也不宜太小，以免切削厚度太小，刀具无法切下切屑，使刀具与加工表面之间产生严重挤压，从而加剧刀具磨损和加工表面的冷硬程度。

（3）刀具几何角度

①前角γc和后角αc

增大前角或后角，能使切削刃锋利，减小切削变形和前后刀面间的摩擦，抑制积屑瘤和鳞刺的产生。此外增大前角可减小径向切削分力Fy，能防止振动，减小表面粗糙度。后角不宜过大，以免引起振动。

②主偏角κr、副偏角κ′r和刀尖圆弧半径rε

减小主偏角κr和副偏角κ′r，增大刀尖圆弧半径rε，可使残留面积高度H降低，从而减小表面粗糙度。但当工艺系统刚性不足时容易引起振动，反而会恶化表面质量。

（4）切削液

在低速精加工时，合理地选择与使用切削液，可显著地减小表面粗糙度。因为切削液有冷却和润滑作用。加工中使用切削液可降低切削温度、减小摩擦、抑制或消除积屑瘤和鳞刺产生。此外切削液还能起冲洗与排屑的作用，可保证已加工表面不被切屑挤压刮伤。

生产中常用的切削液有水溶液、切削油和乳化液等。水溶液是以水为主要成分并加入防锈添加剂的切削液，它主要起冷却作用。切削油主要起润滑作用，常用的有N15、N32机油、轻柴油、煤油等，一般用于精加工时，可显著提高加工表面的光洁程度。乳化液是由水和油再加乳化剂均匀混合而成的切削液，各种浓度的乳化液广泛用于磨削和其他粗精切削加工中。详见切削液一节。

四）车刀几何参数的选择

车刀几何参数对切削变形、切削力、切削温度和刀具磨损均有显著的影响。从而影响切削效率、刀具寿命、表面质量和加工成本。因此必须重视刀具几何参数的合理选择，以充分发挥刀具的切削性能。本节主要介绍车刀各几何参数的功用及其选择原则。

1）前角的选择

前角对切削过程影响很大，其主要作用有以下几方面：

（1）影响切削变形和切削力的大小

增大前角，减少前刀面对金属切削层的挤压，使切削轻快，从而减小切削变形和切削力，降低了切削功率的消耗和切削热的产生。

（2）影响加工表面质量

增大前角，能减小切削变形、加工硬化程度及深度，可抑制或消除积屑瘤。并使径向切削分力显著下降，有利于消除振动，从而提高加工表面质量。

（3）影响刀具耐用度

前角太大，刀刃和刀头强度下降、散热条件差、刀具耐用度降低；剪角太小，切削力和切削温度增大，也将使刀具耐用度降低。因此在具体加工条件下，一定有一个使刀具耐用度最大的合理前角。

（4）影响切屑形态和断屑效果

前角越小，切屑变形越厉害，断屑比较容易。

通常主要根据刀具材料、工件材料以及具体加工情况来选择前角的大小。现分述如下：

①根据刀具材料来选择

高速钢刀具的抗弯强度和冲击韧性比硬质合金刀具要高得多，因此高速钢刀具可选择较大的前角，而硬质合金刀具应选择较小的前角。

②根据工件材料来选择

切削脆性材料时，切屑呈崩碎状，切削力带有冲击性，并集中在刃口附近处，为了防止崩刃，一般应选择较小的前角。但脆性材料的抗压强度较大，故也不宜选择负前角。切削塑性材料时，切屑呈带状，切削力的作用中心远离刀刃，为了减少切削变形、切削力和切削温度，一般可选择较大的前角。

工件材料的强度、硬度越低，塑性越大时，选用的前角越大；反之选用的前角越小。因为工件材料的强度小、硬度低时，产生的切削力小，切削热少，刀具磨损较慢，且不易崩刃，所以可采用较大的前角，以使切削轻快。工件材料强度大硬度高时，产生的切削力大、切削热多，刀头应有足够的强度和散热体积，以免崩刃和迅速磨损，因此应选择较小的前角。

用硬质合金刀具加工特硬材料时，为了保证刀具有足够的强度、防止崩刃应选择负前角。

加工不同材料时前角的数值可参考表1．7选择。

表1．7　车刀的前角数值

2）前刀面的形状及其选择

图1．34所示为常用车刀前刀面的形状。现分述如下：

图1．34　常用车工前刀面形状

（1）正前角平面形（图1．34（a））

正前角平面形具有形状简单、制造方便、切削刃口锋利等优点。精加工用的车刀、加工脆性材料用的车刀和形状复杂的车刀多采用这种形式的前刀面。

（2）正前角曲面带倒菱形（图1．34（b））

正前角曲面带倒菱形在前刀面上磨出或压制出卷屑槽，使切屑在沿着前刀面流出时再经受一次附加的卷曲变形而折断。并在刃口处作出负倒棱，以增加刀刃强度和改善散热条件，从而提高刀具耐用度。通常取倒棱宽度br（0．5～0．8）f，以保证切屑沿着前刀面流出，而不是沿着负倒棱流出。总之，正前角负倒菱形既保证刀具有正前角，又保证刃口有足够的强度。

（3）负前角形（图1．34（c）、（d））

负前角形可分为负前角单面形和负前角双面形。加工高强度、高硬度材料的硬质合金车刀多采用此种型式。单面形适用于后刀面上磨损的车刀，双面形适用于前、后刀面同时磨损的车刀。

3）后角的选择

后角的主要功用是减少后刀面与加工表面之间的摩擦。增大后角，可减少后刀面与加工表面之间的接触面积，减少摩擦，并使刃口锋利而减轻刃口对金属的挤压，有利于提高刀具耐用度和加工表面质量。但后角过大，刀刃强度和散热条件变差，反而会使刀具耐用度降低。因此，在一定的加工条件下，一般可以找到一个合理的后角数值。

后角的合理值主要根据切削厚度ac来选择。如图1．31所示，刀具刃口都存在着钝圆半径rn，使厚度为Δac的一层金属很难切下变成切屑。切削厚度ac越小，Δac／ac越大，被刃口挤压的金属层比例越大。若此时增大后角，可减小rn值，使刃口锋利，使于切下薄切屑，可提高刀具耐用度和加工表面质量。当切削厚度较大时，切削力较大，切削温度较高，为了保证刃口强度和提高刀具耐用度，应选择较小的后角。精加工时，进给量f较小，切削厚度ac也较小，应选用较大的后角。通常粗车时可取α0为4°～6°，精车时可取α0为8°～12°。副后角α′0一般取与后角α0相同的数值。切断刀因受刀头强度的限制，副后角α′0取得很小，一般为1°30′～2°。

4）主偏角和副偏角的选择

（1）主偏角的功用及其选择

①主偏角κr对刀具耐用度的影响

主偏角κr越小，刀刃参加切削的长度和刀尖角εr越大，作用在单位刀刃上的切削力减小，切削温度下降，刀尖的强度提高。因此，在不产生振动的前提下，选择的κr越小，刀具的耐用度越高。

②对各切削分力的影响

增大κr时，切深抗力Fy减小，进给抗力Fx增大。因此当工艺系统刚性较差时，应选用较大的主偏角κr，一般取κr＝75°～93°。强力切削时，为了减小主切削力Fz和切深抗力Fy，一般取κr＝75°。

③对断屑情况的影响

主偏角κr越大，切削宽度越小，切削厚度越大，越容易断屑。因此，当出现带状切屑时，可考虑增大κr来使切屑折断。

④工件表面形状对主偏角的影响

车削阶梯轴时，为了同时车出台肩端面，应取κr＝90°～93°。有时用一把车刀依次车削外圆、端面、内孔和倒角，此时应取κr＝45°。若镗削不通孔则应使κr＞90°。

（2）副偏角的功用及其选择

负偏角的主要功用是减少副刀刃与已加工表面间的摩擦。它的大小还直接影响表面粗糙度和刀具耐用度。一般取κr＝5°～15°。当工艺系统刚性差或需中间切入时，为了避免振动，可取。对于弯头车刀，为了适应刀头和刀片的外形，取。在某些情况下，为了保证刀具强度或重磨后尺寸精度，应选择较小的副偏角。如切断车刀便是一个例子。

5）刃倾角的功用与选择

刃倾角λs的主要功用有：

（1）影响切屑流出方向

如图1．35所示，当刃倾角λs为正值时，切屑流向待加工表面，因此精加工和半精加工选用正刃倾角。而λs为负值时，切屑将流向已加工表面，此时有可能擦伤已加工表面，故适用于粗加工。

图1．35　刃倾角λs对排屑方向的影响

（2）影响实际工作前角和刃口钝圆半径

实际工作前角和刃口钝圆半径是在切屑流出方向内测量的前角和钝圆半径。当λs的绝对值增加时，车刀的实际工作前角增大。刃口钝圆半径减小。

（3）影响刀刃受冲击的状况

图1．36所示为切削间断表面时的情况。当λs为负值时，刀刃切入工件，刀尖不首先接触工件，因而免受冲击，保护了刀尖。当λs为正值时，刀尖将受冲击，刀尖强度差时容易崩刃。

选择刃倾角时，主要考虑加工性质和刀刃受力情况。精加工时，为了使切屑不流向已加工表面，刃倾角取正值，一般λs＝0°～5°。粗加工时，为了增强刀刃强度，刃倾角取负值，一般λs＝0°～－5°，车削不连续表面或有冲击载荷时，可取λs＝－10°～－30°。采用大的负刃倾角时，最好同时选用正的前角r0，以免切深抗力Fy过大。

6）过渡刃的形状及其参数的选择

刀尖处强度低，散热差，因此最易磨损和崩刃。在主、副切削刃之间磨出过渡刃，可加强刀尖，改善散热条件，从而提高刀具耐用度。但它会使刀刃的偏角变小，从而引起切深抗力增加，极易引起振动，故过渡刃不宜过大。

过渡刃有两种形式，如图1．37所示。

图1．36　刃倾角对刀刃受冲击点位置的影响

图1．37　过渡刃

（1）圆弧过渡刃

圆弧过渡刃的参数为刀尖圆弧半径rε。当rε增大时，可减小加工表面粗糙度和提高刀具耐用度。但另一方面它会使切深抗力增加，极易引起振动，故re不宜过大。硬质合金车刀怕振动，rε更应当小一些。rε值推荐如下：

高速钢车刀　　rε＝0．5～5mm

硬质合金车刀　rε＝0．2～2mm

在上列数值中，当工艺系统刚性较好时，取大值；当工艺系统刚性不足时，取小值。

（2）直线形过渡刃

直线形过渡刃结构简单、易磨。一般粗加工或强力切削用的车刀、切断刀都采用直线形过渡刃。其特征参数为过渡刃的长度bκ和偏角κrε。通常取，bκ＝0．5～2mm。切断刀的过渡刃参数一般取κrε＝45°，bκ＝（0．2～0．5）aω。

五）刀具磨损和刀具耐用度

在切削过程中，刀具失去切削能力的现象称为钝化。钝化方式有磨损、崩刃和卷刃等。磨损是指在刀具与工件或切屑的接触面上，刀具材料的微粒被切屑或工件带走的现象。崩刃是指刀刃的脆性破裂。卷刃则是指刀刃受挤压后发生塑性变形而失去切削能力的现象。在刀具的正确设计、制造与使用的条件下，刀具磨损是钝化的主要表现形式。

1）刀具磨损方式

刀具磨损时按其发生的部位可分为：后刀面磨损、前刀面磨损和前、后刀面同时磨损，如图1．38所示。

（1）后刀面磨损

后刀面磨损是指刀具磨损发生在后刀面。这种磨损方式一般发生在切削脆性金属或以较小进给量切削塑性金属的条件下。此时前刀面上的机械摩擦较小，温度较低，所以后刀面上的磨损大于前刀面上的磨损。后刀面磨损后，形成后角为零的棱面，它的大小用符号VB来表示。

（2）前刀面磨损

前刀面磨损是指刀具磨损主要发生在前刀面。磨损后，在前刀面上出现月牙洼。月牙洼逐渐加深加宽，当接近刃口时，使刃口突然崩去。这种磨损方式一般发生在以较大进给量切削塑性金属时。切削过程中若有积屑瘤产生，这种磨损方式更易出现。因为积屑瘤能保护刃口，使后刀面离开加工表面而不受磨损。

图1．38　刀具磨损方式

（3）前后刀面同时磨损

前、后刀面同时磨损是指前刀面上的月牙洼和后刀面上的棱面同时发生。这种磨损发生的条件介于上述两种磨损之间。

在大多数情况下，后刀面都有磨损，它的大小VB对加工精度和表面粗糙度影响较大，而且测量也比较方便，故一般用后刀面上的磨损量VB来表示刀具磨损的程度。

2）刀具磨损的原因

切削过程伴随着高温和高压作用，所以形成刀具磨损的原因十分复杂，现将其主要原因分析如下：

（1）机械擦伤磨损

切削过程中工件或切屑上的硬质点，例如工件材料中的碳化物、剥落的积屑瘤碎片等将刀具表面上的微粒擦掉而造成磨损，称为机械擦伤磨损。

（2）黏结磨损

切削塑性材料时，在较大的正压力和较高的切削温度作用下，切屑与前刀面、工件与后刀面之间的冷却润滑液薄膜被挤破，使得两种材料紧密接触而发生黏结现象，如图1．39所示。在切削运动作用下，黏结处将被撕裂，刀具表面上局部强度较低的微粒被切屑或工件带走，从而使刀具磨损。

图1．39　黏结磨损

（3）相变磨损

工具钢材料都有一定的相变温度。当切削温度超过了相变温度时，刀具材料的金相组织发生转变，硬度显著下降，从而使刀具迅速磨损。

（4）扩散磨损

在高温高压作用下，两个紧密接触的表面之间金属元素将产生扩散。用硬质合金刀具切削时，硬质合金中的钨、钛、钴、碳等元素在高温下会扩散到切屑和工件材料中去。这样就改变了硬质合金表层的化学成分，使它的硬度和强度下降，加快了刀具磨损。

（5）氧化磨损

在高温下（700℃以上），空气中的氧与硬质合金中的钴和碳化钨发生氧化作用，产生组织疏松脆弱的氧化物，这些氧化物极易被切屑和工件带走，从而造成刀具磨损。

不同的刀具材料在不同的使用条件下造成磨损的主要原因是不同的。对工具钢来说，机械擦伤磨损和黏结磨损是使它产生正常磨损的主要原因。相变磨损是使它产生急剧磨损的主要原因。对硬质合金刀具来说，在中、低速时，机械擦伤磨损和黏结磨损是使它产生正常磨损的主要原因。在高速切削时刀具磨损主要由机械擦伤磨损、扩散磨损和氧化磨损所造成。而扩散磨损是使硬质合金刀具产生急剧磨损的主要原因。

3）刀具磨损过程和刀具的磨钝标准

刀具磨损过程可分为三个阶段，如图1．40所示。

图1．40　刀具磨损过程

（1）初期磨损阶段（AB段）

刀具刃磨后开始使用时磨损较快，这是因为后刀面不够光洁，刀具表面层组织不耐磨的缘故。这一阶段称为初期磨损阶段。

（2）正常磨损阶段（BC段）

刀具经过初期磨损阶段后，后刀面上的高低不平及不耐磨的表面层已被磨去，使刀具表面上的压强减小而且比较均匀，故磨损速度较初期磨损阶段缓慢。此时磨损量与切削时间基本上成立比，称为正常磨损阶段。

（3）急剧磨损阶段（CD段）

刀具磨损到一定程度后，钝化太厉害，摩擦过大，切削力和切削温度迅速增长，以致使刀具磨损的原因发生重大变化，导致磨损值迅速增大。在切削加工时应当避免刀具使用到急剧磨损阶段。

认识了刀具磨损规律，就可以正确地制订刀具的磨钝标准。从合理使用刀具材料观点出发，在切削过程中，应尽可能避免产生急剧磨损，所以一般取磨损曲线中正常磨损阶段终点处的磨损量VBc作为磨钝标准，称为合理磨钝标准。刀具的磨钝标准如果大于或小于VBc都会造成刀具材料消耗增加。但精加工时，必须保证工件表面粗糙度和尺寸精度，因此要根据工艺要求来制订刀具的磨钝标准，这种标准称为工艺磨钝标准。工艺磨钝标准一般都小于合理磨钝标准。

表1．8列出了几种刀具的磨钝标准，可供参考。

表1．8　各种刀具的磨钝标准

续表1．8

注：①表中d0为钻头直径，单位为mm；
②除高速钢刀具使用冷却润滑液外，其余均为干切削；
③机床刚度一般。

4）刀具耐用度定义

在刀具使用时仅制订出磨钝标准是不够的。在加工过程中，操作工人要经常停车测量后刀面的磨损量是否已达到磨钝标准，很不方便。因此必须有一个不要停车测量而又能方便地判断磨损量是否已达到磨钝标准的间接量，这个间接量就是刀具耐用度T。

刀具耐用度是刀具刃磨后，从开始切削到后刀面磨损量达到磨钝标准所经过的切削时间，单位为min，也即刀具耐用度是两次刃磨间的切削时间。它不包括工件夹紧、测量、开车、停车等辅助时间。刀具耐用度与刀具总刃磨次数的乘积称为刀具寿命，它是一把刀具从开始使用到完全报废为止所经过的切削时间。

5）影响刀具耐用度的因素和合理的耐用度

若磨钝标准相同，刀具耐用度愈大，表示刀具磨损愈慢。因此影响刀具磨损的因素也就是影响刀具耐用度的因素，如机械摩擦的程度和切削温度的高低以及磨钝标准的大小都直接影响到刀具耐用度。现分述如下：

（1）工件的影响

工件材料的强度、硬度愈高，导热性愈差，刀具磨损愈快，耐用度将愈低。

（2）切削用量的影响

切削用量v、f、ap增加时，刀具磨损加剧，刀具耐用度降低。其中影响最大的是切削速度v，其次是进给量f，影响最小的是切削深度ap。

图1．41　切削速度对刀具耐用削的影响

切削速度对刀具耐用度的影响如图所示。由图可知，在一定的切削速度范围内，刀具耐用度最高，提高或降低切削速度都会使刀具耐用度下降。这是因为开始时切削速度增大切削温度增高，使工件和刀具材料的硬度都降低，但是比较起来，工件硬度的下降比刀具材料硬度的下降更为显著，因此刀具的机械擦伤会随着温度的升高而下降。同时随着切削温度的升高，硬质合金的冲击韧性也略有提高，这也是刀具耐用度提高的另一个原因。但当切削速度进一步提高时，切削温度迅速升高，刀具材料硬度显著降低，机械擦伤磨损急剧增加。工具钢刀具将产生相变磨损，硬质合金刀具也将显著增加黏结磨损、扩散磨损和氧化磨损的程度，致使刀具耐用度下降。从上述分析可知，每种刀具材料都有一个最佳切削速度范围。为了提高生产率，可以认为常用的切削速度范围大多偏于图1．41所示曲线峰值的右方，在这个范围内切削速度和刀具耐用度的关系可用下列实验公式表示：

式中　A——与切削条件有关的系数；

　m——表示影响程度的指数，对于高速钢车刀m＝0．125，对硬质合金车刀m＝0．2；

　v——切削速度，〔v〕为m／min；

　T——刀具耐用度，〔T〕为min。

进给量f和切削深度ap的增大都会使切削面积增加、切削热增加、切削温度升高，从而使刀具耐用度下降。但ap比f的影响小，这是因为当ap增加时，切削热虽有所增加，但切削宽度aω增大，使切削刃工作长度增加，散热条件随之有所改善。故切削温度升高得较少，刀具耐用度下降不多。

用硬质合金车刀车削中碳钢，可以得到刀具耐用度的实验公式如下：

式中　T——刀具耐用度，〔T〕为min；

　Cv——与实验条件有关的系数；

　v——切削速度，〔v〕为m／min；

　f——进给量，〔f〕为mm／r；

　ap——切削深度，〔ap〕为mm。

由上式也可看出，切削速度对刀具耐用度的影响最大，进给量其次，切削深度的影响最小。所以在保证一定的刀具耐用度的条件下，为了提高生产率，应首先选取大的切削深度，然后选取较大的进给量，最后选择合理的切削速度。

（3）刀具的影响

刀具材料的耐磨性、耐热性愈好，耐用度就愈高。

前角γ0增大后，能减少切削变形，从而减少切削力和降低机床功率的消耗，因而使切削温度不致过高，刀具耐用度增加。但是如果前角太大，则楔角β0太小，刃口强度和散热条件就不好，反而会使刀具耐用度降低。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最高的合理的前角数值。

刀尖圆弧半径增大或主偏角减小，都会使刀刃的工作长度增加，使散热条件得到改善，从而降低切削温度。同时刀尖部分强度也较好，使刀具耐用度提高。但是刀尖圆弧半径增大或主偏角减小，将使径向切削分力增大，对于硬质合金等脆性刀具材料而言，容易产生崩刃而使刀具耐用度降低。

刀具耐用度也并不是越大越好。如果耐用度选择过大，势必要选择较小的切削用量，结果使零件加工所需的机动时间大为增加，反而降低生产率，使加工成本提高。反之若耐用度选择过低，虽然可以采用较大的切削用量，但却因为刀具很快磨损而增加了刀具材料的消耗和换刀、磨刀、调刀等辅助时间，同样会使生产率降低和成本提高。因此加工时要根据具体情况选择合适的刀具耐用度。生产中一般根据最低加工成本的原则来确定耐用度，而在完成紧急任务或提高生产率对成本影响不大的情况下，也可以根据最高生产率的原则来确定耐用度。刀具耐用度的具体数值可在有关手册中查到。下列数据可供参考：

高速钢车刀　　　　　30～90min；

高速钢钻头　　　　　80～120min；

硬质合金焊接车刀　　60min；

硬质合金铣刀　　　　120～180min；

齿轮刀具　　　　　　200～300min；

组合机床、自动机床及自动线用刀具　　　240～480min。

可转位车刀的推广和应用，使换刀时间和刀具成本大大降低，从而可降低刀具耐用度至15～30min，这就可以大大提高切削用量，进一步提高生产率。

1．4．7　刀具材料

刀具切削性能的优劣，主要取决于刀具切削部分的材料。刀具的使用寿命、切削加工生产率、加工质量和加工成本与刀具切削部分的材料关系极为密切。因此，重视刀具材料的选择及合理应用是十分必要的。

（1）刀具材料应具备的性能　刀具切削部分在高温及很大的切削压力下进行切削工作，它承受切削力、冲击振动及摩擦，因此刀具材料必须具备下列主要性能：

①高硬度　刀具材料的硬度应高于工件的硬度，常温硬度应在HRC68以上，高温下应保持较高的硬度。

②足够的韧性　承受切削力、振动和冲击。

③高耐磨性　耐磨性是材料抵抗磨损的能力，耐磨性是材料硬度、强度、组织结构和化学性能的综合反映。材料硬度越高，耐磨性就越好；组织中硬质点（碳化物、氧化物等）的硬度越高，数量越多，颗粒越小，分布越均匀，其耐磨性就越高。

④高耐热性（热稳定性）　耐热性是指刀具材料在高温下保持硬度、耐磨性、强度和韧性的能力。

⑤良好的工艺性　为便于刀具的制造，刀具材料应有较好的工艺性，如良好的热处理性能及可磨削性等。

（2）高速钢　高速钢是加入了较多的钨、钼、铬、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有良好的综合性能。它具有较高的热稳定性，切削温度在600℃时，仍可进行切削。它具有高的强度和韧性，其抗弯强度为一般硬质合金的2～3倍。它具有一定的硬度（HRC63～70）和耐磨性，切削中碳钢时，切削速度可达30m／min左右。高速钢具有良好的工艺性，可进行锻造，可磨出锋利的切削刃。

各种刀具都可用高速钢制造，尤其是形状复杂的刀具及小型刀具，如铣刀、钻头、铰刀、齿轮刀具等主要使用高速钢制造。目前，高速钢的使用量占刀具材料总使用量的60%～70%。

①普通高速钢　普通高速钢的特点是工艺性好。下面列举两个常用品种：

W18Cr4V属钨系高速钢。其综合力学性能及可磨削性均好，淬火时过热倾向小。这种牌号在我国仍普遍使用，但在国外因钨价较贵，此钢种已很少使用了。

W6Mo5Cr4V2属钨钼系高速钢，即美国钢铁学会AISI牌号M2。其碳化物分布均匀性、韧性及高温塑性均优于W18Cr4V，而可磨削性不及W18Cr4V。这两种牌号高速钢的切削性能大致相同。该钢种在我国主要用于热轧刀具及制作大尺寸刀具。

②高性能高速钢　通过调整普通高速钢的基本化学成分及增加其他合金元素C、V、Co、Al等，从而使其力学性能及切削性能得到显著提高，得到高性能高速钢。其常温硬度可达HRC67～70。高温硬度也得到提高，具有比普通高速钢更高的刀具使用寿命，适于加工不锈钢、耐热钢、高强度钢等难加工材料。下面列举三个品种：

a．钴高速钢M42（美国钢铁学会AISI牌号），其特点是综合性能好，常温硬度高（HRC67～69），高温硬度高，600℃时的硬度HRC55，可磨削性好。用于加工高温合金、不锈钢等材料，效果很好，刀具使用寿命较W18Cr4V及W6Mo5Cr4V2高，但因含钴Co多，价格较贵（约为普通高速钢的5～8倍），我国尚未使用。

b．低钴高速钢W12Mo3Cr4V3Co5Si，与M42相比，Co较少，增加了Si，其耐磨性优于M42，而韧性不及M42，因含V多，可磨削性较差，因此不宜用于制造复杂刀具。

c．铝高速钢W6Mo5Cr4V2Al，是在W6Mo5Cr4V2的基础上增加碳的含量和加铝元素而制成的，它是我国独创的新钢种，性能与M42相当。此钢种不含钴，生产成本较低。铝高速钢的淬火温度范围较窄，氧化脱碳倾向较严重，因此需要严格掌握热处理工艺。

③粉末冶金高速钢　产生于20世纪70年代。通过用粉末冶金的方法制造的高速钢，主要解决碳化物偏析问题，得到细小均匀的结晶组织，晶粒尺寸小于2～3μm，而熔炼高速钢晶粒尺寸为8～20μm。粉末冶金法需经制粉、成型和烧结三个过程。与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢具有下列优点：硬度、韧性较高，可磨削性得到显著改善，材质均匀，热处理变形小，质量稳定可靠，刀具使用寿命长。可用于切削各种难加工材料，适于制造精密刀具及形状复杂的刀具。

高速钢刀具经表面处理或涂层后，刀具的耐磨性和使用寿命可以得到明显提高。常用的表面处理工艺有氧氮化、软氮化和辉光离子氮化等。

用物理气相沉积的方法，在高速钢刀具表面涂覆一层TiN或TiC等材料，涂层厚度约为10μm，高速钢钻头、丝锥、铣刀和齿轮刀具经涂层后耐用度可提高3～5倍以上。

（3）硬质合金　硬质合金是由高硬度、难熔碳化物（WC、TiC等称硬质相）微米级粉末，用金属黏结剂（Co、Ni等，称黏结相）经粉末冶金方法制成的。

硬质合金硬度高，常用硬质合金硬度为HRA89～93。在800～1　000℃时尚能进行切削。切削中碳钢时，切削速度可达100～200m／min。在硬质合金中加入TaC、NbC时，切削钢材的速度可达200～300m／min。一般来讲，硬质合金的抗弯强度不足高速钢的1／2；其常温下的冲击韧性仅为高速钢的1／8～1／30。硬质合金工艺性亦不及高速钢。

由于硬质合金具有优良的切削性能而被广泛用作刀具材料，目前，硬质合金占刀具材料总使用量的30%～40%，有的硬质合金占刀具材料总使用量已接近50%。

①WC－Co（YG）类硬质合金　由WC和Co组成。该类硬质合金相当于国际标准化组织规定的K类硬质合金。我国生产的常用牌号有YG3X、YG6X、YG6、YG8等。这类硬质合金主要用于加工铸铁及有色金属及其合金。硬质合金中含Co量越高，韧性越好，适合于粗加工，含Co量少者适用于精加工。

②WC－TiC－Co（YT）类硬质合金　此类合金除WC、Co之外，还含有5%～30%的TiC，相当于ISO规定的P类硬质合金。我国生产的常用牌号有YT5、YT14、YT15和YT30，牌号中的数字为TiC的百分含量，含Co量分别为10%、8%、6%和4%。该类硬质合金主要用于加工钢材，含钴量高的用于粗加工，含钴量低的用于精加工。

③WC－TiC－TaC（NbC）－Co（YW）类硬质合金　在YT类硬质合金中，加入TaC（或NbC）取代一部分TiC，即得到YW类硬质合金，相当于ISO规定的M类硬质合金，我国的常用牌号有YW1和YW2。这类硬质合金具有较好的综合性能，既可加工铸铁、有色金属，又可加工碳素钢、合金钢，也适合于加工高温合金、不锈钢等难加工材料。

以上三类硬质合金的主要成分是WC，故称为WC基硬质合金。

④TiC基硬质合金　是以TiC为主要成分，以Ni、Mo作为黏结剂的硬质合金，TiC含量占60%～70%以上。与WC基合金相比，它的硬度较高，但韧性较差。我国的代表牌号是YN10和YN05，适用于碳素钢、合金钢的连续切削的半精加工和精加工。

⑤涂层硬质合金　通过化学气相沉积（CVD）法对硬质合金刀片涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而得到涂层硬质合金，主要是针对硬质合金韧性差而研制的。在韧性较好的基体上，表面涂覆一层（或几层）硬度、耐磨性极高的物质（TiC、TiN、Al2O3等），涂层厚度一般为5～10μm，这样使强韧的基体与耐磨的表面结合在一起，很好地解决了硬质合金存在的硬度、耐磨性与强度、韧性之间的矛盾，从而使刀具具有良好的切削性能。涂层硬质合金可采用较高的切削速度，切削速度可提高25%～30%，或在同样的切削速度下显著地提高刀具使用寿命，一般可提高1～3倍。涂层硬质合金适用于钢材、铸铁的半精加工和精加工，负荷较轻的粗加工也可使用。含Ti的涂层刀具不能加工高温合金、钛合金和奥氏体不锈钢。硬质合金涂层刀片的使用日趋广泛，在工业发达国家中，涂层刀片的使用占硬质合金刀片的50%～60%以上。因涂层硬质合金提高了耐磨性及刀具的使用寿命，尤其适用于数控机床的切削加工。

（4）其他刀具材料

①复合氧化铝陶瓷　在Al2O3基体中添加高硬度、难溶碳化物，再加入Ni、Mo等金属作为黏结剂，热压烧结而成。硬度高达HRA93～94，而且高温硬度亦高，如1　200℃时硬度尚高达HRA80。这种材料化学惰性大，与被加工金属亲和作用小。它的抗弯强度低（约为硬质合金的抗弯强度的1／2左右），冲击韧性很差，对冲击十分敏感。主要用于加工淬硬钢、高温合金、冷硬铸铁和有色金属及连续切削的半精加工和精加工。

②人造金刚石　金刚石是碳的同素异形体，分人造及天然两种。人造金刚石是在高温高压条件下，借助于某些合金的触媒作用，由石墨转化而成。金刚石是已知的最硬物质，HV10　000，6～8倍于硬质合金的硬度。金刚石刀具可用于加工硬质合金、陶瓷等高硬度耐磨材料，可用于加工有色金属及其合金。金刚石刀具使用寿命极高，但不能加工铁族材料，因金刚石刀具中的碳元素极易向含铁的工件扩散，使金刚石刀具很快被磨损。此外，当切削温度高于700℃时，金刚石中的碳原子即转化为石墨结构而失去硬度。

③立方氮化硼　立方氮化硼经高温高压加入催化剂转化而成立方氮化硼，它是70年代才发展起来的一种新型刀具材料。立方氮化硼具有很高的硬度及耐磨性，其硬度仅次于金刚石，为HV8　000～9　000。其热稳定性、化学惰性高于金刚石，可耐1　300～1　500℃高温。立方氮化硼可用于淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金等的半精加工和精加工，可以车代磨。因其有很高的硬度及耐磨性，适用于数控机床的切削加工。

1．4．8　高速钢、硬质合金刀具材料的应用

下面将高速钢、硬质合金、涂层硬质合金、复合氧化铝陶瓷、人造金刚石和立方氮化硼等刀具材料的适用范围以表格形式列举，见表1．9～表1．11。

表1．9　部分高速钢刀具材料的应用范围

表1．10　几种硬质合金刀具材料的应用范围

续表1．10

表1．11　涂层硬质合金、陶瓷及超硬刀具材料的应用范围

1．4．9　切削用量

数控机床切削用量的选择原则与普通机床相同，可参考机床功率及刀具使用寿命进行选择，亦可根据实践经验来确定。有关切削用量请查阅本节后面表格。

切削深度ap的选择：粗加工时，在机床刚度允许的情况下，尽可能一次切除粗加工全部加工余量，以减少走刀次数，提高切削加工效率。对于精度要求高和表面粗糙度也要求高的零件，应留有足够的精加工余量给精加工。在数控机床上加工工件的加工余量，通常比普通机床加工工件的加工余量小，在精加工时，应在一次行程中切除全部精加工余量。

进给量f（mm／r）或进给速度vf（mm／min）的选择：应依据被加工工件的加工精度和表面粗糙度的要求，以及刀具材料、工件材料来选取。最大进给速度受机床刚度和进给系统性能限制。

在轮廓加工中，在接近拐角处应适当降低进给量，切过拐角后再逐渐升高进给量，以克服由于惯性或工艺系统变形在轮廓拐角处造成“超程”或“欠程”现象。

切削速度的选择：在切削深度及进给量选定后，合理地选择切削速度对切削效率和加工成本有很大的影响。适当地提高切削速度可提高生产率和降低成本，但若过分提高切削速度会使刀具使用寿命大幅度下降。一般按下列方法选择合理切削速度：在ap、f值选定之后，根据合理的刀具使用寿命计算或用查表法选取切削速度vc。图1．42所示为切削速度、进给量对工序成本的影响。分析该图可知：当进给量一定，切削速度适中时，对应最低成本，该速度即为对应于刀具经济使用寿命的最佳切削速度；增大进给量，工序成本随之降低，且与刀具经济使用寿命对应的最佳切削速度随进给量的增大而降低。

图1．42　切削速度和进给量对工序成本的影响

（由上到下4条曲线分别为由小到大的4种进给量）

总之，切削用量选择的原则是：

粗加工时，优先选择较大的切削深度ap，其次选择较大的进给量f，最后确定合理的切削速度v。

精加工时，选择较小的切削深度ap和进给量f，尽可能选择较高的切削速度v。

数控机床编程时用v表示切削速度，单位是m／min，用S表示主轴转速，单位是r／min，用f表示进给量，单位是mm／min或mm／r，由指令决定。

1）车削用量选择参考值

车削用量选择参考表1．12～表1．17。车削要素：

式中：vc——切削速度（m／min）；

　d——工件外径（mm）；

　n——工件转数（r／min）；

　ap——切削深度（mm）；

　f——进给量（mm／r）；

　T——刀具寿命（min）。

表1．12　车刀刀杆及刀片尺寸的选择

注：方形刀杆尺寸同上。

表1．13　硬质合金及高速钢车刀粗车外圆和端面的进给量

注：①加工断续表面及有冲击地加工时，表内的进给量应乘以系数k＝0．75～0．85。
②加工耐热钢及其合金时，不采用大于1．0mm／r的进给量。
③加工淬硬钢时，表内进给量应乘系数k＝0．8（当材料硬度为HRC44～56时）或k＝0．5（当硬度为HRC57～62时）。
④可转位刀片的允许最大进给量不应超过其刀尖圆弧半径数值的80%。

表1．14　硬质合金外圆车刀半精车的进给量

注：①rε＝0．5mm用于12mm×20mm以下刀杆，rε＝1mm用于30mm×30mm以下刀杆，rε＝2mm用于30mm×45mm及以上刀杆。
②带修光刃的大进给切削法在进给量1．0～1．5mm／r时可获表面粗糙度Ra3．2～1．6μm；宽刃精车刀的进给量还可更大些。

表1．15　切断及切槽的进给量

注：①在直径大于60mm的实心材料上切断时，当切刀接近零件轴线0．5倍半径时，表中进给量应减小40%～50%。
②加工淬硬钢时，表内进给量应减小30%（当硬度＜HRC50时）或50%（当硬度＞HRC50时）。
③如切刀安装在六角头上时，进给量应乘以系数0．3。

表1．16　涂层硬质合金车刀的切削用量

表1．17　高速钢及硬质合金车刀车削不同材料螺纹的切削用量

续表1．17

2）铣削用量选择参考值

铣削用量选择参考表1．18～表1．21所示。

铣削要素：

式中：vc——铣削速度（m／min）；

　d0——铣刀外径（mm）；

　n——铣刀转数（r／min）；

　f——铣刀每转工作台移动距离，即每转进给量（mm／r）；

　fz——铣刀每齿工作台移动距离，即每齿进给量（mm／齿）；

vf＝fn＝fzzn

式中：vf——进给速度（mm／min）；

　z——铣刀齿数；

　ae——铣削宽度（mm）；

　ap——铣削深度（mm）；

　T——刀具寿命（min）。

有关铣削要素见图1．43。

图1．43　不同铣削加工的切削要素

表1．18　高速钢端铣刀、圆柱铣刀和盘铣刀加工时的进给量

注：①表1．19中大进给量用于小的铣削深度和铣削宽度；小进给量用于大的铣削深度和铣削宽度。
②铣削耐热钢时，进给量与铣削钢时相同，但不大于0．3mm／齿。
③表1．19上半部分进给量用于粗铣，下半部分用于半精铣。

表1．19　8～16mm高速钢立铣刀粗铣切削用量参考值

表1．20　硬质合金面铣刀、圆柱铣刀和圆盘铣刀加工平面和凸台时的进给量

注：①表1．22列数值用于圆柱铣刀铣削深度ap≤30mm；当ap＞30mm时，进给量应减少30%。
②用盘铣刀铣槽时，表列进给量应减小一半。
③用端铣刀加工时，对称铣时进给量取小值；不对称铣时进给量取大值。主偏角大时取小值；主偏角小时取大值。
④加工材料的强度或硬度大时，进给量取小值；反之取大值。
⑤上述进给量用于粗铣。精铣时铣刀每转进给量按下表选择：

表1．21　硬质合金立铣刀加工平面和凸台时的进给量

注：①大进给量用于在大功率机床上铣削深度较小的粗铣；小进给量用于在中等功率的机床上铣削深度较大的铣削。
②表1．23所列进给量可得到Ra6．3～3．2μm的表面粗糙度。

3）孔加工切削用量选择参考值

孔加工切削用量选择参考表1．22～表1．25。

切削要素：

式中：vc——切削速度（m／min）；

　d0——刀具直径（mm）；

　n——刀具或工件每分钟转数（r／min）；

　ap——切削深度（mm）；

　f——进给量；

　T——刀具寿命。

表1．22　高速钢钻头钻孔时的进给量

注：表列数据适用于在大刚性零件上钻孔，精度在H12～H13级以下（或自由公差），钻孔后还要用钻头、扩孔钻或镗刀加工。在下列条件下需乘修正系数：a．在中等刚性零件上钻孔（箱体形状的薄壁零件、零件上薄的突出部分钻孔）时，乘以系数0．75；b．钻孔后要用铰刀加工的精确孔、低刚性零件上钻孔、斜面上钻孔以及钻孔后用丝锥攻螺纹的孔，乘以系数0．50。

钻孔深度大于3倍直径时应乘修正系数如表1．23：

表1．23　修正系数

注：为避免钻头损坏，当刚要钻穿时应停止自动走刀而改用手动走刀。

表1．24　高速钢和硬质合金扩孔钻扩孔时的进给量

注：①加工强度及硬度较低的材料时，采用较大值；加工强度及硬度较高的材料时，采用较小值。
②在扩盲孔时，进给量取为0．3～0．6mm／r。
③上表所列进给量用于：孔的精度不高于H12～H13级，以后还要用扩孔钻和铰刀加工的孔，或要用两把铰刀粗精加工的孔。
④当加工孔的要求较高时，例如H8～H11级精度的孔，再用一把铰刀加工的孔，或用丝锥攻螺纹前的扩孔，则
进给量应乘以系数0．7。

表1．25　高速钢及硬质合金机铰刀铰孔时的进给量　（mm／r）

注：①表内进给量用于加工通孔。加工盲孔时进给量应取为0．2～0．5mm／r。
②最大进给量用于在钻或扩孔之后，精铰孔之前的粗铰孔。
③中等进给量用于：a．粗铰之后精铰H7级精度的孔；b．精镗之后精铰H7级精度的孔；c．对硬质合金铰刀，用于精铰H8～H9级精度的孔。
④最小进给量用于：a．抛光或珩磨之前的精铰孔；b．用一把铰刀铰H8～H9级精度的孔；c．对硬质合金铰刀，用于精铰H7级精度的孔。

1．4．10　切削液

使用切削液可以减少切削过程中的摩擦，降低切削力和切削温度。合理使用切削液，对于提高刀具使用寿命、加工工件表面质量和加工精度起着重要的作用。

1）切削液的作用

（1）冷却　切削液浇注在切削区，通过切削热的传导、对流和汽化，使切屑、刀具及工件上的热量散逸，起到冷却作用。

由于切削液的冷却作用，可降低切削温度，提高刀具的使用寿命，减少工件、刀具的热膨胀，提高加工精度。

（2）润滑　切削液渗透到刀具与切屑、工件表面之间形成润滑膜，于是起到润滑作用。但在切削时上述表面之间互相有很高的压力，且温度很高，因此切削液的渗透是较困难的。

切削液的油脂中存在极性分子，该分子的带极性一端吸附于金属表面上，于是形成了刀具与切屑、工件之间的润滑膜，刀具与切屑、工件摩擦副之间的相对运动是在上述分子尾部非极性端之间进行的。在切削时，由于上述摩擦副之间压力增大，温度升高，致使润滑膜变薄，继而产生局部破裂，形成金属凸峰之间接触，与部分接触面仍存在吸附膜而起到润滑作用。在金属切削加工中，大多属于边界润滑。边界润滑一般分为低温低压边界润滑、高温边界润滑、高压边界润滑和高温高压边界润滑。

（3）清洗与排屑　浇注切削液以冲走切削过程中产生的细屑和磨粉，使之不黏附于工件、刀具和机床上，防止刮伤已加工表面及机床导轨面。在深孔镗削中，在切削区注入一定压力的切削液起到排屑作用，使切削过程得以顺利进行。

（4）防锈　在切削液中加入防锈添加剂，如亚硝酸钠、磷酸三钠等极性很强的化合物，它们与金属表面附着力很强，使金属表面形成保护膜，保护机床和工件不被空气、水分和酸等介质腐蚀，从而起到防锈防蚀的作用。

2）常用切削液及其选用

金属切削加工中常用的切削液有两大类：水溶液、油溶液。

（1）水溶液切削液　主要有水溶液、乳化液和合成液等。

①水溶液　主要成分是水，加入防锈剂、清洗剂，有时加入油性添加剂以增加润滑性。水溶液的冷却性能好，若配成液呈透明状，则便于操作者观察。水溶液被广泛应用于磨削及粗加工中。

②乳化液　是水中加入乳化油搅拌而成的乳白色液体。其中乳化油由矿物油、乳化剂加添加剂配制而成。乳化剂的分子有两个头，一个头亲水，另一个头亲油，于是乳化剂可吸附在油水界面上形成坚固的吸附膜，使油均匀地分散在水中，形成稳定的乳化液。

按照乳化油的含量可配制成各种浓度的乳化液。低浓度乳化液主要起冷却作用，用于磨削及粗加工；高浓度乳化液主要起润滑作用，用于精加工，见表1．26。

③合成液　化学合成液是一种较新型的高性能切削液，主要供磨削用，一般用于钢材（特别是铸钢）或铸铁的磨削。因其润滑性能欠佳，故几乎不用于其他切削加工。

表1．26　乳化液选用

（2）油溶液切削液　主要有切削油和极压切削油。

①切削油　切削油的主要成分是矿物油（如机械油、轻柴油、煤油等）、动植物油（如豆油、菜油和猪油等）、动植物混合油。动植物油易变质而较少使用。

普通车削、攻螺纹可选用机油。精加工有色金属可选用煤油或煤油与矿物油的混合油，镗孔或深孔精加工可选用煤油或煤油与机油的混合油，精车丝杠时可选用蓖麻油或豆油等。

②极压切削油　在切削油中加入硫、氯和磷极压添加剂，可明显地提高润滑和冷却效果。硫化油在高温时可形成牢固的吸附膜，具有良好的润滑和冷却效果，是一种应用广泛的极压切削油，常用于拉削和齿轮加工中。

1．4．11　零件的装夹、找正和加工质量控制

一）零件装夹

在数控机床上对工件进行加工时，为了保证加工表面相对其他表面的尺寸和位置精度，首先要使工件在机床上占有准确的位置，并在加工过程中能承受各种力的作用而始终保持这一准确位置不变。前者称为工件的定位，后者称为工件的夹紧，这一整个过程统称为工件的装夹。

数控机床是现代自动化加工的基本单元，工件的装夹好坏将直接影响数控机床的加工精度和加工效率。在数控机床对工件进行加工的工艺方案及装夹方法与常规生产系统相类似，如通常在制定工艺方案之前，首先要对被加工工件进行工艺分析，选择定位基准，确定装夹方案等。在普通机床上加工工件时，由于受机床功能的限制，往往采用工序分散原则，一般只进行单一的加工，工件的装夹只需要满足该工序加工的要求即可。如果在数控加工中心上加工，则采用工序集中的原则，工件多数只经一次装夹，就可连续的对其各待加工表面自动完成钻、扩、铰、镗、攻螺纹、铣削等粗、精加工。因此在数控加工中心上定位装夹有以下特点：

1）定位基准

同普通机床一样，在数控机床上加工工件时，工件的定位仍遵守六点定位原则。在选择定位基准时，要全面考虑各个工件加工情况，做到三点：

（1）所选基准应能保证工件定位准确、装卸工件方便，能迅速完成工件的定位和夹紧，夹压可靠，且夹具结构简单。

（2）所选定的基准与各加工部位的各个尺寸运算简单，尽量减少尺寸链计算，避免或减少计算环节和计算误差。

（3）保证各项加工精度。

在具体确定工件的定位基准时，要遵循下列原则：

尽量选择工件上的设计基准作为定位基准。在制定工件的加工方案时，首先要选择最佳的精基准来进行工件加工。这就要求在粗加工时，以粗基准把精基准的各面加工出来，这样容易保证各个工位加工表面相互之间的精度关系。而且，当某些表面还要靠多次装夹或其他机床完成时，选择与设计基准相同的基准定位，不仅可以避免因基准不重合而引起的定位误差，保证加工精度，且可简化程序编制。

如图1．44所示的变速箱体，在加工中心上定位装夹，以A面靠在组合夹具竖直定位面上，B面向下放在夹具水平定位面上，C面靠在X向定位面上，这样在一次定位装夹中就可以完成所有孔系加工，且能保证精度。这些定位面已在前面预加工工序中完成。

在加工中心上无法同时完成包括设计基准在内的工位加工时，应尽量使定位基准与设计基准重合；同时还要考虑用该基准定位后，一次装夹就能够完成全部关键精度部位的加工。

图1．44　变速箱体零件装夹示意图

在加工中既完成基准的加工，又完成尽可能多的加工内容。为此，要考虑便于各个表面都被加工的定位方式，如对于箱体，最好采用一面两销的定位方式，以便刀具对其他表面的加工。

当工件的定位基准与设计基准难以重合时，应认真分析图样，确定该工件设计基准的设计功能，通过尺寸链的计算，严格规定定位基准与设计基准间的形位公差范围，确保加工精度。对于带有自动测量功能的加工中心，可在加工前由程序自动控制用测头检测设计基准。CNC系统自动计算并修正坐标系，从而确保各加工部位与设计基准间的几何关系。

工件坐标系的原点即编程零点与工件定位基准不一定非要重合，但两者之间必须要有确定的几何关系。工件坐标系原点的选择主要考虑便于编程和测量。对于各项尺寸精度要求较高的工件，确定定位基准时，应考虑坐标原点能否通过定位基准得到准确的测量。

如图1．45所示，在数控加工中心上加工φ80H7孔，且8－φ25H7孔都以φ80H7孔为基准，编程零点应选在φ80H7孔中心上。如定位基准为A、B两面，这样的加工方案同样能保证各项精度，此时，定位基准与编程零点不重合。如将编程零点也选在A、B面上，则编程时计算很繁琐，同时存在不必要的尺寸链计算误差。

2）工件夹紧

在考虑夹紧方案时，夹紧力应力求靠近主要支承点，或在支承点组成的三角形内，并力求靠近切削部位及刚性好的地方，尽量不要在被加工孔的上方。同时，各个夹压部件不要与加工部位和所用刀具发生干涉。

夹具在机床的安装误差和工件在夹具中定位、安装误差对加工精度将产生直接影响。夹具中工件定位面的任何磨损以及任何污秽都会引起加工误差。因此，操作者在装夹工件时一定要将污物擦干净，并按工艺文件上的要求找正定位面，使其在一定的精度范围内。

夹具必须保证最小的夹紧变形。工件在粗加工时，切削力大，需要夹紧力大，但又不能把工件夹压变形，因此，必须慎重选择夹具的支承点、定位点和夹紧点。压板的夹紧点要尽量接近支承点，避免把夹紧力加在工件无支承的区域内。

图1．45　零件加工示意图

3）工件的装夹方法

在数控机床上对工件进行加工，根据不同的工件和加工批量，一般采用如下装夹方法：

（1）用通用夹具装夹　将夹具（如三爪自定心卡盘、精密平口虎钳）放置在机床工作台适当位置，利用夹具装夹工件，并通过找正工具确定其位置，可用来装夹一定形状和尺寸范围内的工件。

（2）用压板螺栓装夹　是以工件的有关表面作为找正依据，用百分表逐个地找正工件相对于机床和刀具的位置，然后把工件夹紧。利用靠棒确定工件在工作台中的位置，将机器坐标值置于G54～G59坐标系中，以确定工件坐标零点，这种装夹方法适合尺寸较大或形状比较复杂的工件。

（3）用专用夹具装夹　是靠夹具来保证工件相对于刀具及机床所需的位置，并使其夹紧。工件在夹具中的正确定位，是通过工件上的定位基准面与夹具上的定位元件相接触而实现的，夹具预先在机床上已调整好位置，不再需要找正工件便可将工件夹紧。因此，工件通过夹具相对于机床也就有了正确位置，这种装夹方法在成批生产中被广泛运用。

二）找正器

1）找正器种类

数控机床的工作是由程序中给出的数字控制指令进行的，因此在加工前必须首先确定工件或夹具在机床工作台的位置，即确定工作坐标系。用来确定工作坐标系的工具称为找正器。

目前数控机床所使用的找正器种类很多，从其功用上可划分为：

测量类：主要包括百分表、千分表、杠杆表。主要用于确定工具及夹具定位基准面的方位。

目测类：主要包括电子感应器、偏心轴、验棒等。主要用于确定工件机夹具在机床工作台的坐标位置。

自动测量类：主要包括机床的自动测量系统。

2）找正器的使用

在机械加工中测量类找正器普遍使用，必须掌握在此不作叙述。下面介绍目测类找正器的原理及使用：

（1）电子感应器：电子感应器的结构如图1．46所示。使用时将其夹持在主轴上，其轴线与主轴轴线重合，采用手动进给缓慢地将标准钢球与工件靠近。在钢球与工件定位基准面接触的瞬间，由机床、工件、电子感应器组成的电路接通，指示灯亮，从而确定其基准的位置。使用电子感应器时是人为目测定位，随机误差较大，须重复操作几次，以确定其正确位置，其重复定位精度在2μm以内。

图1．46　电子感应器

注意，电子感应器在使用时必须小心翼翼，让其钢球部位与工件接触，同时被加工工件必须是良导体，定位基准面有较好的表面粗糙度。

（2）偏心轴：偏心轴是采用离心力的原理来确定工件位置的，主要用于确定工作坐标系及测量工件长度、孔径、槽宽等。使用过程如下：

如图1．47（a）所示，将偏心轴夹持在机床主轴上，φ10mm测定端处于下方。

将主轴转速设定在400～600r／min的范围内，测定端保持偏心距0．5mm左右。

图1．47　偏心轴

将测定端与工件端面相接触且逐渐逼近工件端面，测定端由摆动逐步变为相对静止见图1．47（b）、（c），此时采用微动进给，直到测定端重新产生偏心为止见图1．47（d）。重复操作几次，可使定位精度在3μm以内，这时考虑测定端的直径就能确定工件的位置。

在使用偏心轴时，主轴转速不宜过高，超过600rpm时，受自身结构影响误差较大。定位基准面应有较好的表面粗糙度和直线度，确保定位精度。

三）零件加工质量的控制方法

机械零件在加工过程中，任何加工方法所得到的实际数据都不会与图样要求的数据绝对符合，肯定存在着一定的误差，误差的大小决定了加工质量的高低。机械零件的加工质量包括加工精度和表面质量，有些因素将直接影响加工质量。因此了解影响加工精度及表面质量的工艺因素并加以控制，是提高加工质量的有效途径。

在加工过程中工艺系统会产生各种误差，从而改变刀具和工件在切削运动中的相互位置关系而影响零件的加工精度。这些误差与工艺系统本身的结构状态和切削过程有关，产生误差的主要因素有：

工艺系统的几何误差：包括结构方法的原理误差、机床的几何误差、调整误差、刀具和夹具的制造误差、工件的安装误差以及工艺系统磨损所引起的误差；工艺系统受力变形所引起的误差；工艺系统受热变形所引起的误差；工件内应力所引起的误差。

机械加工表面质量有表面几何特性和表面层的物理、力学性能两个方面的含义。加工表面几何特性（表面粗糙度）形成的原因主要有三个方面：与刀具形状和几何角度有关的几何因素；与工件材料有关的金属表面层塑性变形；机械加工中的振动。

机械加工过程中工件由于受到切削力和切削热的作用，其表面层的力学、物理性能将产生很大的变化，造成与基体材料性能的差异。这些差异主要为表面层的金相组织和显微硬度的变化及表面层中出现残余应力。

在数控机床加工零件，加工质量是由机床、刀具、热变形、工件余量的复映误差、测量误差和振动等因素综合影响的结果。提高质量，主要有下面一些途径和方法。

1）解决加工时所造成的加工质量问题

（1）提高机床导轨的直线度、平行度。

（2）定期检测机床工作台的水平。

（3）提高机床三坐标轴之间的垂直度。

（4）提高主轴与工作台的垂直度。

（5）提高主轴的回转精度及回转刚度。

2）解决刀具方面所造成的加工质量问题

（1）针对不同的工件材料，选择合适的刀具材料。

（2）刃磨合理的切削角度。

（3）选择合理的切削用量。

（4）针对不同的工件材料，选择不同的切削液。

3）解决工件原始精度所造成的加工质量问题

加工中应严格执行粗、精分开的原则，工件在粗加工后应有充分的时间使工件达到热平衡，在未达到热平衡前，不宜立即进行精加工。

4）解决热变形造成的加工质量问题

（1）采用有利于减少切削热的各项措施。

（2）充分冷却或使工件预热，以达到热平衡。

（3）合理选用切削液。

（4）创造恒温的工作环境。

5）解决振动造成的加工质量问题

（1）减少或消除振源的激振力。

（2）改进传动结构的缺陷与隔振。

（3）提高机床、工件及刀具的刚度，增加工艺系统的抗振性。

（4）调节振动源频率。在选择转速时，尽可能使旋转件的频率远离机床有关元件的固有频率。

（5）采用减振器与阻尼器。

（6）合理选择切削用量、刀具的几何参数。