刀具材料的成分组成和特性

2　数控加工工艺基础

数控加工工艺就是在数控机床上加工工件的工艺方法，它以机械制造中的工艺基本理论为基础，结合数控机床的特点，综合运用多方面的知识，解决数控加工中面临的工艺问题。数控机床加工工艺的内容包括金属切削和加工工艺的基本知识和基本理论、金属切削刀具、夹具、典型零件加工及工艺分析等。数控机床加工工艺研究的宗旨是，如何科学地、最优地设计加工工艺，充分发挥数控机床的特点，实现数控加工的优质、高产、低耗。

2.1　数控加工的切削基础

在复杂的金属切削世界里，工件的材料、形状、硬度、应用场合及切削条件、夹紧条件、切削环境等都会对金属切削产生影响。有很多参数，如同一类材料材质成分的不同等因素也会影响切削过程，如图2.1、图2.2所示。

图2.1　影响金属切削的因素1

数控机床和普通机床在进行金属切削加工时，有着共同的规律与现象，如切削时的运动、切削加工的机理及切削工具的选择等。

图2.2　影响金属切削的因素2

2.1.1　金属切削运动

金属切削加工是用金属切削刀具把工件毛坯余量切除，获得图纸所要求的零件。在切削过程中，刀具与工件之间的相对运动称为切削运动。切削运动分为主运动和进给运动。

1）主运动

主运动是由机床提供的主要运动，它使刀具与工件之间产生相对运动，使刀具前刀面接近工件并切除切削层。如车削中的工件旋转运动，铣削中的刀具旋转运动以及刨削时的刀具或工件的往复直线运动。其特点是切削速度最高，消耗的机床功率最大。图2.3所示车削中的旋转运动是主运动。

2）进给运动

进给运动是由机床提供的使刀具与工件之间产生附加的相对运动，加上主运动即可不断地或连续地切除切削层，并得到所需要的工件新表面。如图2.3所示，车削外圆时车刀平行于工件轴线的移动是进给运动，其特点是消耗的功率比主运动小得多。

图2.3　车削时的运动和形成的三个工件表面

2.1.2　工件表面的形成

切削过程中，工件上多余的材料不断地被刀具切除变为切屑，在工件切削过程中形成了三个不断变化着的表面，如图2.3所示。

1）已加工表面

工件上被刀具切削后产生的表面称为已加工表面。

2）待加工表面

工件上有待切除切削层的表面称为待加工表面。

3）过渡表面

是工件上由切削刃形成的那部分表面，它在下一切削行程里将被切除。

2.1.3　切削用量三要素

切削用量是用来表示切削运动的参量，它可对主运动和进给运动进行定量的表述。它包括三个要素：

1）切削速度

切削刃选定点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度（vc）。大多数的主运动为回转运动，其相互关系如图2.4所示。

图2.4　切削用量中的三要素

式中：Dc——切削刃选定点所对应的工件或刀具的回转直径（mm）；

　n——工件或刀具的转速（r/min）。

2）进给量

刀具在进给方向上相对于工件的位移量称为进给量（f0），其单位用mm/r表示。车削时的进给速度f（单位为mm/min）是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＝nf0（mm/min）。对铣刀等多齿刀具，规定每齿进给量用fz。

3）背吃刀量

背吃刀量（ap）是已加工表面和待加工表面之间的垂直距离（mm）。

2.1.4　切削用量选择

在金属切削过程中，针对不同的工件材料、刀具材料和其他技术、经济要求来选择合适的切削用量三要素（切削速度vc、进给量f、切削深度（背吃刀量）ap）对保证产品质量、充分利用刀具、提高机床生产效率是非常重要的。

切削用量的选择原则为：

（1）粗加工时切削用量的选择原则

首先根据机床动力和刚性的限制条件，选取尽可能大的背吃刀量，大的进给量，最后根据刀具寿命确定合适的切削速度。

（2）精加工时切削用量的选择原则

首先根据粗加工后的余量确定背吃刀量；其次根据已加工表面粗糙度要求，选择较小的进给量；最后在保证刀具寿命的前提下尽可能选择较高的切削速度。

通常的切削用量选择方法：

（1）切削深度（背吃刀量）的选择

在粗加工时，在机床、刀具等工艺系统刚度允许的情况下，尽可能一次切去全部粗加工余量。在中等功率机床上，粗加工是Ra为10～80μm时，背吃刀量可达8～10mm；半精加工是Ra为1.25～10μm时，背吃刀量取0.5～2mm；精加工是Ra为0.32～1.25μm时，背吃刀量取0.1～0.4mm。

当机床工艺刚性不足或毛坯余量很大或不均匀时，粗加工要分几次进行。

在切削表面有硬皮的铸锻件或切削不锈钢等冷硬较严重的材料时，应尽量使切削深度超过硬皮或冷硬层厚度，以预防刀尖过早磨损或损坏。

在粗加工时，切削深度也不能选得太大，否则会引起振动，如果超过机床和刀具的能力就会损坏机床和刀具。

（2）进给量的选择

在粗加工时，由于对工件表面质量没有太高要求，这时主要考虑机床进给机构的强度和刚性以及刀具的强度和刚性。当切削深度选定后，进给量直接决定了切削面积，决定了切削力的大小。进给量的值受到机床的有效功率和扭矩、机床刚度、刀具强度和刚度、工件刚度、工件表面粗糙度和精度、断屑条件等的限制。一般在上述条件允许的情况下，进给量也应尽可能选大些，但选得太大，会引起机床最薄弱的地方振动，造成刀具损坏、工件弯曲、工件表面粗糙度变大等。进给量的选择可按工艺手册或刀具厂家的刀具选择手册来选定，一般粗车时取0.3～0.8mm/r，精车时取0.08～0.3mm/r，数控仿形加工，切削深度不均匀，切削速度可相对小一些。

（3）切削速度的选择

切削速度应在考虑提高生产率、延长刀具寿命、降低制造成本的前提下，根据已选定的背吃刀量、进给量及刀具寿命来选择切削速度。也可根据经验公式计算，或根据生产实践经验在机床说明书允许的切削速度范围内查表选取。

选择原则：

①刀具材料：陶瓷刀具、硬质合金刀具比高速钢刀具的切削速度高许多。

②工件材料：在切削强度和硬度较高的工件时，因刀具易磨损，所以切削速度应选得低些。脆性材料如铸铁，虽强度不高，但切削时易形成崩碎切屑，热量集中在刀刃附近不易传散，因此，切削速度应选低些。切削有色金属和非金属材料时，切削速度可选高一些。

③表面粗糙度：表面粗糙度要求较高的工件，切削速度应选高一些。

④切削深度和进给量：当切削深度和进给量增大时，切削热和切削力都较大，所以应适当降低切削速度；反之，可适当提高切削速度。

在实际生产中，情况比较复杂，切削用量一般根据工艺手册或刀具厂家的刀具选择手册的推荐值进行调整。

2.1.5　切屑与断屑

1）切屑的类型

图2.5　不同种类材料的切屑形态

切屑的形成过程就是切削层变形的过程。由于工件材料不同，切削过程中的变形程度也不同，对于不同的被切削材料其切屑的形状是不同的，图2.5所示的是切削不同的零件材料［P（钢）、M（不锈钢）、K（铸铁）、N（有色金属）、S（耐热合金）、H（淬硬钢）］得到的切屑的典型形状。但加工现场获得的切屑，形状是多种多样的。不利的切屑将严重影响操作安全、加工质量、刀具寿命、机床精度和生产率。因此在切削加工中采取适当的措施来控制切屑的卷曲、流出与折断，具有非常重要的意义。在实际生产中，应用最广的切屑控制方法就是在前刀面上磨制断屑槽或使用压块式断屑器。

2）断屑的方法

在塑性金属切削中，切屑在50mm以内称为断屑，长于50mm以上称为不断屑，不断屑中的带状切屑和缠绕切屑，将导致切削过程中出现干扰以及较差的表面质量。通常有三种断屑方法。

（1）自断屑：金属材料从刀具前刀面流出后自然弯曲折断并剥离。

（2）切屑碰到刀具而断裂：切屑与刀片或刀杆后刀面接触扭弯而折断。

（3）切屑碰到工件而断裂：该方式可导致工件的表面质量被破坏，是一种不可取的断屑方式。

改变切削用量或刀具几何参数都能控制切屑形状，常用的断屑槽型式如图2.6所示。

图2.6　常用的断屑槽型式

切削深度与进给率必须适合于刀片槽形的断屑范围。断屑过度可能会导致刀片破裂，断屑

过长会导致切削过程中出现干扰以及较差的表面质量。如图2.7、图2.8所示为切削深度与进给率之间的关系。每种刀片都有推荐的应用范围。

图2.7　不同的进给量和切削深度对应的断屑范围

·切削深度ap与进给率fn必须适合于槽形的断屑范围，以获得可接受的切屑控制

·断屑过度可能会导致刀片破裂

·切屑过长会导致切削过程中出现干扰以及较差的表面质量

图2.8　刀片槽形的加工范围

图2.9所示为山特维克可乐满公司刀具使用牌号为CNMG120408—PM的刀具半精加工钢［切削用量ap＝3（0.5～5.5）mm、fn＝0.3（0.15～0.5）mm/r］的切削实验结果。

图2.9　山特维克可乐满公司刀具的切削实验结果

2.2　工件材料的分类

在国际上工件材料的分类为：钢（P）、铸铁（K）、有色金属（S）、不锈钢（M）、耐热合金（S）、淬硬钢（H）。

1）钢

是机械加工中使用的主要材料，其中有碳钢和合金钢。碳钢又分为低碳钢、中碳钢、高碳钢。合金钢根据合金成分的多少分为低合金钢和高合金钢，根据合金成分的不同又可分为不同种类的合金钢。

钢材的一般切削性能：低碳钢易产生粘刀现象；中碳钢的切削性能最佳；高碳钢的硬度高，不易加工，而且刀具易磨损。

2）不锈钢的切削性能

碳钢中含Cr量超过12%时，可以防锈。同样，不锈钢中含碳量达到一定时，也可以淬硬。不锈钢按大区可分为铁素体不锈钢，马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。镍也是一种添加剂，它可以提高钢的淬硬性和稳定性，当镍的含量达到一定程度时，不锈钢就拥有了奥氏体结构，不再具有磁性，加工时硬化倾向严重，易产生毛面和积屑瘤，车削螺纹效果不佳，易产生积屑瘤，表面粗糙，切屑缠绕。

3）铸铁的切削性能

当加工铸铁时，一定要分析它的结构与材质。灰铸铁中含硅量的增加，促使铸铁强度增加，延展性降低，积屑瘤倾向减小。白口铁的加工比较特别，它要求刀片的刃口为倒角型式，一般用CBN与陶瓷刀片来代替磨削。加工铸铁的刀片要求具有高的热硬性、化学稳定性，一般将陶瓷与硬质合金一起应用。大多数铸铁的加工是比较容易的，灰铸铁是短屑的，而球墨铸铁与可锻铸铁都是长屑的。

4）铝合金及其切削加工性能

现代制造业广泛使用铝合金（而非纯铝），工件一般可分为锻造件和铸造件。

铝合金中的添加元素主要是铜（增加应力改善切削性能），锰、硅（提高抗锈性和可铸性），锌（提高硬度）。铝合金中的硅，是改善其铸造性能、内部结构和应力。这种铝合金铸件是不可热处理的；但铜的加入却使其相反。铝合金的加工性能应该是好的，很低的切削温度允许很高的切削速度，但切屑不易控制。

铝合金刀具要求有大的前角，甚至有些刀柄都是为铝合金加工而专门设计的。

积屑瘤最常见也最难解决，这种情况多见于通用型刀具加工铝合金，甚至在很高的切削速度下也不能消除。

后刀面磨损过快源自铝铸件中硅的存在，而金刚石刀具就是专门为解决这一问题的。

铝的高速铣削往往带有过快的刀具磨损，这时应该计算一下平均铣削厚度值（hm），高速下相对的低进给使刀片的切削变成磨削，从而使刀片过早失效。

5）耐热合金的切削性能

此类金属包括：高应力钢、模具钢、某些不锈钢、钛合金等，这些材料的特点是：具有低的热传导率，这使切削区的温度过高，易与刀具材料热焊导致积屑瘤，加工硬化趋向大，磨损加剧，切削力加大，而且波动大。

车削刀片要求刃口槽型的设计能够很好地分散压力，使切削热尽量分布在切屑上，保持热态下刃口锋利。当切削铸造或锻造硬皮时，应降低切削速度。使用正确的、特殊生产的细晶非涂层硬质合金刀片，或者加晶须的合成型陶瓷刀片。供给充足的冷却水，确保屑流无阻。确保工艺系统稳定，无振动倾向。尽量避免断续车削。采用顺铣方法，使切出时切屑最薄。铣刀选择容屑槽要大。

6）淬火钢的切削性能

硬材料是指HRC42～65的工件，以往这些工件的成形往往靠磨削慢慢地加工。当今新的刀具材质已经将它推到车削与铣削的范畴了。

常见的硬金属包括：白口铁、冷硬铸铁、高速钢、工具钢、轴承钢、淬硬钢。

金属切削的难点在于：切削区内高温度；单位切削力大；后刀面磨损过快和断裂。

要求刀具：抗磨性强；化学稳定性高；耐压和抗弯；刃口强度高。

尽管硬质合金可以加工一些这样的零件，但主要的刀具材质是陶瓷与CBN。

7）钛、钛合金及其切加工的切削性能

按照钛成分的结构，钛合金可分为α、α－β和β三类。

钛合金的热传导性差，所以切屑极易粘在刀刃上。一定要使用切削液。

α钛合金机械加工性能最好，纯钛合金也很好。

从α到α－β再到β，加工难度愈来愈大，要求刀具材质抗磨性增加，抗塑变，抗氧化，高强度，刃口锋利。晶粒细化的非涂层硬质合金，加正确的切削参数以及足够的冷却水，是最好的选择。

钛合金的加工硬化倾向比奥氏体不锈钢弱，但切屑很热，热到可以燃烧。铣削时，同样推荐顺铣和正确的刀具位置。

2.3　常见的切削刀具材料及性能

2.3.1　常见的切削刀具材料

切削刀具材料有：高速钢、硬质合金、涂层刀具材料（其中包括多种涂层材料）、陶瓷材料、CBN、金刚石。

进口的刀片材质，如瑞典的山特维克公司的刀片材质有：焊接用硬质合金和整体高速钢刀头，机夹硬质合金和涂层硬质合金刀片，机夹金属陶瓷刀片，机夹陶瓷刀片和CBN刀片，机夹人造金刚石刀片。

各类刀具材料的硬度和韧性的关系如图2.10所示。

图2.10　各类刀具材料的硬度和韧性

常用刀片材料及其典型切削条件下的线速度范围：

高速钢车刀：20～30m/min，车削HB260普通钢材；

硬质合金：70～90m/min，车削HB260普通钢材；

TiN涂层硬质合金：100～120m/min，车削HB260普通钢材；

氧化铝涂层硬质合金：200～400m/min，车削HB260普通钢材；

金属陶瓷：200～350m/min，车削HB260奥氏体不锈钢；

陶瓷刀片：200～400m/min，车削HB300灰口铸铁；

CBN刀片：400～800m/min，车削灰口铸铁和淬硬钢及耐热合金；

金刚石刀片：1　000～3　000m/min，车削铝合金。

2.3.2　刀具材料的成分组成和特性

1）刀具材料的成分组成

高速钢：典型高速钢成分是W18Cr4V，在刀具材料中硬度较低，可用于硬度较低的工件材料，如：钢、铝等；

硬质合金：WC是硬点，Co是粘结剂，是传统的、用得较多的加工钢材的刀具材料。但随着刀具材料技术的发展，各种涂层刀具的性能更加优秀。

硬质合金涂层刀具：在硬质合金的基体上涂上一层或多层TiCN、Al2O3、陶瓷等材料，使刀具材料的硬度和耐磨性更好，是当前用得最多的刀具材料。

金属陶瓷既不是金属也不是陶瓷，它是一种钛基硬质合金，TiC是硬点，Ni是粘结剂。因为TiC和Ni的溶解度与普通的硬质合金不同，所以金属陶瓷的比重是钨基硬质合金的一半，而硬度是它的两倍，相对韧性较差，所以金属陶瓷适用于高速精加工软钢类材质或不锈钢，可以获得高一倍的切削速度，好一倍的表面光洁度，或长一倍的刀具寿命。

CBN：立方氮化硼，硬度仅次于金刚石，比其他任何材料的硬度至少高出2倍，在许多困难的金属材料切削工序中，能够将生产效率提高10倍，在刀具寿命和金属去除率方面都优于硬质合金和陶瓷。

金刚石：是最硬的材料，能以比硬质合金更快的速度加工非铁合金以及非金属材料，而且成本较低。锋利的切削刃能将切屑从工件上干净利索地切下来，也减小了积屑瘤的形成。在切削条件合适的半精加工和精加工中，采用金刚石刀片可取得极好的加工效果。

2）刀具的分类

刀具从结构上分类可分为：整体式、焊接式和机夹可转位式。

整体式刀具常用的有高速钢车刀、立铣刀等。

焊接车刀的优点在于单刀价格便宜，多次重磨，容易获得锋利刃口，缺点在于速度低（70米以下），寿命短，刃口安全性差。

机夹刀片车刀的优点在于操作简单，换刀对刀容易，刀片涂层，切削速度高，寿命长，刀片生产效率高，刃口安全，刀片磨损一致性强，适合数控机床和生产线的自动化生产，虽然单刀的价格贵，但是在大批量零件或者难加工材料零件的加工中，加工成本最低。

2.4　数控加工工艺基础

2.4.1　数控加工工艺的主要内容

在数控机床上加工零件，首先遇到的问题就是工艺问题。怎样选择数控机床更为经济、合理；怎样选择夹具便于在机床上安装、便于协调零件和机床坐标系的尺寸；怎样选择对刀点才能使编程简单、加工方便；怎样选择进给路线才能提高生产效率；怎样合理安排工序、刀具和确定切削用量，怎样才能保证零件的加工精度和表面粗糙度等等，这些都是数控加工工艺中必须考虑的问题，都是必须在编写程序之前要确定好的。具体包括以下几方面内容：

（1）选择并确定需要进行数控加工的零件及内容；

（2）进行数控加工工艺设计；

（3）对零件图形进行必要的数学处理；

（4）编写加工程序（自动编程时为源程序，由计算机自动生成目标程序——加工程序）；

（5）按程序单制作控制介质；

（6）对程序进行校验与修改；

（7）首件试加工与现场问题处理；

（8）数控加工工艺技术文件的编写与归档。

2.4.2　数控加工工艺的特点

数控加工与通用机床加工相比，在许多方面遵循基本一致的原则，在使用方法上也有很多相似之处。但由于数控机床本身自动化程度较高，设备费用较高，设备功能较强，使数控加工相应形成了如下几个特点：

1）数控加工的工艺内容十分明确而且具体

进行数控加工时，数控机床接受数控系统的指令，完成各种运动，实现对工件的加工。因此，在编制加工程序之前，需要对影响加工过程的各种工艺因素，如切削用量、进给路线、刀具的几何形状，甚至工步的划分与安排等一一作出定量描述，对每一个问题都要给出确切的答案和选择，而不能像用通用机床加工时那样，在大多数情况下对许多具体的工艺问题，由操作工人依据自己的实践经验和习惯自行考虑和决定。也就是说，本来由操作工人在加工中灵活掌握并可通过随时调整来处理的许多工艺问题，在数控加工时就转变为编程人员必须事先具体设计和明确安排的内容。

2）数控加工的工艺工作相当准确而且严密

数控加工不能像通用机床加工时那样，可以根据加工过程中出现的问题由操作者自行调整。比如加工内螺纹时，在普通机床上操作者可以随时根据孔中是否挤满了切屑而决定是否需要退一下刀或先清理一下切屑再加工，而由于数控机床是自动加工，加工过程就不得而知了。所以在数控加工的工艺设计中必须注意加工过程中的每一个细节，做到万无—失。尤其是在对图形进行数学处理、计算和编程时，一定要准确无误。实际工作中，由于一个字符、一个小数点或一个逗号的差错都有可能酿成重大机床事故和质量事故。因为数控机床比同类的普通机床价格高得多，其加工的也往往是一些形状比较复杂、价格也较高的工件，万一损坏机床或工件报废都会造成较大损失。

根据大量加工实例分析，数控工艺考虑不周和计算与编程时粗心大意是造成数控加工失误的主要原因。因此，要求编程人员除必须具备较扎实的工艺基本知识和较丰富的实际工作经验外，还必须具有耐心和严谨的工作作风。

3）数控加工的工序相对集中

一般来说，在普通机床上加工是根据机床的种类进行单工序加工。而在数控机床上加工往往是在工件的一次装夹中完成钻、扩、铰、铣、镗、攻螺纹等多工序的加工。这种“多序合一”现象也属于“工序集中”的范畴，有时在一台加工中心上可以完成工件的全部加工内容。

2.4.3　数控加工的特点与适应性

1）柔性加工程度高

在数控机床上加工工件，主要取决于加工程序。它与普通机床不同，不必制造、更换许多工具、夹具等，一般不需要很复杂的工艺装备，也不需要经常重新调整机床，就可以通过编程把形状复杂和精度要求较高的工件加工出来。因此能大大缩短产品研制周期，给产品的改型、改进和新产品研制开发提供了捷径。

2）自动化程度高，改善了劳动条件

数控加工过程是按输入程序自动完成的，一般情况下，操作者主要是进行程序的输入和编辑、工件的装卸、刀具的准备、加工状态的监测等工作，而不需要进行繁重的重复性的手工操作机床，体力劳动强度和紧张程度可大为减轻，相应的改善了劳动条件。

3）加工精度较高

数控机床是高度综合的机电一体化产品，是由精密机械和自动化控制系统组成的。数控机床本身具有很高的定位精度，机床的传动系统与机床的结构具有很高的刚度和热稳定性。在设计传动结构时采取了减少误差的措施，并由数控系统进行补偿，所以数控机床有较高的加工精度。

4）加工质量稳定可靠

由于数控机床本身具有很高的重复定位精度，又是按所编程序自动完成加工的，消除了操作者的各种人为误差，所以提高了同批工件加工尺寸的一致性，使加工质量稳定，产品合格率高。

5）生产效率较高

由于数控机床具有良好的刚性，允许进行强力切削，主轴转速和进给量范围都较大，可以更合理地选择切削用量，而且空行程采用快速进给，从而节省了机动和空行程时间。数控机床能在一次装夹中加工出很多待加工部件，既省去了通用机床加工时原有的不少辅助工序（如划线、检验等），也大大缩短了生产准备工时。由于数控加工一致性好，整批工件一般只进行首件检验即可，节省了测量和检测时间。因此其综合效率比通用机床加工会有明显提高。

6）良好的经济效益

数控机床加工的工件改变时，只需重新编写加工程序，不需要制造、更换许多工具、夹具和模具，更不需要更新机床。节省了大量工艺装备费用，又因为加工精度高，质量稳定，减少了废品率，使生产成本下降，生产率提高。

7）有利于生产管理的现代化

数控机床加工时，可预先准确计算加工工，所使用的工具、夹具、刀具可进行规范化、现代化管理。数控机床将数字信号和标准代码作为控制信息，易于实现加工信息的标准化管理。数控机床易于构成柔性制造系统（FMS），目前已与计算机辅助设计与制造（CAD/CAM）有机地相结合。数控机床及其加工技术是现代集成制造技术的基础。

虽然数控加工具有上述许多优点，还存在一些不足之处：数控机床设备价格高，初期投资大，此外零配件价格也高，维修费用高，数控机床及数控加工技术对操作人员和管理人员的素质要求也较高。因此，应该合理地选择和使用数控机床，才能提高企业的经济效益和竞争力。

数控加工的适应性：数控机床是一种高度自动化的机床，有一般机床所不具备的许多优点，所以数控机床加工技术的应用范围在不断扩大，但像数控机床这种高度机电一体化产品，技术含量高，成本高，使用与维修都有较高的要求。

根据数控加工的优缺点及国内外大量的应用实践，一般可按适应程度将零件分为下列三类：

1）最适应数控加工零件类

（1）形状复杂，加工精度要求高，用普通机床很难加工或虽然能加工但很难保证加工质量的零件。

（2）用数学模型描述的，具有复杂曲线或曲面轮廓的零件。

（3）具有难测量、难控制进给、难控制尺寸的不开敞内腔的壳体或盒形零件。

（4）必须在一次装夹中合并完成铣、镗、铰或攻螺纹等多工序的零件。

2）较适应数控加工零件类

（1）在通用机床上加工时极易受人为因素干扰，零件价值又高，一旦失控便造成重大经济损失的零件。

（2）在通用机床上加工时必须制造复杂的专用工装的零件。

（3）需要多次更改设计后才能定型的零件。

（4）在通用机床上加工需要做长时间调整的零件。

（5）用通用机床加工时，生产率很低或体力劳动强度很大的零件。

3）不适应数控加工零件类

（1）生产批量大的零件（当然不排除其中个别工序用数控机床加工）。

（2）装夹困难或完全靠找正定位来保证加工精度的零件。

（3）加工余量很不稳定的零件，且在数控机床上无在线检测系统用于自动调整零件坐标位置。

（4）必须用特定的工艺装备协调加工的零件。

综上所述，建议对于多品种小批量零件；结构较复杂，精度要求较高的零件；需要频繁改型的零件；价格昂贵，不允许报废的关键零件和需要最小生产周期的急需零件采用数控加工。

图2.11表示普通机床与数控机床、专用机床的零件加工批量与综合费用的关系。

图2.12表示零件复杂程度及批量大小与机床的选用关系。

图2.11　零件加工批量与综合费用关系

图2.12　数控机床适用范围示意图

2.4.4　数控机床的选用

数控机床的种类很多，常用的有：加工中心、车削中心、数控铣床、数控车床、高速铣、数控磨床、线切割、电火花等。见图2.13～图2.16所示。根据加工内容的不同要选择不同的数控机床进行加工。

图2.13　车削中心

图2.14　加工中心

图2.15　数控钻床

图2.16　高速铣

选择数控机床主要取决于零件加工的内容、零件的尺寸大小、精度的高低。具体要求为：

（1）数控机床的主要规格尺寸应与加工零件的外廓尺寸相适应，即小零件应选小机床，大零件应选大机床，做到设备合理选用。

（2）数控机床的精度要与工序要求的加工精度相适应。

（3）数控机床的生产率应与加工零件的生产类型相适应。单件小批生产选择通用设备，大批量生产选择高效的专用设备。

（4）数控机床的选择还应结合现场的实际情况。例如设备的类型、规格及精度状况、设备负荷的平衡状况及设备的分布排列情况等。

（5）就零件形状和精度而言，一般精度的回转体选择普通数控车床；精度要求高的或回转体端面需铣槽（或钻孔、局部非圆形状）的回转体零件可选择中、高档的数控车床或车削中心；箱体类零件通常选择卧式加工中心；一般零件的铣削加工选择数控铣床；模具类零件或带有曲面轮廓的零件通常选择加工中心（使用CAD/CAM软件产生加工程序）；淬火模具或要求加工时间很短的零件可选择高速铣；零件上孔特别多的可选择数控钻床进行加工。

2.4.5　数控加工的工艺文件

数控加工的工艺文件就是填写工艺规程的各种卡片。常见的工艺文件有：数控加工工序卡、刀具调整卡、程序清单等。数控加工工序卡是数控机床操作人员进行数控加工的主要指导性工艺文件。它主要包括的内容有：①所用的数控设备；②程序号；③零件图号、材料；④本工序的定位、夹紧简图；⑤工序具体加工内容：工步顺序、工步内容；⑥各工步所用刀具；⑦切削用量；⑧各工步所用检验量具等。在铣削、车削加工中心上加工，采用工序集中的方式，一个工序内有许多加工工步，常见的数控加工工序卡如表2.1所示，刀具调整卡的内容有：刀具号、刀具名称、刀柄型号、刀具的直径和长度。常见的刀具调整卡如表2.2所示，程序清单为具体的程序，它存放在计算机中或打孔纸带上，通过计算机的串行口（或读带机）送入数控系统。

表2.1　数控加工工序卡

表2.2　刀具调整卡

1）进给路线的确定

数控加工中进给路线对加工时间、加工精度和表面质量有直接的影响，确定进给路线应考虑确保加工质量、尽可能地缩短走刀路线、编程计算要简单、程序段数和换刀次数要少等多方面因素。主要考虑下列几点：

（1）确定最佳进给方式，寻求最短加工路线，减少或缩短空行程以提高加工效率。

（2）铣削内外轮廓时，进给方向的确定

铣削有顺铣和逆铣两种方式，如图2.17所示。当工件表面无硬皮，机床进给机构无间隙时，应选用顺铣方式安排进给路线。因为采用顺铣加工后，零件已加工表面质量好，刀齿磨损小。精铣时，尤其是零件材料为铝镁合金、钛合金或耐热合金时，应尽量采用顺铣。当工件表面有硬皮，机床的进给机构有间隙时，应选用逆铣，按照逆铣安排进给路线。因为逆铣时，刀齿是从已加工表面切入，不会崩刃；机床进给机构的间隙不会引起振动和爬行。

图2.17　顺铣和逆铣

（3）铣削内腔走刀路线的确定

图2.18所示为铣内槽的走刀路线，行切法路线短，但工件轮廓周边有较大的残余量；环切法计算较复杂且路线较长。因此较佳方案是用行切法粗铣，最后精铣内轮一周，既保证了加工质量，又使计算简单，路线也较短。

图2.18　铣槽走刀路线

（4）铣削外轮廓时的进、退刀路线的确定

铣削平面零件外轮廓时，一般是采用立铣刀侧刃切削。刀具切入零件时，应避免沿零件外轮廓的法向或Z向切入，以避免在切入处由于弹性变形而引起的接刀痕，而应沿切削起始点延伸线或切线方向逐渐切入工件，保证零件曲线的平滑过渡。同样，在切离工件时，也应避免在切削终点处直接抬刀，要沿着切削终点延伸线或切线方向逐渐切离工件（见图2.19）。

图2.19　铣削外轮廓的进、退刀路线

（5）铣削内轮廓的进给路线

铣削封闭的内轮廓表面时，同铣削外轮廓一样，刀具同样不能沿轮廓曲线的法向切入和切出，此时刀具可以沿一过渡圆弧切入和切出工件轮廓，图2.20所示为铣切内腔的进给路线。

图2.20　内腔精加工切入/切出路径

（6）铣削曲面的进给路线与加工效果

对于曲面加工不论是精加工还是粗加工都有多种切削方式，针对不同的加工零件形状，选择一种进给路径较短的方式。如图2.21（b）所示的路径比图（a）的路径短。

图2.21　曲面加工的不同走刀路径

此外还必须考虑残余量大小的一致性，如平行铣削方式，平行X轴方向走刀，垂直走刀路径的曲面残余量小，平行走刀路径的曲面残余量大，如图2.22（a）所示。这种粗加工结果不符合精加工的要求。如改用45°方向走刀，效果如图（b）所示，虽然还有局部小地方残余量还比较大，但残余量大小的一致性就好得多。

图2.22　铣削曲面的两种进给路线

曲面精铣时如图2.23所示，使用平头刀和球头刀进给路径相同，但使用平头刀和球头刀效果是不同的。图（b）是使用球头刀铣削的，圆圈中所示的切削效果比图（a）用平头刀铣削的效果要好。但底面（平面）的铣削用平头刀比球头刀效果好。

图2.23　曲面铣削用不同刀具类型产生的不同效果

在高速铣削中选择走刀路径的方式，既要考虑刀具路径的长短，又要考虑刀具的受力。高速铣削方式下为了使切削力小且脉动小，在槽切削中通常采用摆线式切削（见图2.24）。

图2.24　传统切削方式与高速摆线切削方式

（7）Z向进给方式选择

通常采用二刃键槽铣刀直接进刀，进刀路线短，但该方式进刀速率较小，加工效率不高，而且刀具中心部位刀刃的切削速度为零，刀刃容易损坏。当采用直径较大的镶片立铣刀或高速铣削方式时，采用坡走铣或螺旋下刀方式，刀刃的切削速度不为零，在刀具中心部位没有刀刃的情况下，也能连续地向负Z方向进刀，且刀刃不容易损坏。图2.25（a）所示为坡走铣、图（b）所示为螺旋式Z向进刀方式。

图2.25　坡走铣与螺旋式Z向进刀方式

（8）避免在进给中途停顿，导致由于切削力逐渐减少，刀具弹性恢复而形成的刀痕。

（9）避免反向间隙对尺寸精度的影响。如孔距精度要求高时，刀具应同向进行点定位。

2）夹具的选择

（1）夹具的作用

保证加工质量、提高机床加工精度等级。如相对位置精度的保证，精度一致性的保证。

提高生产率：用夹具来定位、夹紧工件，避免了手工找正等操作，缩短了安装工件的时间；减轻劳动强度：如可用气动、电动夹紧；扩大机床的工艺范围：在机床上安装一些夹具就可以扩大其工艺范围，如在数控铣床上加一个数控分度盘，就可以在圆柱面上加工螺旋槽。

（2）夹具的分类

夹具有多种分类方法：从专业化程度分，从使用机床的类型分，从动力来源分。以下从专业化程度来分，可分为：

通用夹具：如常见的三爪卡盘、台虎钳、V形块、分度头和转台等。通常作为数控机床、通用机床的附件。

专用夹具：根据零件工艺过程中某工序的要求专门设计的夹具，此夹具仅用于该工序的零件加工，都是用于成批和大量生产中。

组合夹具：由很多标准件组合而成，可根据零件加工工序的需要拼装，用完后再拆卸，可用于单件、小批生产。数控铣床、加工中心用得较多。

单件小批量生产时，应优先选用组合夹具、通用夹具或可调夹具，以节省费用和缩短生产准备时间。成批生产时，可考虑采用专用夹具，但要力求结构简单。装卸工件要方便可靠，以缩短辅助时间，有条件且生产批量较大时，可采用液动、气动或多工位夹具，以提高加工效率。除上述几点外，还要求夹具在数控机床上安装准确，能协调工件和机床坐标系的尺寸关系。

3）切削用量的选择

切削用量主要根据刀具的耐用度、工件材料以及机床－工件－刀具系统的刚性来选择。它包括主轴转速、切削深度、切削宽度、进给速度等。

所以在选择粗加工切削用量时，应优先采用大的切削深度，其次考虑采用大的进给量，最后选择合理的切削速度。

工厂中实际切削用量制定的通常方法是：

（1）经验估算法　凭工艺人员的实践经验估计切削用量。

（2）查表修正法　将工厂生产实践和试验研究积累的有关切削用量的资料制成表格，并汇编成册。确定切削用量时根据零件材料、刀具材料从手册中查出切削速度v和每转进给量f0，以此计算出主轴转速和进给速度，再结合工厂的实际情况进行适当修正。计算公式如下：

式中：K——工件—刀具—机床系统的刚性修正系数；

　　　D——铣刀直径；

　　　Z——铣刀齿数。

针对球头刀（球头部切削，还与切削深度有关，如图2.26所示），用以下公式计算主轴转速n、XY平面进给速度fXY、Z向进给速度fZ。

图2.26　球头刀切削截面

式中：ap——实际切削深度。

切削深度应根据工件的加工余量和机床—夹具—刀具—工件系统的刚性来确定。在保留半精加工、精加工必要余量的前提下，应当尽量将粗加工余量一次切掉。只有当总加工余量太大，一次实在切不完时，才考虑分几次走刀。走刀次数多，从辅助时间来说，是不合算的。粗加工时限制进给量提高的因素是切削力。进给量主要根据机床—夹具—刀具—工件系统的刚性和强度来确定。在工艺系统的刚性和强度好的情况下，可选用大一些的进给量；在切削细长轴类、铣削大平面薄板件等刚性差的零件时，首先要考虑怎样提高加工系统的刚性，切削用量的选择要使加工系统的变形、震动控制在不影响加工精度的范围内。断续切削时为减少冲击，应降低一些切削速度和进给量。车内孔时刀杆刚性差，应适当采用小一些的切削深度和进给量。车端面时可适当提高一些切削速度，使平均速度接近车外圆时的数值。

加工大型工件时，机床和工件的刚性较好，可采用较大的切削深度和进给量，但切削速度则应降低，以保证必要的刀具耐用度，同时也使工件旋转时的离心力不致太大。

加工精度、表面质量与切削用量的选择

半精加工、精加工时首先要保证加工精度和表面质量，同时应兼顾必要的刀具耐用度和生产效率。

半精加工、精加工时切削深度根据粗加工留下的余量确定。限制进给量提高的主要因素是表面光洁度。为了减小工艺系统的弹性变形，减小已加工表面的残留面积高度，半精加工尤其是精加工时一般多采用较小的切削深度和进给量。在切削深度和进给量确定之后，一般也是在保证合理刀具耐用度的前提下确定合理的切削速度。

为了抑制积屑瘤和鳞刺的产生，以提高表面质量，用硬质合金刀具进行精加工时一般多采用较高的切削速度；高速钢刀具则一般多采用较低的切削速度。例如，硬质合金精车刀的切削速度一般在1.33～1.67m/s（80～100m/min）以上。

精加工时刀尖磨损往往是影响加工精度的重要因素，因此应选用耐磨性好的刀具材料，并尽可能使之在最佳切削速度范围内工作。

2.5　典型零件加工工艺制定

2.5.1　可乐瓶底加工工艺制定实例

可乐瓶底模腔的铣削加工，零件材料：8407HRC52，尺寸：120×120×100。

机床型号：MCV810。是山特维克可乐满刀片性能展示切削实例。

加工工序：①预钻孔（预钻直径为14mm的下刀孔）；②摆线粗加工（去除腔体中的大部分材料）；③等高粗加工（瓶底部的二次粗加工）和半精加工（瓶腔体侧面的半精加工）；④等高精加工（瓶腔体的最终的精加工）。

（1）工序1：螺旋铣预孔（见图2.27）

切削速度vc：188m/min

转速n：5　730r/min

Step　1：

孔径：18mm

切削宽度ae：9mm

切削深度ap：1.5mm

进给率f：802mm/min

Step　2：

孔径：14mm

切削宽度ae：7mm

切削深度ap：1.5mm

进给率f：802mm/min

图2.27　螺旋铣预孔

（2）工序2：摆线粗加工（见图2.28）

切削速度vc：220m/min

转速n：4　000r/min

进给率f：1　200mm/min

刀具伸长：42mm

切削宽度ae：0.5mm

切削深度ap：5～18mm

刀具寿命：13个＞400m

图2.28　摆线粗加工

（3）工序3：粗加工和半精加工（等高二次）（见图2.29）

①二次粗加工上层侧壁

切削速度vc：250m/min

转速n：7　960

进给率f：1　857mm/min

切削宽度ae：1.2mm

切削深度ap：1.2mm

刀具伸长：42mm

②二次粗加工下层小凹窝

切削速度vc：250m/min

转速n：7　960

进给率f：1　273mm/min

……

半精加工：

vc：280m/min

n：9　000

f：1　890mm/min

图2.29　半精加工

（4）工序4：等高精加工（见图2.30）

切削速度vc：251m/min

转速n：10　030

进给率f：1　650mm/min

切削宽度ae：0.25mm

切削深度ap：0.25mm

刀具伸长：42mm

使用Coro－Grip液压刀柄

图2.30　等高精加工

2.5.2　叶片加工工艺制定实例

山特维克的可满乐刀片性能展示切削实例。

（1）工序1：粗加工菱形钢块

五轴坡走铣—CM300，如图2.31所示。

图2.31　五轴坡走铣粗加工

（2）工序2：粗加工叶形

变切深等高铣—CM300，如图2.32所示。

图2.32　变切深等高铣

（3）工序3：粗加工叶根/叶冠

点铣—R216，如图2.33所示。

图2.33　点钻粗加工叶根

（4）工序4：半精加工叶形

五轴螺旋滚铣—CM300，如图2.34所示。

图2.34　五轴螺旋滚铣叶面

（5）工序5：精加工叶根/叶冠

点铣—锥形球头立铣刀，如图2.35所示。

图2.35　锥形球头刀铣叶根/叶冠

（6）工序6：精加工叶形

五轴螺旋滚铣－整体硬质合金铣刀，如图2.36所示。

图2.36　五轴螺旋精铣叶面

（7）工序7：铣装配槽

槽铣－整体硬质合金，如图2.37所示。

图2.37　铣槽

（8）工序8：精加工安装面

面铣CM390，如图2.38所示。

图2.38　精加工安装面

2.5.3　凸凹腔加工工艺制定实例

山特维克的可乐满刀片性能展示切削实例——T1：CoroMill?345

（1）工序1：面铣——圆弧切入（见图2.39）

刀具型号：

345－063Q22－13H

345R－1305M－PL GC4230

切削参数：

ap：1.5mm

vc：320m/min

fz：0.375mm/z

f：3　638mm/min

ae：39mm

图2.39　铣削零件毛坯面和加工用刀具

图2.40　铣削凸台和加工用刀具

T2：CoroMill?490如图2.40所示。

（2）工序2：方肩铣——圆弧切入

刀具型号：

490－050Q22－08M

490R－08T316M－PM GC1030

切削参数：

vc：320m/min

fz：0.20mm/z

f：2　038mm/min

ap：3mm

ae：13.5mm

T3：CoroMill?300

（3）工序3：螺旋插补铣孔（见图2.41）

刀具型号：

R300－032A25－12H

R300－1240E－PM GC1030

切削参数：

ae：1.5mm

vc：220m/min

fz：0.23mm/z

ap：26mm

T4：CoroMill?210

图2.41　铣凹腔和加工用刀具

图2.42　铣凹腔和加工用刀具

（4）工序4：螺旋插补铣孔（见图2.42）

刀具型号：

R210－032A25－09H

R210－090414E－PM GC1030

切削参数：

ap：26mm

ae：1.5mm

vc：220m/min

fz：0.32mm/z

T5：CoroMill?490

（5）工序5：螺旋插补精镗孔（见图2.43）

刀具型号：

490－025A25－08M

490R－08T308M－PM GC1030

切削参数：

ap：2mm

ae：0.2mm

vc：220m/min

fz：0.12mm/z

T6：CoroMill?316

图2.43　螺旋插补精镗孔

（6）工序6：螺旋插补精镗孔（见图2.44）

刀具型号：

图2.44　螺旋插补精镗孔

E12－A16－SS－065

316－12FM650－12000LGC1030

切削参数：

ap：2.0mm

ae：0.2mm

vc：150m/min

fz：0.055mm/z

T7：CoroMill?316

图2.45　插铣边槽

（7）工序7：插铣（见图2.45）

刀具型号：

E16－A20－SS－110

316－16SM450－16010PGC1030

切削参数：

ap：5.0mm

ae：3.0mm

vc：150m/min

fz：0.04mm/z

所有工序加工完成的零件成品如图2.46所示。

图2.46　凹凸腔零件