數控機床必備金屬切削基礎知識

■ 北京南口軌道交通機械有限責任公司 （102202）

鄭文虎 李秋彤

機械加工（含磨削）是機械制造工業的主導加工方法，絕大部分機械零件的最后工序仍需經過機械加工。所以說，切削加工是機械制造的基礎，金屬切削理論是指導切削加工的基礎理論。據專家估計，目前切削加工仍占機械加工工作量的90%以上。所以，只要進行切削加工工作，就必須掌握金屬切削理論。

1. 數控機床金切知識

（1）學習和掌握工件材料的切削加工性，合理地選擇切削條件。工件材料在切削加工時的難易程度，稱為材料的切削加工性。材料在切削加工時難，它的切削加工性就差，反之就易。決定工件材料切削加工性難與易的因素有：材料的化學成分與配比、材料的物理與力學性能及材料的金相組織等。材料的化學成分與配比又決定了材料的物理、力學性能和金相組織及熱處理后的性能。它影響著切削條件的選擇與切削參數的確定，是編程必須考慮的主要問題。工件材料按它們的性能，其切削加工性可分易、較易、較難和難等12級。在了解其材料性能和切削特點后，抓住其中影響切削加工性的主要矛盾，就可以合理地去選擇刀具材料、刀具（刀片）的幾何參數、切削用量、切削液及刀具（片）槽型。為了保證加工精度和已加工表面粗糙度值，還可根據工件材料的切削加工性與切削條件，確定刀具磨損限度或刀具壽命及切屑形狀與排出方式。

（2）學習和掌握刀具材料的性能特點與應用，為合理選用刀具材料獲得理論依據。現代用于切削的刀具材料有：高速鋼（包括高性能高速鋼和涂層高速鋼）、硬質合金（包括新牌號、涂層、鋼結及TiC基硬質合金）、陶瓷、P C B N及金剛石（包括天然金剛石、P C D和CVD）。總計牌號達100多個。每個牌號都有各自的性能特點和使用范圍，這是每個編程和使用數控機床的人員必須要掌握的刀具知識。只有根據工件材料合理地選擇刀具材料，才能獲得較理想的切削效果，使刀具在合理的切削用量條件下有合理的壽命，而減少停機換刀的輔助時間。選用數控機床所用刀具材料，應盡量選用切削性能優良的、使用壽命高的刀具材料。如涂層高速鋼和硬質合金，在切削有色金屬時選用PCD、CVD和金剛石涂層硬質合金，其刀具壽命為一般刀具的幾十倍到幾百倍，加工質量也易保證。

（3）掌握好刀具幾何參數的選擇，使刀具獲得合理的切削性能。現代的數控機床所使用的刀具，采用可轉位刀片的機夾類刀具，它的幾何參數的形成是由刀片幾何參數和刀桿上刀片安裝槽的有關參數結合而成。不同用途材質的刀片，它的形狀和斷屑槽型及刀片前、后角與刀尖角、刀尖圓弧半徑不同。這就要求在選擇時要根據工件材料、工件結構與形狀、加工階段（粗、精加工）和切屑的排斷來綜合考慮。這些參數的選擇，必須以切削理論和經驗為基礎，才能使切削獲得應有的效果。

（4）掌握切削過程中物理、力學現象，合理選擇切削用量與刀具幾何參數。在切削過程中，由于有刀具和工件、切屑與刀具的摩擦和被切材料的彈、塑性變形，就產生了切削力和切削熱；由于有工件材料的塑性變形和切削溫度的影響，就可能產生積屑瘤；由于有切削力和切削熱的影響，就產生了刀具磨損；由于工件材料和刀具材料的不同，就產生了各種不同的刀具磨損形式；由于工件材料的不同，在切削過程中切削表面和已加工表面的冷硬現象（程度與深度）也不同等等。這些在切削過程中產生的物理、力學現象，除對刀具幾何參數的合理選擇有要求外，將對切削用量的選擇起直接作用。用數控機床切削加工時，也同樣要遵循普通切削機床的切削規范。在選擇切削速度Vc時，首先要了解工件材料的相對切削加工性。

不同材料的相對切削加工性，相差幾倍到幾十倍，所以在相同刀具壽命的情況下，其切削速度也同樣相差幾倍或幾十倍。不同刀具材料的耐熱性不同，在相同的工件材料情況下，采用的切削速度也不同。切削加工性好的工件材料和使用耐熱性高的刀具材料，其切削速度Vc就高，反之則低。如采用硬質合金刀具切削銅、鋁合金時，Vc可達1 000m/min，切削鑄造高溫合金時，Vc則只有10m/min左右；采用PCD 或CVD刀具切削銅、鋁合金時，Vc可達1 000m/min以上，而用這種刀具來切削硬質合金時，Vc只有30m/min左右。所以說使用數控機床在選擇切削速度時，也應遵循普通切削機床的規范。只不過數控機床所使的大多是涂層刀具，因為刀片（具）表面涂有高硬度（1 950～4 000HV）的金屬或非金屬，其切削速度可比不涂刀片（具）高30%～50%。

切削時切削熱的大小，除受工件材料和刀具材料的導熱系數及切削液的影響外，也受切削速度的影響。它影響著刀具磨損和刀具壽命，同時也影響積屑瘤的產生與消失。所以，在精加工時為了保證已加工表面粗糙度值，必須選用合適的切削速度，以控制切削溫度來抑制積屑瘤的產生。機床功率大、工件材料單位切削力小、刀桿強度和剛性好、毛坯余量大時，切削深度就大。進給量的大小取決于機床剛性和已加工表面質量與刀尖圓弧半徑rε的大小及它們之間的關系，同時也和工件材料的加工硬化深度有關。機床的剛性好、刀尖圓弧半徑大、工件材料硬化深度大，進給量就可選擇大一些。

刀尖圓弧半徑和表面粗糙度的關系式

式中，h是加工表面輪廓高度（μm）；f是每跨進給量（mm/r）；rε是刀具刀尖圓弧半徑（mm）。

當在切削加工時，進給量f和表面粗糙度值Ra確定后，所選擇的刀尖圓弧半徑的計算如下：

式中，rε是刀具刀尖圓弧半徑（μm）；f是每跨進給量（mm/r）； h是加工表面輪廓高度（μm）。

（5）掌握各種切削液的特點，合理選用切削液。切削液在切削過程中起著冷卻、潤滑、清洗和防銹4大作用。不同的切削液偏重特點不同。所以在選用切削液時，要根據工件材料、加工工序和加工階段等綜合因素來考慮。粗加工時，采用以冷卻性能為主兼顧潤滑的水溶液、乳化液或極壓乳化液的切削液；精加工時，應采用潤滑性良好的極壓乳化液、極壓切削油，以減小刀具與工件的摩擦，抑制積屑瘤的產生，提高刀具壽命和保證已加工表面質量；在切削一些難切削材料和難加工工序時，切削液的選用和其作用更不可忽視，因為它是改善工件材料切削加工性的重要措施之一。現代數控機床都配備了強大且良好的冷卻潤滑系統和性能優良的切削液（極壓切削液），就可見切削液在切削中的地位與作用。

（6）合理地制定刀具壽命，達到合理的生產效率與加工成本。使用數控機床也同樣有一個制定合理刀具壽命的問題。刀具壽命定高了，就會降低切削用量中的切削速度，使生產效率變低，加工的工時就長得多，雖然刀具成本下降，但綜合加工成本也高；反之，刀具壽命定低了，雖然生產效率上去了，但由于刀具磨損快，不僅加工質量難以保證，而且增加了數控機床的換刀、對刀的輔助時間，而使價格較高的數控刀具費用增加，也同樣使加工的綜合成本。對不同成本的數控刀具，應制定不同的、合理的壽命。根據國外的經驗，單刃（簡單）和成本低的刀具，刀具壽命可制定得低一些，一般T為30～60min；多刃復雜、價格高的刀具，刀具壽命可制定得高一些，一般T為240～480min；但超硬刀具切削加工有色金屬時，其刀具壽命T為幾十小時到幾百小時，這時的切削速度可達1 000m/min以上。

（7）掌握切屑控制措施，保證數控車床的切削順利進行。在臥式機床上切削高強度、高韌性、及高塑性的工件材料時，切屑控制是保證正常切削和人身安全的重要手段。其中，保證數控車床正常切削更為重要。如果切屑纏繞在工件、刀具和夾具上，就會影響工作的正常進行，所以，在選擇數控車床所使用的車刀片斷屑槽型時要特別注意。根據經驗和有關資料介紹，在粗車時，選用R型；精車時，選用F型；M型用于普通車削加工。但是一定的斷屑槽，適用于一定的切削用量范圍。如果超出規定的切削用量范圍，就可能出現帶狀屑或纏亂的切屑。因此，在選好刀具（片）和切削用量后，在試切時應注意這點。如果有帶狀或纏亂的切屑，就應適當調整切削用量或更換不同斷屑槽的刀片。

（8）掌握磨削的基礎知識，充分發揮數控磨床的效能。磨削也是一種切削方式，它的“刀具”是砂輪。要掌握磨削過程的規律，了解現代各種磨料的性能特點與用途，了解各種磨料砂輪的特性（粒度、硬度、組織和結合劑）、平衡、安裝及修整等知識；還要了解現代的高速磨削、強力磨削、緩進給磨削、成形磨削、砂帶磨削的特點與磨削過程中常出現的問題和防止（解決）措施等知識。這些知識與經驗是運用好數控磨床必不可少的條件。

數控機床是一種用數字和符號構成的以數值信息控制的自動化機床，這些數字和信息輸入的背后，是靠金屬切削基礎知識和金屬切削的豐富經驗來支撐的。如缺乏這些基礎和經驗，就不能很好地根據工件材料、結構、精度和表面質量，使用和發揮數控機床的效能。

2. 結語

隨著科學技術的迅速發展，數控機床的應用日益擴大，將取代大部分普通切削機床，以適應現代化生產的需要。但是，要充分發揮數控機床進行切削加工，達到低耗、高效及高質量的目的，除熟練掌握數控機床的性能和編程規則外，還必須系統掌握金屬切削原理與刀具的知識，只有兩者有機、靈活地結合在一起，才能使數控機床發揮出更大的技術與經濟效益。

[1] 北京市《金屬切削與實踐》編委員會.金屬切削原理與實踐[M].北京：北京出版社，1985.

[2] 鄭文虎，張玉林，詹明榮.難切削材料加工技術問答[M].北京：北京出版社，2001.

[3] 中國機械工程學會生產工程分會.面向21世紀的生產工程[M].廣東：廣東省科技音像出版社，2001.