数控机床必备金属切削基础知识

■ 北京南口轨道交通机械有限责任公司 （102202）

郑文虎 李秋彤

机械加工（含磨削）是机械制造工业的主导加工方法，绝大部分机械零件的最后工序仍需经过机械加工。所以说，切削加工是机械制造的基础，金属切削理论是指导切削加工的基础理论。据专家估计，目前切削加工仍占机械加工工作量的90%以上。所以，只要进行切削加工工作，就必须掌握金属切削理论。

1. 数控机床金切知识

（1）学习和掌握工件材料的切削加工性，合理地选择切削条件。工件材料在切削加工时的难易程度，称为材料的切削加工性。材料在切削加工时难，它的切削加工性就差，反之就易。决定工件材料切削加工性难与易的因素有：材料的化学成分与配比、材料的物理与力学性能及材料的金相组织等。材料的化学成分与配比又决定了材料的物理、力学性能和金相组织及热处理后的性能。它影响着切削条件的选择与切削参数的确定，是编程必须考虑的主要问题。工件材料按它们的性能，其切削加工性可分易、较易、较难和难等12级。在了解其材料性能和切削特点后，抓住其中影响切削加工性的主要矛盾，就可以合理地去选择刀具材料、刀具（刀片）的几何参数、切削用量、切削液及刀具（片）槽型。为了保证加工精度和已加工表面粗糙度值，还可根据工件材料的切削加工性与切削条件，确定刀具磨损限度或刀具寿命及切屑形状与排出方式。

（2）学习和掌握刀具材料的性能特点与应用，为合理选用刀具材料获得理论依据。现代用于切削的刀具材料有：高速钢（包括高性能高速钢和涂层高速钢）、硬质合金（包括新牌号、涂层、钢结及TiC基硬质合金）、陶瓷、P C B N及金刚石（包括天然金刚石、P C D和CVD）。总计牌号达100多个。每个牌号都有各自的性能特点和使用范围，这是每个编程和使用数控机床的人员必须要掌握的刀具知识。只有根据工件材料合理地选择刀具材料，才能获得较理想的切削效果，使刀具在合理的切削用量条件下有合理的寿命，而减少停机换刀的辅助时间。选用数控机床所用刀具材料，应尽量选用切削性能优良的、使用寿命高的刀具材料。如涂层高速钢和硬质合金，在切削有色金属时选用PCD、CVD和金刚石涂层硬质合金，其刀具寿命为一般刀具的几十倍到几百倍，加工质量也易保证。

（3）掌握好刀具几何参数的选择，使刀具获得合理的切削性能。现代的数控机床所使用的刀具，采用可转位刀片的机夹类刀具，它的几何参数的形成是由刀片几何参数和刀杆上刀片安装槽的有关参数结合而成。不同用途材质的刀片，它的形状和断屑槽型及刀片前、后角与刀尖角、刀尖圆弧半径不同。这就要求在选择时要根据工件材料、工件结构与形状、加工阶段（粗、精加工）和切屑的排断来综合考虑。这些参数的选择，必须以切削理论和经验为基础，才能使切削获得应有的效果。

（4）掌握切削过程中物理、力学现象，合理选择切削用量与刀具几何参数。在切削过程中，由于有刀具和工件、切屑与刀具的摩擦和被切材料的弹、塑性变形，就产生了切削力和切削热；由于有工件材料的塑性变形和切削温度的影响，就可能产生积屑瘤；由于有切削力和切削热的影响，就产生了刀具磨损；由于工件材料和刀具材料的不同，就产生了各种不同的刀具磨损形式；由于工件材料的不同，在切削过程中切削表面和已加工表面的冷硬现象（程度与深度）也不同等等。这些在切削过程中产生的物理、力学现象，除对刀具几何参数的合理选择有要求外，将对切削用量的选择起直接作用。用数控机床切削加工时，也同样要遵循普通切削机床的切削规范。在选择切削速度Vc时，首先要了解工件材料的相对切削加工性。

不同材料的相对切削加工性，相差几倍到几十倍，所以在相同刀具寿命的情况下，其切削速度也同样相差几倍或几十倍。不同刀具材料的耐热性不同，在相同的工件材料情况下，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热性高的刀具材料，其切削速度Vc就高，反之则低。如采用硬质合金刀具切削铜、铝合金时，Vc可达1 000m/min，切削铸造高温合金时，Vc则只有10m/min左右；采用PCD 或CVD刀具切削铜、铝合金时，Vc可达1 000m/min以上，而用这种刀具来切削硬质合金时，Vc只有30m/min左右。所以说使用数控机床在选择切削速度时，也应遵循普通切削机床的规范。只不过数控机床所使的大多是涂层刀具，因为刀片（具）表面涂有高硬度（1 950～4 000HV）的金属或非金属，其切削速度可比不涂刀片（具）高30%～50%。

切削时切削热的大小，除受工件材料和刀具材料的导热系数及切削液的影响外，也受切削速度的影响。它影响着刀具磨损和刀具寿命，同时也影响积屑瘤的产生与消失。所以，在精加工时为了保证已加工表面粗糙度值，必须选用合适的切削速度，以控制切削温度来抑制积屑瘤的产生。机床功率大、工件材料单位切削力小、刀杆强度和刚性好、毛坯余量大时，切削深度就大。进给量的大小取决于机床刚性和已加工表面质量与刀尖圆弧半径rε的大小及它们之间的关系，同时也和工件材料的加工硬化深度有关。机床的刚性好、刀尖圆弧半径大、工件材料硬化深度大，进给量就可选择大一些。

刀尖圆弧半径和表面粗糙度的关系式

式中，h是加工表面轮廓高度（μm）；f是每跨进给量（mm/r）；rε是刀具刀尖圆弧半径（mm）。

当在切削加工时，进给量f和表面粗糙度值Ra确定后，所选择的刀尖圆弧半径的计算如下：

式中，rε是刀具刀尖圆弧半径（μm）；f是每跨进给量（mm/r）； h是加工表面轮廓高度（μm）。

（5）掌握各种切削液的特点，合理选用切削液。切削液在切削过程中起着冷却、润滑、清洗和防锈4大作用。不同的切削液偏重特点不同。所以在选用切削液时，要根据工件材料、加工工序和加工阶段等综合因素来考虑。粗加工时，采用以冷却性能为主兼顾润滑的水溶液、乳化液或极压乳化液的切削液；精加工时，应采用润滑性良好的极压乳化液、极压切削油，以减小刀具与工件的摩擦，抑制积屑瘤的产生，提高刀具寿命和保证已加工表面质量；在切削一些难切削材料和难加工工序时，切削液的选用和其作用更不可忽视，因为它是改善工件材料切削加工性的重要措施之一。现代数控机床都配备了强大且良好的冷却润滑系统和性能优良的切削液（极压切削液），就可见切削液在切削中的地位与作用。

（6）合理地制定刀具寿命，达到合理的生产效率与加工成本。使用数控机床也同样有一个制定合理刀具寿命的问题。刀具寿命定高了，就会降低切削用量中的切削速度，使生产效率变低，加工的工时就长得多，虽然刀具成本下降，但综合加工成本也高；反之，刀具寿命定低了，虽然生产效率上去了，但由于刀具磨损快，不仅加工质量难以保证，而且增加了数控机床的换刀、对刀的辅助时间，而使价格较高的数控刀具费用增加，也同样使加工的综合成本。对不同成本的数控刀具，应制定不同的、合理的寿命。根据国外的经验，单刃（简单）和成本低的刀具，刀具寿命可制定得低一些，一般T为30～60min；多刃复杂、价格高的刀具，刀具寿命可制定得高一些，一般T为240～480min；但超硬刀具切削加工有色金属时，其刀具寿命T为几十小时到几百小时，这时的切削速度可达1 000m/min以上。

（7）掌握切屑控制措施，保证数控车床的切削顺利进行。在卧式机床上切削高强度、高韧性、及高塑性的工件材料时，切屑控制是保证正常切削和人身安全的重要手段。其中，保证数控车床正常切削更为重要。如果切屑缠绕在工件、刀具和夹具上，就会影响工作的正常进行，所以，在选择数控车床所使用的车刀片断屑槽型时要特别注意。根据经验和有关资料介绍，在粗车时，选用R型；精车时，选用F型；M型用于普通车削加工。但是一定的断屑槽，适用于一定的切削用量范围。如果超出规定的切削用量范围，就可能出现带状屑或缠乱的切屑。因此，在选好刀具（片）和切削用量后，在试切时应注意这点。如果有带状或缠乱的切屑，就应适当调整切削用量或更换不同断屑槽的刀片。

（8）掌握磨削的基础知识，充分发挥数控磨床的效能。磨削也是一种切削方式，它的“刀具”是砂轮。要掌握磨削过程的规律，了解现代各种磨料的性能特点与用途，了解各种磨料砂轮的特性（粒度、硬度、组织和结合剂）、平衡、安装及修整等知识；还要了解现代的高速磨削、强力磨削、缓进给磨削、成形磨削、砂带磨削的特点与磨削过程中常出现的问题和防止（解决）措施等知识。这些知识与经验是运用好数控磨床必不可少的条件。

数控机床是一种用数字和符号构成的以数值信息控制的自动化机床，这些数字和信息输入的背后，是靠金属切削基础知识和金属切削的丰富经验来支撑的。如缺乏这些基础和经验，就不能很好地根据工件材料、结构、精度和表面质量，使用和发挥数控机床的效能。

2. 结语

随着科学技术的迅速发展，数控机床的应用日益扩大，将取代大部分普通切削机床，以适应现代化生产的需要。但是，要充分发挥数控机床进行切削加工，达到低耗、高效及高质量的目的，除熟练掌握数控机床的性能和编程规则外，还必须系统掌握金属切削原理与刀具的知识，只有两者有机、灵活地结合在一起，才能使数控机床发挥出更大的技术与经济效益。

[1] 北京市《金属切削与实践》编委员会.金属切削原理与实践[M].北京：北京出版社，1985.

[2] 郑文虎，张玉林，詹明荣.难切削材料加工技术问答[M].北京：北京出版社，2001.

[3] 中国机械工程学会生产工程分会.面向21世纪的生产工程[M].广东：广东省科技音像出版社，2001.