作者：白图娅、杨胜军 主编
出版社：化学工业出版社
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数控车床编程与操作试读：
前言
前 言人才培养离不开优秀的教材，编写本教材的初衷植根于当前形势下改变传统数控教学以讲授为主的教学方法，激发学生学习的兴趣和动力，培养学生的探究意识和创新能力及从多角度解决问题的能力。
编写本教材的教师都有十年以上的数控技术理论与教学实践，积累了丰富的经验。本教材编制过程中得到内蒙古自治区高等教育科学研究“十三五”项目（高职数控加工理实一体化教学和考试研究，项目编号：NMGJGH2016186）的支持和“高职数控加工与编程课程项目化教学研究”的支持。本书既是两个项目的成果，也是理实一体项目化教学总结。
本书的特点是以“学工结合”为切入点，以“理实一体”为模式，按照职业岗位技能为需求和国家职业技能鉴定为标准而开发的理论与实践一体的教材，重点突出实践操作技能及相关理论知识的应用与提高。以一名初学者的角度，从认识机械加工开始，零基础学习数控加工，到数控高级车工，学习过程由浅入深。每个模块相对独立，适合教学需要。
本书由内蒙古化工职业学院白图娅、杨胜军、周文杰、曹磊，内蒙古大学范利锋、玉荣共同编写。白图娅负责搭建全书理论框架、统稿、审阅，并编写模块1、模块2和模块7，杨胜军编写模块4、6，周文杰编写模块3，曹磊编写模块5，范利锋编写模块9，玉荣编写模块8和附录。
为方便教学，本书配套电子课件，可登录化学工业出版社教学资源网www.cipedu.com.cn免费下载。
本书在编写过程中，借鉴了华中数控、FANUC数控及同行的相关文献资料，在此表示感谢和歉意。由于编者水平有限，加之时间仓促，疏漏之处在所难免，恳请广大读者批评指正。编 者模块1 认识数控机床
学习要求：
了解数控的发展历史及趋势；熟悉数控机床的基本组成及工作原理；了解数控机床的分类；掌握数控机床的安全操作规范；理解并掌握数控机床坐标系的概念。1.1 数控机床概述
数字控制技术（通称数控，Numerical Control， NC），是20世纪中期发展起来的一种自动控制技术，是利用数字化信号控制部件运动的方法。数控机床（Numerical Control Tool）是指装有数控系统的机床，利用计算机控制技术代替人工操作金属切削机床完成对零件的加工。
数控加工技术广泛应用于模具、汽车、船舶、航天航空、军工等方方面面。数控技术集中体现一国的制造业水平，所以各国都在竞相发展本国的数控技术。1.1.1 数控技术发展简史
1949年美国Parson公司与麻省理工学院开始合作，历时三年研制出能进行三轴控制的数控铣床样机，取名“Numerical Control”。
1953年麻省理工学院开发出只需确定零件轮廓、指定切削路线，即可生成NC程序的自动编程语言。
1959年美国Keaney&Trecker公司开发成功了带刀库，能自动进行刀具交换，一次装夹中即能进行铣、钻、镗、攻螺纹等多种加工功能的数控机床，这就是数控机床的新种类——加工中心。
1968年英国首次将多台数控机床、无人化搬运小车和自动仓库在计算机控制下连接成自动加工系统，这就是柔性制造系统FMS。
1974年微处理器开始用于机床的数控系统中，从此CNC（计算机数控系统）软线数控技术随着计算机技术的发展得以快速发展。
1976年美国Lockhead公司开始使用图像编程。利用CAD（计算机辅助设计）绘出加工零件的模型，在显示器上“指点”被加工的部位，输入所需的工艺参数，即可由计算机自动计算刀具路径，模拟加工状态，获得NC程序。
总结数控机床的发展，其历程与计算机相似，经历了以下5个阶段。
第1代数控机床：1952年～1959年采用电子管元件构成的专用数控装置（NC）。
第2代数控机床：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。
第3代数控机床：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。
第4代数控机床：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。
第5代数控机床：从1974年开始采用微型计算机控制的系统（MNC）。1.1.2 我国数控技术的发展
我国虽然早在1958年就开始研制数控机床，但由于历史原因，一直没有取得实质性成果。20世纪70年代初期，曾掀起研制数控机床的热潮，但当时是采用分立元件，性能不稳定，可靠性差。
20世纪80年代初，主要以引进为主，并进入自主研发阶段。 1980年北京机床研究所引进日本FANUC的5、7、3、6数控系统，上海机床研究所引进美国GE公司的MTC-1数控系统，辽宁精密仪器厂引进美国Bendix公司的Dynapth LTD10数控系统。在引进、消化、吸收国外先进技术的基础上，北京机床研究所又开发出BS03经济型数控和BS04全功能数控系统，航天部706所研制出MNC864数控系统。“八五”期间国家又组织近百个单位进行以发展自主版权为目标的“数控技术攻关”，从而为数控技术产业化建立了基础。
20世纪90年代末，华中数控自主开发出基于PC-NC的HNC数控系统，达到了国际先进水平，加大了我国数控机床在国际上的竞争力度。
目前，我国数控机床生产企业有100多家，年产量增加到1万多台。1.1.3 数控技术的发展趋势
现代数控加工正在向高速化、高精度化、高柔性化、高一体化、网络化和智能化等方向发展。
①高速切削 受高生产率的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。高主轴转速可减少切削力，减小切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大减低，排屑加快，热变形减小，加工精度和表面质量得到显著改善。高速切削可通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通信技术和高速主轴等技术来实现。
②高精度控制 高精度化一直是数控机床技术发展追求的目标。目前精整加工精度已提高到0.1μm，并进入了亚微米级，不久超精度加工将进入纳米时代（加工精度达0.01μm）。提高机床的加工精度，一般是通过减少数控系统误差，提高数控机床基础大件结构特性和热稳定性，采用补偿技术和辅助措施来达到的。
③高柔性化 数控机床柔性制造是指机床适应加工对象变化的能力，需具有开放性体系结构，能实现多种用途。目前，在进一步提高单机柔性自动化加工的同时，正努力向单元柔性和系统柔性化发展。具体是指通过重构和编辑，视需要系统的组成可大可小；功能可专用也可通用，功能价格比可调；可以集成用户的技术经验，形成专家系统。
④高程度的一体化 CNC系统与加工过程作为一个整体，实现机、电、光、声综合控制，测量、造型、加工一体化，加工、实时检测与修正一体化，机床主机设计与数控系统设计一体化。
⑤网络化 实现多种通信协议，既满足单机需要，又能满足FMS（柔性制造系统）、CIMS（计算机集成制造系统）对基层设备的要求。配置网络接口，通过Internet可实现远程监视和控制加工，进行远程检测和诊断，使维修变得简单。建立分布式网络化制造系统，可便于形成“全球制造”。
⑥智能化 智能化是机电控制技术发展的重要趋势。作为机电一体化程度极高的数控机床，其系统也将是一个高度智能化的系统。具体是指系统应在局部或全部实现加工过程的自适应、自诊断和自调整；多媒体人机接口使用户操作简单，智能编程使编程更加直观，可使用自然语言编程；加工数据的自生成及智能数据库；智能监控；采用专家系统以降低对操作者的要求等。知识应用与拓展
搜集相关资料，简述国内外数控机床发展简史，各阶段取得的主要成果。1.2 数控机床的组成及工作原理1.2.1 数控加工主要过程
数控加工的本质是计算机控制机床刀具进给，完成切削加工。数控机床加工零件的工作过程如图1-1所示。可以简述为：
①根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序段格式编写出加工程序。
②将所编写加工程序指令输入到机床数控装置中。
③数控装置对程序（代码）进行处理之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出控制信号。
④伺服机构接到执行信号指令后，驱动机床的各个运动部件，并控制所需的辅助动作。
⑤机床自动加工出合格的零件。图1-1 数控机床加工零件的工作过程示意图1.2.2 数控机床的原理及组成
数控机床是非常典型的机、电、液、光的一体化产品，组成部件非常繁多。不同种类的数控机床，构成部件也千差万别，但其组成都可以概括为数控系统和机床本体两部分。简言之，就是计算机控制技术应用于机床，控制机床动作。
数控机床按功能可以划分为以下几个部分：控制介质、数控装置、伺服系统、辅助控制装置、测量反馈装置等，如图1-2所示。图1-2 数控机床的组成
①控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置的程序载体。早先数控装置配有纸带阅读机、软盘等，现在常用的有磁盘、移动硬盘、闪存（U盘）等。
②数控装置是数控机床的核心。它由输入装置（如键盘）、控制运算器和输出装置（如显示器）等构成。
③伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动装置和执行部件（如伺服电动机）两大部分组成。
④辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的强电控制装置。由于可编程控制器（PLC）具有响应快、性能可靠、易于使用、编程和修改程序，并可直接驱动机床电气等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。
⑤测量反馈装置将数控机床各个坐标轴的实际位移量、速度参数检测出来，转换成电信号，并反馈到机床的数控装置中。检测装置的检测元件有多种，常用的有光栅、光电编码器、圆光栅等。
数控机床的机械结构与普通机床基本一样，且相对简单。以数控铣床为例，组成机床各部分的典型部件名称如图1-3所示。图1-3 数控铣床的主要组成部件
机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。与传统的机床相比，数控机床主体具有如下结构特点。
①数控机床的床身一般由底座、立柱、横梁等组成，是整个机床的基础支承件，用于放置主轴箱、导轨等重要部件，同时承受切削力作用。
②主轴是数控机床输出主切削运动的部件，安装在主轴箱内。
③进给系统的机械传动机构是数控机床的主要传动装置和运动部件，通常由滚珠丝杠螺母副、导轨等组成。
④数控机床的辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置。常用辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。知识应用与拓展
1.绘制数控系统结构图，并说明各部分功能。
2.简述参观数控车间、数控加工过程。
3.讨论并说明数控机床工作原理。1.3 数控机床的分类
数控机床的种类繁多，可以按照不同的分类方式进行分类，如工艺用途、加工控制路线、伺服系统的控制原理等。1.3.1 按工艺用途分类
以加工工种为分类依据，可以将数控机床分为以下几类。（1）数控切削类
①单一工种的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床及数控磨床等。
②多工种多工序的数控机床，如组合数控机床、加工中心（带有刀库和并能实现自动换刀装置的数控机床，如镗铣加工中心和车削加工中心）。（2）数控成形类机床
数控冲床、数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。（3）数控特种加工机床
数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控高压水切割机、数控等离子切割机等。（4）其他类型的数控机床
数控火焰切割机、数控三坐标测量机、数控绘图仪等。1.3.2 按加工控制路线分类
按加工控制路线分类，有点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床。
①点位控制机床。如图1-4（a）所示，只控制刀具从一点向另一点移动，而不管其中间行走轨迹的控制方式。在从点到点的移动过程中，只作快速空程的定位运动，因此不能用于加工过程的控制。属于点位控制的典型机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。这类机床的数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度，而其加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。
②直线控制机床。如图1-4（b）所示，可控制刀具相对于工作台以适当的进给速度，沿着平行于某一坐标轴方向或与坐标轴成45°的斜线方向作直线轨迹的加工。这种方式是一次同时只有某一轴在运动，或让两轴以相同的速度同时运动以形成45°的斜线，所以其控制难度不大，系统结构比较简单。一般地，都是将点位与直线控制方式结合起来，组成点位直线控制系统而用于机床上。这种形式的典型机床有车阶梯轴的数控车床、数控镗铣床和简单加工中心等。
③轮廓控制机床。又称连续控制机床。如图1-4（c）所示，可控制刀具相对于工件作连续轨迹的运动，能加工任意斜率的直线，任意大小的圆弧，配以自动编程计算，可加工任意形状的曲线和曲面。典型的轮廓控制型机床有数控铣床、功能完善的数控车床、数控磨床和数控电加工机床等。图1-4 按加工控制路线分类1.3.3 按伺服系统的控制原理分类（1）开环控制数控机床
开环控制数控机床的特点是其控制系统不带反馈装置，执行机构通常采用功率步进电动机或电流脉冲电动机，如图1-5所示。图1-5 开环控制示意图（2）半闭环控制数控机床
半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制。如图1-6所示。图1-6 半闭环控制示意图（3）闭环控制数控机床
闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直线安装直线位移检测装置（如直线光栅等），将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制，直至差值消除为止，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位，从而使加工精度大大提高。如图1-7所示。图1-7 闭环控制示意图知识应用与拓展
1.简述数控机床的分类依据。
2.将所见数控机床按本节分类标准对应归类。1.4 数控机床的操作规范1.4.1 数控机床的安全操作规范（1）数控机床安全操作规程
①工作时，应穿好工作服，戴好防护镜，不允许戴手套操作数控机床，也不允许扎领带。
②开车前，应检查数控机床各部件机构是否完好、各按钮是否能自动复位。开机前，操作者应按机床使用说明书的规定给相关部位加油，并检查油标、油量。
③不要在数控机床周围放置障碍物，工作空间应足够大。
④上机操作前应熟悉数控机床的操作说明书，数控车床的开机、关机顺序，一定要按照机床说明书的规定操作。
⑤主轴启动开始切削之前一定要关好防护门，程序正常运行中严禁开启防护门。
⑥在每次电源接通后，必须先完成各轴的返回参考点操作，然后再进入其他运行方式，以确保各轴坐标的正确性。
⑦机床在正常运行时不允许打开电气柜的门。
⑧加工程序必须经过严格检查方可进行操作运行。
⑨手动对刀时，应注意选择合适的进给速度；手动换刀时，刀架距工件要有足够的转位距离不至于发生碰撞。
⑩加工过程中，如出现异常危机情况可按下“急停”按钮，以确保人身和设备的安全。机床开始工作前要有预热，认真检查润滑系统工作是否正常，如机床长时间未开动，可先采用手动方式向各部分供油润滑。（2）工作过程中的安全注意事项
①禁止用手接触刀尖和铁屑，铁屑必须要用铁钩子或毛刷来清理。
②禁止用手或其他任何方式接触正在旋转的主轴、工件或其他运动部位。
③机床运转中，操作者不得离开岗位，机床发现异常现象应立即停车。
④经常检查轴承温度，过高时应找有关人员进行检查。
⑤严格遵守岗位责任制，机床由专人使用，他人使用须经有关责任人同意。
⑥工件伸出机床100mm以外时，须在伸出位置设防护物。（3）工作完成后的注意事项
①清除切屑、擦拭机床，使机床与环境保持清洁状态。
②依次关掉机床操作面板上的电源和总电源。
③机床开机时应遵循先回零（有特殊要求除外）、手动、点动、自动的原则。机床运行应遵循先低速、中速、再高速的原则，其中低速、中速运行时间不得少于2～3min。当确定无异常情况后，方可开始工作。
④严禁在卡盘上、顶尖间敲打、矫直和修正工件，必须确认工件和刀具夹紧后方可进行下步工作。
⑤操作者在工作时更换刀具、工件，调整工件或离开机床时必须停机。
⑥机床上的保险和安全防护装置，操作者不得任意拆卸和移动。
⑦机床开始加工之前必须采用程序校验方式检查所用程序是否与被加工零件相符，待确认无误后，方可关好安全防护罩，开动机床进行零件加工。
⑧机床附件和量具、刀具应妥善保管，保持完整与良好，丢失或损坏照价赔偿。
⑨操作完毕后应清扫机床，保持清洁，将尾座和拖板移至床尾位置，并切断机床电源。
⑩机床在工作中发生故障或不正常现象时应立即停机，保护现场，同时立即报告现场负责人。操作者严禁修改机床参数。必要时必须通知设备管理员，请设备管理员修改。正确地选用数控车削刀具，安装零件和刀具要保证准确牢固。了解和掌握数控机床控制和操作面板及其操作要领，将程序准确地输入系统，并模拟检查、试切，做好加工前的各项准备工作。加工过程中如发现车床运转声音不正常或出现故障时，要立即停车检查并报告指导教师，以免出现危险。1.4.2 数控机床的维护保养
数控机床能否达到加工精度高、产品质量稳定、提高生产效率的目标，这不仅取决于机床本身的精度和性能，很大程度上也与操作者在生产中能否正确地对数控机床进行维护保养和使用密切相关。只有坚持做好对机床的日常维护保养工作，才可以延长元器件的使用寿命，延长机械部件的磨损周期，防止意外恶性事故的发生，争取机床长时间稳定工作；也才能充分发挥数控机床的加工优势，达到数控机床的技术性能，确保数控机床能够正常工作。因此，做好日常维护保养，可使设备保持良好的技术状态，延缓劣化进程，及时发现和消灭故障隐患，从而保证安全运行。
为了使机床保持良好的状态，防止或减少事故的发生，把故障消灭在萌芽之中，除了发生故障应及时修理外，还应坚持定期检查，经常维护保养。（1）日常保养
①班前保养
a.擦净机床外露导轨及滑动面的尘土。
b.按规定润滑各部位。
c.检查各手柄位置。
d.空车试运转。
②班后保养
a.打扫场地卫生，保证机床底下无切屑、无垃圾，保证工作环境干净。
b.将铁屑全部清扫干净。
c.擦净机床各部位，保持各部位无污迹，各导轨面（大、中、小）无水迹。
d.各导轨面（大、中、小）和刀架加机油防锈。
e.清理工、量、夹具，干净归位；部件归位。
f.每个工作班结束后，应关闭机床总电源。（2）各部位定期保养
①一级保养
a.机床运行600h进行一级保养，以操作工人为主，维修工人配合进行。
b.首先切断电源，然后进行保养工作（见表1-1）。表1-1 数控机床的一级保养
②二级保养
a.机床运行5000h进行二级保养，以维修工人为主，操作工人参加，除执行一级保养内容及要求外，应做好下列工作，并测绘易损件，提出备品配件。
b.首先切断电源，然后进行保养工作（见表1-2）。表1-2 数控机床的二级保养知识应用与拓展
1.列举数控机床安全操作的要点。
2.简述数控机床维护要点。1.5 数控机床的坐标系1.5.1 数控机床的坐标轴
操作数控机床和编程加工前，首先要确定所用数控机床的坐标系。
首先要确定Z坐标轴（主轴）。按照一般规定，机床传递切削力的主轴轴线为Z坐标（如铣床、钻床、车床、磨床等）；如果机床有几个主轴，则选一垂直于装夹平面的主轴作为主要主轴；如机床没有主轴（龙门刨床），则规定垂直于工件装夹平面为Z轴。坐标轴一般都是与传递主切削动力的主轴轴线平行的，如：卧式数控车床、卧式加工中心，主轴轴线是水平的；立式数控车床、立式数控加工中心，主轴是竖直的。
其次确定X坐标轴。X坐标一般是水平的，平行于装夹平面。对于工件旋转的机床（如车、磨床等），X坐标的方向在工件的径向上。对于刀具旋转的机床则作如下规定：
①当Z轴水平位置时，从刀具主轴后向工件看，正X为右方向。
②当Z轴处于铅垂位置时，对于单立柱式，从刀具主轴后向工件看，正X为右方向；龙门式，从刀具主轴右侧看，正X为右方向。
最后再确定Y坐标轴或其他A、B、C等坐标轴。A、B、C表示绕X、Y、Z坐标的旋转运动，正方向按照右手螺旋法则。若有第二直角坐标系，可用U、V、W表示。1.5.2 右手笛卡儿坐标系与右手定则（1）坐标系确定原则
数控编程时，为避免产生歧义，进行如下统一。
①刀具相对静止、工件运动的原则：这样编程人员在不知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，确定加工的过程。
②标准坐标系原则：即机床坐标系确定机床上运动的大小与方向，以完成一系列的成形运动和辅助运动。
③运动方向的原则：数控机床的某一部件运动的正方向，是增大工件与刀具距离的方向。
右手笛卡儿坐标系就是数学上平时用的坐标系左右手的判断方法：在空间直角坐标系中，拇指、食指、中指相互垂直。右手拇指指向X轴的正方向，食指指向Y轴的正方向，如果中指能指向Z轴的正方向，则称这个坐标系为右手直角坐标系。大拇指指向被环绕轴的方向。四指的环绕方向是该旋转轴的正向，逆向则为负角度方向。例如，拇指指向X轴正向，四指环绕方向为A轴正向。如图1-8所示。图1-8 数控机床坐标系右手判定（2）机床坐标系与机床原点
机床坐标系是机床上固有的坐标系，用于确定被加工零件在机床中的坐标、机床运动部件的位置（如换刀点、参考点）以及运动范围（如行程范围、保护区）等。机床坐标系的原点称为机床原点或机床零点，它是机床上的一个固定点，亦是工件坐标系、机床参考点的基准点，由机床制造厂确定。（3）工件坐标系与工件原点
工件坐标系是编程人员在编制零件加工程序时使用的坐标系，可根据零件图纸自行确定，用于确定工件几何图形上点、直线、圆弧等各几何要素的位置。工件坐标系的原点称为工件原点或工件零点，可用程序指令来设置和改变。根据编程需要，在一个零件的加工程序中可一次或多次设定或改变工件原点。知识应用与拓展
描述右手规则与机床坐标系的对应关系。知识巩固与技能演练
1.简述数控系统和机床机械结构的组成。
2.简述数控机床的分类。
3.简述数控加工过程。
4.按教师示范，安全操作数控机床。
5.参观车间全部数控机床，并用右手确立数控机床坐标轴。模块2 数控加工工艺
学习要求：
掌握金属切削运动的基本知识；了解数控切削加工工艺基础知识；了解数控编程方法。2.1 金属切削基本概念
金属切削加工就是利用工件和刀具之间的相对（切削）运动，用刀具上的切削刃切除工件上的多余金属层，从而获得具有一定加工质量零件的过程。车削、磨削、钻削、铣削、刨削等都是较为常见的金属切削加工，如图2-1所示。图2-1 常见金属切削加工运动2.1.1 切削运动
切削加工时，为了获得各种形状的零件，刀具与工件必须具有一定的相对运动，即切削运动，运动形式可以是旋转运动，也可以是直线运动。切削运动可以分解为主运动和进给运动。
主运动，由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件之间产生主要的相对运动。主运动的特点是速度最高，消耗功率最大。车削时，主运动是工件的回转运动，如图2-2所示；牛头刨床刨削时，主运动是刀具的往复直线运动，如图2-3所示。图2-2 车削运动和工件上的表面图2-3 刨削运动和工件上的表面
进给运动，由机床或人力提供的运动，它使刀具与工件间产生附加的相对运动，进给运动将使被切金属层不断地投入切削，以加工出具有所需几何特性的已加工表面。车削外圆时，进给运动是刀具的纵向运动；车削端面时，进给运动是刀具的横向运动。牛头刨床刨削时，进给运动是工作台的移动。
主运动可以由工件完成，也可以由刀具完成；主运动和进给运动可以同时进行，也可以间歇进行；主运动通常只有一个，而进给运动至少有一个以上。当工件被切削时，切削刃的刀尖相对于工件的运动为合成运动，常用合速度向量v来表示，如图2-4所示。e图2-4 切削运动合成2.1.2 切削用量及确定
切削用量是用来表示切削加工中主运动和进给运动参数的数量。切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量三个要素。（1）切削速度vc
在切削加工时，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，它表示在单位时间内工件和刀具沿主运动方向相对移动的距离，单位为m/min或m/s。
①主运动为旋转运动时，切削速度v计算公式为c式中 d——工件直径，mm；
n——工件或刀具每分（秒）钟转数，r/min或r/s。
②主运动为往复运动时，平均切削速度为式中 L——往复运动行程长度，mm；
n——主运动每分钟的往复次数。r（2）进给量f
进给量是刀具在进给运动方向上相对工件的位移量，可用刀具或工件每转或每行程的位移量来表述或度量。车削时进给量的单位是mm/r，即工件每转一圈，刀具沿进给运动方向移动的距离。刨削等主运动为往复直线运动，其间歇进给的进给量为mm/双行程，即每个往复行程刀具与工件之间的相对横向移动距离。
单位时间的进给量，称为进给速度，车削时的进给速度v计算公f式为v=nf（mm/min或mm/s）f
铣削时，由于铣刀是多齿刀具，进给量单位除mm/r外，还规定了每齿进给量，用a表示，单位是（mm/z）。z（3）背吃刀量（切削深度）ap
背吃刀量a是指主刀刃工作长度（在基面上的投影）沿垂直于进p给运动方向上的投影值。对于外圆车削，背吃刀量a等于工件已加工p表面和待加工表面之间的垂直距离，单位为mm。即式中 d——待加工表面直径；w
d——已加工表面直径。m
在数控加工过程中，除用经验法确定切削用量外，也可按如下步骤确定切削用量。
①根据工件材料，确定刀具的材料。
②符合工艺要求，确定刀具角度。
③粗加工按a—f—v的顺序选择。pc
a.粗加工的主要目的是用最少的走刀次数尽快切除多余金属，只留后续工序的加工余量，所以应根据毛坯尺寸首先选择a；p
b.粗加工不必考虑表面粗糙度，在a确定后，选取大的f，减少走p刀时间，a和f确定后，在机床功率和刀具耐用度允许的前提下选择pv。c
④精加工按v—f—a的顺序选择。cp
精加工的主要目的是保证产品质量和降低零件的表面粗糙度。因此首先应选择尽可能高的v，然后选择达到表面粗糙度要求的f，最c后再根据精加工余量决定a。p知识应用与拓展
1.对常见金属切削加工进行运动分解。
2.简述如何确定切削用量。2.2 数控加工工艺概述
机械加工工艺过程是指用材料去除方法改变毛坯的形状、尺寸和表面质量，使其成为达到设计要求的过程。数控机床的加工工艺与普通机床的加工工艺有许多相同之处，遵循的原则基本一致。数控加工的主要内容有：分析零件图样确定工艺过程、数值计算、编写加工程序、校对程序及首件试切。具体步骤说明如下。（1）分析图样、确定工艺过程
在数控机床上加工零件，工艺人员拿到的原始资料是零件图。根据零件图，可以对零件的形状、尺寸精度、表面粗糙度、工件材料、毛坯种类和热处理状况等进行分析，然后选择机床、刀具，确定定位夹紧装置、加工方法、加工顺序及切削用量的大小。在确定工艺过程中，应充分考虑所用数控机床的指令功能，充分发挥机床的效能，做到加工路线合理、走刀次数少和加工工时短等。此外，还应填写有关的工艺技术文件，如数控加工工序卡片、数控刀具卡片、走刀路线图等。（2）计算刀具轨迹的坐标值
根据零件图的几何尺寸及设定的编程坐标系，计算出刀具中心的运动轨迹，得到全部刀位数据。一般数控系统具有直线插补和圆弧插补的功能，对于形状比较简单的平面形零件（如直线和圆弧组成的零件）的轮廓加工，只需要计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心（或圆弧的半径）、两几何元素的交点或切点的坐标值。如果数控系统无刀具补偿功能，则要计算刀具中心的运动轨迹坐标值。对于形状复杂的零件（如由非圆曲线、曲面组成的零件），需要用直线段（或圆弧段）逼近实际的曲线或曲面，根据所要求的加工精度计算出其节点的坐标值。（3）编写零件加工程序
根据加工路线计算出刀具运动轨迹数据和已确定的工艺参数及辅助动作，编程人员可以按照所用数控系统规定的功能指令及程序段格式，逐段编写出零件的加工程序。编写时应注意：第一，程序书写的规范性，应便于表达和交流；第二，在对所用数控机床的性能与指令充分熟悉的基础上，各指令使用的技巧、程序段编写的技巧。（4）将程序输入数控机床
将加工程序输入数控机床的方式有：光电阅读机、键盘、磁盘、磁带、存储卡、连接上级计算机的DNC接口及网络等。目前常用的方法是通过键盘直接将加工程序输入（MDI方式）到数控机床程序存储器中或通过计算机与数控系统的通信接口将加工程序传送到数控机床的程序存储器中，由机床操作者根据零件加工需要进行调用。现在一些新型数控机床已经配置大容量存储卡存储加工程序，当做数控机床程序存储器使用，因此数控程序可以事先存入存储卡中。（5）程序校验与首件试切
数控程序必须经过校验和试切才能正式加工。在有图形模拟功能的数控机床上，可以进行图形模拟加工，检查刀具轨迹的正确性，对无此功能的数控机床可进行空运行检验。但这些方法只能检验出刀具运动轨迹是否正确，不能查出对刀误差、由于刀具调整不当或因某些计算误差引起的加工误差及零件的加工精度，所以有必要经过零件加工的首件试切的这一重要步骤。当发现有加工误差或不符合图纸要求时，应分析误差产生的原因，以便修改加工程序或采取刀具尺寸补偿等措施，直到加工出合乎图样要求的零件为止。随着数控加工技术的发展，可采用先进的数控加工仿真方法对数控加工程序进行校核。2.2.1 常用刀具基础知识（1）刀具的材料
一般用作刀杆部分的材料为优质碳素结构钢，常采用45钢。一般用作切削部分的材料如下。
①合金工具钢 含铬、钨、硅、锰等合金元素的低合金工具钢加入合金元素后使硬度及耐磨性得到提高，淬透性较好，这类钢可制造刃形较复杂的低速刀具，如铰刀、拉刀、丝锥等。常用的牌号有CrWMn 、9SiCr、GCr15、Cr12MoV等。
②高速工具钢 简称高速钢，又称白钢和风钢。含有大量的钨、铬、钼、钒等合金元素，形成大量的高硬度碳化物相，淬火后的硬度可达63～70HRC。不但淬火后硬度高，而且耐磨性、淬透性和回火稳定性显著提高；并有足够的韧性；当切削温度高达600℃时能保持切削加工所要求的硬度。除高钒高速钢的磨削加工性能较差外， 高速钢的工艺性也较好。所以在各种刀具材料中高速钢的性能最为理想。用高速钢制造刀具其显著的特点是制造工艺简单、韧性好、易刃磨成锋利的刃口，所以常常用高速钢制造各种复杂精密的刀具。如车刀、铣刀、铰刀和齿轮刀具等。
高速钢是综合性能较好，可以加工从有色金属到高温合金等各种材料，应用范围最广的一种刀具材料。其常用的种类和牌号有以下几种。
a.通用性高速钢。用于加工碳结钢、合结钢和普通铸铁等。常用牌号有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W14Cr4VMnRe等。其中W18Cr4V应用最广。
b.钴高速钢。用于加工高硬合金、不锈钢等难加工材料。常用牌号有W2Mo9Cr4VCo8，其特点是具有良好的综合性能、硬度高（接近于70HRC），但价格较高，一般用于制造各种高精度复杂刀具。
c.超硬高速钢。用于加工调质钢材、高温合金等高难加工材料。常用牌号有W6Mo5Cr4V2Al、W10Mo4CrV3Al两种。这是我国研制成的两种不含稀有金属钴而含廉价铝的新型超硬高速钢。价格比含钴高速钢低得多，可用来制造要求耐用度高、精度高的刀具，如拉刀、滚刀等。
d.粉末冶金高速钢。这是用粉末冶金法生产的高速钢。即用高压氩气或纯氮气雾化熔融的高速钢钢水直接得到细小的高速钢粉末，经高温、高压制成刀具形状或毛坯。因此碳化物晶粒细小，分布均匀、热处理后变形小，硬度、耐磨性、耐热性显著提高且磨削加工性能好，不足之处是成本较高。因此主要用于制造断续切削刀具和精密刀具。如齿轮滚刀、拉刀和成形铣刀等。
③硬质合金 硬质合金是由难熔金属碳化物（如WC、TiC、TaC等）和金属黏合剂（Co、Ni等）经过粉末冶金的方法制成的。其特点是硬度很高，可达74～82HRC；耐磨性和耐热性亦好，它所允许的工作温度可达800～1000℃，甚至更高。所以允许的切削速度比高速钢高几倍到几十倍。可用于高速强力切削和难加工材料的切削加工。其缺点是抗弯强度较低、冲击韧性也较差，工艺性也较高速钢差得多。因此，多用于制造简单的高速切削刀具。用粉末冶金工艺制成一定规格的刀片镶嵌在或者焊接在刀体上进行使用。其常用的种类和牌号如下。
a.常用硬质合金。按化学成分分有钨钴类（YG）、钨钴钛类（YT）、钨钛钽（或铌）类（YW）和碳化钛基硬质合金（YN）四类。常用牌号有YG3、YG6、YG8、YT5、YT15、YT30、YW1、YW2、YN10。
钨钴类主要适用于加工脆性材料如铸铁和有色金属及非金属材料等。其中含钴量多，韧性较好，适用粗加工；相反则适宜精加工。
钨钴钛类适用于高速切削塑性材料及低碳钢等。如果含碳化钛量少而含钴量多适宜粗加工；相反则适宜精加工。
钨钛钽（或铌）类主要适用于加工难切削材料和连续表面。
碳化钛基类主要适用于加工合金钢、工具钢、淬硬钢等连续精加工。
b.钢结硬质合金。由TiC、WC作硬质相、以高速钢作黏合剂组成的一种新型刀具材料，其性能介于高速钢和常用硬质合金之间。钢结硬质合金烧结体经退火后可进行切削加工，经淬火后具有常用硬质合金的高硬度（69～73HRC）和好的耐磨性，可进行锻造和焊接。可用于制造拉刀、铣刀、钻头等形状复杂、耐用度高的刀具。
c.超细晶粒硬质合金。碳化物（WC）晶粒尺寸在1μm以下，Co黏合剂可做到0.2～0.4μm，所以硬度高，韧性好。可用以加工高温合金或高强度合金等难加工材料。
d.涂层硬质合金。在韧性好的硬质合金基体上用气相沉积法等涂覆一层几微米厚且硬度高、耐磨性好的金属化合物（TiC、TiN、ZrC、陶瓷等）而制成的材料称为涂层硬质合金。制成的刀片（粒）适用于无冲击的半精加工和粗加工。
④其他新型刀具材料 随着科学技术的发展，新型刀具材料被不断研制出来，如陶瓷、金属陶瓷、聚晶金刚石、立方氮化硼等超硬材料，用这些材料制成的刀片（粒），用于精加工、半精加工或对特殊材料进行加工，其生产效率和加工质量都很高。
各类刀具常用材料性能见表2-1。表2-1 各类刀具常用材料性能
金属切削时，刀具材料硬度要大于工件硬度，选用刀具参照表2-2。表2-2 刀具材料与工件材料选择（2）刀具的结构
常见刀具的结构，按工作部分组成结构有整体式、焊接式和机械夹固式三种。如图2-5所示。图2-5 常见刀具结构形式
整体结构是在刀体上做出切削刃；焊接结构是把刀片钎焊到钢的刀体上；机械夹固结构又有两种，一种是把刀片夹固在刀体上，另一种是把钎焊好的刀头夹固在刀体上。硬质合金刀具一般制成焊接结构或机械夹固结构；陶瓷刀具都采用机械夹固结构。（3）刀具几何角度的选用
各类金属切削刀具形状大不相同，但就刀具的切削部分而言，放大观察是一样的，如图2-6所示。
下面以车刀为例（车刀是单刃切削刀具，便于理解）简述刀具的几何角度及作用。车刀的各部分名称如图2-7所示。车刀的几何角度如图2-8所示。图2-6 不同刀具切削简化示意图图2-7 车刀的组成图2-8 车刀的几何角度示意图γ—前角；α—后角；λ—刃倾角；κ—主偏角；κ'—副偏角00srr
刀具几何角度的作用及选择原则，见表2-3。表2-3 刀具几何角度的作用及选择原则2.2.2 切削液的选用
切削过程中，切屑、刀具和工件相互摩擦会产生很高的切削热。在正确使用刀具的基础上合理选用切削液，可以减少切削过程中的摩擦，从而降低切削温度，减小切削力，减少工件的热变形，对提高加工精度和表面质量尤其是对提高刀具耐用度起着很重要的作用。（1）切削液的作用
①冷却作用 切削液浇注到切削区域后，通过切削热的热传递和汽化，能吸收和带走切削区大量的热量，而改善散热条件，使切屑、刀具和工件上的温度降低，尤为重要的是降低前刀面上的温度。切削液冷却作用的好坏，取决于它的热导率、比热容、汽化潜热、汽化速度、流量和流速等。一般水溶液的冷却性能最好，油类最差，乳化液介于两者之间而接近于水溶液。
②润滑作用 车削加工时，切削液渗透到工件与刀具、切屑的接触表面之间形成边界润滑而达到润滑作用。所谓边界润滑，就是在切削时，刀具前刀面与切屑接触，接触表面间压力较大，温度较高，使部分润滑膜厚度逐渐减小，直到消失，造成金属表面波峰直接接触。而其余部位，仍保持着润滑膜，从而减小金属直接接触面积，降低摩擦系数。
切削液的润滑性能，直接与形成润滑膜的牢固有关。边界润滑膜具有物理吸附或化学吸附两种结合性质。物理吸附润滑膜主要是靠切削液中的油性添加剂，如动植物油、油酸、胺类、醇类及脂类中极性分子吸附而成。油性添加剂主要应用于低压、低温状态下的边界润滑。在高压、高温边界润滑状态下，即极压润滑状态下，切削液中必须添加极压添加剂形成另外一种性质的润滑膜。常用的极压添加剂含硫、磷、氯、碘等有机化合物。这些化合物与金属表面起化学反应而生成新的化合物薄膜，如硫化铁、氯化亚铁、氯化铁等润滑膜，使边界润滑层有较好的润滑作用。
③清洗作用 浇注切削液能冲、带走在车削过程中产生的碎、细切屑，从而起到清洗、防止刮伤已加工表面和车床导轨面的作用。
④防锈作用 在切削液中加入防锈添加剂，如亚硝酸钠、磷酸三钠和石油磺酸钡等，使金属表面生成保护膜，使机床、工件不受空气、水分和酸等介质的腐蚀，从而起到防锈作用。（2）常用切削液种类及其选用
常用切削液有水溶液、乳化液和切削油三大类。
①水溶液 主要成分是加入了防锈添加剂的切削液的水，主要起冷却作用。一般用于精车和铰孔等。
②乳化液 是将乳化油用水稀释而成的液体。而乳化油则是由矿物油、乳化剂及添加剂配成的。常用的有三乙醇胺油酸皂、69-1防锈乳化油和极压乳化油等。使用时，按产品说明配制而成。低浓度主要起冷却作用，适用于粗加工；高浓度主要起润滑作用，适用于精加工和复杂工序加工。
③切削油 包括有机械油、轻柴油、煤油等矿物油，还有豆油、菜籽油、蓖麻油、鲸油等动植物油。普通车削、攻螺纹、铰孔等可选用机油；加工有色金属和铸铁时应选用黏度小、浸润性好的煤油与其他矿物油的混合油；自动机床可选用黏度小、流动性好的轻柴油。
总之，切削液的选用应根据工件材料、刀具材料、加工方法和加工要求来确定，而不是一成不变。相反，如果选择不当就得不到应有的效果。
选用切削液参照表2-4。表2-4 切削液种类及用途2.2.3 量具的选用
数控加工中常用到的几种量具，见表2-5。表2-5 常用量具
试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]