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第一章 数控车床基础知识
1．1 车削原理概述
1．1．1 车削加工原理
金属切削加工，从其本质上来说，就是使用各种类型的金属切削刀具，把各种金属原材料（称为工件毛坯）上多余的金属材料（称为加工余量）从工件毛坯上剥离，得到图纸所要求的零件。金属切削加工的工艺过程大致可以分为三类：
① 工件毛坯进行回转运动，切削刀具进行平动。主要为车削和镗削等。
② 切削刀具进行回转运动，工件毛坯进行平动。主要为铣削、磨削、钻削等。
③ 切削刀具和工件毛坯做相对运动（平动或转动）。主要为拉削、刨削等。
图1-1 车床的加工要素
在车床（这里指的是普通车床和一般的数控车床）上，可以进行工件的外表面、端面、内表面（内孔）以及内外螺纹的加工。对于高等级的数控车床（称为车削中心），除了上述各种加工以外，还可以进行铣削、钻削等加工。从以上介绍的对加工工艺过程的分析中，我们可以知道：在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对运动，这种相对运动就称为切削运动。根据切削运动在切削加工中的作用不同分为主运动和进给运动。
主运动 主运动是指机床提供的主要运动。主运动使刀具和工件之间产生相对运动，从
而使刀具的前刀面接近工件并对加工余量进行剥离。在车床上，主运动是机床主轴的回转运动，即车削加工时工件的旋转运动。这一点，对于普通车床和数控车床都是一样的。
进给运动 进给运动是指由机床所提供的使刀具与工件之间产生附加的相对运动。进给运动与主运动相配合，就可以形成完整的切削加工。在普通车床上，进给运动是机床刀架（溜板）的直线移动。它可以是纵向的移动（沿机床主轴方向），也可以是横向的移动（与机床主轴方向相垂直），但只能是一个方向的移动。比如车削外圆时，车刀沿平行于工件轴线（也就是主轴轴线的方向）做纵向运动；而车削端面时，车刀就要沿垂直与机床主轴的方向做横向移动。在数控车床上，虽然进给运动的形式可能有所不同，但基本原理是一致的。与普通车床不同的是：数控车床可以同时进行两个方向的进给，从而加工出各种具有复杂母线的回转体工件。
表1-1 各种机床的主运动和进给运动
机床类型 主运动 进给运动
（数控）车床 主轴（工件） 刀架
（数控）铣床 主轴（刀具） 工作台
（数控）磨床 主轴（砂轮） 工作台（或砂轮轴，视磨床种类而定）
（数控）镗床 主轴（刀具） 工作台
从以上的分析中，我们可以知道：在车削加工中，主运动要消耗比较大的能量，才能完成切削。与之相比，进给运动所要消耗的能量要小一些。在普通车床中，主运动和进给运动的动力都来源于同一台电机。通过一系列的机械传动，把能量分配给主运动和进给运动，进而实现车削加工。在数控车床中，主运动和进给运动是分别由不同的电机来驱动的，分别称为主轴电机和坐标轴伺服电机。它们由机床的控制系统进行控制，完成加工任务。
图1-2 车削原理图
二、切削用量
切削用量是说明机床在进行切削加工时的状态参数。不同类型的机床对切削用量参数的表述也略有不同，但其基本的含义都是一致的。
1． 切削速度（Vc） 切削刃上的切削点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度。切削速度的单位为米/分（m/min）。在各种金属切削机床中，大多数切削加工的主运动都是机床主轴的运动形成的，即都是回转运动。这样就需要在切削速度与机床主轴转速之间进行转换，两者的关系为：
Vc =
式中： Vc 切削速度（m/min）
d 工件直径（mm）
n 主轴转速（rpm）
2． 进给量（f） 对于不同种类的机床，进给量的单位是不同的。对于普通车床，进给量为工件（主轴）每转过一转，刀具沿进给方向与工件的相对移动量，单位为mm/r；对于数控车床，由于其控制原理与普通车床不同，进给量也可以定义为刀具在单位时间内沿着进给方向上相对于工件的位移量（mm/min）。其他类型的机床则根据其结构不同，进给量的单位分别为刀具或工件每转的位移量（mm/min，车床等大部分机床；或mm/r，使用多齿刀具的机床）或每行程的位移量（mm/一个行程，刨床等机床）。
3． 切深（ap） 已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。对于车床而言，切深（ap）的计算公式为：
ap =
式中： ap 切深（mm）
dw 待加工表面直径（mm）
dm 已加工表面直径（mm）
图1-3 车削加工切削用量的示意图
在切削加工中，切削速度（Vc）、进给量（f）和切深（ap）这三个参数是相互关联的。在粗加工中，为了提高效率，一般采用较大的切深（ap）。此时切削速度（Vc）和进给量（f）相对较小；而在半精加工和精加工阶段，一般采用较大的切削速度（Vc）、较小的进给量（f）和切深（ap），以获得较好的加工质量（包括表面粗糙度、尺寸精度和形状精度）。
三、切削刀具（车刀）
切削加工离不开刀具。刀具是整个机械加工工艺系统中的一个重要环节。在各种刀具中，车刀的结构相对比较简单，具有代表性，下面以车刀为例予以介绍。图1-4为普通外圆车刀的示意图。车刀由夹持部分和切削部分组成。夹持部分称为刀柄，用来把刀具装夹在车床的刀架上，一般采用普通钢材料锻造而得；切削部分俗称为刀头，在车刀上一般为单个刀片。刀片材料一般有高速钢（俗称白钢刀条）和硬质合金两种，用于剥离金属材料。根据刀具切削部分与夹持部分（即刀片与刀柄）连接方式的不同，车刀可以分为焊接刀具和机夹刀具两大类。
图1-4 车刀示意图
车刀切削部分的主要构成为：
1．前刀面（Aγ） 切削加工而得的切屑经过的刀片表面
2，主后刀面（Aα） 刀具片上与过渡表面相对的表面
3．副后刀面（Aα`） 刀具片上与已加工表面相对的表面
4．主切削刃（S） 前刀面与主后刀面相交而得到的切削刃。用于切出工件上的过渡表面，完成主要的金属切除。主切削刃是主要的加工刃
5．副切削刃（S`） 前刀面与副后刀面相交而得到的切削刃。它的主要作用是配合主切削刃，完成金属材料的剥离工作，形成工件已加工表面
6．刀尖 指主切削刃与副切削刃的连接处。根据刀具所使用的场合不同，刀尖有倒角刀尖和倒圆刀尖两种。
从以上的分析中，我们可以了解到：车刀的各个组成部分之间都有着密切的联系。实际上，在十几至几十平方毫米的区域内，若干个部分形成了一些角度。这些角度对加工质量和刀具的使用寿命有极大的影响。对刀具进行角度的分析，是刀具设计者和使用者的重要工作内容。
四、刀具切削部分（刀片）的几何角度
图1-5 刀具角度坐标系
对刀具几何参数进行确定，需要以一定的参考坐标系和参考坐标平面为基准。我们依然以车刀为例。我们引入一个坐标系，作为刀具几何参数的测量基准。这个坐标系就是如图1-5所示的刀具角度坐标系。在这个坐标系中，有三个相互垂直坐标轴。坐标轴所在的平面也是相互垂直的。
（1） 基面（Pr）：这个平面是指通过切削刃上的一个选定点而垂直于主运动方向的平面。对于车刀，这个选定点就是刀尖，而基面就是过刀尖而与刀柄安装平面平行的平面。
（2） 切削平面（Ps）：这个平面是指通过切削刃上的一个选定点而垂直于基面的平面。对于一般切削刃为直线的车刀，这个平面就是包含切削刃而与刀柄安装平面垂直平面。
（3） 正交平面（Po）：正交平面是指通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。也就是经过刀尖并垂直于切削刃在基面上投影的平面。
刀具的角度有一些是空间角，根据立体几何知识，空间角应以其在坐标系内某一个平面内的投影来进行度量。因此，刀具所有的几何参数都可以在这个坐标系内的某一个平面内进行测量。
图1-6 车刀的角度
下面介绍一些车刀的几何角度：
在正交平面（Po）内测量的角度：
（1） 前角（γ0）：前刀面与基面的夹角。当前刀面与切削平面夹角小于90°时，前角为正值；大于90°时，前角为负值。前角对于刀具的切削性能有很大的影响。
（2） 后角（α0）：后刀面与切削平面的夹角。当后刀面与基面夹角小于90°时，后角为正值；大于90°时，后角为负值。由于后角的存在，后刀面与加工过渡表面之间的摩擦可以大大减小。
（3） 楔角（β0）：前刀面与后刀面之间的夹角。
β0 = 90°- （γ0 +α0）
在基面（Pr）内测量的角度：
（1） 主偏角（κγ）：主切削平面与假定进给运动方向之间的夹角。主偏角总是为正值。
（2） 副偏角（κγ`）：副切削平面与假定进给运动反方向之间的夹角。
（3） 刀尖角（εγ）：主切削平面与副切削平面之间的夹角。
εγ = 180°- （κγ + κγ`）
在切削平面（Ps）内测量的角度：
（1） 刃倾角（λs）：指的是主切削刃与基面间的夹角。刃倾角的正负值是这样设定的：当刀尖比车刀刀柄的安装面高时，刃倾角为正值；当刀尖低时，刃倾角为负值。当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为0°。这时，切削刃位于基面内。
以上是对主切削刃的分析。采用同样的方法，也可以定义副切削刃的参考坐标系和参考坐标平面，即定义由副基面（Pr`）、副切削平面（Ps`）和副正交平面（Po`）构成的参考坐标系，进而对副切削刃的各种角度进行分析。
表1-2 车刀上的几种重要角度
刀具角度 符号 说明
前角 γ0 前刀面与基面的夹角
后角 α0 后刀面与切削平面的夹角
主偏角 κγ 主切削平面与假定进给运动方向之间的夹角
副偏角 κγ, 副切削平面与假定进给运动反方向之间的夹角
刃倾角 λs 主切削刃与基面间的夹角
表1-3 刀具主要角度对加工的影响
刀具角度 角度的作用 选用原则
前角 前角主要影响切屑变形和切削力的大小以及刀具耐用度和加工表面质量的高低。前角增大，可以使切削变形和摩擦减小，故切削力小、切削热少，加工表面质量高。但前角过大，刀具强度降低，耐用度下降。前角减小，刀具强度提高，切屑变形增大，易断屑。但前角过小，会使切削力和切削热增加，刀具耐用度也随之降低。 1． 工件材料：塑性材料选用较大的前角；脆性材料选用较小的前角2． 刀具材料：高速钢选用较大的前角；硬质合金选用较小的前角3． 加工过程：精加工选用较大的前角；粗加工选用较小的前角4． 数控机床为了保证刀具稳定，一般使用的刀具前角比较小
后角 后角的主要功用是减小主后刀面与过渡表面层之间的摩擦，减轻刀具磨损。后角减小，可以使主后刀面与工件表面间的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差。 后角增大，则摩擦减小，也减小了刃口钝圆半径，对切削厚度较小的情况有利，但使刀刃强度和散热情况变差。 1． 工件材料：工件硬度、强度较高以及脆性材料选用较小的后角2． 加工过程：精加工选用较大的后角；粗加工选用较小的后角
主偏角 主偏角可影响刀具耐用度、已加工表面粗糙度及切削力的大小。主偏角较小，则刀片的强度高，散热条件好。参加切削的主切削刃长度长，作用主切削刃上的平均切削负荷减小。但切削厚度小，断屑效果差。 1． 工件材料：加工淬火钢等硬质材料时，主偏角较大2． 使用硬质合金刀具进行精加工时，应选用较大的主偏角3． 用于单件小批生产的车刀，主偏角应选为为45o或90o，提供刀具的通用性4． 需要从工件中间切入的车刀，例如加工阶梯轴的工件，应根据工件形状选择主偏角。
副偏角 副偏角的功能在于减小副切削刃与已加工表面的摩擦。减小副偏角可以提高刀具强度，改善散热条件。但可能增加副后刀面与以加工表面的摩擦，引起震动。 1． 在不引起震动的情况下，刀具应选用较小的副偏角2． 精加工刀具的副偏角应更小一些
刃倾角 刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。刃倾角为正值，切削开始时刀尖与工件先接触，切屑流向待加工表面，可避免缠绕和划伤已加工表面，对半精加工、精加工有利。刃倾角为负值，切削开始时刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面，容易将已加工表面划伤；在粗加工开始，尤其是在断续切削时，可避免刀尖受冲击，起到保护刀尖的作用 1． 粗加工刀具应选用刃倾角<0o，使刀具具有良好的强度和散热条件2． 精加工刀具应选用刃倾角>0o，使切屑流向待加工表面，提高加工质量3． 断续切削（如车床的荒加工）应选用刃倾角<0o，以提高刀具强度4． 工艺系统的整体刚性较差时，应选用数值较大的负刃倾角，以减小震动
五、刀具材料
与刀具的组成一样，刀具材料也分为刀柄材料和刀片材料。刀柄一般采用45#钢锻造，经过铣削加工而得。随着数控机床的日益普及，对机床刀具的要求也越来越高，越来越广，对于刀具的刀柄的要求也日益提高。现在对车刀刀柄的公差要求也提高了很多。我们现在谈论的刀具材料主要是指刀具切削部分（即刀片）的材料。刀具切削性能的优劣，主要取决于刀片的材料，其次取决于刀具几何参数和刀具结构的设计，再次取决于刀具切削用量的选用和刀具的安装情况。
刀片在切削加工时，要承受很大的切削力，还要承受切屑变形时产生的高温。要是刀具能在这样的条件下工作而不致很快地变钝或损坏，保持其切削能力，刀片必须具备各种特殊的性质。
表1-4 刀具材料的性能一览表
硬度 刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度，以便在高温状态下依然可以保持其锋利。通常刀具材料的硬度都在60HRC以上。
耐磨性 在通常情况下，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料组织中碳化物越多、颗粒越细、分布越均匀，其耐磨性也越高。
强度和韧性 在工艺上，一般采用刀具材料的抗弯强度表示刀片的强度大小；用冲击韧度表示刀片韧性的大小。刀片韧性的大小反映出刀具材料抗脆性断裂和抗崩刃的能力。
高温下的红热性 红热性表示刀片在高温状态下保持其切削性能的能力。红热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。另外，刀片材料的导热性也是表示刀具使用性能的一个方面。导热性越好，切削热越容易释放，刀具抗磨损、抗变形的能力也越强。
加工工艺性 刀片的加工工艺性主要反映在其成型和刃磨的能力上。
经济性 价格便宜，易于加工和运输。
目前，经常使用的刀具材料有高速钢和硬质合金两大类。随着加工技术的不断发展，一些特种材料，如陶瓷材料和超硬刀具材料（金刚石和立方氮化硼）也得到一定的应用。后者具有硬度高、抗磨性能好、可以保证较好的加工质量和加工效率等优点，但由于价格等因素的限制，应用范围不如前者高。
1． 高速钢 高速钢指的是含有较多的钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢按使用用途的不同分为通用型高速钢和高性能高速钢。
① 通用型高速钢 通用型高速钢具有一定的硬度（63-66HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性。在加工一般钢材料时，切削速度为50-60m/min，不适于进行高速切削和超硬材料的加工。主要的牌号为W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。后者在强度、韧性上优于后者，但热稳定性稍差。
② 高性能高速钢 高性能高速钢是在通用型高速钢的基础上，通过增加碳、钒等元素的含量或添加钴、铝等合金元素而得到的耐热性、耐磨性更高的新钢种。高性能高速钢在630-650℃时仍可保持60HRC的硬度，其耐用度是通用型高速钢的1.5~3倍。适用于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。但这类钢种的综合性能不如通用型高速钢，不同的牌号只有在各自规定的切削条件下，才能达到良好的加工效果。因此其使用范围受到限制。常用牌号有：9W18Ci4V、9W6M05Cr4V2、W6MoSCr4V3、W6M05Cr4V2C08、及W6MoSCr4V2AI等。
2． 硬质合金 硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)，用Co、Mo、Ni等元素充当粘结剂而制成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78-82HRC，能够在800-1000℃的高温下使用，允许的切削速度是高速钢的4-10倍。但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢低，因此很少做成整体式刀具。在实际使用中，一般将硬质合金刀块用焊接或机械夹固的方式固定在刀体上。
常用的硬质合金有三大类：
①钨钴类硬质合金（代号为YG） 由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好，但硬度和耐磨性较差，适用于加工脆性材料（如铸铁等）。钨钴类硬质合金中含Co越多，则韧性越好。常用的牌号有：YG8、YG6、YG3，它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。
②钨钛钴类硬质合金（代号为YT） 由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧性较差，适用于切屑呈带状的钢料等塑性材料。常用的牌号有YT5、YTl5、YT30等，其中的数字表示碳化钛的含量。碳化钛的含量越高，则耐磨性越好、韧性越低。这三种牌号的钨钛钴类硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。
③钨钛钽（铌）类硬质合金（代号为YW） 由在钨钛钴类硬质合金中加入少量的碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）组成。它具有上述两类硬质合金的优点，其制造的刀具既能加工钢、铸铁、有色金属，也能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用牌号有YWl和YW2。
3． 特种刀具材料
① 涂层刀具材料 这种材料是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢基体上，采用化学气相沉积（CVD）法或物理气相沉积（PVD）法涂覆一薄层硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。通过这种方法，使刀具既具有基体材料的强度和韧性，又具有很高的耐磨性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。其中TiC（碳化钛）的硬度和耐磨性好；TiN（氮化钛）的抗氧化、抗粘结性好；Al2O3（氧化铝）的耐热性好。使用时可根据不同的需要选择涂层材料。
② 陶瓷材料 其主要成分是Al2O3。陶瓷刀片的硬度可达78HRC以上，能耐1200-1450℃的高温，故能承受较高的切削速度。但抗弯强度低，怕冲击，易崩刃。主要用于钢、灰铸铁、淬火铸铁、球墨铸铁，耐热合金及高精度零件的精加工。
③ 金刚石 金刚石材料氛围人造金刚石和天然金刚石两种。一般采用人造金刚石作为切削刀具材料。其硬度极高，可达10000HV（一般的硬质合金仅为材料1300-1800HV）。其耐磨性是硬质合金的80-120倍。但韧性较差，对铁族材料亲和力大。因此一般不适宜加工黑色金属，主要用于有色金属以及非金属材料的高速精加工。
④ 立方氮化硼（CNB） 立方氮化硼是人工合成的一种高硬度材料，其硬度可达7300-9000HV，可耐1300-1500℃的高温，与铁族元素亲和力小。但其强度低，焊接性差。目前主要用于加工淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。
1．1．2 数控车削
数控车削从加工工艺的角度上与普通车削没有本质的区别，但由于两者所使用的设备不同，工艺特点也将有所不同。本节从这个角度对数控车削进行论述。
一、数控车削加工的原理
数控机床是用数字信息进行控制的机床。即把加工信息代码化，将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，控制加工所要求的各种状态。加工出所需工件的一类机床即为数控机床。
数控车床是数控金属切削机床中最常用的一种机床。数控车床的主运动和进给运动是不同的电机进行驱动的，而且这些电机都可以在机床的控制系统控制下，实现无级调速。从图1-7、图1-8的对比中，我们可以了解到：普通车床的传动是由一台电机驱动的，它只能在一次调整完毕后，以固定的速度和方向进行加工；而数控机床则是由多台电机驱动，它可以随时由数控系统对各台电机进行控制，随时改变加工的速度和方向，因而可以加工出各种复杂的零件。
图1-7 普通卧式车床的传动示意图
图1-8 数控机床基本工作过程示意图
二、数控车削加工中使用的刀具
数控机床是一种高精度、高自动化的通用型金属切削机床。所以它使用的刀具就要适合这类机床的加工特点。根据数控机床的发展，数控加工刀具也在不断发展。数控刀具可分为常规刀具和模块化刀具。其中模块化刀具是主要发展方向。
1．1 车削原理概述
1．1．1 车削加工原理
金属切削加工，从其本质上来说，就是使用各种类型的金属切削刀具，把各种金属原材料（称为工件毛坯）上多余的金属材料（称为加工余量）从工件毛坯上剥离，得到图纸所要求的零件。金属切削加工的工艺过程大致可以分为三类：
① 工件毛坯进行回转运动，切削刀具进行平动。主要为车削和镗削等。
② 切削刀具进行回转运动，工件毛坯进行平动。主要为铣削、磨削、钻削等。
③ 切削刀具和工件毛坯做相对运动（平动或转动）。主要为拉削、刨削等。
图1-1 车床的加工要素
在车床（这里指的是普通车床和一般的数控车床）上，可以进行工件的外表面、端面、内表面（内孔）以及内外螺纹的加工。对于高等级的数控车床（称为车削中心），除了上述各种加工以外，还可以进行铣削、钻削等加工。从以上介绍的对加工工艺过程的分析中，我们可以知道：在切削过程中，刀具和工件之间必须有相对运动，这种相对运动就称为切削运动。根据切削运动在切削加工中的作用不同分为主运动和进给运动。
主运动 主运动是指机床提供的主要运动。主运动使刀具和工件之间产生相对运动，从
而使刀具的前刀面接近工件并对加工余量进行剥离。在车床上，主运动是机床主轴的回转运动，即车削加工时工件的旋转运动。这一点，对于普通车床和数控车床都是一样的。
进给运动 进给运动是指由机床所提供的使刀具与工件之间产生附加的相对运动。进给运动与主运动相配合，就可以形成完整的切削加工。在普通车床上，进给运动是机床刀架（溜板）的直线移动。它可以是纵向的移动（沿机床主轴方向），也可以是横向的移动（与机床主轴方向相垂直），但只能是一个方向的移动。比如车削外圆时，车刀沿平行于工件轴线（也就是主轴轴线的方向）做纵向运动；而车削端面时，车刀就要沿垂直与机床主轴的方向做横向移动。在数控车床上，虽然进给运动的形式可能有所不同，但基本原理是一致的。与普通车床不同的是：数控车床可以同时进行两个方向的进给，从而加工出各种具有复杂母线的回转体工件。
表1-1 各种机床的主运动和进给运动
机床类型 主运动 进给运动
（数控）车床 主轴（工件） 刀架
（数控）铣床 主轴（刀具） 工作台
（数控）磨床 主轴（砂轮） 工作台（或砂轮轴，视磨床种类而定）
（数控）镗床 主轴（刀具） 工作台
从以上的分析中，我们可以知道：在车削加工中，主运动要消耗比较大的能量，才能完成切削。与之相比，进给运动所要消耗的能量要小一些。在普通车床中，主运动和进给运动的动力都来源于同一台电机。通过一系列的机械传动，把能量分配给主运动和进给运动，进而实现车削加工。在数控车床中，主运动和进给运动是分别由不同的电机来驱动的，分别称为主轴电机和坐标轴伺服电机。它们由机床的控制系统进行控制，完成加工任务。
图1-2 车削原理图
二、切削用量
切削用量是说明机床在进行切削加工时的状态参数。不同类型的机床对切削用量参数的表述也略有不同，但其基本的含义都是一致的。
1． 切削速度（Vc） 切削刃上的切削点相对于工件主运动的瞬时速度称为切削速度。切削速度的单位为米/分（m/min）。在各种金属切削机床中，大多数切削加工的主运动都是机床主轴的运动形成的，即都是回转运动。这样就需要在切削速度与机床主轴转速之间进行转换，两者的关系为：
Vc =
式中： Vc 切削速度（m/min）
d 工件直径（mm）
n 主轴转速（rpm）
2． 进给量（f） 对于不同种类的机床，进给量的单位是不同的。对于普通车床，进给量为工件（主轴）每转过一转，刀具沿进给方向与工件的相对移动量，单位为mm/r；对于数控车床，由于其控制原理与普通车床不同，进给量也可以定义为刀具在单位时间内沿着进给方向上相对于工件的位移量（mm/min）。其他类型的机床则根据其结构不同，进给量的单位分别为刀具或工件每转的位移量（mm/min，车床等大部分机床；或mm/r，使用多齿刀具的机床）或每行程的位移量（mm/一个行程，刨床等机床）。
3． 切深（ap） 已加工表面和待加工表面之间的垂直距离。对于车床而言，切深（ap）的计算公式为：
ap =
式中： ap 切深（mm）
dw 待加工表面直径（mm）
dm 已加工表面直径（mm）
图1-3 车削加工切削用量的示意图
在切削加工中，切削速度（Vc）、进给量（f）和切深（ap）这三个参数是相互关联的。在粗加工中，为了提高效率，一般采用较大的切深（ap）。此时切削速度（Vc）和进给量（f）相对较小；而在半精加工和精加工阶段，一般采用较大的切削速度（Vc）、较小的进给量（f）和切深（ap），以获得较好的加工质量（包括表面粗糙度、尺寸精度和形状精度）。
三、切削刀具（车刀）
切削加工离不开刀具。刀具是整个机械加工工艺系统中的一个重要环节。在各种刀具中，车刀的结构相对比较简单，具有代表性，下面以车刀为例予以介绍。图1-4为普通外圆车刀的示意图。车刀由夹持部分和切削部分组成。夹持部分称为刀柄，用来把刀具装夹在车床的刀架上，一般采用普通钢材料锻造而得；切削部分俗称为刀头，在车刀上一般为单个刀片。刀片材料一般有高速钢（俗称白钢刀条）和硬质合金两种，用于剥离金属材料。根据刀具切削部分与夹持部分（即刀片与刀柄）连接方式的不同，车刀可以分为焊接刀具和机夹刀具两大类。
图1-4 车刀示意图
车刀切削部分的主要构成为：
1．前刀面（Aγ） 切削加工而得的切屑经过的刀片表面
2，主后刀面（Aα） 刀具片上与过渡表面相对的表面
3．副后刀面（Aα`） 刀具片上与已加工表面相对的表面
4．主切削刃（S） 前刀面与主后刀面相交而得到的切削刃。用于切出工件上的过渡表面，完成主要的金属切除。主切削刃是主要的加工刃
5．副切削刃（S`） 前刀面与副后刀面相交而得到的切削刃。它的主要作用是配合主切削刃，完成金属材料的剥离工作，形成工件已加工表面
6．刀尖 指主切削刃与副切削刃的连接处。根据刀具所使用的场合不同，刀尖有倒角刀尖和倒圆刀尖两种。
从以上的分析中，我们可以了解到：车刀的各个组成部分之间都有着密切的联系。实际上，在十几至几十平方毫米的区域内，若干个部分形成了一些角度。这些角度对加工质量和刀具的使用寿命有极大的影响。对刀具进行角度的分析，是刀具设计者和使用者的重要工作内容。
四、刀具切削部分（刀片）的几何角度
图1-5 刀具角度坐标系
对刀具几何参数进行确定，需要以一定的参考坐标系和参考坐标平面为基准。我们依然以车刀为例。我们引入一个坐标系，作为刀具几何参数的测量基准。这个坐标系就是如图1-5所示的刀具角度坐标系。在这个坐标系中，有三个相互垂直坐标轴。坐标轴所在的平面也是相互垂直的。
（1） 基面（Pr）：这个平面是指通过切削刃上的一个选定点而垂直于主运动方向的平面。对于车刀，这个选定点就是刀尖，而基面就是过刀尖而与刀柄安装平面平行的平面。
（2） 切削平面（Ps）：这个平面是指通过切削刃上的一个选定点而垂直于基面的平面。对于一般切削刃为直线的车刀，这个平面就是包含切削刃而与刀柄安装平面垂直平面。
（3） 正交平面（Po）：正交平面是指通过切削刃选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。也就是经过刀尖并垂直于切削刃在基面上投影的平面。
刀具的角度有一些是空间角，根据立体几何知识，空间角应以其在坐标系内某一个平面内的投影来进行度量。因此，刀具所有的几何参数都可以在这个坐标系内的某一个平面内进行测量。
图1-6 车刀的角度
下面介绍一些车刀的几何角度：
在正交平面（Po）内测量的角度：
（1） 前角（γ0）：前刀面与基面的夹角。当前刀面与切削平面夹角小于90°时，前角为正值；大于90°时，前角为负值。前角对于刀具的切削性能有很大的影响。
（2） 后角（α0）：后刀面与切削平面的夹角。当后刀面与基面夹角小于90°时，后角为正值；大于90°时，后角为负值。由于后角的存在，后刀面与加工过渡表面之间的摩擦可以大大减小。
（3） 楔角（β0）：前刀面与后刀面之间的夹角。
β0 = 90°- （γ0 +α0）
在基面（Pr）内测量的角度：
（1） 主偏角（κγ）：主切削平面与假定进给运动方向之间的夹角。主偏角总是为正值。
（2） 副偏角（κγ`）：副切削平面与假定进给运动反方向之间的夹角。
（3） 刀尖角（εγ）：主切削平面与副切削平面之间的夹角。
εγ = 180°- （κγ + κγ`）
在切削平面（Ps）内测量的角度：
（1） 刃倾角（λs）：指的是主切削刃与基面间的夹角。刃倾角的正负值是这样设定的：当刀尖比车刀刀柄的安装面高时，刃倾角为正值；当刀尖低时，刃倾角为负值。当切削刃平行于刀柄安装面时，刃倾角为0°。这时，切削刃位于基面内。
以上是对主切削刃的分析。采用同样的方法，也可以定义副切削刃的参考坐标系和参考坐标平面，即定义由副基面（Pr`）、副切削平面（Ps`）和副正交平面（Po`）构成的参考坐标系，进而对副切削刃的各种角度进行分析。
表1-2 车刀上的几种重要角度
刀具角度 符号 说明
前角 γ0 前刀面与基面的夹角
后角 α0 后刀面与切削平面的夹角
主偏角 κγ 主切削平面与假定进给运动方向之间的夹角
副偏角 κγ, 副切削平面与假定进给运动反方向之间的夹角
刃倾角 λs 主切削刃与基面间的夹角
表1-3 刀具主要角度对加工的影响
刀具角度 角度的作用 选用原则
前角 前角主要影响切屑变形和切削力的大小以及刀具耐用度和加工表面质量的高低。前角增大，可以使切削变形和摩擦减小，故切削力小、切削热少，加工表面质量高。但前角过大，刀具强度降低，耐用度下降。前角减小，刀具强度提高，切屑变形增大，易断屑。但前角过小，会使切削力和切削热增加，刀具耐用度也随之降低。 1． 工件材料：塑性材料选用较大的前角；脆性材料选用较小的前角2． 刀具材料：高速钢选用较大的前角；硬质合金选用较小的前角3． 加工过程：精加工选用较大的前角；粗加工选用较小的前角4． 数控机床为了保证刀具稳定，一般使用的刀具前角比较小
后角 后角的主要功用是减小主后刀面与过渡表面层之间的摩擦，减轻刀具磨损。后角减小，可以使主后刀面与工件表面间的摩擦加剧，刀具磨损加大，工件冷硬程度增加，加工表面质量差。 后角增大，则摩擦减小，也减小了刃口钝圆半径，对切削厚度较小的情况有利，但使刀刃强度和散热情况变差。 1． 工件材料：工件硬度、强度较高以及脆性材料选用较小的后角2． 加工过程：精加工选用较大的后角；粗加工选用较小的后角
主偏角 主偏角可影响刀具耐用度、已加工表面粗糙度及切削力的大小。主偏角较小，则刀片的强度高，散热条件好。参加切削的主切削刃长度长，作用主切削刃上的平均切削负荷减小。但切削厚度小，断屑效果差。 1． 工件材料：加工淬火钢等硬质材料时，主偏角较大2． 使用硬质合金刀具进行精加工时，应选用较大的主偏角3． 用于单件小批生产的车刀，主偏角应选为为45o或90o，提供刀具的通用性4． 需要从工件中间切入的车刀，例如加工阶梯轴的工件，应根据工件形状选择主偏角。
副偏角 副偏角的功能在于减小副切削刃与已加工表面的摩擦。减小副偏角可以提高刀具强度，改善散热条件。但可能增加副后刀面与以加工表面的摩擦，引起震动。 1． 在不引起震动的情况下，刀具应选用较小的副偏角2． 精加工刀具的副偏角应更小一些
刃倾角 刃倾角主要影响切屑流向和刀尖强度。刃倾角为正值，切削开始时刀尖与工件先接触，切屑流向待加工表面，可避免缠绕和划伤已加工表面，对半精加工、精加工有利。刃倾角为负值，切削开始时刀尖后接触工件，切屑流向已加工表面，容易将已加工表面划伤；在粗加工开始，尤其是在断续切削时，可避免刀尖受冲击，起到保护刀尖的作用 1． 粗加工刀具应选用刃倾角<0o，使刀具具有良好的强度和散热条件2． 精加工刀具应选用刃倾角>0o，使切屑流向待加工表面，提高加工质量3． 断续切削（如车床的荒加工）应选用刃倾角<0o，以提高刀具强度4． 工艺系统的整体刚性较差时，应选用数值较大的负刃倾角，以减小震动
五、刀具材料
与刀具的组成一样，刀具材料也分为刀柄材料和刀片材料。刀柄一般采用45#钢锻造，经过铣削加工而得。随着数控机床的日益普及，对机床刀具的要求也越来越高，越来越广，对于刀具的刀柄的要求也日益提高。现在对车刀刀柄的公差要求也提高了很多。我们现在谈论的刀具材料主要是指刀具切削部分（即刀片）的材料。刀具切削性能的优劣，主要取决于刀片的材料，其次取决于刀具几何参数和刀具结构的设计，再次取决于刀具切削用量的选用和刀具的安装情况。
刀片在切削加工时，要承受很大的切削力，还要承受切屑变形时产生的高温。要是刀具能在这样的条件下工作而不致很快地变钝或损坏，保持其切削能力，刀片必须具备各种特殊的性质。
表1-4 刀具材料的性能一览表
硬度 刀具材料的硬度必须更高于被加工材料的硬度，以便在高温状态下依然可以保持其锋利。通常刀具材料的硬度都在60HRC以上。
耐磨性 在通常情况下，刀具材料硬度越高，耐磨性也越好。刀具材料组织中碳化物越多、颗粒越细、分布越均匀，其耐磨性也越高。
强度和韧性 在工艺上，一般采用刀具材料的抗弯强度表示刀片的强度大小；用冲击韧度表示刀片韧性的大小。刀片韧性的大小反映出刀具材料抗脆性断裂和抗崩刃的能力。
高温下的红热性 红热性表示刀片在高温状态下保持其切削性能的能力。红热性越好，刀具材料在高温时抗塑性变形的能力、抗磨损的能力也越强。另外，刀片材料的导热性也是表示刀具使用性能的一个方面。导热性越好，切削热越容易释放，刀具抗磨损、抗变形的能力也越强。
加工工艺性 刀片的加工工艺性主要反映在其成型和刃磨的能力上。
经济性 价格便宜，易于加工和运输。
目前，经常使用的刀具材料有高速钢和硬质合金两大类。随着加工技术的不断发展，一些特种材料，如陶瓷材料和超硬刀具材料（金刚石和立方氮化硼）也得到一定的应用。后者具有硬度高、抗磨性能好、可以保证较好的加工质量和加工效率等优点，但由于价格等因素的限制，应用范围不如前者高。
1． 高速钢 高速钢指的是含有较多的钨、铬、钼、钒等合金元素的高合金工具钢。高速钢按使用用途的不同分为通用型高速钢和高性能高速钢。
① 通用型高速钢 通用型高速钢具有一定的硬度（63-66HRC）和耐磨性、较高的强度和韧性。在加工一般钢材料时，切削速度为50-60m/min，不适于进行高速切削和超硬材料的加工。主要的牌号为W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。后者在强度、韧性上优于后者，但热稳定性稍差。
② 高性能高速钢 高性能高速钢是在通用型高速钢的基础上，通过增加碳、钒等元素的含量或添加钴、铝等合金元素而得到的耐热性、耐磨性更高的新钢种。高性能高速钢在630-650℃时仍可保持60HRC的硬度，其耐用度是通用型高速钢的1.5~3倍。适用于加工奥氏体不锈钢、高温合金、钛合金、超高强度钢等难加工材料。但这类钢种的综合性能不如通用型高速钢，不同的牌号只有在各自规定的切削条件下，才能达到良好的加工效果。因此其使用范围受到限制。常用牌号有：9W18Ci4V、9W6M05Cr4V2、W6MoSCr4V3、W6M05Cr4V2C08、及W6MoSCr4V2AI等。
2． 硬质合金 硬质合金是由硬度和熔点都很高的碳化物(WC、TiC、TaC、NbC等)，用Co、Mo、Ni等元素充当粘结剂而制成的粉末冶金制品。其常温硬度可达78-82HRC，能够在800-1000℃的高温下使用，允许的切削速度是高速钢的4-10倍。但其冲击韧性与抗弯强度远比高速钢低，因此很少做成整体式刀具。在实际使用中，一般将硬质合金刀块用焊接或机械夹固的方式固定在刀体上。
常用的硬质合金有三大类：
①钨钴类硬质合金（代号为YG） 由碳化钨和钴组成。这类硬质合金韧性较好，但硬度和耐磨性较差，适用于加工脆性材料（如铸铁等）。钨钴类硬质合金中含Co越多，则韧性越好。常用的牌号有：YG8、YG6、YG3，它们制造的刀具依次适用于粗加工、半精加工和精加工。
②钨钛钴类硬质合金（代号为YT） 由碳化钨、碳化钛和钴组成。这类硬质合金耐热性和耐磨性较好，但抗冲击韧性较差，适用于切屑呈带状的钢料等塑性材料。常用的牌号有YT5、YTl5、YT30等，其中的数字表示碳化钛的含量。碳化钛的含量越高，则耐磨性越好、韧性越低。这三种牌号的钨钛钴类硬质合金制造的刀具分别适用于粗加工、半精加工和精加工。
③钨钛钽（铌）类硬质合金（代号为YW） 由在钨钛钴类硬质合金中加入少量的碳化钽（TaC）或碳化铌（NbC）组成。它具有上述两类硬质合金的优点，其制造的刀具既能加工钢、铸铁、有色金属，也能加工高温合金、耐热合金及合金铸铁等难加工材料。常用牌号有YWl和YW2。
3． 特种刀具材料
① 涂层刀具材料 这种材料是在韧性较好的硬质合金基体上或高速钢基体上，采用化学气相沉积（CVD）法或物理气相沉积（PVD）法涂覆一薄层硬质和耐磨性极高的难熔金属化合物而得到的刀具材料。通过这种方法，使刀具既具有基体材料的强度和韧性，又具有很高的耐磨性。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。其中TiC（碳化钛）的硬度和耐磨性好；TiN（氮化钛）的抗氧化、抗粘结性好；Al2O3（氧化铝）的耐热性好。使用时可根据不同的需要选择涂层材料。
② 陶瓷材料 其主要成分是Al2O3。陶瓷刀片的硬度可达78HRC以上，能耐1200-1450℃的高温，故能承受较高的切削速度。但抗弯强度低，怕冲击，易崩刃。主要用于钢、灰铸铁、淬火铸铁、球墨铸铁，耐热合金及高精度零件的精加工。
③ 金刚石 金刚石材料氛围人造金刚石和天然金刚石两种。一般采用人造金刚石作为切削刀具材料。其硬度极高，可达10000HV（一般的硬质合金仅为材料1300-1800HV）。其耐磨性是硬质合金的80-120倍。但韧性较差，对铁族材料亲和力大。因此一般不适宜加工黑色金属，主要用于有色金属以及非金属材料的高速精加工。
④ 立方氮化硼（CNB） 立方氮化硼是人工合成的一种高硬度材料，其硬度可达7300-9000HV，可耐1300-1500℃的高温，与铁族元素亲和力小。但其强度低，焊接性差。目前主要用于加工淬硬钢、冷硬铸铁、高温合金和一些难加工材料。
1．1．2 数控车削
数控车削从加工工艺的角度上与普通车削没有本质的区别，但由于两者所使用的设备不同，工艺特点也将有所不同。本节从这个角度对数控车削进行论述。
一、数控车削加工的原理
数控机床是用数字信息进行控制的机床。即把加工信息代码化，将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，控制加工所要求的各种状态。加工出所需工件的一类机床即为数控机床。
数控车床是数控金属切削机床中最常用的一种机床。数控车床的主运动和进给运动是不同的电机进行驱动的，而且这些电机都可以在机床的控制系统控制下，实现无级调速。从图1-7、图1-8的对比中，我们可以了解到：普通车床的传动是由一台电机驱动的，它只能在一次调整完毕后，以固定的速度和方向进行加工；而数控机床则是由多台电机驱动，它可以随时由数控系统对各台电机进行控制，随时改变加工的速度和方向，因而可以加工出各种复杂的零件。
图1-7 普通卧式车床的传动示意图
图1-8 数控机床基本工作过程示意图
二、数控车削加工中使用的刀具
数控机床是一种高精度、高自动化的通用型金属切削机床。所以它使用的刀具就要适合这类机床的加工特点。根据数控机床的发展，数控加工刀具也在不断发展。数控刀具可分为常规刀具和模块化刀具。其中模块化刀具是主要发展方向。
