位置检装 图图 图1-12闭环控制系统框图 测装置，如圆光栅、光电编码器以及旋转变压器等，如图1-13所示。检测装置不是直接测 量工作台位移量，而是通过检测丝杠或进给电动机转角间接地测量工作台位移量，然后反馈 给比较器。由于丝杠螺母的传动误差无法测量，所以系统不能补偿传动机构的误差，因此， 精度较闭环控制的数控机床差。但由于角位移检测简单，而惯性大的移动件不包括在闭环 中，所以系统有很好的稳定性，调试方便，被广泛用于中等以上精度的数控机床中。 目图只 图113半闭环控制系统框图 此外，按机床加工的运动轨迹分为：点位控制数控机床（如数控钻床、数控镗床）、直 线控制数控机床（如简易数控车床、简易数控铣床）及轮廓控制数控机床（如数控车床、数 控铣床、加工中心)：按工艺用途分为：一般数控机床（如数控车、铣、钻和镗床等）及自 动换刀数控机床（如车削加工中心、钻削加工中心和镗削加工中心等）。 (三)数控机床的坐标系 为准确地描述数控机床上的运动部件在成形运动和辅助运动中的运动方向和运动距离的 大小，需要建立一个坐标系才能实现，这个坐标系称为数控机床坐标系。国际标准化组织 (S○)和我国有关部门都对数控机床的坐标系制定了相应的标准，并且两者是等效的。 1,机床坐标系的规定 标准规定采用右手笛卡儿直角坐标系。基本坐标轴为x、y、,相应每个坐标轴的旋 转坐标分别为A、B、C,如图1-14所示。 2.坐标轴及运动方向的规定 标准规定以增大工件与刀具之间距离的方向为坐标轴的正方向。 (Q):坐标规定与机床主轴轴线平行的坐标轴为：坐标，取刀具远离工件的方向为正 方向。 2)x坐标规定x坐标轴为水平方向，且垂直于之轴并平行于工件的装夹面。 对于工件旋转的机床（如数控车床、数控磨床），取横向离开工件旋转中心的方向为工 轴正方向。对于刀具旋转的机床（如数控铣床、数控镗床），则规定：当之轴为水平时，从 刀具主轴后端向工件方向看，向右方向为x轴正方向：当：轴为垂直时，对于单立柱机床 面对主轴向立柱方向看，向右方向为x轴正方向
图１１２ 闭环控制系统框图 测装置，如圆光栅、光电编码器以及旋转变压器等，如图１１３所示。检测装置不是直接测 量工作台位移量，而是通过检测丝杠或进给电动机转角间接地测量工作台位移量，然后反馈 给比较器。由于丝杠螺母的传动误差无法测量，所以系统不能补偿传动机构的误差，因此， 精度较闭环控制的数控机床差。但由于角位移检测简单，而惯性大的移动件不包括在闭环 中，所以系统有很好的稳定性，调试方便，被广泛用于中等以上精度的数控机床中。 图１１３ 半闭环控制系统框图 此外，按机床加工的运动轨迹分为：点位控制数控机床 （如数控钻床、数控镗床）、直 线控制数控机床 （如简易数控车床、简易数控铣床） 及轮廓控制数控机床 （如数控车床、数 控铣床、加工中心）；按工艺用途分为：一般数控机床 （如数控车、铣、钻和镗床等） 及自 动换刀数控机床 （如车削加工中心、钻削加工中心和镗削加工中心等）。 （三） 数控机床的坐标系 为准确地描述数控机床上的运动部件在成形运动和辅助运动中的运动方向和运动距离的 大小，需要建立一个坐标系才能实现，这个坐标系称为数控机床坐标系。国际标准化组织 （ＩＳＯ）和我国有关部门都对数控机床的坐标系制定了相应的标准，并且两者是等效的。 １．机床坐标系的规定 标准规定采用右手笛卡儿直角坐标系。基本坐标轴为ｘ、ｙ、ｚ，相应每个坐标轴的旋 转坐标分别为Ａ、Ｂ、Ｃ，如图１１４所示。 ２．坐标轴及运动方向的规定 标准规定以增大工件与刀具之间距离的方向为坐标轴的正方向。 （１）ｚ坐标 规定与机床主轴轴线平行的坐标轴为ｚ坐标，取刀具远离工件的方向为正 方向。 （２）ｘ坐标 规定ｘ坐标轴为水平方向，且垂直于ｚ轴并平行于工件的装夹面。 对于工件旋转的机床 （如数控车床、数控磨床），取横向离开工件旋转中心的方向为ｘ 轴正方向。对于刀具旋转的机床 （如数控铣床、数控镗床），则规定：当ｚ轴为水平时，从 刀具主轴后端向工件方向看，向右方向为ｘ轴正方向；当ｚ轴为垂直时，对于单立柱机床， 面对主轴向立柱方向看，向右方向为ｘ轴正方向。 ４１
G)y坐标当x轴、z轴确定之 后，用笛卡儿直角坐标右手定则法确定 y坐标轴及其正方向。 4)A、B、C坐标A、B、C坐 标分别为绕x、y、:坐标的旋转坐标， 按右手螺旋定则来确定A、B、C坐标 的正方向 (⑤)附加坐标如果有第二或第三 组坐标平行于x、y、,则分别指定用 U、V、W和P、Q、R表示。若除了 A、B、C第一旋转坐标系以外，还有 其他的旋转坐标，则用D、E、F等表 示。 (6)对于工件运动时的相反方向 当工件是移动的，而刀具固定时，坐标 轴用带心”的字母表示，如+x',表 图114右手笛卡儿坐标系 示工件相对于刀具的正向移动。而不带”的字母，如+工，则表示刀具相对于工件的正 向移动。二者表示的运动方向正好相反 图1-15至图1-18绘出了几种典型机床的标准坐标系简图。图中字母表示运动的坐标， 箭头表示正方向。 0 00 图115卧式车床坐标系 图1-16卧式升降台铣床坐标系 (四)数控机床的特点和应用 ①)自动化程度高在数控机床上加工零件时，除了手工装卸工件外，全部加工过程都 由机床自动完成。在柔性制造系统上，上下料、检测、诊断、对刀、传输、调度、管理等也 都由机床自动完成，这样减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。 2)加工精度高，加工质量稳定数控加工的尺寸通常在0.005~0.1mm之间，目前最 高的尺寸精度可达±0.0015mm,不受零件形状复杂程度的影响，加工中消除了操作者的人
图１１４ 右手笛卡儿坐标系 （３）ｙ坐标 当ｘ 轴、ｚ 轴确定之 后，用笛卡儿直角坐标右手定则法确定 ｙ坐标轴及其正方向。 （４）Ａ、Ｂ、Ｃ 坐标 Ａ、Ｂ、Ｃ 坐 标分别为绕ｘ、ｙ、ｚ坐标的旋转坐标， 按右手螺旋定则来确定 Ａ、Ｂ、Ｃ 坐标 的正方向。 （５）附加坐标 如果有第二或第三 组坐标平行于ｘ、ｙ、ｚ，则分别指定用 Ｕ、Ｖ、Ｗ 和Ｐ、Ｑ、Ｒ 表示。若除了 Ａ、Ｂ、Ｃ 第一旋转坐标系以外，还有 其他的旋转坐标，则用 Ｄ、Ｅ、Ｆ 等表 示。 （６）对于工件运动时的相反方向 当工件是移动的，而刀具固定时，坐标 轴用带 “′” 的字母表示，如＋ｘ′，表 示工件相对于刀具的正向移动。而不带 “′” 的字母，如＋ｘ，则表示刀具相对于工件的正 向移动。二者表示的运动方向正好相反。 图１１５至图１１８绘出了几种典型机床的标准坐标系简图。图中字母表示运动的坐标， 箭头表示正方向。 图１１５ 卧式车床坐标系 图１１６ 卧式升降台铣床坐标系 （四） 数控机床的特点和应用 （１）自动化程度高 在数控机床上加工零件时，除了手工装卸工件外，全部加工过程都 由机床自动完成。在柔性制造系统上，上下料、检测、诊断、对刀、传输、调度、管理等也 都由机床自动完成，这样减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。 （２）加工精度高，加工质量稳定 数控加工的尺寸通常在０００５～０１ｍｍ之间，目前最 高的尺寸精度可达±０００１５ｍｍ，不受零件形状复杂程度的影响，加工中消除了操作者的人 ５１
16 为误差，提高了同批零件尺寸的一致性，使产品质量保持稳定。 图117立式升降台铣床坐标系 图1-18卧式镗铣床坐标系 (3)对加工对象的适应性强数控机床上实现自动加工的控制信息是加工程序。当加工 对象改变时，除了相应更换刀具和解决工件装夹方式外，只要重新编写并输入该零件的加工 程序，便可自动加工出新的零件，不必对机床作任何复杂的调整，这样缩短了生产准备周 期，给新产品的研制开发以及产品的改进、改型提供了捷径。 ④)生产效率高数控机床的加工效率高，一方面是自动化程度高，在一次装夹中能完 成较多表面的加工，省去了划线、多次装夹、检测等工序：另一方面是数控机床的运动速度 高，空行程时间短。目前，数控车床的主轴转速已达到5000一7000rmin,数控高速磨削的 砂轮线速度达到100一200mls,加工中心的主轴转速己达到70000rmin,各轴的快速移动速 度达到20-30m/min。 ⑤)易于建立计算机通信网络由于数控机床是使用数字信息，易于与计算机辅助设计 和制造(CAD/CAM)系统联接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合的一体化 系统。 数控机床的不足之处是设备价格昂贵，维修复杂，对调试、维修人员的技术素质要求较 高，首件加工的准备周期较长。 数控机床最适合加工形状复杂、精度要求高，通用机床无法加工，或虽然能加工但很难 保证加工质量的零件：用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件：必须在一次安装下合并 完成钻、扩、铰、铣、镗及攻螺纹等较多加工内容的零件。 第三节金属切削刀具 在机械加工过程中，刀具直接参与切削过程，从工件上切除多余金属层。根据工件和机 床的不同，刀具也有不同的类型、结构、材料和几何参数
为误差，提高了同批零件尺寸的一致性，使产品质量保持稳定。 图１１７ 立式升降台铣床坐标系 图１１８ 卧式镗铣床坐标系 （３）对加工对象的适应性强 数控机床上实现自动加工的控制信息是加工程序。当加工 对象改变时，除了相应更换刀具和解决工件装夹方式外，只要重新编写并输入该零件的加工 程序，便可自动加工出新的零件，不必对机床作任何复杂的调整，这样缩短了生产准备周 期，给新产品的研制开发以及产品的改进、改型提供了捷径。 （４）生产效率高 数控机床的加工效率高，一方面是自动化程度高，在一次装夹中能完 成较多表面的加工，省去了划线、多次装夹、检测等工序；另一方面是数控机床的运动速度 高，空行程时间短。目前，数控车床的主轴转速已达到５０００～７０００ｒ?ｍｉｎ，数控高速磨削的 砂轮线速度达到１００～２００ｍ?ｓ，加工中心的主轴转速已达到７００００ｒ?ｍｉｎ，各轴的快速移动速 度达到２０～３０ｍ?ｍｉｎ。 （５）易于建立计算机通信网络 由于数控机床是使用数字信息，易于与计算机辅助设计 和制造 （ＣＡＤ?ＣＡＭ）系统联接，形成计算机辅助设计和制造与数控机床紧密结合的一体化 系统。 数控机床的不足之处是设备价格昂贵，维修复杂，对调试、维修人员的技术素质要求较 高，首件加工的准备周期较长。 数控机床最适合加工形状复杂、精度要求高，通用机床无法加工，或虽然能加工但很难 保证加工质量的零件；用数学模型描述的复杂曲线或曲面轮廓零件；必须在一次安装下合并 完成钻、扩、铰、铣、镗及攻螺纹等较多加工内容的零件。 第三节 金属切削刀具 在机械加工过程中，刀具直接参与切削过程，从工件上切除多余金属层。根据工件和机 床的不同，刀具也有不同的类型、结构、材料和几何参数。 ６１
一、刀具的种类 刀具种类很多，根据用途和加工方法不同，可分为以下几大类： )切刀类它包括车刀、创刀、插刀、镗刀、成形车刀以及一些专用切刀等。 2)孔加工刀具类它包括从实体材料上加工孔以及对已有孔进行再加工所用的刀具。 如各种钻头、铰刀等。 ③)拉刀类它用于加工各种不同形状的通孔，贯通平面及成形面等，是高生产率的多 齿刀具，一般用于大批量生产。 (4)铣刀类它用于在铣床上加工各种平面、侧面、台阶面、成形表面以及用于切断、 切槽等。如面铣刀、成形铣刀、键铣刀等。 ⑤)螺纹刀具类它用于加工各种内外螺纹。如螺纹车刀、丝锥、板牙等。 (6)齿轮刀具类它用于加工各种渐开线齿形和其他非渐开线齿形的工件。如齿轮滚 刀、蜗轮滚刀、花键滚刀等 (7)磨具类它包括砂轮、砂带、油石、抛光轮等用于表面精加工的刀具。 各类刀具的结构将在第三至第八章中结合加工方法作详细介绍。 二、刀具的几何参数 (《一)刀具切削部分组成要素 刀具种类繁多，结构各异，但其切削部分的基本构成是一样的。为方便起见，以普通外 圆车刀为例，分析和定义刀具切削部分的几何参数。 普通外圆车刀的构造如图1-19所示。其组成包括刀柄部分和切削部分。刀柄是车刀在 车床上定位和夹持的部分。切削部分的组成要素如下： 月、 图119车刀的组成 图1-20刀尖的类型 )切削刃的实际交点b)修圆刀尖。倒角刀尖 ①)前刀面(4)刀具上切屑流过的表面。 Q)后刀面(A.)刀具上与过渡表面相对的表面。 3)副后刀面(A,)刀具上与已加工表面相对的表面。 4)主切削刃(S)前刀面与后刀面相交而得到的刃边（或棱边），用于切出工件上 的过渡表面，完成主要的金属切除工作。 (⑤)副切削刃(S)前刀面与副后刀面相交而得到的刃边，它配合主切削刃完成金属 切除工作，负责最终形成工件已加工表面
一、刀具的种类 刀具种类很多，根据用途和加工方法不同，可分为以下几大类： （１）切刀类 它包括车刀、刨刀、插刀、镗刀、成形车刀以及一些专用切刀等。 （２）孔加工刀具类 它包括从实体材料上加工孔以及对已有孔进行再加工所用的刀具。 如各种钻头、铰刀等。 （３）拉刀类 它用于加工各种不同形状的通孔，贯通平面及成形面等，是高生产率的多 齿刀具，一般用于大批量生产。 （４）铣刀类 它用于在铣床上加工各种平面、侧面、台阶面、成形表面以及用于切断、 切槽等。如面铣刀、成形铣刀、键铣刀等。 （５）螺纹刀具类 它用于加工各种内外螺纹。如螺纹车刀、丝锥、板牙等。 （６）齿轮刀具类 它用于加工各种渐开线齿形和其他非渐开线齿形的工件。如齿轮滚 刀、蜗轮滚刀、花键滚刀等。 （７）磨具类 它包括砂轮、砂带、油石、抛光轮等用于表面精加工的刀具。 各类刀具的结构将在第三至第八章中结合加工方法作详细介绍。 二、刀具的几何参数 （一） 刀具切削部分组成要素 刀具种类繁多，结构各异，但其切削部分的基本构成是一样的。为方便起见，以普通外 圆车刀为例，分析和定义刀具切削部分的几何参数。 普通外圆车刀的构造如图１１９所示。其组成包括刀柄部分和切削部分。刀柄是车刀在 车床上定位和夹持的部分。切削部分的组成要素如下： 图１１９ 车刀的组成 图１２０ 刀尖的类型 ａ）切削刃的实际交点 ｂ）修圆刀尖 ｃ）倒角刀尖 （１）前刀面 （Ａγ） 刀具上切屑流过的表面。 （２）后刀面 （Ａα） 刀具上与过渡表面相对的表面。 （３）副后刀面 （Ａα） 刀具上与已加工表面相对的表面。 （４）主切削刃 （Ｓ） 前刀面与后刀面相交而得到的刃边 （或棱边），用于切出工件上 的过渡表面，完成主要的金属切除工作。 （５）副切削刃 （Ｓ′） 前刀面与副后刀面相交而得到的刃边，它配合主切削刃完成金属 切除工作，负责最终形成工件已加工表面。 ７１
(6)刀尖主切削刃与副切削刃的连接处的一小部分切削刃。它分为修圆刀尖和倒角刀 尖两类（图1-20）。 二)刀具切削部分的几何角度 刀具几何参数的确定需要以一定的参考坐标系和参考坐标平面为基准。刀具静止参考系 是用于定义刀具设计、制造、刃磨和测量时刀具几何参数的参考系。在刀具静止参考系中定 义的角度称为刀具标注角度。下面主要介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。 1,正交平面参考系 正交平面参考系如图1-21所示，它由下列 几个参考坐标平面组成： ①)基面(P)通过切削刃选定点，垂直 于主运动方向的平面。通常它平行或垂直于刀具 在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个 平面或轴线。对车刀、创刀而言，就是过切削刃 选定点和刀柄安装平面平行的平面。对钻头、铣 刀等旋转刀具来说，即是过切削刃选定点并通过 刀具轴线的平面。 )切削平面(P)通过切削刃选定点与 切削刃相切并垂直于基面的平面。当切削刃为直 图1-21正交平面参考系 线刃时，过切削刃的选定点的切削平面，即是包含切削刃并垂直于基面的平面。 G)正交平面(P。)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。也可以看成是通过切削刃选定点并垂直于切削刃在基面上投影的平面： 2.刀具的标注角度 刀具的标注角度如图1-22所示，它们分别在 不同的参考坐标平面中测量： (1)在正交平面中测量的角度 1)前角(y。)。前刀面与基面间的夹角。 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。它对刀具切削性能 有很大的影响。 2)后角(a。)。 后刀面与切削平面间的夹 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。它的主要作用是减 图122正交平面参考系内的刀具标注角度 小后刀面和过渡表面之间的摩擦。 3)楔角(。)。 前刀面与后刀面的夹角。它是由前角和后角得到的派生角度。 B。=90°-(y。+a。 Q2)在基面中测量的角度 1)主偏角(<，)。主切削平面与假定进给运动方向间的夹角，它总是为正值。 2)副偏角(x,)。副切削平面与假定进给运动反方向间的夹角
（６）刀尖 主切削刃与副切削刃的连接处的一小部分切削刃。它分为修圆刀尖和倒角刀 尖两类 （图１２０）。 （二） 刀具切削部分的几何角度 刀具几何参数的确定需要以一定的参考坐标系和参考坐标平面为基准。刀具静止参考系 是用于定义刀具设计、制造、刃磨和测量时刀具几何参数的参考系。在刀具静止参考系中定 义的角度称为刀具标注角度。下面主要介绍刀具静止参考系中常用的正交平面参考系。 １正交平面参考系 图１２１ 正交平面参考系 正交平面参考系如图１２１所示，它由下列 几个参考坐标平面组成： （１） 基面 （Ｐｒ ） 通过切削刃选定点，垂直 于主运动方向的平面。通常它平行或垂直于刀具 在制造、刃磨及测量时适合于安装或定位的一个 平面或轴线。对车刀、刨刀而言，就是过切削刃 选定点和刀柄安装平面平行的平面。对钻头、铣 刀等旋转刀具来说，即是过切削刃选定点并通过 刀具轴线的平面。 （２） 切削平面 （Ｐｓ ） 通过切削刃选定点与 切削刃相切并垂直于基面的平面。当切削刃为直 线刃时，过切削刃的选定点的切削平面，即是包含切削刃并垂直于基面的平面。 （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。也可以看成是通过切削刃选定点并垂直于切削刃在基面上投影的平面。 ２．刀具的标注角度 图１２２ 正交平面参考系内的刀具标注角度 刀具的标注角度如图１２２所示，它们分别在 不同的参考坐标平面中测量。 （１）在正交平面中测量的角度 １） 前角 （γｏ）。 前刀面与基面间的夹角。 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。它对刀具切削性能 有很大的影响。 ２） 后角 （αｏ）。 后刀面与切削平面间的夹 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。它的主要作用是减 小后刀面和过渡表面之间的摩擦。 ３） 楔角 （βｏ）。 前刀面与后刀面的夹角。它是由前角和后角得到的派生角度。 βｏ ＝９０°－（γｏ＋αｏ） （１１） （２）在基面中测量的角度 １） 主偏角 （κｒ ）。主切削平面与假定进给运动方向间的夹角，它总是为正值。 ２） 副偏角 （κ′ｒ）。副切削平面与假定进给运动反方向间的夹角。 ８１