机械制造基础课件.pdf

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1、第一讲绪论一、本课程的任务和特点 机械制造技术是为适应机制专业改革需要而重新构建的门课程，它 有 机 地 将 金属切削原理与刀具、金属切削机床概论、机床夹具设计、机械制造工艺学等几门传统的专业课融合为一体，在内容上包括了金属切削过程及其基本规律、机床、刀具、夹具的基本知识、机械加工和装配工艺规程的设计、机械加工中精度及表面质量的概念及其控制方法、制造技术哲理与现代生产管理模式、制造技术发展的前沿与趋势。形成以机械制造技术应用能力培养为主线的新的课程体系。本课程以机械产品的加工原理、制造方法及所用的设备和工艺装备为主要研究对象，探讨在各种生产条件下，如何以最低成本，较高的劳动生产率生产出优质的产

2、品。零件的加工是在由机床、夹具、刀具、工件所组成的工艺系统完成的，加工质量、成本、效率在很大程度上取决于加工方法及山此而选用的机床、夹具和刀具。过去，机制专业独立设置了几门专业课，以课程群的组合来建立学生的机械制造技术知识结构。由于各门课程自成体系，不仅相关内容低起点的重复多，浪费了大量学时，而且各门课程的知识很难融会贯通、综合运用，不利于机械制造技术应用能力的培养。本课程在内容体系的安排上，通过外圆、内圆、平面、齿形面等典型面的加工，将工艺、机床、夹具、刀具有机地结合在一起，从而加强了针对性和实用性，较好地解决了这一问题。本课程是机制专业的一门主要专业课，由于它取代了原来机制专业四门主要专业

3、课程，因此，它在专业培养目标中的地位和作用更为突出。通过本课程学习，要求学生能对制造活动有一个总体的、全貌的了解与把握，能掌握金属切削过程的基本规律，掌握机械加工和机械制造工艺的基本原理和基础知识,熟悉各种加工方法和常用设备,能选择加工方法与机床、刀具、夹具及加工参数，初步具有分析、解决机械制造中质量问题的能力和设计工艺规程及专用刀、夹、量具的能力。二、本课程的学习方法实践性、综合性强，灵活性大是本课程的重要特点，学习本课程时，要重视实践性教学环节，如金工实习、生产实习，是学习本课程的实践基础，不容忽视。本课程的综合实验和课程设计是重要的实践性教学环节，不仅可以帮助牢固掌握知识,培养综合运用知

4、识的能力，而且有利于将知识转化为技术应用能力。生产中的实际问题，往往是千差万别的，生产的产品不同，批量不同，现场生产条件不同，其制造方法也不一样，学习本课程时，关键在于掌握本课程的基本理论和基本知识,灵活运用去处理质量、成本和生产效率这三者的辩证关系，以求在保证质量前提下的最好经济效益。真正的掌握与应用必须善于在不断的实践-理论-实践的循环中总结提高。三、机械制造技术的发展趋势机械制造工业为人类的生存、生产、生活提供各种设备，是国民经济中极其重要的基础产业。所谓四个现代化，从某种意义上说，就是用现代化设备去装备工业、农业、国防和科学技术事业，使之达到先进的水平。制造业为人类创造着辉煌的物质文明

5、。据统计，90年20个工业化国家制造业所创造的财富占国民生产总值（GDP）的比例平均为22.15%,制造业是一个国家的立国之本。制造技术支持着制造业的健康发展，先进的制造技术使一个国家的制造业乃至国民经济处于有竞争力的地位。忽视制造技术的发展，就会导致经济发展走入岐途。机械工业对提高人民生活质量，推动科学技术进步起着卜分重要的作用。而机械工业的发展和进步，在很大程度上又取决于机械制造技术的发展。从历史上看，1769年瓦特发明了蒸汽机，但当时加工技术卜分落后，苦于加工不出高精度的汽缸而得不到推广应用。1775年，威尔逊成功地改造了一台汽缸像床，解决了这一难题。就在第二年（1776年）蒸汽机便得到

6、了实际应用，迎来了第一次产业革命，由此可见，机械制造技术的发展对人类科学技术的进步有何等重要的作用。在科学技术高度发展的今天，依然是如此，现代工业对机械制造技术提出了越来越高的要求，如要求达到纳米级（lOmm）的超精密加工，大规模集成电路硅片划片的超微细加工，重型设备超大型件的加工，难加工材料和具有特殊物理性能材料的加工等等，诸如此类，给现代机械制造技术提出了许多新的课题。同时I当产品的设计图样决定之后，要提高产品质量和劳动生产率，降低成本，采用先进的制造技术是关键。因此，在未来的竞争中，谁掌握先进的制造技术，谁就拥有控制市场的主动权。另一方面，也正是由于科学技术的发展，又为机械制造技术的发展

7、提供了工具和手段，特别是计算机技术的发展,促使常规技术与精密检测技术和数控技术、传感技术等相互结合,给机械制造领域带来许多新技术、新观念，使产品质量和生产效率大大提高，当前，机械制造技术的发展主要表现在以下几方面：向高柔性化和自动化方向发展。随着国际市场竞争越来越激烈，机电产品的更新周期越来越短，多品种的中小批生产将成为今后生产一种主要类型。如何解决中小批生产的自动化问题是摆在我们面前的一个突出问题。因此，以解决中小批生产自动化为主要目标的柔性制造技术越来越受到重视，如 CNC（计算机数控）、CAD/CAM（C o m p u t e r-A i d e d D e s i g n、C o m

8、 p u t e r -A i d e d Ma n u f a c t u r i n g计算机辅助设计/计算机辅助制造）、F MS（F l e xi b l e Ma n u f a c t u r i n g S y s t e m柔性制造系统）的应用越来越广泛，一些发达国家，进而正在大力发展CIMS（C o m p u t e r I n t e g r a t e d Ma n u f a c t u r i n gSys/e机 计算机集成制造系统）,使整个生产过程在计算机控制下，不仅实现自动化，而且实现柔性化、智能化、集成化，使产品质量和生产效率大大提高，生产周期缩短，产生了很好的

9、经济效益。0 CAE-Computer-Aided Engineering 计算机辅助工程0 CAPP-Computer-Aided Process Planning 计算机辅助辅助工艺设计精密加工和超精密加工是机械制造技术发展的另一个方面。在现代高科技领域中，产品的精度要求越来越高，有的尖端产品其加工精度达到。.0 0，表面粗糙度小于R a 0.0 0 5 u r n,即纳米（nm）级，促使加工精度由微米级（形状尺寸精度0.1 lu m,表面粗糙度为Ra0.03 0.3um）向亚微米级和纳米级发展。掌握超精密加工技术，在未来的科技竞争中具有重要意义，也是个国家制造水平的重要标志。要实现精密和

10、超精密加工，必须具有与之相适应的加工设备、工具、仪器以及加工环境与检测技术。发展高速切削、强力切削，提高切削加工效率也是机械技术发展的一种趋势。而要实现高速切削（切削速度为常用切削速度的5 10倍）与强力切削关键是要具有与之相适应的机床和切削工具。目前数控车床主轴转速已达5。0%加，国外有的加工中心主轴转速已达20000r/mi以上,磨削速度普遍己达406加西（一般在35m/s左右），高的已达8/2 0 。解放前，我国的机械工业十分落后，几乎没有什么像样的机械工业，解放后经过40多年的建设，我国的机械工业得到了很大的发展，取得了长足的进步，现已建成100多个行业的机械制造工业体系，国民经济各部

11、门的机电设备，已基本上能自行设计制造。但与世界发达国家相比，还有很大差距。我国机床数控化率到1993年仅为3.74%,而世界发达国家已达70%以匕产品更新换代的周期长、质量差、劳动生产率低，经济效益差是机械行业普遍存在的问题。其中落后的机械制造技术水平是造成上述问题的主要原因之、作为机械制造专业的大学生和技术人员，应具有强烈的责任感和使命感，赶超世界先进的机械制造技术水平，将历史地落在你们这一代的肩上，让我们为创造美好的明天而努力奋斗吧！第 二 讲 金属切削机床基本知识第 一 章 机床运动与金属切削基础知识第 一 节 概 述一、零件表面的切削加工成形方法机械零件的表面形状不外乎是几种基本形状的

12、表面：平面、圆柱面、圆锥面以及各种成形面。当精度和表面粗糙度要求较高时，需要在机床上用刀具经切削加工而形成。机械零件的任何表面都可看作是一条线（称为母线）沿着另一条线（称为导线）运动的轨迹。请看书上P3.的图1-1,平面可看作是是由一根直线（母线）沿着另一根直线（导线）运 动 而 形 成（图la）；圆柱面和圆锥面可看作是由一根直线（母线）沿着一个圆（导线）运动而形成（图L b 和 c）；普通螺纹的螺旋面是由“八”形线（母线）沿螺旋线（导线）运 动 而 形 成（图-I d）；直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面是由渐开线（母线）沿直线（导线）运动而形成（图IT e）等等。形成表面的母线和导线统称为发生线

13、。图 1-1 零件表面的成形母线 2导线由图1-1可以看出，有些表面，其母线和导线可以互换，如：平面、圆柱面和直齿圆柱齿轮的渐开线齿廓表面等，称为可逆表面；而另一些表面，其母线和导线不可互换。如：圆锥面、螺旋面等，称为不可逆表面。切削加工中发生线是由刀具的切削刃和工件的相对运动得到的，由于使用的刀具切削刃形状和采取的加工方法不同，形成发生线的方法可归纳为以卜.四种:形成发生线的方法图1 2 形成发生线的方法（。轨迹 法它是利用刀具作一定规律的轨迹运动对工件进行加工的方法。切削刃与被加工表面为点接触,发生线为接触点的轨迹线。图l-2 a中母线A 1 （直线）和导线A 2,（曲线）均由刨刀的轨迹运

14、动形成。采用轨迹法形成发生线需要一个成形运动。成形法它是利用成形刀具对工件进行加工的方法。切削刃的形状和长度与所需形成的发生线（母线）完全重合。图2 b中，曲线形母线由成形刨刀的切削刃直接形成,直线形的导线则由轨迹法形成。相 切 法它是利用刀具边旋转边作轨迹运动对工件进行加工的方法。见图b 2 c中，采用铳刀、砂轮等旋转刀具加工时，在垂直于刀具旋转轴线的截面内，切削刃可看作是点，当切削点绕着刀具轴线作旋转运动B 1,同时刀具轴线沿着发生线的等距线作轨迹运动A 2时，切削点运动轨迹的包络线，便是所需的发生线。为了用相切法得到发生线,需要二个成形运动，即刀具的旋转运动和刀具中心按一定规律运动。心

15、展成法 它是利用工件和刀具作展成切削运动进行加工的方法。切削加工时，刀具与工件按确定的运动关系作相对运动（展成运动或称范成运动），切削刃与被加工表面 相 切（点接触），切削刃各瞬时位置的包络线，便是所需的发生线。例如，图l-2 d所示，用齿条形插齿刀加工圆柱齿轮，刀具沿箭头A1方向所作的直线运动，形成直线形母线（轨迹法），而工件的旋转运动B21和直线运动A22,使刀具能不断地对工件进行切削，其切削刃的一系列瞬时位置的包络线，便是所需要渐开线形导线（见图l-2e）。用展成法形成发生线需要一个成形运动（展成运动）。二、机床的运动由上述可知，在机床上，为了要获得所需的工件表面形状，必须形成一定形状的

16、发生 线（母线和导线）。除成形法外，发生线的形成都是靠刀具和工件作相对运动实现的。这种运动称为表面成形运动。此外，还有多种辅助运动。成形运动的组成图 卜3 成形运动的组成成形运动按其组成情况不同，可分为简单的和复合的二种。如果一个独立的成形运动，是由单独的旋转运动或直线运动构成的，则此成形运动称为简单成形运动。例如，用尖头车刀车削外圆柱面时（见图l-3a），工件的旋转运动B1和刀具直线运动A2就是两个简单运动；用砂轮磨削外圆柱面时（见图l-3b）,砂轮和工件的旋转运动Bl、B 2,以及工件的直线移动A 3,也都是简单运动。如果一个独立的成形运动，是由两个或两个以上的旋转运动或（和）直线运动，按

17、照某种确定的运动关系组合而成，则称此成形运动为复合成形运动。例如，车削螺纹时（见图13c）,形成螺旋形发生线所需的刀具和工件之间的相对螺旋轨迹运动，为简化机床结构和较易保证精度，通常将其分解为工件的等速旋转运动B11和刀具的等速直线移动A12o B11和A12不能彼此独立，它们之间必须保持严格的运动关系，即工件每转1转时，刀具直线移动的距离应等于螺纹的导程，从 而BH和A12这两个单元运动组成一个复合运动。用轨迹法车回转体成形面时（见图13d）,尖头车刀的曲线轨迹运动，通常由相互垂直坐标方向上的、有严格速比关系的两个直线运动A21和A22来实现，A21和A22也组成一个复合运动。上述复合运动组

18、成部分符号中的下标，第一位数字表示成形的序号（第一个、第二个、成形运动），第二位数字表示同一个复合运动中单元运动的序号。成形运动中各单元运动根据其在切削中所起的作用不同，又可分为主运动和进给运动，我们将在第四节中讨论。机床在加工过程中还需要一系列辅助运动，以实现机床的各种辅助动作，为表面成形创造条件，它的种类很多，一般包括：（1）切 人 运 动 刀 具 相 对 工 件 切 人 一 定 深 度，以保证工件达到要求的尺寸。（2）分 度 运 动 多 工 位 工 作 台、刀架等的周期转位或移位，多头螺纹的车削等。（3）调位运动加工开始前机床有关部件的移位，以调整刀具和工件之间的正确相对位置。（4）各种

19、空行程运动 切削前后刀具或工件的快速趋近和退回运动，开车、停车、变速、变向等控制运动，装卸、夹紧、松开工件的运动等。1刀具切削部分的基本定义。1.1刀具切削部分的组成车刀切削部分“三面两刃一尖A刀尖1 前 面：前面是刀具上切屑流过的表面，又称前刀面。2 主后面：主后面是刀具上与过渡表面相对的表面。3 副后面：副后面是刀具上与工件已加工表面相对的表面。4 主切削刃：主切削刃是前刀面与主后刀面的交线。5 副切削刃：副切削刃是前刀面与副后刀面的交线。6 刀尖：刀尖指的是主切削刃与副切削刃连接处的那一小部分切削刃。可见国标 金属切削基本术语(G B/T 1 2 2 0 4-9 0)1.2确定刀具角度的

20、参考系标注角度的参考系刀具静止参考系（标注参考系）：不考虑进给运动，并在特定的安装条件下的参考系。刀具工作参考系（动态参考系）：是确定刀具在切削运动中有效工作角度的基准。考虑了进给运动及安装情况的影响。组成刀具静止参考系的参考平面有：1基 面P r基面是通过主切削刃上某一选定点，垂直于该点主运动方向的平面。车刀的基面平行于刀具底平面。2切削平面Ps切削平面是通过主切削刃上某一选定点，与主切削刃相切且垂直于基面的平面。3正交平面Po它是通过切削刃上的选定点并同时垂直于基面和切削平面的平面。因此，它必须垂直于切削刃在基面上的投影。4法平面P n它是通过切削刃选定点并垂直于切削刃的平面。5假定工作平

21、面P f通过切削刃选定点并垂直于基面，而且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，一般说来其方位要平行于假定的进给运动方向。6背平面P p通过切削刃选定点并垂直于基面和假定工作平面的平面。三种静止参考系：正交平面参考系P r-P s-P o：由基面、切削平面和正交平面组成。.法平面参考系P r-P s-P n：由基面、切削平面和法平面组成。背平面-假定工作平面参考系P r P p P f：由基面、背平面和假定工作平面组成。L 3刀具的标注角度1正交平面参考系内的刀具角度h运动方冏车刀的标注角度1）主偏角k r：在 基 面P r上，主切削平面（即主切削刃选定点处的切

22、削平面）与假定工作平面之间的夹角，它总是正值。2）刃 倾 角A s：在主切削平面P s内，主切削刃与基面间的夹角。正负规定如图3）前 角Y O在主切削刃上选定点的正交平面P。内，前面与基面间的夹角。正负规定如4）后 角ao在同一正交平面内，后面与切削平面间的夹角。正负规定如图2法平面参考系内的刀具角度（P r-P s-P n）法平面参考系与正交平面参考系的区别，仅在于以法平面代替正交平面作为测量前角和后角的平面。3假定工作平面，背平面参考系内的刀具角度(P r-P f-P p)在P r-P p-P f参考系中，在主切削刃的某一选定点上由于有P p和P f两个测量平面,故 有 背 前 角Y P、

23、背 后 角a P、背 楔 角B P及 侧 前 角Y f、侧 后 角a f、侧 楔 角B f两套角度。而在基面和切削平面内测量的角度(k r、k，r、e r和A s)则与正交平面参考系相同。不同参考系内的标注角度可以进行换算。2刀具的工作角度若考虑实际进给运动和安装情况的影响，刀具角度的参考系将发生变化，其工作角度就不同于标注角度。在某些情况下，进给运动和刀具安装对工作角度产生的影响不能忽略的。1刀具安装高低对工作角度的影响2.内孔链削时刀尖安装高低对工作角度有何影响？2刀具轴线与进给方向不垂直时对工作角度的影响va）3进给运动对工作角度的影响1）横车2）纵车结合金工实习讨论：切断时，切断刀工作

24、后角将怎样变化？刃磨刀具时应如何考虑?车削螺纹时刀具工作后角将怎样变化？4加工表面的形状对工作角度的影响图1T82切削层参数与切削方式这部分内容以自学为主。2.1切削层参数切削层是指由切削部分的一个单一动作所切除的工件材料层称为切削层。1切削层公称横截面积AD切削层在基面内的实际横截面积，单位为mm2 o常简称切削面积。2切削层公称宽度bp实际参加切削的那段主切削刃在基面上投影的两个端点间的距离，即在基面内沿过渡表面度量的切削层尺寸。常简称切削宽度。3切削层公称厚度人指切削层横截面积Ac（即切削层公称横截面积AD与残留面枳Ar之和）与切削层公称宽度bD之比，即在基面内垂直于过渡表面度量的切削层

25、尺寸，常简称切削厚度。切削用量和切削层参数合称切削要素。2.2切削方式1自由切削与非自由切削只有-条直线切削刃参加切削，称为自由切削。2直角切削与斜角切削切削刃与切削速度方向垂直的，亦 即 刃 倾 角、s=0的切削方式，称为直角切削，又叫正交切削。切削力与切削速度方向不垂直，亦即刃倾角入sWO的切削方式，称为斜角切削。大多数为斜角切削方式。本章小结：1.任何一种切削加工，刀具与工件之间必须作一定的相对运动。这种切削运动分为主运动和进给运动。主运动和进给运动可用切削速度V和进给量f进行定量的描述。VC、f和背吃刀 量asp三者称为切削用量三要素。切削用量选择是否合理，对切削过程的基本规律有很大影

26、响。2.车刀切削部分的儿何形状是其它各种刀具切削部分的基本形态。车刀切削部分的几何要素虽然很多，但主要的可以归纳为“一点、二线、三面、四角”。对 这“一、二、三、四”不仅要了解其定义，而且要有清晰的空间概念。能熟练地注出各个平面（各个参考系内）的角度。3 .无论前角还是后角，在不同参考系内的数值是不同的，不同参考系内的角度可以换算。4 .刀具在设计、制造和测量时标注的角度称为标注角度。它是在不考虑进给运动的影响和在特定的工件安装条件下给定的。刀具在切削过程中的角度称为工作角度。一般情况下两种角度可等同看待，某些情况下，必须考虑进给运动和工件实际安装情况的影响。5 .切削层公称厚度h D和公称宽

27、度bD,经常被用来说明切削过程的机理，要掌它们 与a p、k r之间的关系。6 .要了解直角切削和斜角切削；自由切削和非自由切削的概念。第 四 讲 金属切削过程的基本规律金属切削过程中的变形一、切屑的形成过程1.变形区的划分切削层金属形成切屑的过程就是在刀具的作用下发生变形的过程。图2-1 0是在直角自由切削工件条件下观察绘制得到的金属切削滑移线和流线示意图。流线表明被切削金属中的某点在切削过程中流动的轨迹。切削过程中，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：（1）第一变形区从OA线开始发生塑性变形，到OM线金属晶粒的剪切滑移基本完成。OA线 和OM线 之间的区域（图 中I区）称为第一变形区。R

28、 9 21O金属切IM过程中的清修班和施线示3国图3 1 1小一更形M金：!的史由滑移（2）第二变形区切屑沿前刀面排出时进一步受到前刀面的挤压和摩擦，使靠近前刀面处的金属纤维化，基本上和前刀面平行。这 一 区 域（图中U K）称为第二变形区。（3）第三变形区已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压和摩擦，造成表层金属纤维化与加工硬化。这 一 区（图中m 区）称为第三变形区。在第一变形区内，变形的主要特征就是沿滑移线的剪切变形，以及随之产生的加工硬化。0 A 称作始滑移线，0 M 称作终滑移线。当金属沿滑移线发生剪切变形时;晶粒会伸长。晶粒伸长的方向与滑移方向（即剪切面方向）是不重合的，它们成

29、一夹角V。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02-0.2m m,所以可以用一剪切面来表示（图2 12）。剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角，以 p表示。用 2/2 漕移与品陀的伸长图 2 13切料形成过程示意困2.切屑的受力分析在直角自由切削的情况下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力Fn和摩擦力Ff；剪切面上的正压力Fns和剪切力Fs；这两对力的合力互相平衡,如图214所示。图 2/5 直用自由切削时力与角度的关系_ _MD f -ye j-(d+户-/)(2-8)Fe=Feos(f -y0)_ rADCOS(/?-y0)sincos/.,)(2-9)Fp=八 出(夕-九)二

30、小sin-。二Zj g o)siricoe(y”)如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力R和F p,在忽略被切材料对刀具后刀面作用力的条件下，即可求得前刀面对切屑作用的摩擦角P，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数即Ftan(-yo)=J=Ian/?图 2/6 变形系数人的计算二、切削变形程度切削变形程度有三种不同的表示方法，分述如下。1.变形系数A，在切削过程中，刀具切卜一的切屑厚度降 通常都大于工件切削层厚度hD，而切屑长度Lh却小于切削层长度L。切屑厚度跖 与切削层厚度hD之比称为厚度变形系数Aj ；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数A*。g _ O.lfsin(90n-+y

31、)_ cosj 0-/)A z 工 =O.Wsin=ain，4 M图2/7剪切变形示意03由于切削层变成切屑后，宽度变化很小，根据体积不变原理，可求得Ah=Au=Afc2.相对滑移。既然切削过程中金属变形的主要形式是剪切滑移，当然就可以用相对滑移（剪应变）。来衡量切削过程的变形程度。图2-17中，平行四边形O11NM发生剪切变形后，变为平行四边形O C P M,其相对滑移A5 XP _ NK+KPe=丽=证=MK=cot+tan(-7,)(2-12)3,剪切角（）在剪切面上，金属产生了滑移变形，最大剪应力就在剪切面上。图2-15为直角自由切削状态下的作用力分析，在垂直于切削合力F方向的平面内剪

32、应力为零，切削合力F的方向就是主应力的方向。根据材料力学平面应力状态理论，主应力方向与最大剪应力方向的夹角应为4 5,即Fs与F的夹角应为45,故有图2-1 9枳屑痛前向八和伸出量分析上式可知：1）前角增大时，剪切角随之增大，变形减小。这表明增大刀具前角可减少切削变形，对改善切削过程有利。2）摩擦角增大时，剪切角随之减小，变形增大。提高刀具刃磨质量、采用润滑性能好的切削液可以减小前刀面和切屑之间的摩擦系数，有利于改善切削过程。三、前刀面上的摩擦经测定，切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正应力和切向应力To在切屑与刀具前刀面接触的0 B 长度内存在两种不同的接触状态。在靠近切削刃的0 A 区

33、，由于正应力值大，切屑在前刀面上形成粘结接触，在此区域内，各点的切应力T基本相同，它等于被切材料的剪切屈服强度Q在 AB区，由于正应力小，切屑在前刀面上形成滑动接触，切屑相对于前刀面的摩擦特性服从古典摩擦法则，各点的摩擦系数日相同，切应力1=股。粘结接触区上各点的摩擦系数a(x)切削速度%图 2-2 0 积者瘠高度与切聃速度的关痂由于o(x)随X变化，故在粘结接触区切屑与前刀面的摩擦系数是一个变值，离切削刃越远，摩擦系数越大，其平均摩擦系数F f i r.M OA r,OA r.出平均=1一 =-j u-=7；-=a (x)d*a(x)dx 0*J o J。四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

34、1.积屑瘤的形成及其影响在切削速度不高而又能形成带状切屑的情况下，加工一般钢料或铝合金等塑性材料时，常在前刀面切削处粘着一块剖面呈三角状的硬块(图2 1 9),它的硬度很高，通常是工件材料硬度的2 3倍，这块粘附在前刀面上的金属称为积屑瘤。切削时，切屑与前刀面接触处发生强烈摩擦，当接触面达到一定温度，同时又存在较高压力时.，被切材料会粘结(冷焊)在前刀面上。连续流动的切屑从粘在前刀面上的底层金属上流过时，如果温度与压力适当，切屑底部材料也会被阻滞在已经“冷焊”在前刀面上的金属层上，粘成一体，使粘结层逐步长大，形成积屑瘤。积屑瘤的产生及其成长与工件材料的性质、切削区的温度分布和压力分布有关。塑性

35、材料的加工硬化倾向越强，越易产生积屑瘤;切削区的温度和压力很低时，不会产生积屑瘤；温度太高时，由于材料变软,也不易产生积屑瘤。对碳钢来说，切削区温度处于3 0 0 3 5 0 时积屑瘤的高度最大，切削区温度超过5 0 0 积屑瘤便自行消失。在背吃刀量ap 和进给量f 保持一定时，积屑瘤高度H b 与切削速度有密切关系，因为切削过程中产生的热是随切削速度的提高而增加的。图2 2 0 中，I 区为低速区，不产生积屑瘤；II区积屑瘤高度随的增大而增高；III区积屑瘤高度随V 0 的增大而减小；IV 区不产生积屑瘤。2.积屑瘤对切削过程的影响（1）使刀具前角变大（2）使切削厚度变化（3）使加工表面粗糙

36、度增大（4）对刀具寿命的影响积屑瘤对切削过程的影响有积极的一面，也有消极的一面。精加工时必须防止积屑瘤的产生，可采取的控制措施有：1）正确选用切削速度，使切削速度避开产生积屑瘤的区域。2）使用润滑性能好的切削液，目的在于减小切屑底层材料与刀具前刀面间的摩擦。3）增大刀具前角，减小刀具前刀面与切屑之间的压力。4）适当提高工件材料硬度，减小加工硬化倾向。五、影响切屑变形的因素1.工件材料工件材料强度越高，切屑和前刀面的接触长度越短，导致切屑和钢刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力与、,增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角P 减小，剪切角 p增大，变形系数Ah将随之减小。2.刀具前角增大刀

37、具前角丫。，剪切角 p将随之增大，变形系数Ah将随之减小；但%增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力av减小，使摩擦角P 和摩擦系数M增大而导致（P减小。由于后一方面影响较小，Ah还是随的丫。增加而减小。3.切削速度V c在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度Vc越大，变形系数Ah越小。主要是因为塑性变形的传播速度较弹性变形慢，切削速度越高，切削变形越不充分，导致变形系数下降。此外，提高切削速度还会使切削温度增高，切屑底层材料的剪切屈服强度TS因温度的增高而略有卜.降，导致前刀面摩擦系数以减小，使变形系数Ah下降。4.切削层公称厚度hD在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公

38、称厚度hD越大，变形系数Ah越小。屑的类型及控制一、切屑的类型由于工件材料不同，切削条件各异，切削过程中生成的切屑形状是多种多样的。切屑的形状主要分为带状、节状、粒状和崩碎四种类型，如图所示。图 2-2 1 切周类型)带状切IN b)W状 切 网 c)越状切IN 1)册树.切曷(1)带状切屑它的内表面是光滑的，外表面呈毛茸状。加工塑性金属时，在切削厚度较小、切削速度较高、刀具前角较大的工况条件下常形成此类切屑。(2)节状切屑又称挤裂切屑。它的外表面呈锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时常产生此类切屑。(3)粒状切屑又称单元切屑。在切屑形成过程中，如剪切面上的剪

39、切应力超过了材料的断裂强度，切屑单元从被切材料上脱落，形成粒状切屑。(4)崩碎切屑加工脆性材料-，切削厚度越大越易得到这类切屑。前三种切屑是加工塑性金属时常见的切屑类型。形成带状切屑时，切削过程最平稳，切削力波动小，已加工表面粗糙度较小；形成粒状切屑时切削过程中的切削力波动最大。前三种切屑类型可以随切削条件变化而相互转化，例如，在形成节状切屑工况条件下，如进一步减小前角、降低切削速度或加大切削厚度，就有可能得到粒状切屑；反之，加大前角、提高切削速度或减小切削厚度，就可得到带状切屑。二、切屑的控制切屑经第1、第11变形区的剧烈变形后，硬度增加，塑性下降，性能变脆。在切屑排出过程中，当碰到刀具后刀

40、面、工件上过渡表面或待加工表面等障碍时，如某一部位的应变超过了切屑材料的断裂应变值，切屑就会折断。图222所示为切屑碰到工件或刀具后刀面折断的情况。研究表明，工件材料脆性越大(断裂应变值小)、切屑厚度越大、切屑卷曲半径越小，切屑就越容易折断。可采取以下措施对切屑实施控制。(1)采用断屑槽通过设置断屑槽对流动中的切屑施加一定的约束力，使切屑应变增大，切屑卷曲半径减小。(2)改变刀具角度增大刀具主偏角、，切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角；：可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃 倾 角、可以控制切屑的流向，工为正值时，切屑常卷曲后碰到后刀面折断形成C 形屑或自然流出形成螺卷屑。)为 负 值时，切

41、屑常卷曲后碰到已加工表面折断成C 形屑或6字形屑。(3)调整切削用量提高进给量f使切削厚度增大，对断屑有利；但增大f会增大加工表面粗糙度。适当地降低切削速度使切削变形增大，也有利于断屑，但这会降低材料切除效率。须根据实际条件适当选择切削用量。图2 2 3断播槽IK面形状a)折 线 形b)直技回飙影)生Bi孤影图2-2 4前刀面上的断屑懵形状.）平 行 式b）外斜式 ）内斜式2切削力3切削热与切削温度4刀具磨损与刀具耐用度5材料的切削加工性6切削液金属切削层的变形一、切屑形成过程及变形区的划分1、切削变形金属的切削过程与金属的挤压过程很相似。金属材料受到刀具的作用以后，开始产生弹性变形；虽着刀具

42、继续切入，金属内部的应力、应变继续加大，当达到材料的屈服点时.，开始产生塑性变形，并使金属晶格产生滑移；刀具再继续前进，应力进而达到材料的断裂强度，便会产生挤裂。2、变形区的划分大量的实验和理论分析证明，塑性金属切削过程中切屑的形成过程就是切削层金属的变形过程。切削层的金属变形大致划分为三个变形区：第-变 形 区（剪切滑移）、第 二 变 形 区（纤维化）、第 三 变 形 区（纤维化与加工硬化）3、切屑的形成及变形特点1）第 一 变 形 区（近切削刃处切削层内产生的塑性变形区）金属的剪切滑移变形切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成切屑。切削层受刀具前刀面与切削力的挤压作用，使近切削

43、刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形,并同时使金属晶格产生滑移。在下图中，切削层上各点移动至A C 线均开始滑移、离 开 A E 线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称 A C 是始滑移面，A E 是终滑移面。AC、A E之间为第一变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故 AC、A E 面相距很近，一般约为0.020.2m m,所以常用A B 滑移面来表示第一变形区，A B 面亦称为剪切面。剪切面A B 与切削速度V c之间的夹角称为剪切角。作用力F r与切削速度Vc之间的夹角3称为作用角。第一变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。2）第 二 变 形 区（与前刀

44、面接触的切屑层产生的变形区）内金属的挤压磨擦变形经过第一变形区后，形成的切屑要沿前刀面方向排出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。此时将产生挤压摩擦变形。应该指出，第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时，切屑排出不顺，挤压变形加剧，以致第一变形区的剪切滑移变形增大。3）第 三 变 形 区（近切削刃处已加工表面内产生的变形区）金属的挤压磨擦变形已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化和加工硬化。二、切削变形程度的度量方法1、相对滑移g相对滑移 是用来量度第1变形区滑移变形的程度。如右图，设切削层中线沿剪切面滑移至AB”时的距离为 y,事 实 上 很

45、 小，故可认为滑移是在剪切面上进行，其滑移量为 s。则相对滑移 表示为：1、变形系数Ah变形系数A h 是表示切屑的外形尺寸变化大小的一个参数。如右图所示，切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后，与切削层比较，它的长度缩短、厚度增加，这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。变形系数A h 表示切屑收缩的程度，即从上图可知，剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面A B 减短，切屑厚度hch减小，故八h 变小。它们之间的关系如下从上面两个公式可知，剪切角与前角丫 0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角丫 0和剪切角，使相对滑移、变形系数八h 减小，则切削变形减小。注意：由于切削过程是一个

46、非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，而 值主要从剪切变形考虑；而 A h 主要从塑性压缩方面分析。所以，与八11都只能近似地表示切削变形程度。三、剪切角的确定剪切角是影响切削变形的一个重要因素。若能预测剪切角的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角的计算式。其中，按最少能量原则来确定剪切角的计算式为：按最大剪应力的理论，求出剪切角计算式为：从上面公式可看出：与 丫 0、。有关。增大前角丫 0、减小摩擦角p,使剪切角增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。从上面公式也可看出：第2变形区产生的摩擦对第1

47、变形区剪切变形的影响规律。四、积屑瘤的形成及其对切削过程的影响在切削速度不高而又能形成连续切屑的情况下，加工一般钢料或其它塑性材料时，常常在前刀面处粘着一块剖面有时呈三角状的硬块。这块冷焊在前刀面上的金属称为积屑瘤（或刀瘤）。它的硬度很高，通常是工件材料的23倍，在处于比较稳定的状态时，能够代替刀刃进行切削。1、积屑瘤是如何形成的？1）切屑对前刀面接触处的摩擦，使前刀面十分洁净。2）当两者的接触面达到定温度同时压力又较高时，会产生粘结现象，即一般所谓的“冷 焊 切 屑 从 粘 在 刀 面 的 底 层 上 流 过，形成“内摩擦”。3）如果温度与压力适当，底层上面的金属因内摩擦而变形，也会发生加工

48、硬化，而被阻滞在底层，粘成一体。4）这样粘结层就逐步长大，直到该处的温度与压力不足以造成粘附为止。2、形成积屑瘤的条件:主要决定于切削温度。此外，接触面间的压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。1）-般说来，塑性材料的加工硬化倾向愈强，愈易产生积屑瘤；2）温度与压力太低，不会产生积屑瘤；反之，温度太高，产生弱化作用，也不会产生积屑瘤。3）走刀量保持一定时;积屑瘤高度与切削速度有密切关系。3、积屑瘤对切削过程的影响实际前角增大它加大了刀具的实际前角，可使切削力减小，对切削过程起积极的作用。积屑瘤愈高，实际前角愈大。2）使加工表面粗糙度增大积屑瘤的底部则相对稳定一些，其顶部很不稳

49、定，容易破裂，部分连附于切屑底部而排出，一部分残留在加工表面匕积屑瘤凸出刀刃部分使加工表面切得非常粗糙，因此在精加工时必须设法避免或减小积屑瘤。3）对刀具寿命的影响积屑瘤粘附在前刀面上，在相对稳定时，可代替刀刃切削，有减少刀具磨损、提高寿命的作用。但在积屑瘤比较不稳定的情况下使用硬质合金刀具时，积屑瘤的破裂有可能使硬质合金刀具颗粒剥落，反而使磨损加剧。4、防止积屑瘤的主要方法1）降低切削速度，使温度较低，粘结现象不易发生；2）采用高速切削，使切削温度高于积屑瘤消失的相应温度;3）采用润滑性能好的切削液，减小摩擦;4）增加刀具前角，以减小切屑与前刀面接触区的压力；5）适当提高工件材料硬度，减小加

50、工硬化倾向。五、切削变形变化规律从相对滑移、变形系数/h计算式中可知，剪切角与前角丫 0是影响切削变形的两个主要因素。如果增大前角丫 0和剪切角，使相对滑移、变形系数/h减小，则切削变形减小。1、前角：增大前角丫 0,使剪切角增大，变形系数A h 减小，因此，切削变形减小。生产实践表明：采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度减短、流屑阻力小，因此，切削变形小、切削省力。2、切削速度：切削速度V c 是通过积屑瘤使剪切角改变和通过切削温度使摩擦系 数 N 变化而影响切削变形的。3、进给量：进 给量f 增大，使变形系数A h 减小。4、工件材料：工件材料硬度、强度提高，切