机械制造技术 课件全套0-11 绪论 - 微型机械制造技术

机械制造技术目录金属切削过程的基础知识一金属切削过程的基本规律及其应用二金属切削机床与刀具三机械加工工艺规程四绪论零机床夹具设计原理五目录机器装配工艺八绿色制造技术九虚拟制造与网络制造技术十微型机械制造技术十一机械加工表面质量七机械加工精度六绪论零0.1研究和发展制造系统的意义0.2制造系统0.3现代制造技术基础0.4制造系统的发展历史与现状0.5现代制造技术研究和应用的发展趋势0.6本课程的主要内容0绪论教学提示：机械是人类生产和生活的基本工具要素之一，是人类物质文明最重要的一个组成部分。机械工业担负着向国民经济各部门，包括工业、农业和社会生活各个方面提供各种性能先进、使用安全可靠的技术装备的任务，在国家现代化建设中占有举足轻重的地位。21世纪以来，以微电子、信息、新材料、系统科学等为代表的新一代科学技术的发展及其在机械工程领域中的广泛渗透、应用和衍生，极大地拓展了机械产品设计制造活动的深度和广度，改变了现代制造业的产品设计方法、产品结构、生产方式、生产工艺和设备以及生产组织模式，产生了一大批新的机械设计制造方法和制造系统。教学要求：了解和掌握发展制造系统的意义及制造技术的发展趋势，了解本课程的主要内容。了解制造技术的相关概念；熟悉当前先进制造技术的理论。0绪论0.1研究和发展制造系统的意义随着科学技术的进步和社会经济的发展，“制造”已由个人行为和孤立机器完成的简单过程演变为必须由众多制造要素组成的制造系统来完成的复杂工程。从系统科学与工程的角度看，完成现代制造任务的制造主体正在从简单系统发展为复杂大系统0绪论0.2制造系统一、制造系统：是将毛坯、刀具、夹具、量具和其它辅助物料作为原材料输入，经过存储、运输、加工、检验等环节，最后输出机械制造成品或半成品的系统，系统的运作又离不开能源、制造理论、工艺技术及制造信息的利用。即制造系统是一个通过物料、设备、工装、能源等制造硬件与制造理论、工艺、信息等制造软件的集成将制造资源转化为产品的系统0绪论0.2制造系统二、制造系统基本组成：功能组成、组织组成和资源组成1、功能组成功能是指发生在制造系统中，由人或机器执行的各种行动。0绪论0.2制造系统2、组织组成组织指责任人和工作的联系。流程－人－技术三角形是制造系统运行管理中的三个基本方面：项目管理、人力资源管理和技术资源管理0绪论0.2制造系统3、资源组成制造资源是为完成特定任务而需要的内容，主要包括材料、人、技术、设备、信息、资金、能源和时间0绪论0.2制造系统三、机械制造系统的基本特性相关性2动态性3环境适应性及反馈特性4随机特性5复杂性1四、机械制造系统的分类针对不同的特定制造任务，需要有不同类型的制造系统，因此，亦有许多方法对制造系统进行分类。1、按生产批量大小分类A、小批量制造系统B、中批量制造系统C、大批量制造系统2、按生产布局不同分类A、功能布局B、项目布局C、流水线D、成组布局3、按生产计划模式分类A、MRPⅡ系统B、JIT系统0绪论0.2制造系统1、制造系统的三流结构论制造系统运行过程中，总伴随物料、信息流和能量流等三流的运动。机械制造系统的“三流”运动，可用图0.4表示。0绪论0.2制造系统五、现代制造观现代制造除融入不断发展的新技术外，更提升了信息在制造中的重要作用和地位，形成了由系统论、信息论、控制论角度系统分析制造过程的现代制造观。（1）物料流系统输入原材料或坯料，以及相应的刀具等工装、润滑油、冷却液及其他辅料等，经输送、装夹、加工、检验等过程输出半成品或成品，这种制造中物料的输入、输出的动态过程便是物料流。（2）信息流制造中所集成的加工任务、加工工序、加工方法、刀具状态、工件要求、质量指标、切削参数等所有静态与动态信息的交换和处理过程构成制造中的信息系统，信息系统通过与制造中各状态进行信息交换，有效控制制造中的效率与质量。该信息在制造中的作用过程便是信息流。（3）能量流能量流是一切运动的基础，制造中维持各运动时，能量的传递、转换、消耗等能量运动便是能量流。任何制造中均存在这基本“三流”，“三流”之间互相联系、影响，形成不可分割的有机整体。0绪论0.2制造系统2、现代制造的信息制造观现代制造中，信息的作用越来越重要。首先，信息是连接各系统要素使系统形成一定生产组织结构的纽带；其次，制造中信息投入已成为决定产品价值的主要因素；再者，信息已成为制造系统中与设备同样重要的资源；现代制造也要求不断提高信息处理能力。因此，制造过程的实质是对制造中各种信息资源的采集、输入和处理的过程，而最终所形成的产品可看成是信息的物质表现。由信息角度看，制造过程是一个使原材料的熵降低，使产品信息含量提高的过程。3、制造系统的人机一体化人在制造自动化系统中有着机器不可替代的作用，尤其是对信息与知识的处理及对生产方面的控制等。而发挥人的核心作用，将人作为系统结构中的有机组成部分，采用人机一体的技术路线，使人与机器处于优化合作的地位，实现制造系统中人机一体化的人机集成决策机制，使人与机器协作工作，取得制造系统的最佳效益。0绪论0.2制造系统4、制造系统的集成决策观制造系统是复杂的大系统，其决策优化必须通过集成途径解决。集成决策观的思想主要有如下体现：（1）时间、成本、质量、柔性和环境性是系统总体优化目标，进行系统这些目标的总体决策时应用集成思想加以考虑。（2）制造中人（或组织）、技术和经营管理三大要素应在集成基础上互相协调，共同发挥主要作用。（3）通过信息集成提高制造系统的信息处理能力。（4）通过功能集成使系统内各功能更加完善合理。（5）通过过程集成优化制造系统运行。（6）通过企业间集成，实现资源共享、优势互补、提高企业市场竞争力。0绪论0.2制造系统一、先进制造模式和相关理论制造模式决定了制造系统的体系结构、运行原理以及管理和控制方法，因此，要对现代制造系统进行深入研究，要使现代制造系统技术的发展保持正确的方向，就必须以先进制造模式为基础，以正确、先进的理论为指导二、先进制造技术与装备制造技术与制造装备是构成制造系统的重要元素，要使制造系统发挥出高效益，必须有先进制造技术和先进制造装备作为支撑。三、系统科学理论与系统工程技术制造系统属于复杂大系统，并且为典型的离散事件动态系统（DiscreteEventDynamicSystem，简称DEDS），其状态变量数目巨大，不确定性因素和随机性影响突出，非线性和混沌（chaos）现象严重0绪论0.3现代制造技术基础四、现代管理控制理论与技术在管理控制子系统的研究开发中，最重要的就是要研究适合先进制造系统的新的管理控制理论与技术五、计算机与信息技术现代制造系统的研究开发和运行已越来越多地与计算机和信息技术相融合0绪论0.3现代制造技术基础制造业为人类创造着辉煌的物质文明。全球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％，其中，美国68％的财富来源于制造业，日本国民总产值的49％是由制造业提供的。中国的制造业在工业总产值中也占有40％的比例1.从技术层面看经过数十年的发展，制造系统技术在总体上已形成基本的体系，并在实际应用中发挥着越来越重要的作用。第一阶段：刚性制造系统,本阶段在20世纪50年代前已基本形成；第二阶段：单机柔性加工系统，开始于20世纪50年代初，到70年代已基本成熟。第三阶段：多机柔性加工系统，出现于20世纪60年代末，70年代以后得到快速发展，如直接数控（DNC）加工系统、柔性制造单元（FMC）、柔性制造系统(FMS)、柔性加工线（FML）；第四阶段：计算机集成制造系统，20世纪80年代以来得到迅速发展，其特征是制造全过程的系统性和集成性，以解决现代企业生存与竞争问题；第五阶段：跨企业和全球制造系统，20世纪末提出，正在成为21世纪的发展方向。其基本概念是:根据全球化的产品需求，通过网络协调和运作，把分布在世界各地的制造工厂和销售点联接成一个整体，从而能够在任何时候与世界任何一个角落的用户或供应商打交道，由此构成具有统一目标的在逻辑上为一整体而物理上分布于全世界的跨企业和跨国制造系统。0绪论0.4制造系统的发展历史与现状2.从学科发展看现代制造技术诞生于20世纪70年代后期的日本。京都大学人见胜人（HitomiK.）教授发表著作《ManufacturingSystemEngineering》。在美国，麻省理工学院90年代初即开设有制造系统课程，并出版了专著。在西欧，一些一流大学亦开设了制造技术课程。总之，现代制造技术已成为国外一流大学相关专业和学科的科研与教学工作的重要组成部分。在我国，现代制造技术的研究和应用起步也较早，20世纪80年代中就已有柔性制造系统（FMS）在生产实际中应用。但制造技术作为一个学科和技术领域，在国家支持下开展有组织的深入系统研究和应用，是开始于国家的863计划。以CIMS为代表的研究项目十几年来取得一大批成果，并在许多类型的企业中得到广泛应用，有力推进了我国制造系统技术的发展。正值我国制造企业改革发展阶段，制造企业面临巨大的市场压力，迫切需要利用现代制造技术知识解决企业面临的生产问题。课程开出后受到企业和学生的欢迎。0绪论0.4制造系统的发展历史与现状发展趋势为以下方面：1.对无人制造自动化进行了反思，提出了“人机一体化制造系统”的新思想。

2.智能制造系统将是未来制造系统的重要发展方向之一；

3.单元级制造系统的研究仍然占有很重要的地位；

4.平台技术的研究与平台软件的开发是近年来制造系统发展的主要动向之一；5.现代制造模式的提出和研究，直接推动着制造系统的发展；

6.分布式控制将是未来制造系统管理控制的重要发展方向之一；

7.一种新的制造观即信息制造观正在孕育和发展之中；

8.实施可持续发展战略正在成为制造系统发展的必然趋势。0绪论0.5现代制造技术研究和应用的发展趋势机械的制造工艺过程：改变生产对象的形状、尺寸、相对位置和性质等，使之成为成品或半成品的过程。本课程内容分四个层次：1.基础理论：制造技术的基本概念、理论基础、体系结构；2.系统分析与综合：现代制造系统分析与综合的主要方法；3.管理与控制：制造系统的运行管理、调度控制和过程控制；4.信息环境：从信息与制造相融合的角度，介绍制造系统，优化运行的信息环境0绪论0.6课程的主要内容本章小结本章主要论述发展制造系统的意义及制造技术的发展趋势，了解本课程的主要内容。掌握本章内容是，为初步具备分析、解决制造工艺问题的能力有一个总体认识，为学生了解现代制造技术和及其发展打基础。学习本章要注意理论联系生产实践，以便加深理解。

思考题

0.1试论述机械制造技术的发展过程。0.2试简述制造系统的含义。0.3什么是制造技术的基础?机械制造技术主要包含哪些内容?0.4简述制造系统的基本特性?

本章完机械制造技术壹1.1基本定义1.1.1切削加工的基本概念1.1.2刀具切削部分的基本定义1.1.3刀具的工作角度1.1.4刀具结构1.2刀具材料1.2.1刀具材料的性能要求1.2.2常用刀具材料1.2.3其他刀具材料1.2.4金属材料的性能1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念1.3.2标准公差系列和基本偏差系列金属切削过程的基础知识1金属切削过程的基础知识教学提示：金属切削加工是用切削工具(包括刀具、磨具和磨料)从毛坯上去除多余的金属，以获得具有所需的几何参数(尺寸、形状和位置)和表面粗糙度的零件的加工方法。切削加工能获得较高的精度和表面质量，对被加工材料、零件几何形状及生产批量具有广泛的适应性。机器上的零件除极少数采用精密铸造和精密锻造等无切屑加工的方法获得以外，绝大多数零件都是靠切削加工来获得。因此如何进行切削加工，对于保证零件质量、提高劳动生产率和降低成本，有着重要的意义。教学要求：金属切削加工虽然有多种不同的形式，但是，它们有很多方面如切削时的运动、切削工具以及切削过程的物理实质等，都有着共同的现象和规律。本章就是让学生了解金属切削加工过程中的物理、力学现象，以便在实际工作中正确地选择切削参数、刀具材料及刀具角度，对具体情况进行具体分析，合理地、灵活地应用这些知识来解决问题。1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念1切削运动与切削中的工件表面虽然机器零件的形状千差万别，但分析起来都是由下列几种简单的表面组成的，即外圆面、内圆面(孔)、平面和成形面。因此，只要能对这几种表面进行加工，就基本上能完成所有机器零件表面的加工。外圆面和内圆面(孔)是以某一直线或曲线为母线，以圆为轨迹，作旋转运动时所形成的表面。平面是以一直线为母线，以另一直线为轨迹，作平移运动时所形成的表面。成形面是以曲线为母线，以圆、直线或曲线为轨迹，作旋转或平移运动时所形成的表面。零件的不同表面，分别由相应的加工方法来获得，而这些加工方法是通过零件与不同的切削刀具之间的相对运动来进行的。称这些刀具与零件之间的相对1）金属切削过程中的基本运动主运动：使刀具和工件产生主要相对运动以进行切削的运动（其速度称为切削速度Vc）进给运动：使切削能持续进行以形成所需工件表面的运动（其速度称为进给速度Vf）合成运动：主运动和进给运动合成后的运动

（合成切削速度Ve）1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念切削运动的组成2）工件的三个加工表面待加工表面：工件上即将被切除的表面。已加工表面：切去材料后形成的新的工件表面。过渡表面（加工表面）：加工时主切削刃正在切削的表面，它处于已加工表面和待加工表面之间。1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念切削运动的组成1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念标出下图的已加工面、待加工面、过渡面，主运动、进给运动3）切削用量三要素

切削用量是指切削速度vc、进给量f（或进给速度vf）和背吃刀量ap。三者又称为切削用量三要素。1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念切削用量三要素3）切削用量三要素切削速度：切削刃相对于工件的主运动速度计算切削速度时，应选取刀刃上速度最高的点进行计算。主运动为旋转运动时，切削速度由下式确定。1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念式中d——工件（或刀具）的最大直径（mm）；

n——工件（或刀具）的转速（r／s或r／min）。3）切削用量三要素进给量f：工件或刀具转一周（或每往复一次），两者在进给运动方向上的相对位移量称为进给量，其单位是mm／r（或mm／双行程）。对于铣刀、铰刀、拉刀等多齿刀具，还规定每刀齿进给量fz，单位是mm／z。进给速度、进给量和每齿进给量之间的关系为：1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念3）切削用量三要素背吃刀量ap:刀具切削刃与工件的接触长度在同时垂直于主运动和进给运动的方向上的投影值称为背吃刀量。外圆车削的背吃刀量就是工件已加工表面和待加工表面间的垂直距离。1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念式中dw——工件上待加工表面直径（mm）；

dm——工件上已加工表面直径（mm）。4）工件的切削层参数1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念

切削刃在一次走刀中从工件上切下的一层材料称为切削层。切削层的截面尺寸参数称为切削层参数。切削层参数通常在与主运动方向相垂直的平面内观察和度量。切削层参数4）工件的切削层参数1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念切削层公称厚度hD

垂直于过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称厚度（以下简称为切削厚度）。车外圆时，如车刀主切削刃为直线，则切削层参数4）工件的切削层参数1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念切削层公称宽度bD沿过渡表面度量的切削层尺寸称为切削层公称宽度（以下简称为切削宽度）。如车刀主切削刃为直线：切削层参数4）工件的切削层参数1.1切削运动与切削要素1.1.1切削加工的基本概念切削层公称横截面积AD

切削层在切削层尺寸度量平面内的横截面积称为切削层公称横截面积（以下简称为切削面积）。对于车削：切削层参数1）刀具切削部分的构造(以外圆车刀为例)1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义前刀面主后刀面前刀面切屑沿其流出的刀具表面。主后刀面与工件上过渡表面相对的刀具表面。副后刀面与工件上已加工表面相对的刀具表面。副后刀面主切削刃S

前刀面与主后刀面的交线，它承担主要切削工作，也称为主刀刃主切削刃1）刀具切削部分的构造(以外圆车刀为例)1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义刀尖连接主切削刃和副切削刃的一段刀刃，它可以是一段小的圆弧，也可以是一段直线。副切削刃副切削刃前刀面与副后刀面的交线，它协同主切削刃完成切削工作，并最终形成已加工表面，也称为副刀刃。刀尖刀体2刀具的标注角度1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义2）刀具标注角度的参考系1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义

刀具要从工件上切除材料，就必须具有一定的切削角度，它决定了刀具切削部分各表面之间的相对位置。为了确定和测量刀具的角度，必须引入一个由三个参考平面组成的空间坐标参考系2）刀具标注角度的参考系1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义

组成刀具标注角度参考系的各参考平面定义如下：

（l）基面：通过主切削刃上某一指定点，并与该点切削速度方向相垂直的平面。

（2）切削平面：通过主切削刃上某一指定点，与主切削刃相切并垂直于该点基面的平面。1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义（3）正交平面：通过主切削刃上某一指定点，同时垂直于该点基面和切削平面的平面。根据定义可知，正交平面参考系三个参考平面是互相垂直的，由它们组成的刀具标注角度参考系称为正交平面参考系。除正交平面参考系外，常用的标注刀具角度的参考系还有法平面参考系、背平面和假定工作平面参考系。正交平面参考系刀具的标注角度：在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有五个，现详述如下。

1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义刀具的标注角度：前角；前角是指在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负车刀在正交平面参考系中的标注角度刀具的标注角度：在刀具标注角度参考系中测得的角度称为刀具的标注角度。标注角度应标注在刀具的设计图中，用于刀具制造、刃磨和测量。在正交平面参考系中，刀具的主要标注角度有五个，现详述如下。

1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义刀具的标注角度：前角；前角是指在正交平面内测量的前刀面和基面间的夹角。前刀面在基面之下时前角为正值，前刀面在基面之上时前角为负车刀在正交平面参考系中的标注角度1.1切削运动与切削要素1.1.2刀具切削部分的基本定义车刀在正交平面参考系中的标注角度后角；后角是指在正交平面内测量的主后刀面与切削平面的夹角，一般为正值。a副偏角；是指在基面内测量的副切削刃在基面上的投影与进给运动反方向的夹角。

主偏角；是指在基面内测量的主切削刃在基面上的投影与进给运动方向的夹刃倾角在切削平面内测量的主切削刃与基面之间的夹角。在主切削刃上，刀尖为最高点时刃倾角为正值，刀尖为最低点时刃倾角为负值。主切削刃与基面平行时，刃倾角为零。1.1切削运动与切削要素1.1.3刀具的工作角度3）刀具的工作角度外圆车刀的标注角度是在忽略进给运动的影响并假定刀杆轴线与纵向进给运动方向垂直以及切削刃上选定点与工件中心等高的条件下确定的。如果考虑进给运动和刀具实际安装情况的影响，参考平面的位置应按合成切削运动方向来确定，这时的参考系称为刀具工作角度参考系。在工作角度参考系中确定的刀具角度称为刀具的工作角度。工作角度反映了刀具的实际工作状态。1.1切削运动与切削要素1.1.3刀具的工作角度进给运动对工作角度的影响

当刀具对工件作切断或切槽工作时，刀具进给运动是沿横向进行的。右图所示为切断刀工作时的情况，当不考虑进给运动的影响时，按切削速度的方向确定的基面和切削平面分别为Pr和Ps横向进给运动对工作角度的影响1.1切削运动与切削要素1.1.3刀具的工作角度刀具安装位置对工作角度的影响安装刀具时，如刀尖高于或低于工件中心，会引起刀具工作角度的变化。以右图所示车刀车槽为例，若不考虑车刀横向进给运动的影响，如果刀尖安装的高于工件中心，基面由Pr变为Pre，切削平面由Ps变为Pse，实际工作前角γoe将大于标注前角γo，工作后角将小于标注后角。刀具安装高低对工作角度的影响1.1切削运动与切削要素1.1.3刀具的工作角度进给运动对工作角度的影响

刀具安装位置对工作角度的影响如果刀尖安装低于工件中心，则工作角度的变化情况恰好相反。当车刀刀杆中心线与进给方向不垂直时，会引起工作主偏角和工作副偏角的改变（右图所示）。1.1切削运动与切削要素1.1.4刀具结构车刀的结构形式有整体式、焊接式、机夹重磨式和机夹可转位式等几种。1.整体式车刀早期使用的车刀多半是整体结构，即刀头和刀杆用同一种材料制成一个整体。对贵重的刀具材料消耗较大。2.焊接式车刀将硬质合金刀片用钎料焊接在刀杆上，然后刃磨使用。焊接式车刀的结构简单、紧凑、刚性好，而且灵活性较大，可以根据加工条件和加工要求，方便地磨出所需角度，应用十分普遍。然而，焊接式车刀的硬质合金刀片经过高温焊接和刃磨后，易产生内应力和裂纹，使刀具切削性能下降，对提高生产效率很不利。1.1切削运动与切削要素1.1.4刀具结构3.机夹重磨式车刀为了避免高温焊接所带来的缺陷，提高刀具切削性能，并使刀杆能重复使用，可采用机夹重磨式车刀。1.1切削运动与切削要素1.1.4刀具结构4.机夹可转位式车刀将预先加工好的有一定几何角度的多角形硬质合金刀片，用机械的方法装夹在特制的刀杆上的车刀1.1切削运动与切削要素1.1.4刀具结构机夹可转位式车刀的主要优点如下：(1)避免了因焊接而引起的缺陷，在相同的切削条件下刀具切削性能大为提高；(2)在一定条件下，卷屑、断屑稳定可靠；(3)刀片转位后，仍可保证切削刃与零件的相对位置，减少了调刀停机时间，提高了生产效率；(4)刀片一般不需重磨，利于涂层刀片的推广应用；(5)刀体使用寿命长，可节约刀体材料及其制造成本。。刀具切削性能的优劣取决于刀具材料、切削部分几何形状以及刀具的结构。刀具材料的选择对刀具寿命、加工质量以及生产效率影响极大。1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.1刀具材料的性能要求切削时刀具要承受高温、高压、摩擦和冲击的作用，刀具切削部分的材料须满足以下基本要求：1、较高的硬度和耐磨性2、足够的强度和韧性3、较高的耐热性1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料5、良好的工艺性4、良好的导热性和耐热冲击性能刀具材料有高速钢、硬质合金、工具钢、陶瓷、立方氮化硼和金刚石等。目前，在生产中所用的刀具材料主要是高速钢和硬质合金两类。碳素工具钢、合金工具钢因耐热性差，仅用于手工或切削速度较低的刀具。1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.2常用刀具材料1）高速钢高速钢是加入了较多的钨（W）、铝（Al）、铬（Cr）、钒（V）等合金元素的高合金工具钢。高速钢具有较高的硬度（62～67HRC）和耐热性，在切削温度高达500～650℃时仍能进行切削；高速钢的强度高（抗弯强度是一般硬质合金的2～3倍，陶瓷的5～6倍）、韧性好，可在有冲击、振动的场合应用；它可以用于加工有色金属、结构钢、铸铁、高温合金等范围广泛的材料。高速钢的制造工艺性好，容易磨出锋利的切削刃，适于制造各类刀具，尤其适于制造钻头、拉刀、成形刀具、齿轮刀具等形状复杂的刀具。高速钢按切削性能可分为普通高速钢和高性能高速钢；按制造工艺方法可分为熔炼高速钢和粉末冶金高速钢。普通高速钢是切削硬度在250～280HBS以下的大部分结构钢和铸铁的基本刀具材料，切削普通钢料时的切削速度一般不高于40～60m／min。高性能高速钢是在普通高速钢的基础上增加一些含碳量、含钒量并添加钴、铝等合金元素熔炼而成，其耐热性好，在630～650℃时仍能保持接近60HRC的硬度，适用于加工高温合金、钛合金、奥氏体不锈钢、高强度钢等难加工材料1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.2常用刀具材料1）高速钢粉末冶金高速钢是在用高压惰性气体（氩气或氮气）把钢水雾化成粉末后，再经过热压锻轧成材。这种钢有效地解决了熔炼高速钢的碳化物共晶偏析问题，结晶组织细小均匀。与熔炼高速钢相比，粉末冶金高速钢材质均匀，韧性好，硬度高，热处理变形小，质量稳定，刃磨性能好，刀具寿命较高。可用它切削各种难加工材料，特别适合于制造各种精密刀具和形状复杂的刀具。1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.2常用刀具材料2）硬质合金硬质合金是用高硬度、难熔的金属碳化物（WC、TiC等）和金属粘结剂（Co，Ni等）在高温条件下烧结而成的粉末冶金制品。硬质合金的常温硬度达89～93HRA，760℃时其硬度为77～85HRA，在800～1000℃时硬质合金还能进行切削，刀具寿命比高速钢刀具高几倍到几十倍，可加工包括淬硬钢在内的多种材料。但硬质合金的强度和韧性比高速钢差，常温下的冲击韧性仅为高速钢的1／8～l／30，因此，硬质合金承受切削振动和冲击的能力较差。硬质合金是最常用的刀具材料之一，常用于制造车刀和面铣刀，也可用硬质合金制造深孔钻、铰刀、拉刀和滚刀。尺寸较小和形状复杂的刀具，可采用整体硬质合金制造；但整体硬质合金刀具成本高，其价格是高速钢刀具的8～10倍1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.2常用刀具材料2）硬质合金

ISO（国际标准化组织）把切削用硬质合金分为三类：P类、K类和M类。

P类（相当于我国YT类）硬质合金由WC、TiC和Co组成，也称钨钛钴类硬质合金。这类合金主要用于加工钢料。

K类（相当于我国YG类）硬质合金由WC和Co组成，也称钨钴类硬质合金。这类合金主要用来加工铸铁、有色金属及其合金。

M类（相当于我国YW类）硬质合金是在WC、TiC、Co的基础上再加入TaC（或NbC）而成。加入TaC（或NbC）后，改善了硬质合金的综合性能。这类硬质合金既可以加工铸铁和有色金属，又可以加工钢料，还可以加工高温合金和不锈钢等难加工材料，有通用硬质合金之称。1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.2常用刀具材料1）陶瓷用于制作刀具的陶瓷材料主要有两类：氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.3其他刀具材料2）立方氮化硼立方氮化硼（CBN）是由立方氮化硼经高温高压处理转化而成，其硬度高达8000HV，仅次于金刚石。CBN是一种新型刀具材料，它可耐1300～1500ºC的高温，热稳定性好；它的化学稳定性也很好，即使温度高达1200～1300ºC也不与铁发生化学反应。立方氮化硼能以硬质合金切削铸铁和普通钢的切削速度对冷硬铸铁、淬硬钢、高温合金等进行加工。3）人造金刚石金刚石分为天然金刚石和人造金刚石两种，由于天然金刚石价格昂贵，工业上多使用人造金刚石。人造金刚石又分为单晶金刚石和聚晶金刚石（PCD）。聚晶金刚石的晶粒随机排列，属各向同性体，常用于制造刀具。人造金刚石是借助某些合金的触媒作用，在高温高压条件下由石墨转化而成。金刚石的硬度高达6000～10000HV，是目前已知的最硬物质，可用于加工硬质合金、陶瓷、高硅铝合金等高硬度、高耐磨材料。4）涂层刀具涂层刀具是在韧度较好的硬质合金或高速钢刀具基体上，涂覆一薄层耐磨性高的难熔金属化合物而获得的。常用的涂层材料有TiC、TiN、Al2O3等。TiC的硬度比TiN高，抗磨损性能好，对于会产生剧烈磨损的刀具，TiC涂层较好。TiN与金属的亲和力小，湿润性能好，在容易产生黏结的条件下，TiN涂层较好。在高速切削产生大量热量的场合，以采用Al2O3涂层为好，因为Al2O3在高温下有良好的热稳定性能。涂层硬质合金刀片的耐用度至少可提高1～3倍，涂层高速钢刀具的耐用度则可提高2～10倍。加工材料的硬度愈高，则涂层刀具的效果愈好。1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.3其他刀具材料1金属材料的力学性能1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.4金属材料的性能（1）弹性和塑性弹性：金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能。力和变形同时存在、同时消失。如弹簧：弹簧靠弹性工作。塑性：金属材料受外力作用时产生永久变形而不至于引起破坏的性能。（金属之间的连续性没破坏）塑性大小以断裂后的塑性变形大小来表示。塑性变形：在外力消失后留下的这部分不可恢复的变形。（2）刚度k：金属材料在受力时抵抗弹性变形的能力。F=kx弹性模量E—在弹性范围内,应力与应变的比值.其大小主要决定材料本身.相当于单位元元变形所需要的应力。σ=Εε,Ε=σ/ε=tgα1金属材料的力学性能1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.4金属材料的性能（3）强度σ：强度指金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。（4）硬度：金属抵抗外部物体压入其内的能力，是材料性能的综合物理量,表示金属材料在一个小的体积范围内的抵抗弹性变形、塑性变形或断裂的能力。布式硬度HB洛式硬度HR（5）冲击韧性ak：材料抵抗冲击载荷的能力。常用一次摆锤冲击试验来测定金属材料的冲击韧性,标准试样一次击断,用试样缺口处单位截面积上的冲击功来表示ak。（6）疲劳强度：当金属材料在无数次交变载荷作用下而不致于引起断裂的最大应力。2金属材料的物理,化学及工艺性能1.1切削运动与切削要素1.2刀具材料1.2.4金属材料的性能（1）物理性能比重，计算毛坯重量，选材，熔点；铸造、锻造温度(再结晶温度)；热膨胀性:铁轨模锻的模具、量具；导热性；铸造；金属型锻造；加热速度；导电性：电器元件；铜、铝磁性：变压器和电机中的硅钢片。（2）化学性能金属的化学性能,决定了不同金属与金属,金属与非金属之间形成化合物的性能,使有些合金机械性能高,有些合金抗腐蚀性好,有的金属在高温下组织性能稳定。耐酸,耐碱等，如化工机械,高温工作零件等（3）工艺性能金属材料能适应加工工艺要求的能力，铸造性,可锻性,可焊性,切削加工性等。机械零件的几何精度取决于该零件的尺寸、形状和位置精度以及表面粗糙度等。它们是根据零件在机器中的使用要求确定的。为了满足使用要求，保证零件的互换性，我国发布了极限与配合及表面粗糙度方面的国家标准。下面就有关标准的基本概念和应用，以及孔、轴极限与配合的确定进行阐述。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1互换性与公差机械产品装配时，就要在制成的同一规格零件中任取一件，无须经过任何挑选或修配，便能与其他零件安装在一起而成为一台新产品，并且能够达到规定的功能要求；还有产品在使用过程中因某零部件损坏而失效，这时只要更换相同型号、规格的零部件，便可使产品正常工作，据此可以说这样的零部件具有互换性。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念2基本术语及其定义1）有关孔和轴的定义孔通常是指加工尺寸由小变大的圆柱形的内表面和形成凹槽宽度的表面(例如，键槽的宽度表面)。轴通常是指加工尺寸由大变小的圆柱形外表面和形成凸肩厚度的表面(例如，平键的宽度表面)。。2）有关尺寸的术语及定义(1)线性尺寸。尺寸通常分为两类，线性尺寸和角度。线性尺寸(简称尺寸)是指两点之间的距离，如直径、宽度、高度、深度、厚度及中心距等。(2)基本尺寸。基本尺寸是指设计确定的尺寸，用符号D表示。它是根据零件强度、刚度等的计算和结构设计确定的，并应取整，尽量采用标准尺寸，以减少定值刀具、量具、夹具的种类。(3)极限尺寸。极限尺寸是指允许尺寸变化的两个界限值。两个界限值中较大的一个称为最大极限尺寸，较小的一个称为最小极限尺寸。孔和轴的最大极限尺寸分别用符号Dmax和dmax表示，孔和轴的最小极限尺寸分别用符号Dmin和dmin表示，如图1.12所示。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念图1.12

孔和轴的极限尺寸(4)实际尺寸。实际尺寸是指零件加工后通过测量获得的尺寸。由于存在测量误差，测量获得的实际尺寸并非真实尺寸。孔和轴的实际尺寸分别用Da和da表示，如图1.13所示。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念图1.13

孔和轴的实际尺寸3.有关偏差和公差的术语及定义尺寸偏差。尺寸偏差(简称偏差)是指某一尺寸(极限尺寸、实际尺寸等)减去基本尺寸所得的代数差。代数差可能是正值、负值或零。偏差值除零外，前面必须冠以正、负号。上偏差是指最大极限尺寸减去基本尺寸所得的代数差。孔和轴的上偏差分别用符号ES和es表示。下偏差是指最小极限尺寸减去基本尺寸所得的代数差。孔和轴的下偏差分别用符号EI和ei表示。极限偏差可用下列公式表示：ES=Dmax-Des=dmax-dEI=Dmin-Dei=dmin-d

实际偏差是指实际尺寸减去基本尺寸所得的代数差，它应限制在极限偏差范围内，也可达到极限偏差。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念（2）尺寸公差。尺寸公差(简称公差)是指最大极限尺寸减去最小极限尺寸所得的差值，或上偏差减去下偏差所得的差值。它是允许尺寸的变动范围。孔和轴的尺寸公差分别用符号Th和Ts表示。公差与极限尺寸、极限偏差的关系如下：Th=∣Dmax-Dmin∣=∣ES-EITS=∣dmax-dmin∣=∣es-ei∣鉴于最大极限尺寸总是大于最小极限尺寸，上偏差总是大于下偏差，所以公差是一个没有符号的绝对值，公差不可能为负值或零。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念（3）公差带示意图及公差带。在分析孔、轴的尺寸、偏差、公差的关系时，可以采用公差带示意图的形式。如图1.14所示，公差带示意图中有一条表示基本尺寸的零线和相应公差带。零线以上为正偏差，零线以下为负偏差。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念图1.14

公差带图（4）标准公差。标准公差是指国家标准所规定的公差值。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念（5）基本偏差。基本偏差是国家标准所规定的上偏差或下偏差，它一般为靠近零线或位于零线的那个极限偏差，如图1.15所示。图1.15

基本偏差示意图4.有关配合的术语及定义1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念配合是指基本尺寸相同的，相互结合的孔和轴公差带之间的关系，组成配合的孔与轴的公差带位置不同，便形成不同的配合性质。配合的分类间隙配合。是指具有间隙(包括最小间隙等于零)的配合。图1.16

间隙配合间隙配合中，孔的最大极限尺寸减去轴的最小极限尺寸所得的代数差称为最大间隙，它用符号Xmax表示，即

Xmax=Dmax-dmin=ES-ei孔的最小极限尺寸减去轴的最大极限尺寸所得的代数差称为最小间隙，它用符号Xmin表示，即Xmin=Dmin-dmax=EI-es当孔的最小极限尺寸与轴的最大极限尺寸相等时，则最小间隙为零。在实际设计中有时用到平均间隙，间隙配合中的平均间隙用符号Xav表示，即Xav=(Xmax+Xmin)/2间隙数值的前面必须冠以正号。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念过盈配合。过盈配合是指具有过盈(包括最小过盈等于零)的配合。此时，孔公差带在轴公差带的下方，如图1.17所示。过盈配合中，孔的最大极限尺寸减去轴的最小极限尺寸所得的代数差称为最小过盈，它用符号Ymin表示，即Ymin=Dmax-dmin=ES-ei1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念图1.17

过盈配合孔的最小极限尺寸减去轴的最大极限尺寸所得的代数差称为最大过盈，它用符号Ymin表示，即Ymax=Dmin-dmax=EI-es

当孔的最大极限尺寸与轴的最小极限尺寸相等时，则最小过盈为零。在实际设计中有时用到平均过盈，过盈配合中的平均过盈用符号Yav表示，即Yav=(Ymax+Ymin)/2过盈数值的前面必须冠以负号。过渡配合。过渡配合是指可能具有间隙或过盈的配合。此时，孔公差带与轴公差带相互交叠，如图1.18所示。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念配合公差。对孔、轴配合的使用要求为间隙(或过盈)的大小，它应控制在允许的最小间隙(或最大过盈)与最大间隙(或最小过盈)范围内。后者减去前者所得的差值为该配合中的孔与轴公差之间和，称为配合公差，用符号Tf表示，即间隙配合中Xmax-Xmin=Th+Ts=Tf过盈配合中Ymin-Ymax=Th+Ts=Tf过渡配合中Xmax-Ymax=Th+Ts=Tf图1.18

过渡配合解：由式(1-16)计算最大间隙Xmax=ES-ei=+0.025-(-0.025)=+0.050mm由式(1-17)计算最小间隙Xmin=EI-es=0-(-0.009)=+0.009mm由式(1-18)计算平均间隙Xav=(Xmax+Xmin)/2=[(+0.050)+(+0.009)]/2=+0.0295mmTf=Xmax-Xmin=+0.050-(+0.009)=0.041mm孔、轴公差带示意图如图1.19所示。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合【例1】组成配合的孔和轴在零件图上标注的基本尺寸和极限偏差分别为孔ö500+0.025mm和轴ö50−−0.009mm，试计算该配合的最大间隙、最小间隙、平均间隙和配合公差，并画出孔、轴公差带示意图5.配合制1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.1基本概念(1)基孔制配合。基本偏差为一定的孔的公差带，与不同基本偏差的轴的公差带形成各种配合的一种制度，称为基孔制。基孔制配合的孔为基准孔，其代号为H。标准规定的基准孔的基本偏差(下偏差)为零，上偏差为正值，如图1.20(a)所示。(2)基轴制配合。基本偏差为一定的轴的公差带，与不同基本偏差的孔的公差带形成各种配合的一种制度，称为基轴制。基轴制配合的轴为基准轴，其代号为h。标准规定的基准轴的基本偏差(上偏差)为零，下偏差为负值，如图1.20(b)所示。

(a)

基孔制配合

(b)

基轴制配合图1.20

基孔制配合和基轴制配合由上述术语和定义可知，各种配合性质，是由孔、轴公差带大小和位置来确定的。对公差带大小和位置进行标准化，就成了GB/T1800.1～4—1997～1999《极限与配合》国家标准中的标准公差系列和基本偏差系列。1.1切削运动与切削要素1.3机械零件的极限与配合1.3.2标准公差系列和基本偏差系列本章小结本章主要学习了金属切削的基础知识。重点应掌握切削运动及切削用量概念，切削刀具及其材料基本知识等。掌握本章内容是为后续内容的学习打基础，为初步具备分析、解决制造工艺问题的能力打基础，为学生了解现代制造技术和模式及其发展打基础。学习本章要注意理论联系生产实践，以便加深理解。可通过课堂讨论、作业练习、实验、校内外参观等及采用多媒体、网络等现代教学手段学习，以取得良好的教学效益。思考题

1.1什么是切削用量三要素？并简述粗、精加工时切削用量的选择原则1.2刀具标注角度参考系有哪几种，它们是由哪些参考平面构成的，如何定义？1.3主偏角、负偏角、刃倾角是如何在正交平面参考系度量的，如何定义？1.4确定一把单刃刀具切削部分几何形状，最少需要哪几个基本角度？1.5切断车削时，进给运动怎样影响刀具工作角度？1.6镗内孔时，刀具安装高低怎样影响刀具工作角度？1.7为什么说圆体成形车刀的加工精度低于棱体成形车刀？

思考题

1.8画图说明麻花钻钻孔时切削用量的概念、切削层参数的概念及二者之间换算关系。1.9举例说明外圆车刀横向进给和纵向进给时工作角度的修正计算。1.10当车刀的时，车刀切削刃上各点的工作前角和工作后角是否相等？为什么？1.11切削层参数指的是什么？与切削深度和进给量有什么关系？1.12根据刀具的工作条件说明刀具材料应具备的性能。1.13如何根据不同的加工条件，合理的选用刀具材料？1.14普通硬质合金分为哪几类？简述其特点和用途。

本章完机械制造技术贰2.1金属切削过程的基本规律.2.2切屑的类型及控制.2.3切削力2.4切削热和切削温度2.5刀具磨损和刀具寿命2.6刀具几何参数和切削用量的合理选择2.7磨削原理金属切削过程的基本规律及其应用2金属切削过程的基本规律及其应用教学提示：1.掌握切削变形以及切削变形特点；2.掌握切削力的形成、分解及影响因素；3.掌握切削热的来源、传散影响因素；4.熟悉刀具磨损及刀具刀具寿命变化的概念。目的是使学生了解和掌握金属切削过程的基本规律及应用，为后续内容的学习打下基础。重点难点:金属切削过程的四大规律及应用。教学要求：本章学习了金属切削过程的四大规律及应用，1．切削变形规律；2．切削力变化规律；3．切削热与切削温度变化规律；4．刀具磨损与刀具寿命变化规律以及在生产上的应用。本章就是让学生了解金属切削加工过程中的物理、力学现象，以便在实际工作中正确地选择切削参数、刀具材料及刀具角度，对具体情况进行具体分析，合理地、灵活地应用这些知识来解决问题。金属切削过程的基本规律2.1.2切屑的受力分析2.1.3切屑变形程度2.1.4前刀面上的摩擦2.1.5积屑瘤的形成及其对切削过程的影响2.1.1切屑的形成过程2.1.6影响切屑变形的因素2.12.1金属切削过程的基本规律2.1.1切屑的形成过程切屑的形成过程就是在刀具的作用下金属发生变形的过程，切削层金属的变形大致可划分为三个区域：下图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一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。第一变形区第二变形区第三变形区金属切削过程中的滑移线和流线示意图

第一变形区金属的剪切滑移

（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（如图所示）。

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。OA称作始滑移线，OM称作终滑移线。2.1金属切削过程的基本规律2.1.1切屑的形成过程（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Ⅱ区）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Ⅲ区）称为第三变形区。2.1金属切削过程的基本规律2.1.1切屑的形成过程

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，它们成一夹角ψ。在一般切削速度范围内，第一变形区的宽度仅为0.02～0.2mm，所以可以用一剪切面来表示。剪切面与切削速度方向的夹角称作剪切角。滑移与晶粒的伸长2.1金属切削过程的基本规律2.1.1切屑的形成过程在直角自由切削的情况下，作用在切屑上的力有：前刀面上的法向力和摩擦力；剪切面上的正压力和剪切力；这两对力的合力互相平衡，如下图所示。2.1.2切屑的受力分析a）b）作用在切屑上的力

2.1金属切削过程的基本规律2.1.2切屑的受力分析直角自由切削时与角度的关系2.1金属切削过程的基本规律2.1.2切屑的受力分析

如用测力仪直接测得作用在刀具上的切削分力和，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，进而可近似求得前刀面与切屑间的摩擦系数，求解公式如下：2.1金属切削过程的基本规律2.1.2切屑的受力分析

图2.6直角自由切削时与角度的关系切削变形程度有三种不同的表示方法：变形系数相对滑移剪切角

2.1金属切削过程的基本规律2.1.3切削变形程度1．变形系数：在切削过程中，刀具切下的切屑厚度通常都大于工件切削层厚度，而切屑长度却小于切削层长度。切屑厚度与切削层厚度之比称为厚度变形系数；而切削层长度与切屑长度之比称为长度变形系数。

图2.7变形系数的计算2.1金属切削过程的基本规律2.1.3切削变形程度

公式描述：fgffgfsin)cos(sin)90sin(ooDchaOMOMhhch-=+-==Lo

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：2．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。图中，平行四边形OHNM

发生剪切变形后，变为平行四边形OGPM，其相对滑移为：

剪切变形示意图2.1金属切削过程的基本规律2.1.3切削变形程度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方向的平面内剪应力为零，切削合力F的方向就是主应力的方向。

直角自由切削时与角度的关系2.1金属切削过程的基本规律2.1.3切削变形程度

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45°，即Fs与F的夹角应为45°，故有

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。2.1金属切削过程的基本规律2.1.3切削变形程度经测定，切削钢材时，刀具前刀面对被切材料产生的正应力σ和切向应力τ在切屑与刀具前刀面接触的

OB长度内存在两种不同的接触状态。2.1金属切削过程的基本规律2.1.4前刀面上的摩擦在靠近切削刃的OA区（如图），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τ基本相同，它等于被切材料的剪切屈服强度；

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μ相同，切应力。粘结接触区上各点的摩擦系数：由于随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：

2.1金属切削过程的基本规律2.1.4前刀面上的摩擦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（如图），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。积屑瘤前角和伸出量2.1金属切削过程的基本规律2.1.5积屑瘤的形成及其对切削过程的影响积屑瘤的形成及其影响切削时，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。

2.1金属切削过程的基本规律2.1.5积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

塑性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300~350ºC时积屑瘤的高度最大，切削区温度超过500ºC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Hb与切削速度vc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。2.1金属切削过程的基本规律2.1.5积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

图中，I区为低速区，不产生积屑瘤；II区积屑瘤高度随切削速度的增大而增高；III区积屑瘤高度随vc的增大而减小；Ⅳ区不产生积屑瘤。积屑瘤高度与切削速度的关系2.1金属切削过程的基本规律2.1.5积屑瘤的形成及其对切削过程的影响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）使加工表面粗糙度增大（4）对刀具寿命有影响2.1金属切削过程的基本规律2.1.5积屑瘤的形成及其对切削过程的影响

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。2.1金属切削过程的基本规律2.1.5积屑瘤的形成及其对切削过程的影响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，导致切屑和前刀面的接触面积减小，前刀面上的平均正应力增大，前刀面与切屑间的摩擦系数减小，摩擦角β减小，剪切角φ增大，变形系数Λh将随之减小。2.1金属切削过程的基本规律2.1.6影响切屑变形的因素刀具前角

增大刀具前角γ0，剪切角φ将随之增大，变形系数Λh将随之减小；但前角增大后，前刀面倾斜程度加大，切屑作用在前刀面上的平均正应力减小，使摩擦角β和摩擦系数μ增大而导致剪切角φ减小。由于后一方面影响较小，变形系数Λh还是随刀具前角γ0的增加而减小。

切削速度

在无积屑瘤产生的切削速度范围内，切削速度越大，变形系数越小。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τs因温度的增高而略有下降，导致前刀面摩擦系数μ减小，使变形系数Λh下降。切削层公称厚度在无积屑瘤的切削速度范围内，切削层公称厚度越大，变形系数越小。2.1金属切削过程的基本规律2.1.6影响切屑变形的因素切屑的类型及控制2.2.2切屑的控制2.2.1切屑的类型2.2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。带状切屑b）节状切屑c）粒状切屑d）崩碎切屑切削类型2.2切屑的类型及控制2.2.1切屑的类型带状切屑

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。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。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。崩碎切屑

加工脆性材料，切削厚度越大越易得到这类切屑。2.2切屑的类型及控制2.2.1切屑的类型

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。2.2切屑的类型及控制2.2.1切屑的类型切屑经第I、第II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。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。采用断屑槽改变刀具角度调整切削用量2.2切屑的类型及控制2.2.2切屑的控制（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κr，切削厚度变大，有利于断屑。减小刀具前角γ0可使切屑变形加大，切屑易于折断。刃倾角λs可以控制切屑的流向，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。2.2切屑的类型及控制2.2.2切屑的控制切削力2.3.2切削力的测量及切削力经验公式2.3.3影响切削力的因素2.3.1切削力、切削合力与分力、切削功率2.3切削力

切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。切削力来源于以下两个方面：l）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。切削力的来源

2.3切削力2.3.1切削力、切削合力与分力、切削功率切削合力及分解切削合力和分力2.3切削力2.3.1切削力、切削合力与分力、切削功率切削功率消耗在切削过程中的功率称为切削功率：

根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率。机床电动机的功率应为：

2.3切削力2.3.1切削力、切削合力与分力、切削功率单位切削力的概念

单位切削面积上的切削力称为单位切削力，用（N／mm）表示：用测力仪测出切削力，再通过对实验数据的处理，可求得计算切削力的经验公式。在生产实际中，一般都用经验公式来计算切削力。1．切削力的测量目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。切削力测量系统2.3切削力2.3.2切削力的测量及切削力经验公式2．切削力经验公式用指数公式计算切削力，在金属切削中得到广泛应用。常用的经验公式形式如下：工件材料的影响

工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。切削用量的影响（1）背吃刀量和进给量

和

增大，都会使切削力增大，但两者的影响程度不同。增大时，变形系数不变，切削力成正比增大；增大时，变形系数有所下降，故切削力不成正比增大。2.3切削力2.3.3影响切削力的因素（2）切削速度

切削塑性材料时，在无积屑瘤产生的切削速度范围内，随着的增大，切削力减小；这是因为增大时，切削温度升高，摩擦系数μ减小，从而使变形系数减小，切削力下降。在产生积屑瘤的情况下，刀具的实际前角是随积屑瘤的成长与脱落变化的。在积屑瘤增长期，切削速度增大，积屑瘤高度增大，实际前角增大，变形系数减小，切削力下降；在积屑瘤消退期，切削速度增大，积屑瘤减小，实际前角变小，变形系数增大，切削力上升。切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小。切削速度对切削力没有显著影响。2.3切削力2.3.3影响切削力的因素切削速度对切削力的影响刀具几何参数的影响（1）前角增大，变形系数减小，切削力下降。切削塑性材料时，对切削力的影响较大；切削脆性材料时，由于切削变形很小，对切削力的影响不显著。（2）主偏角主偏角增大，背向力

减小，进给力增大。（3）刃倾角改变刃倾角将影响切屑在前刀面上的流动方向，从而使切削合力的方向发生变化。增大刃倾角，减小，

增大。刃倾角在-45°～10°范围内变化时，

基本不变。2.3切削力2.3.3影响切削力的因素（4）负倒棱为了提高刀尖部位强度、改善散热条件，常在主切削刃上磨出一个带有负前角

的棱台，其宽度为。负倒棱车刀