机械类-切削热与切削温度

微型机械在国外已受到政府部门、
企业界、高等学校与研究机构的高度 重视。 美国MIT、Ber keley、 Stanfor d\AT&T的15名科学 家在上 世纪八 十年代 末提出" 小机器
、大机遇：关于新兴领域--微动力学 的报告" 的国家 建议书 ，声称" 由于微 动力学 (微系 统)在美 国的紧 迫性， 应在这 样一个 新的重
欧洲工业发达国家也相
继对微型系统的研究开发进行了重点 投资， 德国自1988年 开始微 加工十 年计划 项目， 其科技 部于1990～1993年拨 款4万马 克支持 "
微系统计划"研究，并把微系统列为本 世纪初 科技发 展的重 点，德 国首创 的LIGA工艺， 为MEMS的发 展提供 了新的 技术手 段，并 已
成为三维结构制作的优选工艺。法国1993年 启动的7000万 法郎的" 微系统 与技术 "项目 。欧共 体组成" 多功能 微系统 研究网 络
NEXUS"，联合协调46个研究所的研 究。瑞 士在其 传统的 钟表制 造行业 和小型 精密机 械工业 的基础 上也投 入了MEMS的 开发工 作，
1992年投资为1000万美元。英国政府 也制订 了纳米 科学计 划。在 机械、 光学、 电子学 等领域 列出8个 项目进 行研究 与开发 。为了
依旧应用于某些零部件的转配过程中 ）。
机械加工包括：灯丝电源绕组、激光切 割、重 型加工 、金属 粘结、 金属拉 拔、等
离子切割、精密焊接、辊轧成型、金 属板材 弯曲成 型、模 锻、水 喷射切 割、精 密焊接 等。
机械加工：广意的机械加工就是
指能用机械手段制造产品的过程；狭 意的是 用车床 （Lathe Machine）、铣床(Milling Machine)、钻床(Driling Machine)、磨
度达1.5μm的微细轴。
工艺基础的基本概念
编辑本段生产过程和工艺过程
生产过程是指从原材料（或半成品）制 成产品 的全部 过程。 对机器 生产而 言包括 原材料 的运输 和保存 ，生产 的准备 ，毛坯 的
制造，零件的加工和热处理，产品的 装配、 及调试 ，油漆 和包装 等内容 。生产 过程的 内容十 分广泛 ，现代 企业用 系统工 程学的 原
工序1：在车床上车外圆、车端面 、镗孔 和内孔
倒角； 工序2：在钻床上钻6个小孔。
在同一道工序中，工件可能要经过几次 安装。 工件在 一次装 夹中所 完成的 那部分
工序，称为安装。在工序1中，有两次 安装。 第一次 安装： 用三爪 卡盘夹 住 外圆，车端面C，镗内孔，内孔倒角， 车外圆 。第二
次安装：调头用三爪Biblioteka Baidu夹住外圆，车 端面A和B，内 孔倒角 。
日本通产省1991年开始启动一项为期10年、 耗资250亿日元 的微型 大型研 究计划 ，研
制两台样机，一台用于医疗、进入人 体进行 诊断和 微型手 术，另 一台用 于工业 ，对飞 机发动 机和原 子能设 备的微 小裂纹 实施维 修
。该计划有筑波大学、东京工业大学 、东北 大学、 早稻田 大学和 富士通 研究所 等几十 家单位 参加。
理和方法组织生产和指导生产，将生 产过程 看成是 一个具 有输入 和输出 的生产 系统。 能使企 业的管 理科学 化，使 企业更 具应变 力
和竞争力。 在生产过程中，直接改变原材料（ 或毛坯 ）形状 、尺寸 和性能 ，使之 变为成 品的过 程，称 为工艺 过程。 它是生
产过程的主要部分。例如毛坯的铸造 、锻造 和焊接 ；改变 材料性 能的热 处理[1]；零件 的机械 加工等 ，都属 于工艺 过程。 工艺过
要技术领域与其他国家的竞争中走在 前面"， 建议中 央财政 预支费 用为五 年5000万美元 ，得到 美国领 导机构 重视， 连续大 力投资
，并把航空航天、信息和MEMS作为 科技发 展的三 大重点 。美国 宇航局 投资1亿 美元着 手研制 "发现 号微型 卫星"， 美国国 家科学 基
金会把MEMS作为一个新崛起的研究 领域制 定了资 助微型 电子机 械系统 的研究 的计划 ，从1998年开 始，资 助MIT ，加州 大学等8所大
一、切削热的来源与传出
切削过程中变形和摩擦所消耗功的98%～99%转变为 热能。如图3-21所示,切削热来源于三个变形区。在第一 变形区内由于切削材料发生弹性变形和塑性变形产生大
量的热量,分别用Q弹、Q塑表示;第二变形区由于刀具 前面跟切屑摩擦产生的热量,用Q前摩表示;第三变形区 由于刀具后面跟工件摩擦产生的热量,用Q后摩表示。
切削时所产生的热量由切屑、工件、刀具
及周围介质传出,分别用Q屑、Q工 、Q刀 、
Q介表示。 上述切削热产生的产生和传散可以写出平
衡方程式:
Q=Q弹+Q塑+Q前摩+Q后摩=Q 屑+Q工+Q刀 +Q介
2．切削用量
切削用量中对切削温度影响最大的是切削速度,其 次是进给量f,背吃刀量影响最小。因为当切削用
度约增高20%a~p 30%,当进给量f增加一倍,切削温度增 高10%左右,当背吃刀量增加一倍时,切削温度只增高 约4%。
3． 刀具几何参数
前角增大,变形和摩擦减小,切削温度降低;但前角太大,散
o 热体积减小,切削温度反而上升,因此,刀具前角有一最佳值。
如图3-26中加工条件下的最佳前角约为15°
后开发出尺寸为50～500μm的 齿轮、 齿轮泵 、气动 涡轮及 联接件 等微机 械。1965年， 斯坦福 大学研 制出硅 脑电极 探针， 后来又 在
扫描隧道显微镜、微型传感器方面取 得成功 。1987年美国 加州大 学伯克 利分校 研制出 转子直 径为60～12μ m的利用 硅微型 静电机
，显示出利用硅微加工工艺制造小可 动结构 并与集 成电路 兼容以 制造微 小系统 的潜力 。
大的不同。 编辑本段加工余量
为了加工出合格的零件，必须从毛坯上 切去的 那层金 属的厚 度，称 为加工 余量。 加工余 量又可 分为工 序余量 和总余 量。某 工
序中需要切除的那层金属厚度，称为 该工序 的加工 余量。 从毛坯 到成品 总共需 要切除 的余量 ，称为 总余量 ，等于 相应表 面各工 序
编辑本段生产类型
生产类型通常分为三类。
1．单件生产 单个地生产某个零件，很少重复地生 产。
2．成批生产 成批地制造相同的
零件的生产。
3．大量生产 当产品的制造数量很大，大多数工作地 点经常 是重复 进行一 种零件 的某一 工序的 生产。
拟
定零件的工艺过程时，由于零件的生 产类型 不同， 所采用 的加方 法、机 床设备 、工夹 量具、 毛坯及 对工人 的技术 要求等 ，都有 很
关领域的研究。很多机构参加了微型 机械系 统的研 究，如 康奈尔 大学、 斯坦福 大学、 加州大 学伯克 利分校 、密执 安大学 、威斯 康
星大学、老伦兹得莫尔国家研究等。 加州大 学伯克 利传感 器和执 行器中 心(BSAC)得到 国防部 和十几 家公司 资助1500万元 后，建 立
了1115m2研究开发MEMS的超 净实验 室。
程又是由一个或若干个顺序排列的工 序组成 的。
工序是工艺过程的基本组成单位。所谓 工序是 指在一 个工作 地点， 对一个
或一组工件所连续完成的那部分工艺 过程。 构成一 个工序 的主要 特点是 不改变 加工对 象、设 备和操 作者， 而且工 序的内 容是连 续
完成的。例如图32-1中[cc1]的零件， 其工艺 过程可 以分为 以下两 个工序 ：
床(Grinding Machine)、冲压机、压铸机机等专用机 械设备 制作零 件的过 程。 编辑本段微型机械加工技术的国外发 展现状
机械产品 1959年，Richard P Feynman(1965年诺贝尔 物理奖 获得者) 就提出 了微型 机械的 设想。 1962年 第一个 硅微型 压力传 感器问 世，其
加强欧洲开发MEMS的力量，一些欧 洲公司 已组成 MEMS开发集 团。
目前已有大量的微型机械或微型系统被 研究出 来，例 如：
尖端直径为5μm的微型镊子可 以夹起 一个红 血球， 尺寸为7m m× 7mm× 2mm的微型 泵流量 可达250μl/min能开动 汽车， 在磁场 中飞
行的机器蝴蝶，以及集微型速度计、 微型陀 螺和信 号处理 系统为 一体的 微型惯 性组合( MIMU) 。德国 创造了 LIGA工艺， 制成了 悬臂
三个热源产生热量的比例与工件材料、切削条件等有关。 切削塑性材料,当切削厚度较大时,以第Ⅱ变形区产生的热 量为最多,约占60%～80%;当切削厚度很小时,由于严重 的挤压作用,第Ⅲ变形区所产生的热量占相当大的比重。 加工脆性材料时,因形成崩碎切屑,刀—屑接触长度很小, 故第Ⅱ变形区产生的热量比重下降,而第Ⅲ变形区产生热 量的比重相应增加。
相变化﹐称热加工。冷加工按加工方 式的差 别可分 为切削 加工和 压力加 工。热 加工常 见有热 处理﹐ 煅造﹐ 铸造和 焊接。
机械加工 另外装配时常常要用到冷热处理。例 如：轴 承在装 配时往 往将内 圈放入 液氮里 冷却使 其尺寸 收缩， 将外圈 适当加 热使其 尺寸放 大
，然后再将其装配在一起。火车的车 轮外圈 也是用 加热的 方法将 其套在 基体上 ，冷却 时即可 保证其 结合的 牢固性 （此种 方法现 在
学和贝尔实验室从事这一领域的研究 与开发 ，年资 助额从100万、 200万 加到1993年的500万美 元。1994年发 布的《 美国国 防部技
术计划》报告，把MEMS列为关键技 术项目 。美国 国防部 高级研 究计划 局积极 领导和 支持MEMS的 研究和 军事应 用，现 已建成 一条
MEMS标准工艺线以促进新型元件/装 置的研 究与开 发。美 国工业 主要致 力于传 感器、 位移传 感器、 应变仪 和加速 度表等 传感器 有
梁、执行机构以及微型泵、微型喷嘴 、湿度 、流量 传感器 以及多 种光学 器件。 美国加 州理工 学院在 飞机翼 面粘上 相当数 量的1mm
的微梁，控制其弯曲角度以影响飞机 的空气 动力学 特性。 美国大 批量生 产的硅 加速度 计把微 型传感 器(机械 部分) 和集成 电路(电
信号源、放大器、信号处理和正检正 电路等) 一起集 成在硅 片上3m m×3m m的 范围内 。日本 研制的 数厘米 见方的 微型车 床可加 工精
主偏角增大,在相同的背吃刀量下,主切削刃参加切削
r
的长度缩短,传热面积减小,切削热相对集中,同时还使 刀尖角减小,散热条件变差,切削温度升高。如图3-27所
示。
4．刀具磨损 刀具磨损后,切削刃变钝,刃区前方对切屑的挤压作用增大,塑性 变形增加,从而使切削力及功率的消耗增加。所以当刀具磨损严 重后切削温度会急剧升高。
量大削的,所长以c度切、以削f、相温aa同p度p 增比升大例高时增。,加变但,形显和著增a摩改大p 擦善后加了,主剧散切,热切削c 条削刃件功参;率f加增增切大,
切屑与前刀面接触长度增加,切屑变形减小,切屑带走 的热量也增加,散热条件有所改善; 增高,虽然使
切条削件力较 略 差c 为 。减 实少 验得,但出切,屑当切与削前速刀度面增接大触一长倍度时减短,切,散 削热 温
切削热与切削温度
切削热与切削温度是切削过程中产生的又一重
要物理现象。切削过程中切削力所作的机械功的绝 大部分将转化成热能,即切削热。若切削热不及时传 散,则切削区的平均温度将大幅度地上升。切削温度 的升高,一方面使切削区工件材料的强度、硬度下降, 且使切削区工件材料的强度、硬度下降,且使一些耐 热性好、脆性大的刀具材料(如硬质合金、陶瓷材 料等)的韧性有所改善,从而使切削过程进行比较顺 利;但另一方面切削温度的升高,会加速刀具的磨损, 使工件和机床产生热变形,影响零件的加工精度,造 成工件表面的热损伤等。因此,研究切削热和切削温 度的变化规律,是研究金属切削过程的一个重要方面。
5．切削液 使用切削液带走大量热量,切削温度降低。具体作用详见后章。
机械加工是一种用加工机械对工件的 外形尺 寸或性 能进行 改变的 过程。 按被加 工的工 件处于 的温度 状态﹐ 分为冷 加工和 热加工 。
一般在常温下加工，并且不引起工件 的化学 或物相 变化﹐ 称冷加 工。一 般在高 于或低 于常温 状态的 加工﹐ 会引起 工件的 化学或 物