第三章切削力與切削溫度(機械制造技術(shù))

第三章切削力與切削溫度本章要點切削力及其影響因素切削熱與切削溫度

切削力：金屬切削時，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形并成為切屑所需的力，稱為切削力。3.1

切削力CuttingForce3.1.1切削力及切削分力切削力來源三個變形區(qū)產(chǎn)生的彈、塑性變形抗力切屑、工件與刀具間摩擦力κrFzFrFyFxyFxFxyFxyfv圖3-1切削力的分解Fr總切削力Fz主切削力Fy吃刀抗力Fx走刀抗力切削力分解(假設(shè)總切削力在主剖面P0內(nèi))3.1.1切削力及切削分力①主切削力Fz（切向力）

總切削力在主運動方向上的投影。消耗動力最多，占機床總功率的95%～99%。②走刀抗力Fx

（軸向力/進給力）

總切削力在進給方向上的投影。它一般只消耗總功率的1%～5%。

③吃刀抗力Fy

（徑向力/背向力）

總切削力在吃刀方向上的投影。因為這個方向上運動速度為零，所以不做功。◆將總切削力Fr分解為三個互相垂直的分力：3.1.1切削力及切削分力吃刀抗力Fy

（徑向力/背向力）的影響

它一般作用在工件剛度較弱的方向上，容易使工件變形，引起振動，影響加工精度。

各切削力的關(guān)系（直角自由切削）：各切削力的比值：κrFzFrFyFxyFxFxyFxyfv圖3-15切削力的分解Fr總切削力Fz主切削力Fy吃刀抗力Fx走刀抗力(假設(shè)總切削力在主剖面P0內(nèi))主偏角不同時Fxy力的分解（a）Kr?。╞）Kr大90度車刀加工細(xì)長軸，如何選擇刀具？3.1.2切削力經(jīng)驗公式測力儀的工作原理R1R3243.1.2切削力經(jīng)驗公式單因素實驗法例如：

首先改變一個因素，其它因素固定不變，測得一組切削力數(shù)據(jù)。然后再僅僅改變另一個因素，又測得一組切削力數(shù)據(jù)。最后綜合兩組實驗數(shù)據(jù)，得出包含兩個可變因素的切削力實驗公式。

影響切削力Fz的主要因素是吃刀深度ap和進給量f。1)固定進給量f=0.3mm，僅改變吃刀深度ap進行實驗，求吃刀深度對切削力的影響。3.1.2切削力經(jīng)驗公式切削力的指數(shù)公式假設(shè)主切削力Fz與吃刀深度ap的關(guān)系兩邊取對數(shù)：3.1.2切削力經(jīng)驗公式1)固定進給量f=0.3mm，僅改變吃刀深度ap進行實驗，求吃刀深度對切削力的影響。切削力的指數(shù)公式假設(shè)主切削力Fz與吃刀深度ap的關(guān)系對數(shù)坐標(biāo)對數(shù)坐標(biāo)23456798a1b12)固定吃刀深度ap=1mm，僅改變進給量f進行實驗，求進給量f對切削力的影響。假設(shè)主切削力Fz與進給量f的關(guān)系兩邊取對數(shù)：假設(shè)主切削力Fz與進給量f的關(guān)系2)固定吃刀深度ap=1mm，僅改變進給量f進行實驗，求進給量f對切削力的影響。11000a2b23.1.2切削力經(jīng)驗公式主切削力Fz的指數(shù)公式式中CFz——與工件、刀具材料有關(guān)系數(shù)；

xFz——切削深度ap對切削力影響指數(shù)；

yFz——進給量f

對切削力影響指數(shù)；(f=0.3mm)(ap=1mm)3.1.2切削力經(jīng)驗公式主切削力Fz的指數(shù)公式(f=0.3mm)(ap=1mm)取平均值：3.1.2切削力經(jīng)驗公式單位切削力

切除單位切削層面積的主切削力表3-13.1.3切削功率的計算式中

Fz

——主切削力（N）；

v

——主運動速度（m/s）。切削功率消耗在切削過程中的切削功率稱為切削功率Pm

消耗在切削過程中的切削功率稱為切削功率Pm

Pm—切削功率(kW)

Fz—主切削力（N）

v—切削速度（m/s）

Fx—走刀抗力（N）

n—工件轉(zhuǎn)速（r/s）

f—進給量（mm/r）機床電機功率式中ηm

——機床傳動效率，通常η=0.75～0.853.1.3切削功率的計算單位切削功率指單位時間切除單位體積金屬所消耗的功率Zw——單位時間內(nèi)的金屬切除量（mm3/s）3.1.4影響切削力的因素工件材料◆ap加大一倍，F(xiàn)Z約增大一倍；◆f加大一倍，F(xiàn)Z只增大68%～86%；◆切削速度對切削力影響復(fù)雜強度、硬度高刀具材料與工件材料之間的摩擦力大切削力大519283555100130

切削速度

v（m/min）

981784588主切削力Fc（N）圖3-16切削速度對切削力的影響切削用量

所以，如果欲提高生產(chǎn)率而受到機床動力限制時，則增加進給量比提高切削深度有利。3.1.4影響切削力因素◆

前角γ0

增大，切削力減小?！糁髌铅蕆

對主切削力影響不大，對吃刀抗力和走刀抗力影響顯著（κr

↑——Fy↓，F(xiàn)x↑）圖3-17前角對γ0切削力的影響前角γ0切削力Fγ0-Fzγ0–Fyγ0–Fx圖3-18主偏角κr對切削力的影響主偏角κr/°切削力/N3045607590κr

-Fzκr

–Fxκr

–Fy2006001000140018002200刀具幾何角度影響表3-6刀具幾何角度影響◆

與主偏角相似，刃傾角λs對主切削力影響不大，對吃刀抗力和走刀抗力影響顯著（λs↓

——Fy↑

，F(xiàn)x↓

）◆

刀尖圓弧半徑

rε

對主切削力影響不大，對吃刀抗力和走刀抗力影響顯著（rε

↑——Fy↑，F(xiàn)x↓）；3.1.4影響切削力因素表3-8表3-9刀具幾何角度影響負(fù)倒棱br13.1.4影響切削力因素

其他因素影響◆

后刀面磨損：使切削力增大，對吃刀抗力Fy的影響最為顯著；◆刀具材料：與工件材料之間的親和性影響其間的摩擦，而影響切削力；◆切削液：有潤滑作用，使切削力降低；3.1.4影響切削力因素

比較：1）YT硬質(zhì)合金刀具切削鋼材

2）高速鋼刀具切削鋼材視頻1：刀具角度對切削過程的影響(對切削力切削熱的影響及不同加工條件的選擇)Thankyouforyourlistening!3.2

切削熱與切削溫度CuttingHeatandCuttingTemperature

切削熱和由它產(chǎn)生的切削溫度會使整個工藝系統(tǒng)的溫度升高，一方面會引起工藝系統(tǒng)的變形，另一方面會加速刀具的磨損，從而影響工件的加工精度、表面質(zhì)量及刀具的耐用度。切削熱的產(chǎn)生★

刀具克服金屬彈、塑性變形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，絕大部分轉(zhuǎn)化為切削熱。工件切屑刀具圖3-19切削熱的來源與傳導(dǎo)

主要來源

第一變形區(qū)內(nèi)被切削金屬層的彈、塑性變形所消耗的功轉(zhuǎn)變成的熱；第二變形區(qū)內(nèi)切屑底層與刀具前刀面摩擦所產(chǎn)生的的熱；第三變形區(qū)內(nèi)刀具后刀面與工件加工表面摩擦所產(chǎn)生的熱。3.2.1切削熱的產(chǎn)生和傳導(dǎo)

塑性材料：主要來源于第Ⅰ變形區(qū)內(nèi)切屑的變形功。脆性材料：主要來源于第Ⅲ變形區(qū)內(nèi)工件與后刀面的摩擦功。

切削熱由切屑、工件、刀具和周圍介質(zhì)（切削液、空氣)等傳散出去。切削熱的傳出不同切削速度下的熱量傳出比例切削熱的傳出加工方法切屑工件刀具車削50~80%10~40%<5%銑削70%<30%5%鉆、鏜削30%>50%15%磨削4%>80%12%切削熱的傳出①工件產(chǎn)生熱變形，影響加工精度;②刀具溫度升高，磨損加劇，甚至使刀具喪失切削能力;③切屑形成的熱源，影響機床精度。切削熱對加工的影響熱電偶測溫基本原理3.2.2切削溫度的測量方法1821年德國物理學(xué)家塞貝克（TJSeeback）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)兩種不同金屬導(dǎo)線組成閉合回路時，若在兩接頭維持一溫差，回路就有電流和電動勢產(chǎn)生，后來稱此為塞貝克效應(yīng)。其中產(chǎn)生的電動勢稱為溫差電動勢，上述回路稱為熱電偶

由兩種導(dǎo)體組合而成,將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。

熱電偶測溫原理

1.定義:

由兩種導(dǎo)體組合而成,將溫度轉(zhuǎn)化為熱電動勢的傳感器叫做熱電偶。2.

測溫原理

:

熱電偶的測溫原理基于熱電效應(yīng)。

將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個閉合回路，當(dāng)兩個接點1和2的溫度不同時，如果T＞T0（如上圖12-1熱電效應(yīng)），在回路中就會產(chǎn)生熱電動勢，在回路中產(chǎn)生一定大小的電流，此種現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。自然熱電偶法

工件和刀具材料不同，組成熱電偶兩極。當(dāng)工件與刀具接觸區(qū)的溫度升高后，就形成熱電偶的熱端，而工件的引出端和刀具的尾端保持室溫，形成了熱電偶的冷端。這樣在刀具與工件的回路中便產(chǎn)生了溫差電動勢。通過電位差計測得切削區(qū)的平均溫度。3.2.2切削溫度的測量方法自然熱電偶法測量切削溫度示意圖★

將兩種預(yù)先經(jīng)過標(biāo)定的金屬絲組成熱電偶，熱端焊接在刀具或工件的預(yù)定要測量溫度的點上，冷端串聯(lián)毫伏表。mV人工熱電偶測溫示意圖工件刀具金屬絲小孔★

可測量刀具或工件指定點溫度。人工熱電偶法3.2.2切削溫度的測量方法用人工熱電偶法測量刀具和工件的溫度示意圖切削溫度分布★

切削塑性材料

——前刀面靠近刀尖處溫度最高?！?/p>

切削脆性材料

——后刀面靠近刀尖處溫度最高。750℃刀具工件材料：低碳易切鋼；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，

vc

=0.38m/s；切削條件：干切削

3.2.2切削溫度的測量方法3.2.3影響切削溫度的主要因素

工件材料的影響切削用量的影響刀具幾何參數(shù)的影響3.2.3影響切削溫度的主要因素

工件材料的影響45鋼的切削溫度

工件材料的強度、硬度越高，總切削力越大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多，切削溫度也就越高。

工件材料的導(dǎo)熱性好，從切屑和工件傳出的切削熱相應(yīng)增多，切削區(qū)的平均溫度降低。

例如，合金結(jié)構(gòu)鋼的強度普遍高于45鋼，而導(dǎo)熱系數(shù)又一般均低于45鋼，所以切削合金結(jié)構(gòu)鋼的切削溫度高于切削45鋼的切削溫度。工件材料機械性能↑→切削溫度↑比較：不銹鋼高溫合金

有色金屬

灰鑄鐵

非金屬工件材料導(dǎo)熱性↑→切削溫度↓3.2.3影響切削溫度的主要因素

切削用量的影響

綜上所述，切削用量對切削溫度的影響程度以切削速度為最大，進給量次之，切削深度最小。

切削速度進給量

背吃刀量

因此，若要切除給定的余量，又要求切削溫度較低，則在選擇切削用量時，應(yīng)優(yōu)先考慮采用大的背吃刀量，然后選擇一個適當(dāng)?shù)倪M給量，最后再選擇合理的切削速度。

上述切削用量選擇原則是從最低切削溫度出發(fā)考慮的，這也是制訂零件加工工藝規(guī)程時，確定切削用量的原則。

從切削溫度考慮如何選擇切削用量？3.2.3影響切削溫度的主要因素

刀具幾何參數(shù)的影響前角o↑→切削溫度↓主偏角r↑→切削溫度↑3.2.3影響切削溫度的主要因素

其它因素的影響

1.刀具磨損的影響

刀具后面磨損量增大，切削溫度升高

2.切削液的影響冷卻性能好的切削液對降低切削溫度、減少有明顯的效果。視頻1：刀具角度對切削過程的影響(對切削力切削熱的影響及不同加工條件的選擇)

視頻2：切削熱Thankyouforyourlistening!本章結(jié)束作業(yè)1.切削用量三要素對切削力的影響和對切削熱的影響有何不同？請利用指數(shù)公式對該問題進行分析，并提出降低切削力和切削熱的措施。

切削用量的影響式中θ——用自然熱電偶法測出的前刀面接觸區(qū)的平均溫度(C)；

Cθ——與工件、刀具材料和其它切削參數(shù)有關(guān)的切削溫度系數(shù)；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指數(shù)。

經(jīng)驗公式

刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速鋼車削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10銑削80鉆削150硬質(zhì)合金車削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26切削溫度的系數(shù)及指數(shù)（1）切削速度vc

隨著切削速度的提高，切削溫度將顯著上升。這是因為，切屑沿前刀面流出時，切屑底層與前刀面發(fā)生強烈摩擦從而產(chǎn)生大量切削熱；由于切削速度很高，在一個很短時間內(nèi)切屑底層的切削熱來不及向切屑內(nèi)部傳導(dǎo)，而是大量積聚在切屑底層，從而使切屑溫度顯著升高。另外，隨著切削速度的提高，金屬切除量成正比例增加，消耗的機械功增大，使切削溫度上升。（2）進給量f

隨著進給量的增大，金屬切除量增多，切削熱增加，使切削溫度上升。但單位切削力和單位切削功率隨f的增大而減小，切除單位體積金屬產(chǎn)生的熱量也減小；另外，f增大使切屑變厚，切屑的熱容量增大，由切屑帶走的熱量增加，故切削區(qū)的溫度上升得不顯著。（3）切削深度（背吃刀量ap）背吃刀量ap對切削溫度的影響很小。因為ap增大以后，切削區(qū)產(chǎn)生的熱量雖增加，但切削刃參加工作長度增加，散熱條件改善，故切削溫度升高并不明顯。

4.影響切削力的因素1）工件材料的性能對切削力有顯著的影響。

工件材料的硬度或強度愈高，材料的剪切屈服強度也愈高，發(fā)生剪切變形的抗力也愈大，故切削力也愈大。

2）切削用量對切削力的影響。背吃刀量ap

和進給量f對切削力的影響;背吃刀量ap進給量fAD↑↑↑↑變形抗力摩擦力切削力↑ap增大一倍，F(xiàn)C也增大一倍；而f增大一倍，F(xiàn)C只能增大68%～80％。

3）刀具幾何參數(shù)對切削力的影響。a）

前角go對切削力的影響;

↑刀刃鋒利↑↓前角go變形抗力切削力↓b）主偏角kr

對切削力的影響;1.切削熱的來源與傳出不同切削速度下的熱量傳出比例四、切削熱與切削溫度1.切削熱的來源與傳出加工方法切屑工件刀具車削50~80%10~40%<5%銑削70%<30%5%鉆、鏜削30%>50%15%磨削4%>80%12%四、切削熱與切削溫度TJUniversity★

切削塑性材料——前刀面靠近刀尖處溫度最高?！?/p>

切削脆性材料——后刀面靠近刀尖處溫度最高。750℃刀具圖3-20二維切削中的溫度分布工件材料：低碳易切鋼；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，

vc

=0.38m/s；切削條件：干切削，預(yù)熱611C2.切削溫度的分布3.影響切削溫度的主要因素(1)工件材料

工件材料的強度、硬度越高，總切削力越大，單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量越多，切削溫度也就越高。工件材料的導(dǎo)熱性好，從切屑和工件傳出的切削熱相應(yīng)增多，切削區(qū)的平均溫度降低。

例如，合金結(jié)構(gòu)鋼的強度普遍高于45鋼，而導(dǎo)熱系數(shù)又一般均低于45鋼，所以切削合金結(jié)構(gòu)鋼的切削溫度高于切削45鋼的切削溫度。(2)切削用量

在切削用量中，切削速度對切削溫度的影響最大。

切削速度進給量

背吃刀量

綜上所述，切削用量對切削溫度的影響程度以切削速度為最大，進給量次之，背吃刀量最小。

因此，若要切除給定的余量，又要求切削溫度較低，則在選擇切削用量時，應(yīng)優(yōu)先考慮采用大的背吃刀量，然后選擇一個適當(dāng)?shù)倪M給量，最后再選擇合理的切削速度。

上述切削用量選擇原則是從最低切削溫度出發(fā)考慮的，這也是制訂零件加工工藝規(guī)程時，確定切削用量的原則。

a）b）圖3-1總切削力和切削分力3.1.2切削力經(jīng)驗公式

切削力的指數(shù)公式式中CFc,CFp,CFf

——與工件、刀具材料有關(guān)系數(shù)；

xFc,xFp,xFf

——切削深度ap對切削力影響指數(shù)；

yFc,yFp,yFf

——進給量f

對切削力影響指數(shù)；

KFc,KFp,KFf

——考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。返回本章目錄切削熱來源

切削熱的傳散1.5.3切削熱及切削溫度

1．切削熱

1）切削熱的來源：切削過程中因變形和摩擦而產(chǎn)生的熱量，來源于I、Ⅱ、Ⅲ三個變形區(qū)，如圖1-26所示。

2）切削熱傳出途徑：

切削熱產(chǎn)生后，經(jīng)切屑、刀具、工件和周圍介質(zhì)四條途徑傳散，如圖1-27所示。不同的加工方式，切削熱傳散的比例也不相同（見表1-1）。

3.3.4磨削熱與磨削溫度磨削熱★

磨削區(qū)溫度——砂輪與工件接觸區(qū)的平均溫度，它與磨削燒傷、磨削裂紋密切相關(guān)?！?/p>

磨粒磨削點溫度——磨粒切削刃與磨屑接觸點溫度，是磨削區(qū)中溫度最高的部位，與磨粒磨損有直接關(guān)系?！锕ぜ骄鶞囟取ハ鳠醾魅牍ぜ鸬臏厣?，影響工件的形狀與尺寸精度。磨削時去除單位體積材料所需能量為普通切削的10～30倍，砂輪線速度高，且為非良導(dǎo)熱體——磨削熱多，且大部分傳入工件，工件表面最高溫度可達(dá)1000℃以上。磨削溫度返回本章目錄—工件材料彈、塑性變形所產(chǎn)生的熱量；

—切屑與前面、加工表面與后面摩擦所產(chǎn)生的熱量；—切屑帶走的熱量；—刀具傳散的熱量；—工件傳散的熱量；

—周圍介質(zhì)如空氣、切削液帶走的熱量。

返回本章目錄

自然熱電偶法測量切削溫度示意圖返回本章目錄3.2.3影響切削溫度的