第三章切削力与切削温度(机械制造技术).ppt

第三章第三章 切削力与切削温度切削力与切削温度本章要点切削力及其影响因素切削热与切削温度2021/9/231 切削力切削力：金属切削时，刀具切入工件，金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。的力，称为切削力。3.1 切削力切削力Cutting Force2021/9/2323.1.1切削力及切削分力切削力及切削分力切削力来源切削力来源三个变形区产生的三个变形区产生的弹、塑性变形抗力弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间切屑、工件与刀具间摩擦力摩擦力2021/9/233rFzFrFyFxyFxFxyFxyfv图3-1切削力的分解Fr总切削力Fz主切削力Fy吃刀抗力Fx走刀抗力切削力分解切削力分解(假设总切削力在主剖面假设总切削力在主剖面P P0 0内内)3.1.1切削力及切削分力切削力及切削分力2021/9/234主切削力主切削力Fz（切向力）（切向力）总切削力在主运动方向上的投影。消耗动力最多，占机床总功率的95%99%。走刀抗力走刀抗力Fx（轴向力（轴向力/进给力）进给力）总切削力在进给方向上的投影。它一般只消耗总功率的1%5%。吃刀抗力吃刀抗力Fy（径向力（径向力/背向力背向力）总切削力在吃刀方向上的投影。因为这个方向上运动速度为零，所以不做功不做功。将总切削力将总切削力Fr分解为三个互相垂直的分力：分解为三个互相垂直的分力：3.1.1切削力及切削分力切削力及切削分力2021/9/235各切削力的关系各切削力的关系（直角自由切削）（直角自由切削）：各切削力的比值：各切削力的比值：rFzFrFyFxyFxFxyFxyfv图3-15切削力的分解Fr总切削力Fz主切削力Fy吃刀抗力Fx走刀抗力(假设总切削力在主剖面P0内)2021/9/2373.1.2切削力经验公式切削力经验公式测力仪的工作原理测力仪的工作原理测力仪的工作原理测力仪的工作原理R1R3242021/9/23103.1.2切削力经验公式切削力经验公式单因素实验法单因素实验法单因素实验法单因素实验法例如：例如：首先改变一个因素，其它因素固定不变，测得一组切削力首先改变一个因素，其它因素固定不变，测得一组切削力数据。然后再仅仅改变另一个因素，又测得一组切削力数数据。然后再仅仅改变另一个因素，又测得一组切削力数据。最后综合两组实验数据，得出包含两个可变因素的切据。最后综合两组实验数据，得出包含两个可变因素的切削力实验公式。削力实验公式。影响影响切削力切削力Fz的主要因素是的主要因素是吃刀深度吃刀深度ap和进给量进给量f。2021/9/23111)1)固固定定进进给给量量f=0.3mm=0.3mm，仅仅改改变变吃吃刀刀深深度度a ap p进进行行实实验，求吃刀深度对切削力的影响。验，求吃刀深度对切削力的影响。3.1.2切削力经验公式切削力经验公式切削力的指数公式切削力的指数公式切削力的指数公式切削力的指数公式u假设主切削力假设主切削力Fz与吃刀深度与吃刀深度a ap的关系的关系2021/9/2312两边取对数：3.1.2切削力经验公式切削力经验公式1)1)固固定定进进给给量量f=0.3mm=0.3mm，仅仅改改变变吃吃刀刀深深度度a ap p进进行行实实验，求吃刀深度对切削力的影响。验，求吃刀深度对切削力的影响。切削力的指数公式切削力的指数公式切削力的指数公式切削力的指数公式u假设主切削力假设主切削力Fz与吃刀深度与吃刀深度a ap的关系的关系对数坐标对数坐标2021/9/2313a1b12021/9/23152)2)固固定定吃吃刀刀深深度度a ap p=1mm=1mm，仅仅改改变变进进给给量量f f进进行行实实验验，求进给量求进给量f f对切削力的影响。对切削力的影响。u假设主切削力假设主切削力Fz与进给量与进给量f的关系的关系2021/9/2316两边取对数：u假设主切削力假设主切削力Fz与进给量与进给量f的关系的关系2)2)固固定定吃吃刀刀深深度度a ap p=1mm=1mm，仅仅改改变变进进给给量量f f进进行行实实验验，求进给量求进给量f f对切削力的影响。对切削力的影响。2021/9/231711000a2b22021/9/23183.1.2切削力经验公式切削力经验公式主切削力主切削力主切削力主切削力F Fz z的指数公式的指数公式的指数公式的指数公式式中CFz与工件、刀具材料有关系数；xFz切削深度ap 对切削力影响指数；yFz进给量f对切削力影响指数；(f=0.3mm=0.3mm)(a(ap p=1mm)=1mm)2021/9/23193.1.2切削力经验公式切削力经验公式主切削力主切削力主切削力主切削力F Fz z的指数公式的指数公式的指数公式的指数公式(f=0.3mm(f=0.3mm)(a(ap p=1mm)=1mm)取平均值：取平均值：2021/9/23203.1.2切削力经验公式切削力经验公式单位切削力单位切削力切除单位切削层面积的主切削力表表3-12021/9/23213.1.3切削功率的计算切削功率的计算式中式中Fz主切削力主切削力（N）；）；v 主运动速度主运动速度（m/s）。）。切削功率切削功率消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率Pm2021/9/2322机床电机功率机床电机功率式中m机床传动效率，通常=0.750.853.1.3切削功率的计算切削功率的计算2021/9/2324单位切削功率单位切削功率指单位时间切除单位体积金属所消耗的功率Zw单位时间内的金属切除量（mm3/s）2021/9/23253.1.4影响切削力的因素影响切削力的因素工件材料工件材料ap加大一倍，FZ约增大一倍；f加大一倍，FZ只增大68%86%；切削速度对切削力影响复杂强度、硬度高刀具材料与工件材料之间的摩擦力大切削力大519283555100130切削速度 v（m/min）981784588主切削力Fc（N）图3-16切削速度对切削力的影响切削用量切削用量所以，如果欲提高生产率而受到机床动力限制时，则增加所以，如果欲提高生产率而受到机床动力限制时，则增加进给量比提高切削深度有利。进给量比提高切削深度有利。2021/9/23263.1.4影响切削力因素影响切削力因素前角前角0增大，切削力减小。主主偏偏角角r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（rFy，Fx）图3-17前角对0切削力的影响前角0切削力F0-Fz0Fy0Fx图3-18主偏角r对切削力的影响主偏角r /切削力/N3045607590r-FzrFxrFy2006001000140018002200刀具几何角度影响刀具几何角度影响表表3-62021/9/2327刀具几何角度影响刀具几何角度影响与主偏角相似，刃刃倾倾角角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（sFy，Fx ）刀刀尖尖圆圆弧弧半半径径r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（rFy，Fx）；3.1.4影响切削力因素影响切削力因素表表3-8表表3-92021/9/2329刀具几何角度影响刀具几何角度影响uu负倒棱负倒棱b br1r13.1.4影响切削力因素影响切削力因素2021/9/2330其他因素影响其他因素影响后后刀刀面面磨磨损损：使切削力增大，对吃刀抗力Fy的影响最为显著；刀刀具具材材料料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力；切削液切削液：有润滑作用，使切削力降低；3.1.4影响切削力因素影响切削力因素比较：比较：1）YT硬质合金刀具切削钢材硬质合金刀具切削钢材2）高速钢刀具切削钢材）高速钢刀具切削钢材2021/9/2331Thankyouforyourlistening!2021/9/23333.2 切削热与切削温度切削热与切削温度Cutting Heat and Cutting Temperature 切削热和由它产生的切削切削热和由它产生的切削温度会使整个工艺系统的温度温度会使整个工艺系统的温度升高，一方面会引起升高，一方面会引起工艺系统工艺系统的变形的变形，另一方面会加速，另一方面会加速刀具刀具的磨损的磨损，从而影响，从而影响工件的加工工件的加工精度、表面质量精度、表面质量及及刀具的耐用刀具的耐用度度。2021/9/2334切削热的产生切削热的产生刀具克服金属弹、塑性变形抗力所作的功和克服摩擦抗力所作的功，绝大部分转化为切削热。工件切屑刀具图3-19切削热的来源与传导主要来源主要来源 第一变形区内被切削金属层的弹、塑性变形所消耗的功转变成的热；第二变形区内切屑底层与刀具前刀面摩擦所产生的的热；第三变形区内刀具后刀面与工件加工表面摩擦所产生的热。3.2.1切削热的产生和传导切削热的产生和传导塑性材料：主要来源于第变形区内切屑的变形功。脆性材料：主要来源于第变形区内工件与后刀面的摩擦功。2021/9/2335 切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去。切削热的传出切削热的传出切削热的传出切削热的传出2021/9/2336不同切削速度下的热量传出比例不同切削速度下的热量传出比例切削热的传出切削热的传出切削热的传出切削热的传出2021/9/2337加工方法加工方法切屑切屑工件工件刀具刀具车削车削5080%1040%5%铣削铣削70%50%15%磨削磨削4%80%12%切削热的传出切削热的传出切削热的传出切削热的传出2021/9/2338工件工件产生热变形，影响加工精度;刀具刀具温度升高，磨损加剧，甚至使刀具丧失切削能力;切屑形成的热源，影响机床精度机床精度。切削热对加工的影响切削热对加工的影响2021/9/2339n热电偶测温基本原理热电偶测温基本原理3.2.2切削温度的测量方法切削温度的测量方法1821年德国物理学家塞贝克（年德国物理学家塞贝克（TJSeeback）发现：当两种不同）发现：当两种不同金属导线组成闭合回路时，若在两接头维持一温差，回路就有电流金属导线组成闭合回路时，若在两接头维持一温差，回路就有电流和电动势产生，后来称此为和电动势产生，后来称此为塞贝克效应塞贝克效应。其中产生的电动势称为。其中产生的电动势称为温温差电动势差电动势，上述回路称为热电偶，上述回路称为热电偶 由两种导体组合而成由两种导体组合而成,将温度转化为热电动势将温度转化为热电动势的传感器叫做的传感器叫做热电偶热电偶。2021/9/2340自然热电偶法自然热电偶法工件和刀具材料不同，组成热电偶两极。当工件与刀具接触区的温度升高后，就形成热电偶的热端，而工件的引出端和刀具的尾端保持室温，形成了热电偶的冷端。这样在刀具与工件的回路中便产生了温差电动势。通过电位差计测得切削区的平均温度。3.2.2切削温度的测量方法切削温度的测量方法自然热电偶法测量切削温度示意图自然热电偶法测量切削温度示意图2021/9/23422021/9/2344将两种预先经过标定的金属丝组成热电偶，热端焊接在刀具或工件的预定要测量温度的点上，冷端串联毫伏表。mV人工热电偶测温示意图工件刀具金属丝小孔可测量刀具或工件指定点温度。人工热电偶法人工热电偶法3.2.2切削温度的测量方法切削温度的测量方法2021/9/2345切削温度分布切削温度分布切削塑性材料前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆性材料后刀面靠近刀尖处温度最高。750刀具工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削3.2.2切削温度的测量方法切削温度的测量方法2021/9/23473.2.3影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 工件材料的影响工件材料的影响切削用量的影响切削用量的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响2021/9/23483.2.3影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 工件材料的影响工件材料的影响45钢的切削温度钢的切削温度2021/9/2349 工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削热相应增多，切削区的平均温度降低。热相应增多，切削区的平均温度降低。例如，合金结构钢的强度普遍高于例如，合金结构钢的强度普遍高于4545钢，而导热系数又一般钢，而导热系数又一般均低于均低于4545钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削4545钢的钢的切削温度。切削温度。工件材料机械性能工件材料机械性能 切削温度切削温度 比较：比较：不锈钢不锈钢高温合金高温合金有色金属有色金属灰铸铁灰铸铁非金属非金属工件材料工件材料导热性导热性 切削温度切削温度 2021/9/23503.2.3影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 切削用量的影响切削用量的影响综上所述，切削用量对切削温度的影响程度以综上所述，切削用量对切削温度的影响程度以切削速度为最大，进给量次之，切削深度最小。切削速度为最大，进给量次之，切削深度最小。2021/9/2351 切削速度切削速度切削速度切削速度进给量进给量进给量进给量背吃刀量背吃刀量背吃刀量背吃刀量2021/9/2352 因此，若要切除给定的余量，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。上述切削用量选择原则是从最低切削温度最低切削温度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规程时，确定切削用量的原则。从切削温度考虑如何选择切削用量？从切削温度考虑如何选择切削用量？2021/9/23533.2.3影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响前角前角 o o 切削温度切削温度 主偏角主偏角 r r 切削温度切削温度 2021/9/23543.2.3影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 其它因素的影响其它因素的影响1.刀具磨损的影响刀具磨损的影响刀具后面磨损量增大，切削温度升高刀具后面磨损量增大，切削温度升高2.切削液的影响切削液的影响冷却性能好的切削液对降低切削温度、减冷却性能好的切削液对降低切削温度、减少有明显的效果。少有明显的效果。2021/9/2355视频1：刀具角度对切削过程的影响(对切削力切削热的影响及不同加工条件的选择)视频2：切削热2021/9/2356Thankyouforyourlistening!2021/9/2357作业1.切削用量三要素对切削力的影响和对切削热的影响有何不同？请利用指数公式对该问题进行分析，并提出降低切削力和切削热的措施。2021/9/23582021/9/2359 4.影响切削力的因素1 1）工件材料的性能对切削力有显著的影响。）工件材料的性能对切削力有显著的影响。工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈高，工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。2 2）切削用量对切削力的影响。）切削用量对切削力的影响。背吃刀量背吃刀量a ap p 和进给量和进给量f f对切削力的影响对切削力的影响;背吃刀量背吃刀量a ap p进给量进给量f fA AD D变形抗力变形抗力摩擦力摩擦力切削力切削力ap增大一倍，增大一倍，FC也增大一倍；而也增大一倍；而f增大一倍，增大一倍，FC只能增大只能增大68%80。2021/9/23643 3）刀具几何参数对切削力的影响。）刀具几何参数对切削力的影响。a a）前角前角g go o对切削力的影响对切削力的影响;刀刃锋利刀刃锋利前角前角g go o变形抗力变形抗力切削力切削力b）主偏角主偏角kr对切削力的影响对切削力的影响;2021/9/23651.1.切削热的来源与传出切削热的来源与传出不同切削速度下的热量传出比例不同切削速度下的热量传出比例四、切削热与切削温度2021/9/23661.1.切削热的来源与传出切削热的来源与传出加工方法加工方法切屑切屑工件工件刀具刀具车削车削5080%1040%5%铣削铣削70%50%15%磨削磨削4%80%12%四、切削热与切削温度2021/9/2367TJUniversity切削塑性材料前刀面靠近刀尖处温度最高。切削脆性材料后刀面靠近刀尖处温度最高。750刀具图3-20二维切削中的温度分布工件材料：低碳易切钢；刀具：o=30，o=7；切削用量：ap=0.6mm，vc=0.38m/s；切削条件：干切削，预热611C2.切削温度的分布切削温度的分布2021/9/23683.3.影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素(1)(1)工件材料工件材料 工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，工件材料的强度、硬度越高，总切削力越大，单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。单位时间内产生的热量越多，切削温度也就越高。工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的工件材料的导热性好，从切屑和工件传出的切削热相应增多，切削区的平均温度降低。切削热相应增多，切削区的平均温度降低。例如，合金结构钢的强度普遍高于例如，合金结构钢的强度普遍高于4545钢，而导热系数又一般均低钢，而导热系数又一般均低于于4545钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削4545钢的切削温度。钢的切削温度。2021/9/2369(2)(2)切削用量切削用量 在切削用量中，切削速度对在切削用量中，切削速度对切削温度的影响最大。切削温度的影响最大。切削速度切削速度切削速度切削速度进给量进给量进给量进给量背吃刀量背吃刀量背吃刀量背吃刀量2021/9/2370 综上所述，切削用量对切削温度的影响综上所述，切削用量对切削温度的影响程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃程度以切削速度为最大，进给量次之，背吃刀量最小。刀量最小。因此，若要切除给定的余量，又要求切因此，若要切除给定的余量，又要求切削温度较低，则在选择切削用量时，应优先削温度较低，则在选择切削用量时，应优先考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当考虑采用大的背吃刀量，然后选择一个适当的进给量，最后再选择合理的切削速度。的进给量，最后再选择合理的切削速度。上述切削用量选择原则是从最低切削温上述切削用量选择原则是从最低切削温度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规度出发考虑的，这也是制订零件加工工艺规程时，确定切削用量的原则。程时，确定切削用量的原则。2021/9/23712021/9/2372a）b）图图3-1总切削力和切削分力总切削力和切削分力2021/9/23732021/9/23743.1.2切削力经验公式切削力经验公式 切削力的指数公式切削力的指数公式式中CFc,CFp,CFf与工件、刀具材料有关系数；xFc,xFp,xFf切削深度ap 对切削力影响指数；yFc,yFp,yFf进给量f对切削力影响指数；KFc,KFp,KFf考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。2021/9/2375返回本章目录返回本章目录2021/9/2376切削热来源切削热来源切削热的传散切削热的传散2021/9/23771.5.3 切削热及切削温度切削热及切削温度1切削热1）切削热的来源：切削过程中因变形和摩擦而产生的热量，来源于I、三个变形区，如图1-26所示。2）切削热传出途径：切削热产生后，经切屑、刀具、工件和周围介质四条途径传散，如图1-27所示。不同的加工方式，切削热传散的比例也不相同（见表1-1）。2021/9/23783.3.4磨削热与磨削温度磨削热与磨削温度磨削热磨削热磨削区温度砂轮与工件接触区的平均温度，它与磨削烧伤、磨削裂纹密切相关。磨粒磨削点温度磨粒切削刃与磨屑接触点温度，是磨削区中温度最高的部位，与磨粒磨损有直接关系。工件平均温度磨削热传入工件引起的温升，影响工件的形状与尺寸精度。磨削时去除单位体积材料所需能量为普通切削的1030倍，砂轮线速度高，且为非良导热体磨削热多，且大部分传入工件，工件表面最高温度可达1000以上。磨削温度磨削温度2021/9/2379返回本章目录返回本章目录2021/9/2380工件材料弹、塑性变形所产生的热量；工件材料弹、塑性变形所产生的热量；切屑与前面、加工表面与后面摩擦所产切屑与前面、加工表面与后面摩擦所产生的热量；生的热量；切屑带走的热量；切屑带走的热量；刀具传散的热量；刀具传散的热量；工件传散的热量；工件传散的热量；周围介质如空气、切削液带走的热量。周围介质如空气、切削液带走的热量。返回本章目录返回本章目录2021/9/2381自然热电偶法测量切削温度示意图自然热电偶法测量切削温度示意图返回本章目录返回本章目录2021/9/23823.2.3影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素 q切削用量的影响 式中 用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；C 与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；Z、Y、X vc、f、ap 的指数。经验公式 （3-12）刀具材料加工方法高速钢车削1401700.350.450.20.30.080.10铣削80钻削150硬质合金车削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26表3-2切削温度的系数及指数2021/9/23833.2.3影响切削温度的因素影响切削温度的因素 q刀具几何参数的影响 前角前角 o o切削温度切削温度 主偏角主偏角 r r切削温度切削温度 负倒棱及刀尖圆弧半径负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小对切削温度影响很小 q工件材料的影响 工工件件材材料料机机械械性性能能切削温度切削温度 工工件件材材料料导导热热性性 切切削温度削温度 vc（m/min）图3-21切削速度、工件材料对切削温度的影响1GH13121Cr18Ni9Ti345钢(正火)4HT200刀具材料：YT15；YG8刀具几何参数：o=15，o=68，r=75，1=-10，s=0，b=0.1mm，r=0.2mm切削用量：ap=3mm，f=0.1mm/r（）103050709011013040060080010001243q刀具磨损的影响 q冷却液的影响 2021/9/23842.3.2影响切削温度的主要因素影响切削温度的主要因素（1）切削用量对切削温度的影响）切削用量对切削温度的影响刀具前面上刀刀具前面上刀-屑接触区的平均温度（屑接触区的平均温度（）切削温度系数；切削温度系数；切削速度（切削速度（m/min）；）；进给量（进给量（mm/r）；）；背吃刀量（背吃刀量（mm）；）；、相应的指数。相应的指数。返回本章目录返回本章目录2021/9/23852021/9/238610002021/9/238712021/9/2388