第三章切削力与切削温度(机械制造技术)

第三章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切削力：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的力，称为切削力。3.1切削力CuttingForce3.1.1切削力及切削分力切削力来源三个变形区产生的弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间摩擦力κrFzFrFyFxyFxFxyFxyfv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(假设总切削力在主剖面P0内)3.1.1切削力及切削分力①主切削力Fz（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%。②走刀抗力Fx（轴向力/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%。③吃刀抗力Fy（径向力/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。◆将总切削力Fr分解为三个互相垂直的分力：3.1.1切削力及切削分力各切削力的关系（直角自由切削）：zxzyFFFF)60.0~10.0()70.0~15.0(rxyxrxyyxyzxyzrFFFFFFFFFFsin;cos22222各切削力的比值：κrFzFrFyFxyFxFxyFxyfv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)3.1.2切削力经验公式测力仪的工作原理3.1.2切削力经验公式单因素实验法243.2179.2115.260(kgf)4321(mm)/3.0zpFarmmf时102.483.2644526(kgf)0.50.40.320.0.1(mm/r)1zpFfmma时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削力实验公式。影响切削力Fz的主要因素是吃刀深度ap和进给量f。243.2179.2115.260(kgf)4321(mm)/3.0zpFarmmf时1)固定进给量f=0.3mm，仅改变吃刀深度ap进行实验，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的指数公式zFpxpazaCF假设主切削力Fz与吃刀深度ap的关系两边取对数：3.1.2切削力经验公式1)固定进给量f=0.3mm，仅改变吃刀深度ap进行实验，求吃刀深度对切削力的影响。zFpxpazaCFpzapFzCaxFlglglg切削力的指数公式假设主切削力Fz与吃刀深度ap的关系对数坐标θ1pzaF60pzapFzCaxFlglglgzFpxpazaCFa1b11111batgxzF60601zpapCFa，得：处243.2179.2115.260(kgf)4321(mm)/3.0zpFarmmf时2)固定吃刀深度ap=1mm，仅改变进给量f进行实验，求进给量f对切削力的影响。102.483.2644526(kgf)0.50.40.320.0.1(mm/r)1zpFfmma时ZFyfzfCF假设主切削力Fz与进给量f的关系两边取对数：ZFyfzfCFfFzCfyFzlglglg假设主切削力Fz与进给量f的关系2)固定吃刀深度ap=1mm，仅改变进给量f进行实验，求进给量f对切削力的影响。θ2184.0177fFzfFzCfyFzlglglg100084.0222batgyzF1777711zfCFf，得：处zFyfzfCFa2b2102.483.2644526(kgf)0.50.40.320.0.1(mm/r)1zpFfmma时3.1.2切削力经验公式zFzFyxpzFzfaCF主切削力Fz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；pzaF6084.0177fFz(f=0.3mm)(ap=1mm)84.0faCFpzFz3.1.2切削力经验公式84.0faCFpzFz主切削力Fz的指数公式84.0171faFpzpzaF6084.0177fFz(f=0.3mm)(ap=1mm)84.03.060)1pzFpaCa84.00.841177)2fCfzF165zFC177zFC取平均值：1712177165zFC3.1.2切削力经验公式16.084.0171171ffafafaFAFppppzcz单位切削力切除单位切削层面积的主切削力84.0171faFpzfapFpzZFpzKfapF表3-13.1.3切削功率的计算式中Fz——主切削力（N）；v——主运动速度（m/s）。切削功率)(103kWvFPzm消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率Pm机床电机功率式中ηm——机床传动效率，通常η=0.75～0.853.1.3切削功率的计算)(kWPPmmE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)//(3*smmkWZPPwmsZw——单位时间内的金属切除量（mm3/s）)/(10003smmfavZpw)(103kWvFPzm)//(10p100010363*smmkWfavvFZPPpzwms3.1.4影响切削力的因素工件材料◆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zFzFzyxpFzfaCF)9.0~75.0,1(zzFFyx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。3.1.4影响切削力因素◆前角γ0增大，切削力减小。◆主偏角κr对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（κr↑——Fy↓，Fx↑）图3-17前角对γ0切削力的影响前角γ0切削力Fγ0-Fzγ0–Fyγ0–Fx图3-18主偏角κr对切削力的影响主偏角κr/°切削力/N3045607590κr-Fzκr–Fxκr–Fy2006001000140018002200刀具几何角度影响表3-6刀具几何角度影响◆与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（λs↓——Fy↑，Fx↓）◆刀尖圆弧半径rε对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（rε↑——Fy↑，Fx↓）；εΚr3.1.4影响切削力因素rAB弧长rrxyxrxyyFFFFsincos表3-8表3-9刀具几何角度影响负倒棱br1lfγoγoγoγo1γo1γ1＞lfγ1＜lf3.1.4影响切削力因素其他因素影响◆后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fy的影响最为显著；◆刀具材料：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：有润滑作用，使切削力降低；3.1.4影响切削力因素αoγo比较：1）YT硬质合金刀具切削钢材2）高速钢刀具切削钢材Thankyouforyourlistening!3.2切削热与切削温度CuttingHeatandCuttingTemperature切削热和由它产生的切削温度会使整个工艺系统的温度升高，一方面会引起工艺系统的变形，另一方面会加速刀具的磨损，从而影响工件的加工精度、表面质量及刀具的耐用度。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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塑性材料：主要来源于第Ⅰ变形区内切屑的变形功。脆性材料：主要来源于第Ⅲ变形区内工件与后刀面的摩擦功。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。切削热的传出不同切削速度下的热量传出比例切削热的传出加工方法切屑工件刀具车削50~80%10~40%5%铣削70%30%5%钻、镗削30%50%15%磨削4%80%12%切削热的传出①工件产生热变形，影响加工精度;②刀具温度升高，磨损加剧，甚至使刀具丧失切削能力;③切屑形成的热源，影响机床精度。切削热对加工的影响热电偶测温基本原理3.2.2切削温度的测量方法1821年德国物理学家塞贝克（TJSeeback）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，回路就有电流和电动势产生，后来称此为塞贝克效应。其中产生的电动势称为温差电动势，上述回路称为热电偶由两种导体组合而成,将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶。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自然热电偶法测量切削温度示意图★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3.2.2切削温度的测量方法切削温度分布★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3.2.3影响切削温度的主要因素工件材料的影响切削用量的影响刀具几何参数的影响淬火调质正火v(m/min)θ（°C）3.2.3影响切削温度的主要因素工件材料的影响45钢的切削温度工件材料的强度、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。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。例如，合金结构钢的强度普遍高于45钢，而导热系数又一般均低于45钢，所以切削合金结构钢的切削温度高于切削45钢的切削温度。工件材料机械性能↑→切削温度↑比较：不锈钢高温合金有色金属灰铸铁非金属工件材料导热性↑→切削温度↓3.2.3影响切削温度的主要因素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切削速度为最大，进给量次之，切削深度最小。)(CafvCzpyx.04.0;14.0;41.0~26.045YT15zyx钢，得指数如下：硬质合金车刀加工使用切削速度进给量背吃刀量因此，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？3.2.3影响切削温度的主要因素刀具几何参数的影响前角o↑→切削温度↓主偏角r↑→切削温度↑3.2.3影响切削温度的主要因素其它因素的影响1.刀具磨损的影响刀具后面磨损量增大，切削温度升高2.切削液的影响冷却性能好的切削液对降低切削温度、减少有明显的效果。αoγo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Thankyouforyourlistening!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。zFzFzyxpFzfaCF)9.0~75.0,1(zzFFyx)(CafvCz