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切削力及切削分力吃刀抗力Fy

（径向力/背向力）的影响

它一般作用在工件刚度较弱的方向上，容易使工件变形，引起振动，影响加工精度。

各切削力的关系（直角自由切削）：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)主偏角不同时Fxy力的分解（a）Kr小（b）Kr大90度车刀加工细长轴，如何选择刀具？3.1.2切削力经验公式测力仪的工作原理R1R3243.1.2切削力经验公式单因素实验法例如：

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。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。切削力的指数公式假设主切削力Fz与吃刀深度ap的关系对数坐标对数坐标23456798a1b12)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。假设主切削力Fz与进给量f的关系两边取对数：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。11000a2b23.1.2切削力经验公式主切削力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；(f=0.3mm)(ap=1mm)3.1.2切削力经验公式主切削力Fz的指数公式(f=0.3mm)(ap=1mm)取平均值：3.1.2切削力经验公式单位切削力

切除单位切削层面积的主切削力表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）。切削功率消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率Pm

消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率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—工件转速（r/s）

f—进给量（mm/r）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）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

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↓）；3.1.4影响切削力因素表3-8表3-9刀具几何角度影响负倒棱br13.1.4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

比较：1）YT硬质合金刀具切削钢材

2）高速钢刀具切削钢材视频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)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。

热电偶测温原理

1.定义:

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。2.

测温原理

:

热电偶的测温原理基于热电效应。

将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点1和2的温度不同时，如果T＞T0（如上图12-1热电效应），在回路中就会产生热电动势，在回路中产生一定大小的电流，此种现象称为热电效应。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用人工热电偶法测量刀具和工件的温度示意图切削温度分布★

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。

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。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!本章结束作业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。

切削用量的影响式中θ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)；

Cθ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数；

Zθ、Yθ、Xθ——vc、f、ap

的指数。

经验公式

刀具材料加工方法ＣθＺθＹθＸθ高速钢车削140～1700.35～0.450.2～0.30.08～0.10铣削80钻削150硬质合金车削320f(mm/r)0.10.410.150.050.20.310.30.26切削温度的系数及指数（1）切削速度vc

随着切削速度的提高，切削温度将显著上升。这是因为，切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈摩擦从而产生大量切削热；由于切削速度很高，在一个很短时间内切屑底层的切削热来不及向切屑内部传导，而是大量积聚在切屑底层，从而使切屑温度显著升高。另外，随着切削速度的提高，金属切除量成正比例增加，消耗的机械功增大，使切削温度上升。（2）进给量f

随着进给量的增大，金属切除量增多，切削热增加，使切削温度上升。但单位切削力和单位切削功率随f的增大而减小，切除单位体积金属产生的热量也减小；另外，f增大使切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量增加，故切削区的温度上升得不显著。（3）切削深度（背吃刀量ap）背吃刀量ap对切削温度的影响很小。因为ap增大以后，切削区产生的热量虽增加，但切削刃参加工作长度增加，散热条件改善，故切削温度升高并不明显。

4.影响切削力的因素1）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，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。

2）切削用量对切削力的影响。背吃刀量ap

和进给量f对切削力的影响;背吃刀量ap进给量fAD↑↑↑↑变形抗力摩擦力切削力↑ap增大一倍，FC也增大一倍；而f增大一倍，FC只能增大68%～80％。

3）刀具几何参数对切削力的影响。a）

前角go对切削力的影响;

↑刀刃锋利↑↓前角go变形抗力切削力↓b）主偏角kr

对切削力的影响;1.切削热的来源与传出不同切削速度下的热量传出比例四、切削热与切削温度1.切削热的来源与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%四、切削热与切削温度TJUniversity★

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3.影响切削温度的主要因素(1)工件材料

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。(2)切削用量

在切削用量中，切削速度对切削温度的影响最大。

切削速度进给量

背吃刀量

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，背吃刀量最小。

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。

a）b）图3-1总切削力和切削分力3.1.2切削力经验公式

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。返回本章目录切削热来源

切削热的传散1.5.3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、Ⅱ、Ⅲ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）。

3.3.4磨削热与磨削温度磨削热★

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10～30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。磨削温度返回本章目录—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生的热量；—切屑带走的热量；—刀具传散的热量；—工件传散的热量；

—周围介质如空气、切削液带走的热量。

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自然热电偶法测量切削温度示意图返回本章目录3.2.3影响切削温度的