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1、,第三节 切削力与切削温度,本节要点,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。,一、 切削力 Cutting Force,1、切削力的来源与分解,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,1、 切削力的来源与分解,切削力分解(假设总切削力在主剖面P0内),总切削力及切削分力,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%。 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%。 吃刀抗力Fy （径
2、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。但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。,将总切削力Fr分解为三个互相垂直的分力：,吃刀抗力Fy （径向力/背向力 ）的影响,各切削力的关系：,各切削力的比值：,r,Fz,Fr,Fy,Fxy,Fx,Fxy,Fxy,f,v,图3-15 切削力的分解,(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,2、 切削力经验公式,测力仪的工作原理,R 1,R 3,2、 切削力经验公式,单因素实验法,影响切削力的主要因素是吃刀深度ap和进给量f，首
3、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。,例如：,两边取对数：,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,2,3,4,5,6,7,9,8,1)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。,1000,a1,b1,两边取对数：,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
4、f进行实验，求进给量f对切削力的影响。,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。,1,1000,a2,b2,2、 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),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：,2、 切削力经验公式,3、 切削功率的计算,式中 Fz 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。,消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率Pm,消
5、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 m 机床传动效率，通常= 0.750.85,指单位时间切除单位体积金属所消耗的功率,3、 切削功率的计算,Zw单位时间内的金属切除量（mm3/s）,3、 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,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。,4、 影响切削力因素, 前角0 增大，切削力减小。,主
6、偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（ r Fy，Fx）,刀具几何角度影响,刀具几何角度影响, 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（ s Fy ，Fx ） 刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（ r Fy，Fx） ；,4、 影响切削力因素,刀具几何角度影响,负倒棱br1,4、 影响切削力因素, 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 ；,4、 影响切削力因素,比较： 1）YT硬质合金刀具切削
7、钢材 2）高速钢刀具切削钢材,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, 切削过程变形和摩擦所消耗的功转变为切削热。, 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； 第二变形区内切削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已加工表面摩擦所产生的热。,1、 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。,切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、
8、空气)等传散出去,工件产生热变形，影响加工精度; 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。,切削热对加工的影响,自然热电偶法,工件和刀具材料不同，组成热电偶两极，切削时刀具与工件接触处的高温产生温差电动势，通过电位差计测得切削区的平均温度。,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。, 可测量刀具或工件指定点温度。,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。,
9、2、 切削温度的测量方法, 剪切面上各点温度几乎相同，说明剪切面上各点的应力应变规律基本相同 前刀面上温度最高点不在切削刃上，而是在离切削刃有一定距离的地方。,3、 影响切削温度的主要因素,工件材料的影响,工件材料机械性能切削温度 工件材料导热性 切削温度,45钢的切削温度,比较： 不锈钢 高温合金 有色金属 灰铸铁 非金属,3、 影响切削温度的主要因素,切削用量的影响,说明切削速度对切削温度的影响最大，进给量的影响较小，切削深度的影响最小。,因此为了有效地控制切削温度以提高刀具寿命，在机床允许地条件下，选用较大的吃刀深度和进给量，比选用大的切削速度更为有利。,切削速度,进给量,背吃刀量,（1
10、）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）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。,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、 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。,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。,
