第三章切削力与切削温度（机械制造技术）课件.ppt

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1、,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,1,t课件,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Cutting Force,2,t课件,3.1.1 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,3,t课件,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,4,t课件,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

2、功率的1%5%。 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,5,t课件,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。,6,t课件,各切削力的关系（直角自由切削）：,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),7,t课件,主偏角不同时Fxy力的分解 （a）Kr小 （b） Kr大,8,t课件,90度车刀

3、,加工细长轴，如何选择刀具？,9,t课件,3.1.2 切削力经验公式,测力仪的工作原理,R 1,R 3,2,4,10,t课件,3.1.2 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。,11,t课件,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,12,t课件,两边取对

4、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,13,t课件,对数坐标,2,3,4,5,6,7,9,8,14,t课件,a1,b1,15,t课件,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。,假设主切削力Fz与进给量f的关系,16,t课件,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。,17,t课件,1,1000,a2,b2,18,t课件,3.

5、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),19,t课件,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：,20,t课件,3.1.2 切削力经验公式,表3-1,21,t课件,3.1.3 切削功率的计算,式中 Fz 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。,消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率Pm,22,t课件,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)

6、 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）,23,t课件,机床电机功率,式中 m 机床传动效率，通常= 0.750.85,3.1.3 切削功率的计算,24,t课件,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）,25,t课件,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,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。,26,t课件,3.1.4 影响切削力因素, 前角0 增大，切削力

7、减小。,主偏角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,表3-6,27,t课件,28,t课件,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） ；,3.1.4 影响切削力因素,表3-8,表3-9,29,t课件,刀具几何角度影响,负倒棱br1,3.1.4 影响切削力因素,30,t课件, 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

8、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,31,t课件,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),32,t课件,Thank you for your listening!,33,t课件,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。,34,t课件,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。,主要

9、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。,35,t课件,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。,36,t课件,不同切削速度下的热量传出比例,37,t课件,38,t课件,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,39,t课件,热电

10、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（T J Seeback）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。,40,t课件,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 T 0 （如上图 12

11、-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 。,41,t课件,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,42,t课件,43,t课件,44,t课件, 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。,3.2.

12、2 切削温度的测量方法,45,t课件,用人工热电偶法测量刀具和工件的温度示意图,46,t课件,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。,3.2.2 切削温度的测量方法,47,t课件,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,48,t课件,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,49,t课件,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

13、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,50,t课件,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。,51,t课件,切削速度,进给量,背吃刀量,52,t课件,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

14、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？,53,t课件,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,54,t课件,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。,55,t课件,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,56,t课件,Thank you for your listening!,本 章 结

15、 束,57,t课件,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。,58,t课件,59,t课件,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,60,t课件,（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

16、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。,61,t课件,（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。,62,t课件,（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。,63,t课件,4. 影响切削力的

17、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;,ap增大一倍，FC也增大一倍；而f 增大一倍，FC只能增大68%80。,64,t课件,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;,b） 主偏角kr 对切削力的影响;,65,t课件,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,66,t课件,1.切削热的来源与传出,四、切削热与切削温度,67,t课件,TJ University, 切削

18、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。,2. 切削温度的分布,68,t课件,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。,69,t课件,(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,70,t课件,综上所述，切削用量对切削温度的影响程

19、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。,71,t课件,72,t课件,a） b） 图3-1 总切削力和切削分力,73,t课件,74,t课件,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 , yF

20、f 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。,75,t课件,返回本章目录,76,t课件,切削热来源,切削热的传散,77,t课件,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、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）。,78,t课件,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

21、、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。,79,t课件,返回本章目录,80,t课件,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。,返回本章目录,81,t课件,自然热电偶法测量切削温度示意图,

22、返回本章目录,82,t课件,3.2.3 影响切削温度的主要因素,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）,83,t课件,3.2.3 影响切削温度的因素,刀具几何参数的影响,前角o切削温度主偏角r切削温度负倒棱及刀尖圆弧半径对切削温度影响很小,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,刀具磨损的影响,冷却液的影响,84,t课件,2.3.2 影响切削温度的主要因素（1）切削用量对切削温度的影响 刀具前面上刀-屑接触区的平均温度（）切削温度系数； 切削速度（m/min）； 进给量（mm/r）； 背吃刀量（mm）； 、 、 相应的指数。,返回本章目录,85,t课件,86,t课件,1000,87,t课件,1,88,t课件,