第三章-切削力与切削温度(机械制造技术) PPT课件

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CuttingForce 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 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 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 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 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 R1 R3 2 4 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 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 2 3 4 5 6 7 9 8 a1 b1 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 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 1 1000 a2 b2 3 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 表3 1 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 消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率PmPm 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 m 机床传动效率 通常 0 75 0 85 3 1 3切削功率的计算 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 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 0增大 切削力减小 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 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 刀具几何角度影响 负倒棱br1 3 1 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 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 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 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 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 空气 等传散出去 不同切削速度下的热量传出比例 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 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 可测量刀具或工件指定点温度 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 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 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 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 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 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 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 2 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 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 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 返回本章目录 自然热电偶法测量切削温度示意图 返回本章目录 3 2 3影响切削温度的主要因素 切削用量的影响 式中 用自然热电偶法