第三章 切削力与切削温度(机械制造技术).ppt

,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=0.750.85,3.1.3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（rFy，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（sFy，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（rFy，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TT0（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、Xvc、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。,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