第二章第三节_切削力与切削温度

1、切削力及其影响因素切削热与切削温度 切削力切削力：金属切削时，刀具切入工件，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使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。的力，称为切削力。切削力来源切削力来源三个变形区产生的三个变形区产生的弹、塑性变形抗力弹、塑性变形抗力切屑、工件与刀具间切屑、工件与刀具间摩擦力摩擦力rFzFrFyFxyFxFxyFxyfv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走刀抗力切削力分解切削力分解rFzFrFyFxyFxFxyFxyfv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 主切削力主切削力

2、Fz（切向力）（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%。 走刀抗力走刀抗力Fx （轴向力（轴向力/进给力）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%。 吃刀抗力吃刀抗力Fy （径向力（径向力/背向力背向力 ） 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。 将总切削力将总切削力Fr分解为三个互相垂直的分力：分解为三个互相垂直的分力：吃刀抗力吃刀抗力Fy （径向力（径向力/背向力背向力 ）的影响）的影响?图11-10?切削力对工件的影

3、响各切削力的关系：各切削力的关系：zxzyFFFF)60. 010. 0()70. 015. 0(rxyxrxyyxyzxyzrFFFFFFFFFFsin ;cos22222rFzFrFyFxyFxFxyFxyfv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走刀抗力主偏角不同时主偏角不同时Fxy力的分解力的分解 （a）Kr小小 （b） Kr大大rxyxrxyyFFFFsin cosxR 1R 3 影响切削力切削力的主要因素是吃刀深度吃刀深度ap和进给量进给量f，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

4、组实验数据，得出包含两个可变因素的切削力实验公式。243.2 179.2 115.2 60 (kgf) 4 3 2 1 (mm) /3 . 0zpFarmmf时102.4 83.2 64 45 26 (kgf) 0.5 0.4 0.3 2 0. 0.1 (mm/r) 1zpFfmma时例如：例如：两边取对数：1)1)固定进给量固定进给量f=0.3mmf=0.3mm，仅改变吃刀深度，仅改变吃刀深度a ap p进行实进行实验，求吃刀深度对切削力的影响。验，求吃刀深度对切削力的影响。zFpxpazaCFpzapFzCaxFlglglgu假设主切削力假设主切削力Fz与吃刀深度与吃刀深度a ap的关系的

5、关系对数坐标对数坐标对数坐标23456798pzaFCXxYlglglg243.2 179.2 115.2 60 (kgf) 4 3 2 1 (mm) /3 . 0zpFarmmf时1)1)固定进给量固定进给量f=0.3mmf=0.3mm，仅改变吃刀深度，仅改变吃刀深度a ap p进行实进行实验，求吃刀深度对切削力的影响。验，求吃刀深度对切削力的影响。1pzaF 60pzapFzCaxFlglglgzFpxpazaCF1000 a1 b11111batgxzF60 601zpapCFa，得：处两边取对数：ZFyfzfCFfFzCfyFzlglglgu假设主切削力假设主切削力Fz与进给量与进给量

6、f的关系的关系2)2)固定吃刀深度固定吃刀深度a ap p=1mm=1mm，仅改变进给量，仅改变进给量f f进行实验，进行实验，求进给量求进给量f f对切削力的影响。对切削力的影响。2)2)固定吃刀深度固定吃刀深度a ap p=1mm=1mm，仅改变进给量，仅改变进给量f f进行实验，进行实验，求进给量求进给量f f对切削力的影响。对切削力的影响。102.4 83.2 64 45 26 (kgf) 0.5 0.4 0.3 2 0. 0.1 (mm/r) 1zpFfmma时2184. 0177 fFzfFzCfyFzlglglg100084. 0222batgyzF177 7711zfCFf，得

7、：处ZFyfzfCF a2 b2zFzFyxpzFzfaCF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； pzaF 6084. 0177 fFz(f=0.3mm)(f=0.3mm)(a(ap p=1mm)=1mm)84. 0faCFpzFz84. 0171faFpzpzaF 6084. 0177 fFz(f=0.3mm)(f=0.3mm)(a(ap p=1mm)=1mm)84. 03 . 060 ) 1pzFpaCa84. 00.841177 )2fCfzF165zFC177zFC取平均值：取平均值：17121771

8、65zFC46. 084. 0171171ffafafaFAFppppzcz 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1）84. 0171faFpz式中式中 Fz 主切削力主切削力（N）；）； v 主运动速度主运动速度（m/s）。）。 )(103kWvFPzm消耗在切削过程中的切削功率称为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消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率P Pm m Pm切削功率切削功率( (kW) ) Fz切削力（切削力（N N） v切削速度（切削速度（m/sm/s） Fx走刀抗力（走刀抗力（N N） n工件转速（工件转

9、速（r/sr/s） f进给量（进给量（mm/rmm/r） 310)1000(fnFvFPxzm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)( kWPPmmE)/( 3*smmkWZPPwmsZw单位时间内的金属切除量（mm3/s） )/(10003smmfavZpwap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、硬度高塑性、加工硬化大切削力大5 19 28 35 55 100 130 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zFzFzyxpF

10、zfaCF)9 . 075. 0, 1(zzFFyx 所以，如果欲提高生产率而受到机床动力限制时，则增加所以，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。进给量比提高切削深度有利。 前角前角0 增大，切削力减小。主偏角主偏角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）图3-17 前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fz0 Fy0 Fx图3-18 主偏角r对切削力的影响主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fzr Fxr Fy2006001000140018002200rrrrrrrxyxrxyyFFFFsin cos

11、与主偏角相似，刃倾角刃倾角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） ；rr AB 弧长rrxyxrxyyFFFFsin coslfoooo1o11lf1lf 后刀面磨损后刀面磨损：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 ；切削液切削液：有润滑作用，使切削力降低 ；oo 比较：比较： 1）YT硬质合金刀具切削钢材硬质合金刀具切削钢材 2）高速钢刀具切削钢材）高速钢刀具切削钢材 切削热和由它

12、产生的切削温度会使整个工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。工件的加工精度、表面质量及刀具的耐用度。切削热的产生切削热的产生 切削过程变形和摩擦所消耗的功转变为切削热。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。 塑性

13、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切削热对加工的影响 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。自然热电偶法测量切削温度示意图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

14、工件刀具金属丝小孔 可测量刀具或工件指定点温度。 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 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。淬火调质正火v(m/min)（C）45钢的切削温度钢的切削温度比较：比较：不锈钢不锈钢 高温合金高温合金 有色金属有色金属灰铸铁灰铸铁非金属非金属 说明切削速度对切削温度的影响最大，进给

15、量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。的影响较小，切削深度的影响最小。 )( CafvCzpyx.04. 0 ;14. 0 ;41. 026. 0 45YT15zyx钢，得指数如下：硬质合金车刀加工使用 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更为有利。 （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）背吃刀量ap 背吃刀量ap对切削