第二章第三节_切削力与切削温度

1000
Fz C f f
y FZ
a2 yFz tg 2 0.84 b2
f 1处Fz 177，得： C f 177
a2
b2
Fz 177 f
1
lg Fz yFz lg f lg C f
θ
2
0.84
2、 切削力经验公式
Fz 60 a p (f=0.3mm) 0.84 (ap=1mm) Fz 177 f
4 243.2
1000
Fz Ca p a p z
a1 xFz tg1 1 b1
a1
xF
a p 1处Fz 60，得： Ca p 60
b1
lg Fz xFz lg a p lg Ca p
θ
1
Fz 60 a p
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
αo
γ o
二 切削热与切削温度
Cutting Heat and Cutting Temperature
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。
1、 切削热的产生和传导
切削热的产生
（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
灰铸铁
非金属
v(m/min)
45钢的切削温度
3、 影响切削温度的主要因素
切削用量的影响
C v f a (C)
x y z p
使用YT 15 硬质合金车刀加工 45钢，得指数如下： x 0.26 ~ 0.41; y 0.14; z 0.04.
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。
Fx x Fy Fxy
Fx 走刀抗力
Fxy
Fz 主切削力
Fr 总切削力 图3-15 切削力的分解(假设总切削力在主剖面P0内)
2、 切削力经验公式
测力仪的工作原理
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。
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）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。
脆性材料：主要来源于第Ⅲ变形区内工件与后刀面的摩擦功。
切削热传出
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
切削热对加工的影响 ①工件产生热变形，影响加工精度; ②刀具温度升高，磨损加剧，甚至使刀具丧 失切削能力; ③切屑形成的热源，影响机床精度。
2、 切削温度的测量方法
自然热电偶法
mV 工件
刀具
金属丝
小孔
人工热电偶测温示意图
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。
★ 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。 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
750℃
刀具
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↓
淬火 θ （°C） 调质 正火
比较： 不锈钢 高温合金 有色金属
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
Fz C f f
两边取对数：
y FZ
lg Fz yFz lg f lg C f
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。
a p 1m m时 f (mm/r) 0.1 Fz (kgf) 26 0. 2 45 0.3 64 0.4 83.2 0.5 102.4
切削力分解(假设总切削力在主剖面P0内)
Fxy Fz v
κr
Fx
Fr
f 吃刀抗力 Fy Fxy
Fx 走刀抗力
Fy Fxy
Fz 主切削力 Fr 总切削力 图3-15 切削力的分解
总切削力及切削分力
◆将总切削力Fr分解为三个互相垂直的分力：
①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%。 ②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%。 ③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。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。
2、 切削力经验公式
单位切削力
切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1）
Fz 171 ap f
0.84
171 ap f Fz Fz p Ac a p f ap f
0.84
171f
0.46
3、 切削功率的计算
切削功率 消耗在切削过程中的切削功率称为切削功率Pm
例如：
f 0.3m m/ r时 a p (mm) Fz (kgf)
a p 1m m时 f (mm/r) 0.1 Fz (kgf) 26 0. 2 45 0.3 64 0.4 83.2 0.5 102.4
1 60
2 115.2
3 179.2
4 243.2
2、 切削力经验公式
切削力的指数公式
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。 假设主切削力Fz与吃刀深度ap的关系
★ 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。
工件 切屑
刀具
图3-19 切削热的来源与传导
塑性材料：主要来源于第Ⅰ变形区内切屑的变形功。
刀具几何角度影响
◆ 与主偏角相似，刃倾角λs对主切削力影响不大，对吃刀 抗力和走刀抗力影响显著（ λs ↓ —— Fy ↑ ，Fx ↓ ） ◆ 刀尖圆弧半径 rε 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和 走刀抗力影响显著（ rε ↑ —— Fy↑，Fx↓） ；
ε
r AB弧长 r
Fy Fxy cos r Fx Fxy sin r
5 19 28 35 55 100 切削速度 v（m/min） 130
Fz C Fz a
x Fz p
f
y Fz
图3-16 切削速度对切削力的影响
4、 影响切削力因素
刀具几何角度影响
◆ 前角γ0 增大，切削力减小。 ◆主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走 刀抗力影响显著（ κr ↑—— Fy↓，Fx↑）
切削力/ N 切削力F
2200 1800 1400 1000
γ0 - Fz
κrFy
30 45 60 75 90
γ0 – Fy γ0 – Fx 前角γ0
600 200
主偏角κr / °
图3-17 前角对γ0切削力的影响
图3-18 主偏角κr对切削力的影响
4、 影响切削力因素
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
一、 切削力
Cutting Force
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。
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
Pm Fz v 10 (kW )
式中 Fz —— 主切削力（N）； v —— 主运动速度（m/s）。
3
3、 切削功率的计算
机床电机功率
PE
m
Pm
(kW )
式中 ηm —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
单位切削功率
指单位时间切除单位体积金属所消耗的功率
Pm P Zw
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
2、 切削温度的测量方法
人工热电偶法
★ 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。
Κr
4、 影响切削力因素
刀具几何角度影响
负倒棱br1
＜ lf
γ
1
lf
γ
1
＞lf
γ o1
γ o
γ o
γ o
γ o1
4、 影响切削力因素
其他因素影响
◆ 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 比较： 1）YT硬质合金刀具切削钢材； 2）高速钢刀具切削钢材
主切削力Fz的指数公式
Fz C F z a
式中
x Fz p
f
y Fz
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；
2、 切削力经验公式
Fz 60 a p (f=0.3mm) 0.84 (ap=1mm) Fz 177 f
主切削力Fz的指数公式
Fz CF z a p f
2) 177 f
取平均值：C
Fz
0.84
0.84
1) 60a p CF z a p 0.3
0.84
CF z 165 CF z 177
0.84
CF z 1 f
0.84
165 177 171 2
Fz 171 ap f
* s
(kW / m m3 / s)
Zw——单位时间内的金属切除量（mm3/s）
Zw 1000 v a p f (mm3 / s)
3、 影响切削力的因素
工件材料
强度、硬度高 塑性、加工硬化大
切削力大
切削用量
主切削力Fc（N）
◆ap加大一倍，FZ约 ( xFz 1, yFz 0.75 ~ 0.9) 增大一倍； ◆f加大一倍， FZ只 981 增大68%～86%； 784 ◆切削速度对切削力 所以，如果欲提高生产率而受到机床动力限制时，则增加 588 影响复杂 进给量比提高切削深度有利。
各切削力的关系：
2 Fr Fz2 Fy2 Fx2 Fz2 Fxy
Fy Fxy cos r ;
Fxy 各切削力的比值：
Fx Fxy sin r
v
Fz
Fy (0.15 ~ 0.70) Fz F (0.10吃刀抗力 ~ 0.60 )F F z
Fr
y
f
κr
xF
Fz Ca p a p z
两边取对数：
lg Fz xFz lg a p lg Ca p
对数坐标
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。
f 0.3m m/ r时 a p (mm) Fz (kgf)
1 60
2 115.2
3 179.2