第三章 切削力与切削温度(机械制造技术)

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
3.1.2 切削力经验公式
Fz 60 a p Fz 177 f
3.2.1 切削热的产生和传导
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。
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
3.1.2 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。
a1
xF
a p 1处Fz 60，得： Ca p 60
b1
lg Fz xF lg a p lg Ca
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。
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
Κr
3.1.4 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
3.1.4 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
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
3.1 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。
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
αo
γ o
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3.2 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。
f 0.3m m/ r时 a p (mm) Fz (kgf) 1 60 2 115.2
xF
3 179.2
4 243.2
假设主切削力Fz与吃刀深度ap的关系
Fz Ca p a p z
3.1.2 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
Zw 1000 v a p f (mm3 / s)
3 P F v 10 Ps* m z p 106 (kW / mm3 / s) Z w 1000 v ap f
3.1.4 影响切削力的因素
工件材料
强度、硬度高 刀具材料与工件材料之间的摩擦力大 切削力大
171f
表3-1
0.16
Fz p a p f
Fz p a p f KFZ
3.1.3 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
Pm Fz v 10 (kW )
式中 Fz —— 主切削力（N）； v —— 主运动速度（m/s）。
3
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 ↓ ）
表3-8
◆ 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↓） ；
表3-9
ε
r AB弧长 r
Fy Fxy cos r Fx Fxy sin r
xF
Fz Ca p a p z
两边取对数：
对数坐标
lg Fz xFz lg a p lg Ca p
f 0.3m m/ r时 a p (mm) Fz (kgf)
1 60
2
3
4 243.2
115.2 179.2
Fz Ca p a p z
a1 xFz tg1 1 b1
假设主切削力Fz与进给量f的关系
Fz C f f
y FZ
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
Fz C f f
两边取对数：
y FZ
lg Fz yFz lg f lg C f
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
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)
3.1.2 切削力经验公式
测力仪的工作原理
3.1.2 切削力经验公式
单因素实验法 影响切削力Fz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。 例如：
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。
工件
刀具
金属丝
★ 可测量刀具或工件指 定点温度。
mV
小孔
人工热电偶测温示意图
3.2.2 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。
0.84
CF z 1 f
0.84
165 177 171 2
Fz 171 ap f
3.1.2 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
Fz 171 ap f
0.84
0.84
171 ap f Fz Fz p Ac a p f ap f
0.84
(f=0.3mm) (ap=1mm)
y Fz 0. 84
主切削力Fz的指数公式
Fz C a f C a f F z z Fz
式中
x Fz pp
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 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
Fx x Fy Fxy
5 19 28 35 55 100 切削速度 v（m/min） 130
Fz C Fz a
f
y Fz
图3-16 切削速度对切削力的影响
3.1.4 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↑）
3.1.2 切削力经验公式
Fz 60 a p (f=0.3mm) 0.84 (ap=1mm) Байду номын сангаасz 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
x Fz p
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。
刀具 <5%
50~80% 10~40%
铣削
钻、镗削
70%
30%
<30%
>50%
5%
15%
磨削
4%
>80%
12%
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。
3.2.2 切削温度的测量方法
热电偶测温基本原理
v(m/min)
45钢的切削温度
工件材料机械性能↑→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：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
3.2.3 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
淬火 θ （°C） 调质 正火
切削力/ N 切削力F
2200 1800 1400 1000 600 200 30 45 60
γ0 - Fz
κr - Fz
表3-6
κr – Fx
κr – Fy
75 90
γ0 – Fy γ0 – Fx 前角γ0
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
3.1.4 影响切削力因素
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。
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。
切削热的传出
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。
切削热的传出
不同切削速度下的热量传出比例
切削热的传出
加工方法 车削
切屑
工件
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。
自然热电偶法测量切削温度示意图
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。
3.2.2 切削温度的测量方法
3.1.3 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
* s
(kW / m m3 / s)
Zw——单位时间内的金属切除量（mm3/s）
Pm Fz v 103 (kW )
3.1.1 切削力及切削分力
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3-1 切削力的分解
3.1.1 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。
各切削力的关系（直角自由切削）：