第三章切削力与切削温度

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↑）
•切削力F •切 削 力 / N
•γ0 - Fz
•γ0 – Fy •γ0 – Fx
•前角γ0
•图3-17 前角对γ0切削力的影响
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第三章切削力与切削温度
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)
•F
z
•κr
•F
x
•F •Fxy
y
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•v •Fxy
•f •F
r
•吃刀抗力 •F
y •Fxy
•F •走刀抗力
x
•Fz•主切削力
•F •总切削力
r
•图3-1 切削力的分解
第三章切削力与切削温度
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第三章切削力与切削温度
•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↑
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第三章切削力与切削温度
•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 •
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•220
•0180
•κr - Fz
•表3-6
•0140
•0100
•κr – Fx
0
•60
•κr – Fy
0 •20
0
•30 •45 •60 •75 •90
•主偏角κr / °
•图3-18 主偏角κr对切削力的影响
第三章切削力与切削温度
3.1.4 影响切削力因素
•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
第三章切削力与切削温度
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。
•切屑
• 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；
•刀具
➢第二变形区内切屑底层与刀具前刀 面摩擦所产生的的热；
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。
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第三章切削力与切削温度
各切削力的关系（直角自由切削）：
•各切削力的比值•F：xy
•v
•F
z
•κr
•F •F r
x
•F •Fxy
y
•f
•吃刀抗力 •F y •Fxy
•F •走刀抗力
x
•Fz•主切削力
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• 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。
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第三章切削力与切削温度
3.2.2 切削温度的测量方法
•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。
•◆ 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
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第三章切削力与切削温度
3.1.4 影响切削力因素
•刀具几何角度影响
负倒棱br1
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第三章切削力与切削温度
3.1.4 影响切削力因素
•其他因素影响
•F •总切削力
r
•图3-15 切削力的分解•(假设总切削力在第主三章剖切削面力P与0切内削)温度
•3.1.2 切削力经验公式
•测力仪的工作原理
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第三章切削力与切削温度
•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
• 切削条件：干切削
•
•★ 切削脆性材料 — — 后刀面靠近刀尖处 温度最高。
•750
℃ •刀 具
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第三章切削力与切削温度
•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
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第三章切削力与切削温度
•3.2.3 影响切削温度的主要因 素
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第三章切削力与切削温度
•切削速度
•进给量 • 背吃刀量
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第三章切削力与切削温度
•从切削温度考虑如何选择切削用量？
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。
•主切削力Fc（N ）
•◆f加大一倍， FZ只 增大68%～86%；
•98
••◆所切以削，速如度果对欲切提削高生产•7率48 而受到机床动力限制时，则增加
进力给影量响比复提杂高切削深度有利•58。
8
•5 19 28 35 55
100 130
•
切削速度 v（m/min）
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•图3-16 切削速第度三对章切切削力削与力切削的温度影响
第三章切削力与切削温度
•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
Zw——单位时间内的金属切除量（mm3/s）
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第三章切削力与切削温度
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
•切削用量
•切削力 大
•◆ap加大一倍，FZ约 增大一倍；
•工件材料的影响
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•45钢的切削温度
第三章切削力与切削温度
➢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。
➢工件材料导热性↑ →切削温度↓
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。
• a1 • b1
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第三章切削力与切削温度
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
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第三章切削力与切削温度
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
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第三章切削力与切削温度
•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。
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第三章切削力与切削温度
•3.2.2 切削温度的测量方法
热电偶测温基本原理
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
假设主切削力Fz与吃刀深度ap的关系
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第三章切削力与切削温度
•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
•对数坐标
两边取对数：
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第三章切削力与切削温度
•◆ 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 ；
•◆• 切比削较液：：1有）润YT滑硬作质用合，金使刀切具削切力削降钢低材；
•
2）高速钢刀具切削钢材
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第三章切削力与切削温度
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第三章切削力与切削温 度
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2020/12/7
第三章切削力与切削温度
•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。
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第三章切削力与切削温度
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
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•自然热电偶法测量切削温度示意图
第三章切削力与切削温度
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第三章切削力与切削温度
3.2.2 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。
•工件
•刀具
•★ 可测量刀具或工件指 定点温度。
• 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 ）
•金属丝
•小孔
•mV
•人工热电偶测温示意图
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第三章切削力与切削温度
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。
• 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；
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
•式中 Fz —— 主切削力（N）；
•
v —— 主运动速度（m/s）。
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第三章切削力与切削温度
3.1.3 切削功率的计算
•机床电机功率
•式中 ηm —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
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➢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。
•工件
•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。
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第三章切削力与切削温度
•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。
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第三章切削力与切削温度
3.1.2 切削力经验公式
•(f=0.3m m) •(ap=1m •主切削力Fz的指数公式 m)
•取平均值：
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第三章切削力与切削温度
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
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•表3-1
第三章切削力与切削温度
• 两边取对数：
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第三章切削力与切削温度
•1000
• a2
•
b2
•1
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第三章切削力与切削温度
3.1.2 切削力经验公式
•(f=0.3m m) •(ap=1m •主切削力Fz的指数公式 m)
•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；
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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。
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。
•比较：不锈钢 高温合金 有色金属 灰铸铁 非金属
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第三章切削力与切削温度
•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。
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第三章切削力与切削温度
•切 削 热 的 传 出
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•不同切削速度下的热量传出比例
第三章切削力与切削温度
•切 削 热 的 传 出
加工方法 切屑 工件
车削 50~80% 10~40%
铣削
70% <30%
钻、镗削 30% >50%
磨削
4% >80%
刀具 <5% 5% 15% 12%
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：
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第三章切削力与切削温度
•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。