切削力
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第二章 金属切削过程
Wang chenggang
Company Logo
第五节
切削热和切削温度
二、切削温度
切削温度一般指切削区域的 平均温度。 切削温度的高低与被加工材 料、刀具材料、刀具几何角度、 切削用量等因素有关。 最高温度
在前刀面和切屑接触长度的中间 部位，说明摩擦集中在切屑底层； 在已加工表面上，相对较高的温 度仅存在于刀刃附近很小范围内， 说明温度的升降是在极短的时间 内完成的。
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三、影响切削力的主要因素
主要因素：工件材料、切削用量、刀具几何参数
1.工件材料
强度、硬度。工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切
屈服强度越大，变形抗力也越大，切削力就越大。 塑性或韧性。强度、硬度相近的材料，其塑性或韧性越
大，切屑越不易折断，使切屑与前刀面之间的摩擦增加，
直接受刃口挤压的切屑底层金 属△ac变形较严重，其它部分 只受前刀面挤压，变形较小。
2.切削用量
(1)背吃刀量的影响 切削面积Ac 切削力
背吃刀量 单位切削力Fc 进给量 对比
背吃刀量增加一倍：切削层的 切削面积增加一倍，底层的严 重变形层占整个切削面积的比 例不变，故Fc不变，但Ac增加 一倍，故切削力增加一倍； 第二章 金属切削过程
第二章
金属切削过程
第一节 金属切削刀具基础 第二节 切削变形 第三节 切屑的类型及控制
第四节 切削力
第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损
第七节 刀具几何参数和切削用量的选择
第四节
切削力
一、 切削力的来源和分解
1.切削力：刀具切削时受到的阻力，称为切削力。 切削力来源 变形抗力 磨擦阻力
总切削力
结论： 从减小切削力和节省动力消耗的观点出发，在切除相 同余量的条件下，增大 f 比增大ap 更为有利。
第二章 金属切削过程
Wang chenggang
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三、影响切削力的主要因素 （2）切削速度vc 切削速度对切削力 的影响远不及f 和ap ，可忽略。
切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的 摩擦均比较小，切削速度对切削力没有显著影响。 第二章 金属切削过程
被加工材 料的弹性 变形和塑 性变形
前刀面和切屑间 的摩擦力 后刀面和已加工 表面间的摩擦力
变形抗力
摩擦力
第二章 金属切削过程
Wang chen一、切削力的来源和分解
总切削力Fr是一个空间力。
１）主切削力Fz ：总切削力沿主 运动方向上的分力。车外圆时与切 削速度方向一致，故又称切向力。
主切削力特点： 消耗功率最多，约占消耗机床功率的 95%以上； 是计算机床动力、设计机床主传动系 统、校核机床和工夹具强度和刚度的重要 依据； 主切削力过大，会使刀具崩刃，其反 作用力作用在工件上，可能使工件停转， 机床皮带打滑，产生“闷车”现象。 第二章 金属切削过程
背向 力Fx
进给 力Fx
刀具磨损的原因：
刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。
切削过程中消耗的功将绝大部分转化成（约 99%）转换为热量。
主要来源： 切削层金属的弹性变形和塑性变形 切削热 切屑和刀具的前刀面之间的摩擦 工件和后刀面之间的摩擦
第二章 金属切削过程
Wang chenggang
三个变形 区是切削 热产生的 来源
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第五节 切削热和切削温度
切削总力Fr：
Fr Fx Fy Fz
2 2 2
背向 力Fx
进给 力Fx
总 切 削 力
Wang chenggang
第二章 金属切削过程
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二、切削功率 切削功率Pc:指在切削过程中消耗的功率，是各分力所消耗 的功率的总和。 通常用主运动消耗的功率表示切削功率Pc（kw） 。
主偏角对切削力的影响
第二章 金属切削过程
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三、 影响切削力的主要因素
3.刀具几何参数
刀尖对切削力的影响：
刀尖圆弧半径增大，切削力增大。
例如，圆弧半径由0.25mm增大到1mm时，Fy可增大20%，容 易引起振动。 刀具磨损程度、切削液等对切削力的影响 刀具材料对切削力的影响
切削力增大。 例如，钢的强度和塑性变形大于铸铁，因此在同样条 件下切削钢时产生的切削力大于切削铸铁时产生的切削力。
第二章 金属切削过程
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三、 影响切削力的主要因素
切削用量
单位切削力：切下单位面 积金属所需的切削力。它 随进给量的增大而减小， 但与背吃刀量变化无关。
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三、影响切削力的主要因素
3.刀具几何参数
前角对切削力的影响: 前角增大，刃口锋利，切屑流走畅快，摩擦阻力小，切 削变形小，故切削力减小。被加工材料的塑性越大，前角对 切削力的影响越明显。 主偏角对切削力的影响： 主偏角增大，切削厚度 增加，切削宽度减小，主切 削力Fz减小，径向力Fy减小， 轴向力Fx增加。
第二章 金属切削过程
Wang chenggang
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第五节
切削热和切削温度
二、切削温度
生产实践中可根据切屑的颜色来判断切削温度的高低： 例如：切削碳素结构钢 切屑呈淡黄色，切削温度约为220℃； 切屑呈深蓝色，切削温度约为300℃； 切屑呈淡灰色，切削温度约为400℃；
总 切 削 力
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一、切削力的来源和分解 ２）进给力Fx ：总切削力在基面 内在进给运动方向上的分力。 车外圆时与工件轴线方向一致， 又称轴向力。
主切削力Fx
背向 力Fx 进给 力Fx
进给力特点： 进给力一般只消耗机床功率的
1～5%；
是设计和校核进给传动系统零 件强度和刚度的依据。
切屑呈紫色或紫黑色，表示切削温度太高，应采取必
要的降温措施，否则会烧伤工件或使刀具迅速磨损。
第二章 金属切削过程
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第五节
切削热和切削温度
三、影响切削温度的主要因素
1．切削用量对切削温度的影响
刀具与切屑接触区平均切削温度的经验公式
x C vcz f y a p
（3）负倒棱和刀尖圆弧半径的影响
bγ 1 、rε ↑，切屑变形程度↑→θ ↑
同时散热条件改善，两者趋于平衡 第二章 金属切削过程
对θ影响很小
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三、影响切削温度的因素 3.工件材料对切削温度的影响 工件材料强度和硬度越高，切削时消耗的功越多，产生 的切削热越多，切削温度越高；强度、硬度大致相同的工件， 材料塑性、韧性越好，变形越严重，切削温度越高；工件材 料的导热性好，有利于降低切削温度。 4.其他因素 刀具的磨损情况、切削液的使用以及刀具材料的导热 性等也会对切削温度产生一定的影响。 工件材料机械性能↑→切削温度↑ 工件材料导热性↑ →切削温度↓
第二章 金属切削过程
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三、影响切削温度的因素 2.刀具几何角度对切削温度的影响 影响比较大的是前角和主偏角
（1）前角从10°增大到18°，切削温度下降15%。因为被切 金属在基本变形区变形程度和刀具与切屑底层摩擦减小。
但前角过大，会使刀头的热容量和散热体积减小，反而会使 切削温度升高； γo↑→ 变形程度↓→ F↓ → θ↓
刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小， 导致切削力变化。在其它切削条件完全相同的条件下，用陶 瓷刀切削比用硬质合金刀具切削的切削力小，用高速钢刀具 进行切削的切削力最大
第二章 金属切削过程
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第五节 切削热和切削温度
一、切削热的来源和传散 切削热：切削过程中，材料变形和摩擦消 耗的功转变为热能所产生的大量的热，即 切削热。
进给量增加一倍：切削面积增加一倍， 但切削层底层的严重变形层厚度△ac基 本没发生变化，严重变形层占整个切削 面积的比例相对减小，即Fc减小，故切 削力只增加了68%～86%。
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三、影响切削力的主要因素
切削用量
ap增大一倍，单位切削力FC也增大一倍；而f 增大 一倍，FC只能增大68%～86％。
但γo ＞20°时， 因散热面积↓，对θ的 影响减小。
第二章 金属切削过程
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三、影响切削温度的因素 2.刀具几何角度对切削温度的影响 （2）减小主偏角Κ r，可 增加切削刃的工作长度， 增大刀头的散热体积，有 利于切削温度降低。 κr ↑ → 切削宽度bD↓ → 散热面积↓ → θ↑
式中 θ ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； Cθ ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； zθ、yθ、xθ —— vc、f、ap 的指数。
vc、f、ap增大，单位时间内材料的切除量增加，切 削热增多，θ将随之升高；三者影响程度不同，切削速 度对切削温度的影响最为显著， f 次之， ap最小。 从尽量降低切削温度考虑，在保持切削效率不变的 条件下，选用较大的f 和ap比选用较大的vc更为有利。
第二章 金属切削过程
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第五节
切削热和切削温度
工件＼刀具＼切屑＼周围介质
切削热传出：
车削、铣、刨削加工 切屑带走 50%～86% ； 传入工件的热量 10%～40% ； 传入刀具的热量 3%～9%。
钻削
28％由切屑带走，15％左右 传给刀具，50％左右传给工件，其 余由周围介质带走; 磨，传给工件（84％）,传给砂轮12％， 极小热量传给磨屑。 Qc Fc vc （J/s） 切削热公式
影响散热的主要因素
（ 1 ）工件材料的导热系数 工件材料的导热系数 高，传导出去的热量就多，切削区温度低。切削 热传导慢，切削区温度高，刀具磨损快。
（2）刀具材料的导热系数
（3）周围介质
第二章 金属切削过程
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第五节 切削热和切削温度
切削热对切削过程的影响 （1）过高的温度使刀具硬度、耐磨性降低，影响 刀具寿命； （2）过高的温度会造成已加工表面热损伤，对表 面质量造成不利影响，使被加工工件的尺寸发生变 化，影响已加工表面尺寸精度； （3）热量传到机床上，机床受到不均匀温升的影 响会产生扭曲，使零件的加工精度降低。
第二章 金属切削过程
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第五节
切削热和切削温度
三、影响切削温度的主要因素 1．切削用量对切削温度的影响
例如:用硬质合金刀具车削正火状态的45钢时，切削速度增 加一倍，切削温度大约增加20%～30%；进给量增加一倍， 切削温度大约增加10%；背吃刀量增加一倍，切削温度增加 约为3%。 结论：从降低切削温度角度考虑，选择切削用量时，应 优先采用大的背吃刀量、合理的进给量，最后再考虑合 理的切削速度。
第二章 金属切削过程
Wang chenggang
总 切 削 力
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一、切削力的来源和分解
３）背向力Fy：总切削力在基面内 与进给运动方向相垂直方向的分力。 车外圆时与工件水平直径方向一致， 又称为径向力。
背向力特点： 切削加工时，该方向速度为零， 主切削力Fx 背向力不做功； 背向力作用在工艺系统中刚度 最薄弱的方向上，易引起工艺 系统的变形和振动，对保证加 工质量不利。
PC FZ v 103
Fz — 切削力，N； v — 切削速度，m/s。
(2-17)
根据切削功率选择机床电机功率时，要考虑机床传动 系统的传动效率，机床电机的功率的计算：
PE Pc /
式中，η — 机床的传动效率，η =0.75～0.85。 (2-18)
第二章 金属切削过程
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第二章 金属切削过程
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小结
切削热的来源
影响散热的主要因素
切削热对切削过程的影响
影响切削温度的主要因素
切削用量 刀具几何角度 工件材料 其他
第二章 金属切削过程
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第六节 刀具磨损、破损与刀具寿命
Wang chenggang
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第五节
切削热和切削温度
二、切削温度
切削温度一般指切削区域的 平均温度。 切削温度的高低与被加工材 料、刀具材料、刀具几何角度、 切削用量等因素有关。 最高温度
在前刀面和切屑接触长度的中间 部位，说明摩擦集中在切屑底层； 在已加工表面上，相对较高的温 度仅存在于刀刃附近很小范围内， 说明温度的升降是在极短的时间 内完成的。
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三、影响切削力的主要因素
主要因素：工件材料、切削用量、刀具几何参数
1.工件材料
强度、硬度。工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切
屈服强度越大，变形抗力也越大，切削力就越大。 塑性或韧性。强度、硬度相近的材料，其塑性或韧性越
大，切屑越不易折断，使切屑与前刀面之间的摩擦增加，
直接受刃口挤压的切屑底层金 属△ac变形较严重，其它部分 只受前刀面挤压，变形较小。
2.切削用量
(1)背吃刀量的影响 切削面积Ac 切削力
背吃刀量 单位切削力Fc 进给量 对比
背吃刀量增加一倍：切削层的 切削面积增加一倍，底层的严 重变形层占整个切削面积的比 例不变，故Fc不变，但Ac增加 一倍，故切削力增加一倍； 第二章 金属切削过程
第二章
金属切削过程
第一节 金属切削刀具基础 第二节 切削变形 第三节 切屑的类型及控制
第四节 切削力
第五节 切削热和切削温度 第六节 刀具磨损
第七节 刀具几何参数和切削用量的选择
第四节
切削力
一、 切削力的来源和分解
1.切削力：刀具切削时受到的阻力，称为切削力。 切削力来源 变形抗力 磨擦阻力
总切削力
结论： 从减小切削力和节省动力消耗的观点出发，在切除相 同余量的条件下，增大 f 比增大ap 更为有利。
第二章 金属切削过程
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三、影响切削力的主要因素 （2）切削速度vc 切削速度对切削力 的影响远不及f 和ap ，可忽略。
切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的 摩擦均比较小，切削速度对切削力没有显著影响。 第二章 金属切削过程
被加工材 料的弹性 变形和塑 性变形
前刀面和切屑间 的摩擦力 后刀面和已加工 表面间的摩擦力
变形抗力
摩擦力
第二章 金属切削过程
Wang chen一、切削力的来源和分解
总切削力Fr是一个空间力。
１）主切削力Fz ：总切削力沿主 运动方向上的分力。车外圆时与切 削速度方向一致，故又称切向力。
主切削力特点： 消耗功率最多，约占消耗机床功率的 95%以上； 是计算机床动力、设计机床主传动系 统、校核机床和工夹具强度和刚度的重要 依据； 主切削力过大，会使刀具崩刃，其反 作用力作用在工件上，可能使工件停转， 机床皮带打滑，产生“闷车”现象。 第二章 金属切削过程
背向 力Fx
进给 力Fx
刀具磨损的原因：
刀具与切屑、工件间的接触表面经常是新鲜表面。
切削过程中消耗的功将绝大部分转化成（约 99%）转换为热量。
主要来源： 切削层金属的弹性变形和塑性变形 切削热 切屑和刀具的前刀面之间的摩擦 工件和后刀面之间的摩擦
第二章 金属切削过程
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三个变形 区是切削 热产生的 来源
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第五节 切削热和切削温度
切削总力Fr：
Fr Fx Fy Fz
2 2 2
背向 力Fx
进给 力Fx
总 切 削 力
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二、切削功率 切削功率Pc:指在切削过程中消耗的功率，是各分力所消耗 的功率的总和。 通常用主运动消耗的功率表示切削功率Pc（kw） 。
主偏角对切削力的影响
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三、 影响切削力的主要因素
3.刀具几何参数
刀尖对切削力的影响：
刀尖圆弧半径增大，切削力增大。
例如，圆弧半径由0.25mm增大到1mm时，Fy可增大20%，容 易引起振动。 刀具磨损程度、切削液等对切削力的影响 刀具材料对切削力的影响
切削力增大。 例如，钢的强度和塑性变形大于铸铁，因此在同样条 件下切削钢时产生的切削力大于切削铸铁时产生的切削力。
第二章 金属切削过程
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三、 影响切削力的主要因素
切削用量
单位切削力：切下单位面 积金属所需的切削力。它 随进给量的增大而减小， 但与背吃刀量变化无关。
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三、影响切削力的主要因素
3.刀具几何参数
前角对切削力的影响: 前角增大，刃口锋利，切屑流走畅快，摩擦阻力小，切 削变形小，故切削力减小。被加工材料的塑性越大，前角对 切削力的影响越明显。 主偏角对切削力的影响： 主偏角增大，切削厚度 增加，切削宽度减小，主切 削力Fz减小，径向力Fy减小， 轴向力Fx增加。
第二章 金属切削过程
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第五节
切削热和切削温度
二、切削温度
生产实践中可根据切屑的颜色来判断切削温度的高低： 例如：切削碳素结构钢 切屑呈淡黄色，切削温度约为220℃； 切屑呈深蓝色，切削温度约为300℃； 切屑呈淡灰色，切削温度约为400℃；
总 切 削 力
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一、切削力的来源和分解 ２）进给力Fx ：总切削力在基面 内在进给运动方向上的分力。 车外圆时与工件轴线方向一致， 又称轴向力。
主切削力Fx
背向 力Fx 进给 力Fx
进给力特点： 进给力一般只消耗机床功率的
1～5%；
是设计和校核进给传动系统零 件强度和刚度的依据。
切屑呈紫色或紫黑色，表示切削温度太高，应采取必
要的降温措施，否则会烧伤工件或使刀具迅速磨损。
第二章 金属切削过程
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第五节
切削热和切削温度
三、影响切削温度的主要因素
1．切削用量对切削温度的影响
刀具与切屑接触区平均切削温度的经验公式
x C vcz f y a p
（3）负倒棱和刀尖圆弧半径的影响
bγ 1 、rε ↑，切屑变形程度↑→θ ↑
同时散热条件改善，两者趋于平衡 第二章 金属切削过程
对θ影响很小
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三、影响切削温度的因素 3.工件材料对切削温度的影响 工件材料强度和硬度越高，切削时消耗的功越多，产生 的切削热越多，切削温度越高；强度、硬度大致相同的工件， 材料塑性、韧性越好，变形越严重，切削温度越高；工件材 料的导热性好，有利于降低切削温度。 4.其他因素 刀具的磨损情况、切削液的使用以及刀具材料的导热 性等也会对切削温度产生一定的影响。 工件材料机械性能↑→切削温度↑ 工件材料导热性↑ →切削温度↓
第二章 金属切削过程
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三、影响切削温度的因素 2.刀具几何角度对切削温度的影响 影响比较大的是前角和主偏角
（1）前角从10°增大到18°，切削温度下降15%。因为被切 金属在基本变形区变形程度和刀具与切屑底层摩擦减小。
但前角过大，会使刀头的热容量和散热体积减小，反而会使 切削温度升高； γo↑→ 变形程度↓→ F↓ → θ↓
刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小， 导致切削力变化。在其它切削条件完全相同的条件下，用陶 瓷刀切削比用硬质合金刀具切削的切削力小，用高速钢刀具 进行切削的切削力最大
第二章 金属切削过程
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第五节 切削热和切削温度
一、切削热的来源和传散 切削热：切削过程中，材料变形和摩擦消 耗的功转变为热能所产生的大量的热，即 切削热。
进给量增加一倍：切削面积增加一倍， 但切削层底层的严重变形层厚度△ac基 本没发生变化，严重变形层占整个切削 面积的比例相对减小，即Fc减小，故切 削力只增加了68%～86%。
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三、影响切削力的主要因素
切削用量
ap增大一倍，单位切削力FC也增大一倍；而f 增大 一倍，FC只能增大68%～86％。
但γo ＞20°时， 因散热面积↓，对θ的 影响减小。
第二章 金属切削过程
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三、影响切削温度的因素 2.刀具几何角度对切削温度的影响 （2）减小主偏角Κ r，可 增加切削刃的工作长度， 增大刀头的散热体积，有 利于切削温度降低。 κr ↑ → 切削宽度bD↓ → 散热面积↓ → θ↑
式中 θ ——用自然热电偶法测出的前刀面接触区的平均温度(C)； Cθ ——与工件、刀具材料和其它切削参数有关的切削温度系数； zθ、yθ、xθ —— vc、f、ap 的指数。
vc、f、ap增大，单位时间内材料的切除量增加，切 削热增多，θ将随之升高；三者影响程度不同，切削速 度对切削温度的影响最为显著， f 次之， ap最小。 从尽量降低切削温度考虑，在保持切削效率不变的 条件下，选用较大的f 和ap比选用较大的vc更为有利。
第二章 金属切削过程
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第五节
切削热和切削温度
工件＼刀具＼切屑＼周围介质
切削热传出：
车削、铣、刨削加工 切屑带走 50%～86% ； 传入工件的热量 10%～40% ； 传入刀具的热量 3%～9%。
钻削
28％由切屑带走，15％左右 传给刀具，50％左右传给工件，其 余由周围介质带走; 磨，传给工件（84％）,传给砂轮12％， 极小热量传给磨屑。 Qc Fc vc （J/s） 切削热公式
影响散热的主要因素
（ 1 ）工件材料的导热系数 工件材料的导热系数 高，传导出去的热量就多，切削区温度低。切削 热传导慢，切削区温度高，刀具磨损快。
（2）刀具材料的导热系数
（3）周围介质
第二章 金属切削过程
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第五节 切削热和切削温度
切削热对切削过程的影响 （1）过高的温度使刀具硬度、耐磨性降低，影响 刀具寿命； （2）过高的温度会造成已加工表面热损伤，对表 面质量造成不利影响，使被加工工件的尺寸发生变 化，影响已加工表面尺寸精度； （3）热量传到机床上，机床受到不均匀温升的影 响会产生扭曲，使零件的加工精度降低。
第二章 金属切削过程
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第五节
切削热和切削温度
三、影响切削温度的主要因素 1．切削用量对切削温度的影响
例如:用硬质合金刀具车削正火状态的45钢时，切削速度增 加一倍，切削温度大约增加20%～30%；进给量增加一倍， 切削温度大约增加10%；背吃刀量增加一倍，切削温度增加 约为3%。 结论：从降低切削温度角度考虑，选择切削用量时，应 优先采用大的背吃刀量、合理的进给量，最后再考虑合 理的切削速度。
第二章 金属切削过程
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总 切 削 力
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一、切削力的来源和分解
３）背向力Fy：总切削力在基面内 与进给运动方向相垂直方向的分力。 车外圆时与工件水平直径方向一致， 又称为径向力。
背向力特点： 切削加工时，该方向速度为零， 主切削力Fx 背向力不做功； 背向力作用在工艺系统中刚度 最薄弱的方向上，易引起工艺 系统的变形和振动，对保证加 工质量不利。
PC FZ v 103
Fz — 切削力，N； v — 切削速度，m/s。
(2-17)
根据切削功率选择机床电机功率时，要考虑机床传动 系统的传动效率，机床电机的功率的计算：
PE Pc /
式中，η — 机床的传动效率，η =0.75～0.85。 (2-18)
第二章 金属切削过程
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第二章 金属切削过程
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小结
切削热的来源
影响散热的主要因素
切削热对切削过程的影响
影响切削温度的主要因素
切削用量 刀具几何角度 工件材料 其他
第二章 金属切削过程
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第六节 刀具磨损、破损与刀具寿命