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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第二节 切削力,一、切削力的来源,切削时，切削力来源于以下几个方面:,产生切屑所需的切削力，即第I,II变形区产生的切削力。,在形成已加工表面过程中，切削刃的钝圆部分和后刀面对已加工表面由于挤压、摩擦而形成的切削力;,刀尖半径部分和参与切削的副切削刃所产生的切削力。,车削时作用于车刀的总切削力是这三个方面产生切削力的总和。,如果设刀具切削刃理想的锋利，后角又很大，并且略去副切削刃的作用，那么式(3-4)所示的切削合力的计算公式，可以作为理论切削合力的计算式。,下-页,返回,第二节 切削力一、切削力的来源下-页 返回,1,第二节 切削力,二、切削分力及其作用,1.用测力仪测出各切削分力,采用三向测力仪，可直接测出在一定切削条件下沿运动方向的切削分力,在基面内的切削合力,切削合力,上-页,下-页,返回,第二节 切削力二、切削分力及其作用上-页 下-页,2,第二节 切削力,进给力(进给抗力)F,r,作用于机床的进给机构，它也消耗功率。,背向力(切深抗力)F,P,不做功，但由于作用于工件的径向(纵向切削)，车削细长工件时会使工件变形而产生加工误差。精加工时，希望其值不要过大。,2.用分析法确定切削分力(,图3一20,),为了明确切削分力的实际作用方向、有关因素对切削分力的影响和便于分析其他切削方法的切削分力，现用分析法讨论车削时的切削分力。,(1)在法平面坐标(参考)系LMN中的切削分力,L在切削平面内沿切削刃的坐标轴;,M-在基面上垂直于切削刃的坐标轴;,上-页,下-页,返回,第二节 切削力进给力(进给抗力)Fr作用于机床的进给机构，,3,图3一20用分析法求切削分力,返回,图3一20用分析法求切削分力返回,4,第二节 切削力,N一在切削平面内垂直于切削刃的坐标轴。,在一定切削条件下，作用于前刀面的法向力F,n,和摩擦力作用方向是已知的。因而，作用于切削刃的切削分力可以确定。事实上这三个分力是切削时作用于切削刃的固有分力。,(2)在xyz坐标系中的切削分力(图3-20),上-页,下-页,返回,第二节 切削力N一在切削平面内垂直于切削刃的坐标轴。上-页,5,第二节 切削力,三、计算切削力的实验公式,在推导切削力的理论公式(3-4)时，作了某些假设与忽略，同生产实际有一定差异，故不能用于实际切削力计算。目前大都采用由切削实验得到的切削力实验公式。这种公式是通过大量切削实验，将得到的实验数据用数学方法处理而得到的。,在生产中计算切削力的实验公式可分两类:一类是指数公式，一类是单位切削力。现分述如下:,上-页,下-页,返回,第二节 切削力三、计算切削力的实验公式上-页 下-页,6,第二节 切削力,1.指数公式,2.单位切削力公式按Kienzle计算切削力的公式,上-页,下-页,返回,第二节 切削力1.指数公式上-页 下-页 返回,7,第二节 切削力,(1)前角改变时切削力的修正系数,(2)切削速度改变时切削力的修正系数,(3)刀具材料改变时，切削力的修正系数，列于,表3一5,四、影响切削力的因素,1.工件材料的影响,工件材料强度大、硬度高、切应力大，切削力就大。但切削力的大小，并不单纯受工件材原始强度和硬度的影响，还与其他因素有关，如:不锈钢1 Cr18Ni9Ti的强度和硬度都与45钢接近，加工时，切削力却相当大，其原因是，这种材料,上-页,下-页,返回,第二节 切削力(1)前角改变时切削力的修正系数上-页,8,表3一5刀具材料改变时对切削力的修正系数,返回,表3一5刀具材料改变时对切削力的修正系数返回,9,第二节 切削力,的韧性比45钢约大5倍，加工硬化能力强，较小的变形，就会引起硬度大幅度升高，从而使切削力增大;又如，切削灰铸铁等脆性材料时，若从硬度方面看，它和45钢相近，但切削力却小得多，这是由于脆性材料强度小、切削变形的缘故。,2.切削用量的影响,(1)背吃刀量(切削深度)a,P,背吃刀量a,P,增大，切削宽度 按比例增大，从而使剪切面面积和切屑与前刀面的接触面积都按比例增大，第I变形区和第II变形区的变形都按比例增大。,(2)进给量f 进给量f增大，切削厚度按比例增大，而切削宽度不变。这时虽剪切面面积按比例增大，但切屑与前刀面的接触未按比例增大，第B变形区的变形未按比例增加。因而当进给量f增大1倍时，切削力增加70%80%。,上-页,下-页,返回,第二节 切削力的韧性比45钢约大5倍，加工硬化能力强，较小,10,第二节 切削力,(3)切削速度 根据实验，切削时，若不形成积屑瘤，随着切削速度的增大，应变速度加快，剪切区变窄，变形减小;切屑与前刀面的接触长度也减小，摩擦力减小。,若形成积屑瘤，开始时，随着切削速度的增大，逐渐产生与形成积屑瘤，使实际前角逐渐增大，切削力下降。至B点，积屑瘤高度最高，切削力最小;随着切削速度的增加，切削温度不断升高，积屑瘤逐渐脱落，使前角减小，切削力又逐渐增加。,3.刀具几何形状的影响,(1)前角 由图3一11(a)可知，前角增大，前刀面摩擦因数增大，摩擦角增大。,上-页,下-页,返回,第二节 切削力(3)切削速度 根据实验，切削时，若,11,第二节 切削力,工件材料不同，前角的影响也不同。对塑性大的材料，如纯铜、铝合金等，切削时变形大，前角影响显著;而对脆性材料如黄铜，前角的影响则较小。,切削时，从切削力的角度看，切削塑性材料刀具前角可选用大值，切削脆性材料刀具前角应选用小值。同时前角不应太小，但也不宜过大，应有一个适宜值。,(2)主偏角,对切削力的影响 当切削面积A,D,不变时主偏角增大，切削厚度增大，而切削宽度减小，切削层形状变为厚而窄，切削力减小,上-页,下-页,返回,第二节 切削力工件材料不同，前角的影响也不同。对塑性大的材,12,第二节 切削力,(3)刃倾角 实验结果如,图3一27,所示。它说明刃倾角对切削力影响不大，原因是:刃倾角,0,增大，有效前角增大，切削力减小;但与此同时，实际切削宽度变宽，又使切削力增大。刃倾角,0,对进给力和背向力(切深抗力)影响较大。,(4)刀尖圆弧半径r。当背吃刀量(切削深度)、进给量一定时，由于圆弧刃上各点的主偏角和副偏角是变化的，如,图3-28,刀点的点的，而A点的k,rA,=0。若刀尖圆弧半径增大，切削刃上的平均主偏角就减小，使切削宽度增大，切削厚度h。减小，切削断面形状变为宽而薄，切削力增大，F,v,明显增大。从切削力的角度看，应采用小的刀尖圆弧半径,上-页,返回,第二节 切削力(3)刃倾角 实验结果如图3一27所示。,13,图3一27,返回,图3一27返回,14,图3-28 R,e,对主、副偏角图和切削断面形状的影响,返回,图3-28 Re对主、副偏角图和切削断面形状的影响返,15,第三节 切削温度,切削温度是切削过程中又一重要的物理现象。切削温度影响刀具与切屑的摩擦状态，影响积屑瘤的产生与消失、刀具磨损、工件加工精度等。,一、切削热,1.切削热的产生,切削中消耗的能量(功率)只有很少一部分转化为材料的内能(加工硬化)，其余几乎全部以热的形式表现出来。即:,消耗在切削区域的能量-切削热,由此可知.三个变形区即为三个热源。,下-页,返回,第三节 切削温度切削温度是切削过程中又一重要的物理现象。切,16,第三节 切削温度,2.切削热的传散,切削热的传散主要有四个渠道:工件、切屑、刀具与介质(空气、切削液),对于车削而言，其各自热量传散比例大体为:切屑传出的热量为50%86%，工件传出的热量为3%9%,刀具传出的热量为10%40%，空气传出的热量为1%左右。,二、切削温度,切削温度一般指切屑与前面接触区域的平均温度。用实验方法得到的计算切削温度的指数公式为:,上-页,下-页,返回,第三节 切削温度 2.切削热的传散上-页 下-页,17,第三节 切削温度,实际上，在主剖面内前面上的切削温度的分布是不同的。,三、影响切削温度的因素,分析各因素对切削温度的影响，主要从这些因素对单位时间内热量产生和传出的多少入手。在一定的切削条件下，若某一因素变化时，单位时间内产生的热量大于传散出去的热量，则这一因素使切削温度升高;反之，则使切削温度降低。,1.工件材料,工件材料主要通过本身的强度、硬度、热导率、热容量等对切削温度产生影响，如在同样的切削条件下，切削不锈钢要比切削中碳钢的切削温度高得多。其原因是不锈钢相对中碳钢而言，强度高，塑性变形大，加工硬化严重，单位时间内产生的热量多，再加上热导率小，即单位时间传散出去的热量少。,上-页,下-页,返回,第三节 切削温度 实际上，在主剖面内前面上的切削温度的分布,18,第三节 切削温度,2.切削用量,(1)切削速度,单位时间内传散的热量受切削速度的提高影响很小，故切削速度对切削温度的影响很大，如,图3-32(a),所示。,(2)进给量f 当进给量f增大时，由式(3一21)可知，产生的热量增加，但散热条件也有所改善(即切屑与前面的接触面积有所增大)，单位时间内传散出去的热量增加，故切削温度有所升高，如图3一32(b)所示。,(3)切削深度 当切削深度增大时，由(式3一21)可知，产生的热量按比例增加，但散热条件显著改善(即刀具与工件、切屑与前面的接触面积按比例增大),上-页,下-页,返回,第三节 切削温度2.切削用量上-页 下-页 返回,19,图3一32,返回,图3一32返回,20,第三节 切削温度,3.刀具几何参数,(1)前角Y。当前角增大时，切削变形、摩擦减小，产生热量减少，因而切削温度随着前角的增大而降低;但前角增至1820后，因楔角减小，散热条件变差，对切削温度的影响减小，甚至因前角过分增大，切削温度反而逐渐升高。,(2)主偏角 减小主偏角，可使h,D,减小、b,p,增大，散热条件得到改善，切削温度下降。,(3)刀尖圆弧半径r。当增大刀尖圆弧半径时，可使刀具切削刃的平均主偏角减小，切削宽度增大，刀具散热条件得到改善，故切削温度降低。,上-页,下-页,返回,第三节 切削温度 3.刀具几何参数上-页 下-页,21,第三节 切削温度,4.其他因素的影响,切削时使用切削液，可使切削温度降低;刀具磨损增大，会使切削温度升高。,四、切削温度对工件加工精度等的影响,1.对工件尺寸精度的影响,由于工件受热脆期长，冷却后尺寸变小，所以切削公破会l氢接影响工件的加工精度。在很高的切削公破下，有时工件的表面层组织发生变化，影响使用J助匕，并影响工件质量，甚至会出现废品。,上-页,下-页,返回,第三节 切削温度4.其他因素的影响上-页 下-页,22,第三节 切削温度,2.对刀具材料的影响,硬质合金的性质之一是高温时强度比较高，韧性比较好，因此适当提高切削温度对防止硬质合金崩刃、提高其耐用度是有利的。,上-页,返回,第三节 切削温度2.对刀具材料的影响上-页 返回,23,第四节 刀具磨损,一、刀具磨损形态,刀具磨损是指刀具摩擦面上的刀具材料逐渐损失的现象。刀具磨损的形态一般有以下三种:,1.前刀面磨损,当切削塑性材料，切削厚度和切削速度都较大时，切屑在前刀面会磨损出洼凹，这个洼凹称月牙洼。,2.后刀面磨损,由于切削刃的刃口钝圆半径对加工表面的挤压与摩擦，在切削刃的下方会磨损出一条后角等于零的沟痕，这就是后刀面磨损。在切削速度较低、切削厚度较小的情况下，切削脆性材料时，将会发生后刀面磨损，如图3-35(b)所示。,下-页,返回,第四节 刀具磨损 一、刀具磨损形态下-页 返回,24,第四节 刀具磨损,3.前、后刀面同时磨损,切削塑性材料，采用较小的切削厚度h。时，刀具的前、后刀面可能同时磨损,二、刀具磨损的原因,刀具磨损与一般机械零件的磨损不同，一方面由于刀具前刀面所接触的切屑和后刀面所接触的工件都是新生表面，这个表面不存在氧化层或其他污染。另一方面又由于刀具的摩擦区(前刀面、后刀面)是在高压(大于工件材料的屈服应力)、高温(7001200)作用下进行的，所以刀具的磨损原因极其复杂，按性质大体可分为机械作用和热一化学作用两类原因。,上-页,下-页,返回,第四节 刀具磨损3.前、后刀面同时磨损上-页 下-页,25,第四节 刀具磨损,1.机械作用的磨损,两相接触物体表面间，具有相对运动时，硬物体使软物体摩擦面上材料减少的现象，称为机械磨损。刀具材料虽比工件材料硬，但从微观上看，在工件材料中包含有氧化物碳化物等硬质点。这些硬质点的硬度很高，它们像切削刃一样，在刀面上划出划痕，使刀具磨损。,2.热一化学作用的磨损,由于高温，使接触面间产生某些化学作用，形成化学反应而引起的刀具磨损。这种磨损有以下几种:,上-页,下-页,返回,第四节 刀具磨损 1.机械作用的磨损上-页 下-页,26,第四节 刀具磨损,(1)结磨损豁结是分子间的吸引力导致金属相互吸附的结果。切削时，在一定温度与压力下，使刀具与切屑和工件间产生豁结(如积屑瘤的产生中所述)。两摩擦面间的豁结点因相对运动，使刀具一方的晶粒或晶粒群受剪切或拉力而被对方带走，而造成磨损。,黏结磨损不仅与切削温度有关，也与刀具材料和工件材料两者的化学成分有关。,(2)扩散磨损切削时，由于高温，刀面始终与切屑或工件的新生表面相接触，在接触面间分子活动能量很大，使两摩擦面间的化学元素相互扩散到对方去，造成两摩擦面的化学成分发生变化，降低刀具材料的性能，加速刀具磨损。,上-页,下-页,返回,第四节 刀具磨损(1)结磨损豁结是分子间的吸引力导致金属相,27,第四节 刀具磨损,扩散磨损的速度，一方面决定于刀具和工件材料间是否容易起化学反应。不同材料间有不同的化学亲和力。,另一方面扩散磨损的速度又决定于接触面的温度。根据扩散规律表明，对一定材料，随着温度的升高，扩散量先是较缓慢地增大，而后则越来越迅猛地增大。,(3)氧化磨损或化学磨损在一定的温度条件下(通常为高于800以上)，刀具材料(如硬质合金)与空气中的氧、极压润滑液中的添加剂硫、氯等起化学作用，生成一些疏松、脆弱的氧化物被切屑带走从而加速刀具的磨损。或因刀具材料的某种介质被腐蚀造成刀具磨损。,上-页,下-页,返回,第四节 刀具磨损扩散磨损的速度，一方面决定于刀具和工件材料,28,第四节 刀具磨损,(4)相变磨损当刀具的最高温度超过相变温度时，刀具表面金相组织发生变化，使马氏体组织转化为托氏体或索氏体，硬度急剧下降，刀具磨损加剧。高速钢的相变温度为550 600。,三、刀具寿命T,刀具寿命又称刀具耐用度，是指将新刃磨的刀具从开始切削至达到刀具磨损限度所经过的总切削时间，用T(单位为min)表示。刀具寿命T越大，表示刀具磨损越慢。,1.刀具寿命方程,上-页,下-页,返回,第四节 刀具磨损(4)相变磨损当刀具的最高温度超过相变温度,29,第四节 刀具磨损,由前面分析已知，切削速度对切削温度B影响最大，因而切削速度对刀具寿命T的影响最大。用实验方法求得的。V-T关系式如下,m值愈小，说明V,c,对T的影响越大。,2.一定刀具寿命T时的切削速度vT,上-页,下-页,返回,第四节 刀具磨损由前面分析已知，切削速度对切削温度B影响最,30,第四节 刀具磨损,同样用实验法可求出背吃刀量(切削深度)、进给量对刀具寿命T的影响。可得到与V,c,一T类似的关系式,上-页,返回,第四节 刀具磨损同样用实验法可求出背吃刀量(切削深度)、进,31,
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