金属切削原理——切削力

,刀具材料,*,第,3,章 金属切削原理,29,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,1,机械制造教研室,机械制造技术基础,第,3,章 切削与磨削原理,43,金属切削刀具类型,机械制造技术基础,第,3,章 金属切削原理,-,3.2,切削力,机械制造及自动化系,控制？,3.2.1,切削力的产生与分解,产生,弹性变形产生的抗力,塑性变形产生的抗力,刀具与切屑间的摩擦力,刀具与工件间的摩擦力,3,主切削力,F,C,-,作用于主轴，设计机床功率,进给力,F,f,-,作用于进给机构，校核其刚性,背向力,F,p,-,作用于刀具（工件），让刀或工件变形,3.2.1,切削力的产生与分解,作用,主切削力,F,C,它切于加工表面并与基面垂直，是计算车刀强度、设计机床零件、确定机床功率所必需的。它消耗了切削总功率的,95%,左右,进给力,Fp,它是处于基面内并与工件轴线平行与走刀方向相反的力，是设计走刀机构、计算车刀进给功率所必需的。消耗了总功率,5%,左右,背向力,F,f,它是处于基面内并与工件轴线垂直的力，用来确定与工件加工精度有关的工件挠度、计算机床零件和车刀强度。它也是使工件在切削过程中产生振动的力。,6,3.2.2,切削力与切削功率的计算,7,式中,决定于被加工金属和切削条件的系数,分别,的指数,根据力学知识有切削力理论公式,指数形式的切削力经验公式,3.2.2,切削力与切削功率的计算,当实际加工条件与所求得的经验公式的条件不符时，各种因素对切削力的修正系数的积。,被加工材料机械性能对切削力的修正系数,前角对切削力的修正系数,主偏角对切削力的修正系数,；,刃倾角对切削力的修正系数,刀尖圆弧半径对切削力的修正系数,后刀面磨钝标准对切削力的修正系数,8,3.2.2,切削力与切削功率的计算,9,各种工件材料的单位切削力,k,c,可在有关手册中查到。,根据力学知识有切削力理论公式,指数形式的切削力经验公式,利用切削层单位面积切削力计算公式,3.2.2,切削力与切削功率的计算,工作功率,Pc,1,）主运动消耗的功率,P,c,(w),（切削功率）,2,）进给运动消耗的功率,P,f,(w) Pp(w),（进给功率）,所以，工作功率可以按下式计算：,Pc,=,FcVc+F,f,V,f,+F,P,V,P,机床功率？,3.2.1,切削力的产生与分解,产生,弹性变形产生的抗力,塑性变形产生的抗力,刀具与切屑间的摩擦力,刀具与工件间的摩擦力,3.2.3,切削力的影响因素,影响变形,因素,工件,刀具,条件,材料强度,材料硬度,材料,几何参数,磨损,切削用量,冷却润滑,前角,后角,：,切削速度,进给量,背吃刀量,切削力产生于变形抗力和摩擦力,影响切削力,因素,3.2.3,切削力的影响因素,13,工件材料的强度和硬度越大，切削力越大（正比？）。,切削层面积越大，切削力越大。,切屑变形程度越大，切削力越大,？,实验结果？,变形系数大于,1,强度、硬度越高，变形越小,1,、工件材料对切削力的影响？ 通过理论公式与变形实验,但不成正比,3.2.3,切削力的影响因素,14,2,、切削用量,对切削力的影响？ 通过理论、经验公式与实验,切削层面积越大，切削力越大。,背吃刀量,（理论,1:1,，变形无影响）,背吃刀量对切削力,成正比,影响,进给量,（理论,1:1,，变形有影响）,进给量对切削力,不成正比影响,低速区的驼峰变化是由于积屑瘤的影响,3.2.3,切削力的影响因素,切削速度,5 19 28 35 55 100 130,切削速度,v,（,m/min,）,981,784,588,主切削力,F,c,（,N,）,3.2.3,切削力的影响因素,切,削,用,量,背吃刀量 增加，切削力增大，且成正比；,进给量 增加切削力增大，但不成正比；,切削速度，受积屑瘤影响呈驼峰曲线。,实验二 切削用量对切削力的影响,？,？,前角,3.2.3,切削力的影响因素,3,、刀具角度对切削力的影响？,通过几何结构与实验分析,实验结果：,三个分力中主切削力最大；,前角增大切削力减小；,前角对,F,f,和,F,p,的影响大于对对,F,C,的影响；,前角,影响效果明显,（,变化,1,切削力增加,1%,）,3.2.3,切削力的影响因素,主偏角,实验结果：,主偏角对主切削力影响不大；,主偏角增大，背向力减小；,3.2.3,切削力的影响因素,问题？,主偏角等于,90,时背向力？,3.2.3,切削力的影响因素,主偏角,实验结果：,主偏角对主切削力影响不大；,主偏角增大，背向力减小；,主偏角等于,90,时背向力并不等于零。,3.2.3,切削力的影响因素,刃倾角,实验结果：,几乎不影响主切削力；,影响背向力、进给力；,对背向力的影响更明显,。,3.2.3,切削力的影响因素,刀尖圆弧半径,刀尖圆弧处的主偏角小于名义主偏角；,圆弧半径越大，小于名义主偏角的曲线段越长。,。,3.2.3,切削力的影响因素,刀尖圆弧半径,刀尖圆弧半径越大背向力越大。,刀具材料：刀具材料与工件材料间的摩擦系数,刀具磨损：后刀面磨损增大时，切削力增大。,刃磨质量,切削液,3,、其他因素对切削力的影响？,3.2.3,切削力的影响因素,基于切削力（切削功率），如何选择刀具几何参数和切削用量？,钻削力与铣削力？,问 题？,切削温度,-,切削区的平均温度,即为切削温度,由于切削区各位置产生热量的热量、各媒介传出的热量不同，所以切削区各点的温度不同。,3.3,切削热,-3.3.2,切削温度分布,25,26,3.3.2,切削温度分布,切削去温度分布规律,1,）剪切区内，沿剪切面方向上各点温度几乎相同，而在垂直于剪切面方向上的温度有变化。,27,3.3.2,切削温度分布,2,）前刀面和后刀面上的最高温度点都不在切削刃上，而是在离切削刃有一定距离的地方。这是摩擦热沿前、后刀面逐渐增加的缘故。,前刀面温度,最高的位置,（,750,）,后刀面温度,最高的位置,（,680,）,切削刃,28,3.3.2,切削温度分布,3,）在靠近前刀面的切屑底层上，温度梯度很大，这说明前刀面上的摩擦热集中在切屑底层，对切屑底层金属的剪切强度会有很大的影响。因此，,切削温度上升会使前刀面上的摩擦系数下降。,4,）刀面的接触长度较小，因此工件加工表面上温度的升降是在极短的时间内完成的。,刀具,通过时加工表面,受到一次热冲击。,切屑底层,加工表面,Q,产生,=Q,弹性,+Q,塑性,+Q,刀前,+Q,刀后,Q,传出,=Q,切屑,+Q,工件,+Q,刀具,+Q,介质,3.3.3,影响切削温度的主要因素,切削条件的某项因素的增加，一方面会使产生的热量增加，但另一方面也可能会使传出的热量增加。切削温度的高低就要综合考虑产生的热量和传出的热量。,29,3.3.3,影响,切削温度的主要因素,1,切削用量的影响,-,切,削速度对切削温度的影响,30,结论,:,速度的提高切削温度升高但不会成正比,分析,:,使温度提高的原因：,1,切削速度的提高单位时间内切掉的金属量增加，消耗于变形和摩擦的功增加；产生的热量随之增加，,2,热量的传出需要时间，切削速度的提高使产生的热两来不及向外传出；,使温度降低的原因：,1,切削速度的提高单位切削力及切削功率减小。,3.3.3,影响,切削温度的主要因素,1,切削用量的影响,-,经验公式,31,-,前刀面接触区的平均温度；,C,-,与工件、刀具材料等温度影响系数；,Z,、,Y,、,X,- v,c,、,f,、,a,p,的指数。,切削用量对切削温度的影响顺序是：,切削速度最大；,其次是进给量；,背吃刀量的影响最小,3.3.3,影响,切削温度的主要因素,32,3.3.3 -,切削温度测量方法,切,削,温,度,测,定,方,法,热电偶法,辐射温度计法,其他,自然热电偶法,人工热电偶法,双车刀法,单车刀法,插入刀具法,插入工件法,辐射热计法,PbS,电池法,锗光电二极管法,红外线干板（或胶片）法,热敏颜料法,热敏电阻法,量热计法,金属组织观察法,33,3.3.3-,自然热电偶法,自然热电偶法测量切削温度示意图,34,3.3.3. -2,刀具几何参数的影响,分析思路：,35,图,3.51,前角对切削温度的影响,刀具几何参数,刀具切削部分形状,切削刃的锋锐程度,切削热的产生,切削温度,切削部分的容热体积,切削刃地传出,3.3.3. -2,刀具几何参数的影响,1.,前角,o,前角增大切削力减小，产生切削热量较少切削温度降低；,前角增大容热体积减小，传出热量减少，所以当前角增大到一定程度后，切削温度降低的梯度减小,36,前角对切削温度的影响,3.3.3. -2,刀具几何参数的影响,2.,主偏角,r,主偏角增大使切削温度增高的原因：,切削刃工作长度减小，切削热集中；,刀尖容热体积减少,37,主偏角对切削温度的影响,3.,负倒棱,b,及刀尖圆弧半径,r,-,基本对切削温度无影响,3.3.3. -3,工件材料的影响,38,工件材料的机械物理性能中，有的性能决定了切削热的产生；有的因素决定了切削热的传出,。所以也是一个综合分析的问题。,1,）工件材料的,强度、硬度,等各项力学性能提高时，产生的切削热增多，切削温度升高；,2,）工件材料的,热导率,愈大，通过切屑和工件传出的热量愈多，切削温度下降愈快。,决定产生切削热的性能（强度）同样的情况下，导热系数的不同决定了传出热量的不同，所以切削温度不同。,3.3.3. -3,工件材料的影响,39,不同切削速度下几种材料的切削温度,合金结构钢的切削温度,40,41,45,钢的热处理状态对切削温度的影响,3.3.3-.4,其他因素的,影响,42,刀具磨损量增大切削温度升高，磨损到一定之后影响加剧。,切削液的冷却润滑效果越好，切削温度越低。,