切削概述切削力与切削热.pdf

金属切削原理金属切削原理致一斋金属切削刀具学社致一斋主人Robert Tang2014年12月编辑整理切屑的变形切屑的变形切与削切与削切切（CuttingCutting）削削（MachiningMachining）羊羹只有切断面发生变形其他部分的形状不变刀向原来的铅笔粘回,无论如何也不能恢复原来的形状切屑工具金属金属的切的切削削MachiningMachining加工物与切削工具碰撞分断切屑制品摩擦碰撞刀尖刀尖附近的温度分布(前刀面的实测值)4所谓切削，就是刀具与被加工材质之间剧烈所谓切削，就是刀具与被加工材质之间剧烈的撞击与摩擦，使材质剥离母体。的撞击与摩擦，使材质剥离母体。金属材料受刀具作用后,经过弹性变形弹-塑性变形挤压分离 三阶段,沿刀具前刀面滑出形成切屑。第一变形区：第一变形区：始滑移面OA与终滑移面OE之间的区域,金属切削过程的塑性变形主要集中于此,变形量最大。切削力和切削热的主要来源。第二变形区：第二变形区：与前刀面接触的切屑底层的变形区域,靠近前刀面处金属纤维化,流动速度缓慢，基本与前刀面平行;切屑排出时受前刀面挤压与摩擦。是造成前刀面磨损和产生积屑瘤的主要原因。第三变形区：第三变形区：已加工面受到后刀面挤压与摩擦产生的变形和加工硬化的区域。是造成后刀面磨损、已加工表面的质量（表面粗糙度、加工硬化和残余应力）的主要原因。什么叫做切削什么叫做切削第三变形区第三变形区FABOM45a a）正挤压）正挤压FABOM45b b）偏挤压）偏挤压OMFc c）切削）切削切削层刀具切屑的形成切屑的形成o 变形系数：变形系数：ccaall0切屑变形的度量切屑变形的度量cossinootglac相对滑移系数)cos(sincos)(000tgctgyS剪切变形示意图剪切变形示意图AB0rcossinootg0（1 1）当前角）当前角增大时，增大时，角随之增大，变形减小。角随之增大，变形减小。（2 2）当摩擦角）当摩擦角增大时，增大时，角随之减小，变形增大。角随之减小，变形增大。o=15o=10o=20o=60o=45 150切屑变形度量与前角切屑变形度量与前角22 sin1cosoo切削层的截面积切削层的截面积A Ac cwccaaA剪切面的截面积剪切面的截面积A As ssincsAA sincssAAF剪切力：剪切力：)cos(0rsFF)cos(sin)cos(00csrAFF)cos(0rzFF)sin(0ryFF总切削力：总切削力：)(0tgFFzy前刀面的磨擦对切屑变形的影响前刀面的磨擦对切屑变形的影响切屑变形的变化规律切屑变形的变化规律图图2-19 工件材料强度对切屑变形的影响工件材料强度对切屑变形的影响崩碎切屑：崩碎切屑：不规则屑片，较低 vc，较大ap/f 加工脆性金属（铸铁）时产生。由于加工材料和切削条件的不同，产生的切屑主要有三种类型节状（挤裂）切屑：节状（挤裂）切屑：上表面锯齿状，下表面光滑的连续切屑，较低 vc，较大ap/f 加工中等硬度塑性金属（高碳钢/不锈钢）时产生。带状切屑：带状切屑：上表面毛茸状，下表面光滑的连续切屑，大0，高vc，小ap/f 加工塑性金属（碳素钢/合金钢）时产生。切屑的种类切屑的种类切削运动切削运动切削加工切削加工切削加工时利用机床和切削工具，将工件需要去除的部分当作切屑削掉，制造出所需要的大小和形状产品的作业。例如，苹果削皮或者刨子削木也是切削加工，这时所使用的刀具（小刀、刨子）就是切削工具。任何切削加工都必须具备3个基本条件:切削工具、工件和切削运动。（1 1）主运动）主运动 使工件与刀具产生相对运动,以进行切削的最基本的运动称为主运动:主运动的速度最高，消耗的功率最大。（2 2）进给运动）进给运动 使主运动能够继续切除工件上多余的金属，以便形成工件表现所需的运动称为进给运动。切削运动切削运动注释注释:1 1、主运动可以是旋转运动，也可以是往复运动；主运动可以是旋转运动，也可以是往复运动；2 2、主运动可以是工件来实现（车外圆）主运动可以是工件来实现（车外圆）,也可以也可以是刀具来实现（刨、铣加工）是刀具来实现（刨、铣加工）;3 3、主运动只有一个，进给运动可以一个以上。主运动只有一个，进给运动可以一个以上。（1）待加工表面待加工表面：即将被切去的表面。（2）已加工表面已加工表面：已经切去一层金属，在工件上形成的新表面。（3）加工表面加工表面（过渡表面过渡表面）：切削刃正在切削的表面。加工表面加工表面进给运动加工表面待加工表面待加工表面主运动已加工表面加工表面进给运动已加工表面主运动切削热与温度切削热与温度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。切削过程变形和摩擦所消耗的功转变为切削热。切削过程变形和摩擦所消耗的功转变为切削热。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；第二变形区内切削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已加工表面摩擦所产生的热。切削热的产生切削热的产生塑性材料：主要来源于第变形区内切屑的变形功。脆性材料：主要来源于第变形区内工件与后刀面的摩擦功。切削热的产生热能在工件、切屑及刀具里的分布取决于加工条件，对其影响较大的为切削速度、切削厚度、刀片的几何形状及刀片的磨损程度。工件工件产生热变形，影响加工精度产生热变形，影响加工精度;刀具刀具温度升高，磨损加剧，甚至使刀具丧失切削能力温度升高，磨损加剧，甚至使刀具丧失切削能力;切屑形成的热源，影响切屑形成的热源，影响机床精度机床精度。切削温度分布切削温度分布750刀具切削塑性材料 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：干切削切热的传递切热的传递切削热由切屑、工件、刀具和周围介质（切削液、空气)等传散出去,对较高速的切削，大约80%90%的热量被切屑带走。各种切削热的传出各种切削热的传出加工方法加工方法切屑切屑工件工件刀具刀具车削车削5080%1040%5%铣削铣削70%50%15%磨削磨削4%80%12%淬火调质正火v(m/min)（C）工件材料对切削温度的工件材料对切削温度的影响影响 工件材料机械性能切削温度 工件材料导热性 切削温度45#45#钢的切削温度钢的切削温度切削用量对切削温度的影响切削用量对切削温度的影响说明切削速度对切削温度的影响最大，说明切削速度对切削温度的影响最大，进给量的影响较小，进给量的影响较小，切削深度的影响最小。切削深度的影响最小。)(CafvCzpyx.04.0 ;14.0 ;41.026.0 45YT15zyx钢，得指数如下：硬质合金车刀加工使用因此为了有效地控制切削温度以提高刀具寿命，在机床允许地条件下，选用较大的吃刀深度和进给量，比选用大的切削速度更为有利。（1）切削速度vc随着切削速度的提高，切削温度将显著上升。这是因为，切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈摩擦从而产生大量切削热；由于切削速度很高，在一个很短时间内切屑底层的切削热来不及向切屑内部传导，而是大量积聚在切屑底层，从而使切屑温度显著升高。另外，随着切削速度的提高，金属切除量成正比例增加，消耗的机械功增大，使切削温度上升。（2）进给量f随着进给量的增大，金属切除量增多，切削热增加，使切削温度上升。但单位切削力和单位切削功率随f的增大而减小，切除单位体积金属产生的热量也减小；另外，f增大使切屑变厚，切屑的热容量增大，由切屑带走的热量增加，故切削区的温度上升得不显著。（3）背吃刀量ap背吃刀量ap对切削温度的影响很小。因为ap增大以后，切削区产生的热量虽增加，但切削刃参加工作长度增加，散热条件改善，故切削温度升高并不明显。切削用量对切削温度的影响切削用量对切削温度的影响刀具几何参数对切削温度的影响刀具几何参数对切削温度的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 前角o切削温度 主偏角r切削温度其他因素对切削温度的影响其他因素对切削温度的影响1.刀具磨损的影响刀具后面磨损量增大，切削温度升高2.切削液的影响冷却性能好的切削液对降低切削温度、减少有明显的效果。oo切削力切削力切削力的来源切削力的来源切削力来源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切削力切削力金属切削时，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rFzFrFyFxyFxFxyFxyfv切削力的分解切削力的分解Fr总切削力Fz主切削力Fy吃刀抗力Fx走刀抗力将总切削力将总切削力F Fr r分解为三个互相垂直的分力（分解为三个互相垂直的分力（假设总切削力在主剖面假设总切削力在主剖面P P0 0内）内）：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%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%。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。但它一般作用在工件刚度较弱的方向上，容易使工件变形，引起振动，影响加工精度。rxyxrxyyxyzxyzrFFFFFFFFFFsin ;cos22222切削力的指数公式切削力的指数公式FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK式中式中CFc,CFp,CFf 与工件、刀具材料有关系数；xFc,xFp,xFf 切削深度ap对切削力影响指数；yFc,yFp,yFf 进给量 f 对切削力影响指数；KFc,KFp,KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数切削力的产生与影响因素切削力的产生与影响因素切削力的影响因素切削力的影响因素Vc提高，生产率提高，切削力可能下降，但是消耗的功率提高。影响切削力的因素影响切削力的因素工件材料ap加大一倍，FZ约增大一倍；f加大一倍，FZ只增大68%86%；切削速度对切削力影响复杂强度、硬度高塑性、加工硬化大切削力大5 19 28 3555 100 130 切削速度v（m/min）981784588主切削力Fc（N）图3-16 切削速度对切削力的影响切削用量zFzFzyxpFzfaCF)9.075.0,1(zzFFyx所以，如果欲提高生产率而受到机床动力限制时，则增加进给量比提高切削深度有利。影响切削力因素影响切削力因素 前角0增大，切削力减小。主偏角r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（r Fy，Fx）前角对0切削力的影响前角0切削力F0-Fz0Fy0Fx主偏角r对切削力的影响主偏角r/切 削 力/N3045607590r-FzrFxrFy2006001000140018002200刀具几何角度影响刀具几何角度影响 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（s Fy，Fx）刀尖圆弧半径 r对主切削力影响不大，对吃刀抗力和走刀抗力影响显著（r Fy，Fx）；r影响切削力因素影响切削力因素r AB 弧长rrxyxrxyyFFFFsin cos刀具几何角度影响负倒棱br1lfoooo1o11lf1lf影响切削力因素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；影响影响切削力因素切削力因素oo比较：1）YT硬质合金刀具切削钢材2）高速钢刀具切削钢材