1、Fundamentals of Manufacturing Technology,机械制造技术基础,第四节 切 削 力,在切削加工中，切削力是一个非常重要的参数，切削热、刀具磨损等物理现象都与切削力有关。切削力还是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。,一、切削力与切削功率 1. 切削力,切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。,图2-25 加工材料发生变形所需克服的力,使被加工材料发生变形所需克服的力主要是： 1）切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。,2）刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件表面间的摩擦阻力。,图2-25 加工材料发生变形所需克服的力,2. 切
2、削合力与分力 图2 -26所示为车削外圆时，如忽略副切削刃的切削作用及其它影响因素，作用在车刀上的合力应在其正交平面内。 为便于测量和应用，可将作用在车刀切削部位上的合力分解为三个互相垂直的分力。,图2-26 切削合力和分力,切削力Fc（主切削力、切向力）垂直于基面，与切削速度的方向一致。,图2-26 切削合力和分力,Fc是计算切削功率和设计机床的主要依据。,背向力Fp（切深抗力、径向力）平行于基面，并与进给方向相垂直。,图2-26 切削合力和分力,Fp会使机床加工系统(含机床、刀具和工件)变形或引起振动，影响加工精度和已加工表面质量。,进给力Ff（轴向力）平行于基面，并与进给方向相平行。,图
3、2-26 切削合力和分力,Ff是设计机床进给机构或校核其强度的主要依据。,在上述三个分力中： Fc值最大， Fp (0.15 0.7) Fc ， Ff (0.1 0.6) Fc 。 由图2-26可知：,（2-15）,3. 切削功率 消耗在切削过程中的功率称为切削功率，用Pc （单位：kW）表示。在车削外圆时, Fp不作功,故切削功率应为Fc和Ff作功所消耗的功率之和。,（2-16）,上式中由于Ff 小于Fc，而Ff方向的进给速度又很小，因此所消耗的功率与第一项相比很小（一般小于12%），可忽略不计。 故一般切削功率可按下式计算即可。,（2-17）,根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传
4、动效率（m= 0.75 0.85）。 机床电动机的功率 PE 应为,（2-18）,4. 单位切削力的概念 单位切削面积上的切削力（N/mm2）称为单位切削力，用kc表示： 若已知单位切削力 kc，即可通过式（2-19）计算切削力Fc 。,（2-19）,二、切削力经验计算公式 1切削力的测量 目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。,图2-27 切削力测量系统,2切削力经验计算公式 通过实际测量不同切削工况条件下的切削力，经数据处理，可求得以下切削力经验计算公式,（2-20）,式中 取决于被加工材料和切削条件的切削力系数； 三个分力公式中，背吃刀量ap、进给量 f 和切削速度vc的指数；,
5、（2-20）,实际加工条件与建立经验计算公式的试验条件不相符时，计算切削力的修正系数。 试验条件对切削力影响的修正系数可查阅相关手册。,（2-20）,表2-3为在不同工况条件下进行车削试验经数据处理得到的上述有关系数和指数。,三、影响切削力的因素 1. 工件材料的影响 工件材料的强度、硬度越高，冲击韧性和塑性越大，则切削力越大。 切削脆性材料时的切削力相对较小。 工件材料的化学成分、热处理状态等都直接影响其物理力学性能，因而也影响着切削力。,2. 切削用量的影响 （1）背吃刀量ap和进给量 f ap和 f 增大都会使Fc增大, 但两者影响程度不同: ap 增大使Fc增大，且呈正比； f 增大也
6、会使Fc增大，但不呈正比。 在切削层面积相同的条件下，采用大的进给量比采用大的背吃刀量的切削力要小。,（2）切削速度 切削塑性材料时，在无积屑瘤产生的切削速度范围内，随着vc的增大，切削力Fc 减小。在产生积屑瘤的情况下，刀具的实际前角随积屑瘤的成长与脱落变化着。在积屑瘤增长期，vc 增大，切削力下降；在积屑瘤消退期, vc增大, 切削力上升。 切削脆性材料时，对切削力没有显著影响。,图2-28 切削速度对切削力的影响,3. 刀具几何参数的影响 （1）前角o o 增大，h减小，切削力下降。切削塑性材料时，o 对切削力的影响较大；切削脆性材料时，由于切削变形很小， o对切削力的影响不显著。 （2
7、）主偏角r 由图2-26可知，主偏角r增大，背向力Fp 减小， 进给力Ff 增大。,（3）刃倾角s 改变刃倾角s将影响切屑在前刀面上的流动方向，从而使切削合力的方向发生,变化。 s 增大，Fp减小, Ff增大。 s在-4510范围内变化时， Fc基本不变。,（4）负倒棱 为了提高刀尖部位强度、改善散热条件，常在主切削刃上磨出一个带有负前角 的棱台，其宽度为 。 当 lf 时（ lf 为切屑与前刀面接触长度），切削力增加的幅度不大；当 lf 时，相当于用 负前角 的车刀进行切削，与不设负倒棱相比，切削力将显著增大。,图2-29 负倒棱车刀,4刀具磨损 后刀面磨损增大时，后刀面上的法向力和摩擦力都
8、增大，故切削力增大。 5切削液 使用以冷却为主的切削液（如水溶液）对切削力影响不大，使用润滑作用强的切削液（如切削油）可使切削力减小。,6刀具材料 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。 在其他切削条件完全相同的条件下，用陶瓷刀具切削比用硬质合金刀具切削的切削力小，用硬质合金刀具切削比用高速钢刀具切削的切削力小。,第五节 切削热和切削温度,切削过程中产生的切削热和由它产生的切削温度将直接影响刀具的磨损和刀具的使用寿命。 由于切削热和切削温度使工件和刀具产生变形和残余应力而最终影响工件的加工精度和表面质量。,一、切削热的产生与传导 在刀具的切削作用下，切削热来源于两个方
9、面，一是切削层金属发生弹性和塑性变形所消耗的能,量；二是切屑与前刀面、工件与后刀面间产生的摩擦热。 切削过程中有三个发热区域，如图所示。,图2-30 切削热的产生与传导,由于切削过程中所消耗能量的98% 99%都将转化为切削热。如忽略进给运动所消耗的能量，则单位时间产生的切削热 （2-21） 式中 Qc单位时间产生的切削热（J/s）； Fc切削力（N）； vc切削速度（m/s）。,切削热由四个途径即切屑、工件、刀具及周围的介质（空气，切削液）向外传导。 影响散热的主要因素是： （1）工件材料的导热系数 （2）刀具材料的导热系数 （3）周围介质,车削时，切屑：50%86%；刀具：10%40%；工
10、件：3%9%；空气：1%。 钻削时，切屑：28%；刀具：14.5%；工件：52.5%；周围介质：5%。 切削速度越高，切削厚度越大，切屑带走的热量越多。,二、切削温度的测量 切削热是切削温度上升的根源，但直接影响切削过程的却是切削温度。切削温度一般是指前刀面与切屑接触区域的平均温度。 测量切削温度的方法很多，但目前常用的是自然热电偶和人工热电偶法，它简单、可靠、使用方便。,1. 自然热电偶法 该种方法测得的温度是切削区的平均温度。,图2-31a 用热电偶测量切削温度,2. 人工热电偶法 该种方法可测得切削区某一点的温度值。,图2-31b 用热电偶测量切削温度,图2-32为采用人工热电偶法测量并
11、辅以传热学计算得到的刀具、切屑和工件的切削温度分布图。由图中可以看出：,剪切面上各点温度几乎相同； 前刀面上温度最高点不在切削刃上。,图2-32刀具、切屑和工件的切削温度分布,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 用实验方法求得的刀具与切屑接触区平均切削温度的经验公式为 （2-22） 式中 刀具与切屑接触区平均温度（）； 切削温度系数（查表2-4）； vc, f , ap切削用量三要素； vc, f , ap的指数（查表2-4） 。,表2-4 切削温度的系数和指数,由公式 知： vc 、 f 、ap 增大，单位时间内材料的切除量增加，产生的切削热增多，切削温度也随之增高。 又
12、由表2-4知， 。 由此表明，切削用量中影响切削温度最大的是vc，其次是 f ， ap最小。,（1）切削速度 切削速度vc 增大，使切削功率近似呈比例增大，产生的切削热也呈比例增大。同时，当切屑沿前刀面流出时，切屑底层与前刀面发生强烈的摩擦，而产生摩擦热。 如果vc提高，则摩擦热生成的时间就很短，来不及向切屑和刀具内部传导，而大量集聚在切屑底层，从而使切削温度升高。,（2）进给量 进给量 f 增大，切削力和切削温度都将增大，但同时切削厚度hD也呈比例增大，即切屑变厚而使热容量增加，由切屑带走的热量也多。 所以进给量 f 对切削温度有一定影响，但不如vc的影响显著。,（3）背吃刀量 背吃刀量ap
13、增大后，虽然切削区产生的热量呈正比例增多，但因切削刃的实际工作长度也呈正比例增长，增大了散热面积，改善了散热条件，其结果使切削温度的变化不大。 综上所述，在机床允许的条件下，选用大的ap和 f ，比选用大的vc更为有利。,切削加工生产追求的目标是高效率和低成本，增大ap和 f 都能提高生产效率，但从降低能源消耗考虑，增大 f 比增大ap有利；从减小切削温度以延长刀具使用寿命考虑，增大ap比增大 f 有利。 实际上，一般要根据生产中的具体条件和要求综合分析，合理选择 ap和 f 。,2. 刀具几何参数对切削温度的影响 （1）前角 增大，切削力减小，切削温度下,降，如图2-33所示。前角超过182
14、0后，对切削温度的影响减弱，这是因为刀具楔角减小而使散热条件变差的缘故。,图2-33 前角与切削温度的关系,（2）主偏角 r 减小，切削刃工作长度和刀尖角增大，散热条件变好，使切削温度下降，如图2-34所示。,图2-34 主偏角与切削温度的关系,3. 工件材料对切削温度的影响 工件材料的强度和硬度高，切削时所消耗的功就越多，产生的切削热也越多，切削温度就越高。 工件材料的导热系数小时，切削热不易散出，切削温度相对较高。,脆性材料的抗拉强度和延伸率都较小，切削过程中塑性变形很小，切屑呈崩碎状，与前刀面的摩擦也较小，所以，产生的切削热较少，切削温度一般比切削钢料时低。 4. 刀具磨损对切削温度的影
15、响 刀具磨损使切削刃变钝，使切削区金属的塑性变形增加。,同时，磨损后的刀具后角变成零度，使工件与后刀面的摩擦加大，二者均使产生的切削热增多。所以，刀具的磨损是影响切削温度的重要因素。 5. 切削液对切削温度的影响 使用切削液可以从切削区带走大量热量，可以明显降低切削温度，提高刀具寿命。,第六节 刀具磨损、刀具寿命和切削用量的选择,刀具在切削过程中将逐渐磨损。当磨损量达到一定程度时，会造成工件尺寸超差，加工表面质量恶化，此时必须刃磨刀具或更换新刀具。有时，刀具也可能在切削过程中突然损坏而失效，造成刀具破损。刀具的磨损、破损及其使用寿命对加工质量、生产效率和成本影响极大，因此它是切削加工中极为重要
16、的问题之一。,一、刀具磨损形态和磨损机制 1刀具磨损的形态 刀具磨损是指刀具在正常的切削过程中，由于物理的或化学的作用，使刀具原有的几何角度逐渐丧失。 刀具磨损呈现为三种形态。,（1）前刀面磨损（月牙洼磨损）,切削塑性材料时，如果刀具材料耐热、耐磨性较差，而且切削速度和切削厚度较大，切屑在前刀面上经常会磨出一个月牙洼。出现月牙洼的部位就是切削温度最高的部位。,图2-35 刀具的磨损形态,月牙洼和切削刃之间有一条小棱边，月牙洼随着刀具磨损不断变大，当其扩展到使棱边变得很窄时，切削刃强度降低，极易导致崩刃。 月牙洼磨损量以其深度表示（图2-36）。,图2-36 刀具磨损的测量位置,图2-35 刀具的磨损形态,（2）后刀面磨损 由于后刀面和加工表面间的强烈摩擦，后刀面靠近切削刃部位会逐渐地被磨成后角为零的小棱面，这种磨损形式称作后刀面磨损（图2-35）。,切削铸铁或以较小的切削厚度、较低的切削速度切削塑性材料时，后刀面磨损是主要形态。,图2-36 刀具磨损的测量位置,后刀面上的磨损棱带往往不均匀，其平均磨损宽度以VB表示，如图2-36所示。,（3）边界磨损 切削钢料时，常在主切削刃靠近工件外皮处的主后刀面（图2-36中的 N 区）和副切削刃靠近刀尖处的副后刀面上，磨出较深的沟纹，这种磨损称作边界磨损。 边界磨损主要是由于工件在边界处的加工硬化层、硬质点等因素所造成的。,
