高速铣削加工切削力和切削温度关系解析
切削力对切削温度的影响
切削力对切削温度的影响切削力是切削加工过程中的一项重要参数，它直接影响到切削温度的变化。
切削温度是指切削加工中产生的热量在刀具和工件之间的传递和分布情况，是判断切削加工质量和工具寿命的重要指标之一。
切削力的大小与切削温度之间存在着密切的关系，接下来将详细探讨切削力对切削温度的影响。
切削力的大小直接影响着切削温度的变化趋势。
在切削过程中，切削力会引起刀具与工件之间的摩擦，从而产生摩擦热。
当切削力较小时，摩擦热的产生相对较少，切削温度也相对较低。
但是当切削力增大时，摩擦热的产生也相应增多，切削温度也会随之升高。
因此，可以说切削力的大小直接决定了切削温度的高低。
切削力的方向和大小也影响着切削温度的分布情况。
在切削加工中，切削力的方向和大小会直接影响切削区域的温度分布。
正常切削时，切削力的方向与切削速度和刀具磨损方向一致，此时切削温度分布较为均匀。
但是当切削力的方向与切削速度和刀具磨损方向相反时，会导致切削区域的温度不均匀，出现高温区和低温区的现象。
这是因为切削力的反向作用会影响到切削界面的摩擦热传递，从而使切削温度分布发生变化。
切削力的大小还会对刀具的寿命和切削加工质量产生影响。
切削温度的升高会加剧切削界面的磨损和刀具的热膨胀，从而缩短刀具的使用寿命。
当切削力较大时，摩擦热的产生也相应增多，切削温度会显著升高，从而加剧刀具的磨损和热膨胀，导致刀具寿命缩短。
同时，切削温度的升高也会对切削加工质量产生不利影响，如切削面的烧伤、变色等现象会增加。
切削力的大小与切削温度的关系还与切削材料和切削条件等因素有关。
不同材料的切削特性不同，切削力与切削温度的关系也会有所差异。
一般来说，切削硬度较高的材料，其切削力较大，切削温度也相应较高。
另外，切削条件的不同也会对切削力和切削温度产生影响。
例如，切削速度的增加会使切削力和切削温度均增大；而切削深度的增加会使切削力增大，切削温度也相应增高。
切削力对切削温度具有重要影响。
高速铣削切削力与温度的分析
分类号:——U D C:——工学硕士学位论文密级:编号:高速铣削切削力与温度的分析硕士研究生; 指导教师 :学位级别 :学科、专业:所在单位 :论文提交日期:论文答辩日期:学位授予单位: 李龙涛黄国权教授工学硕士机械电子工程机电工程学院 2008年1月 2008年3月哈尔滨工程大学哈尔滨工程大学硕士学键论文摘要在金属切削加工中,切削力、切削温度是反映切削过程的主要指标,通过对切削力、切削温度的研究可提高加工效率和质量,促进国家经济发展。
特别是,许多学者对切削力和切削温度的预报作了大量的理论研究工作。
但由于影响切削力和切削温度的实际因素众多,切削的过程十分复杂,给建立切削力和切削温度理论模型带来很大的困难。
以往的模型大多建立在速度较低的情况下,随着高速切削技术的发展和引起各国的重视,高速切削条件下的力和温度成为各零重点研究的对象。
端铣是一种基本的切削加工方式,本课题重点研究端铣时的切削力和切削温度。
论文选择铣毒|J中常用的端铣刀,通过解析法和对高速切削过程力学分析, 将高速切削时具备的因素引入到端铣中,建立了适合高速加工时的端铣切削力模型。
由于模型考虑了低速加工时没有的因素,可作为计算高速端铣切削力的理论依据。
建立端铣切削区温度场的传热模型。
利用热源法对剪切热源和刀/屑摩擦熟源产生酶温度场进行理论计算,褥蠢剪切熟源产生的工件和切屑的温度场分布方程和刀/屑摩擦热源产生的刀具和切屑的温度场分布方程;并得出了二者共同作用下刀具和切属的温度场分布方程,进而将此方程弓l入到端铣中褥到端铣切削温度场模型。
由于热源法可得出最简单形式的解答,计算结果和实际结果比较接近,因此褥出的端铣切削温度场模型可作为计算端铣切削温度的理论依据。
应用弹塑性力学讨论了切削变形区的弹、塑性阶段的应力、应变状态和材料进入塑性状态的属服准则、强化准裂及应力与应变的关系。
为有限元分析做了充分准备。
采用有限元软俸ANSYS对金属切削过程进行了仿真,对应力、应交及前刀面摩擦状况等仿真结果进行了分析并将仿真结果与金属切削中的规律进行比较。
机械加工的切削力与切削温度研究
机械加工的切削力与切削温度研究机械加工是一种常见的制造过程，通过切削材料来得到所需形状和尺寸。
在机械加工过程中，切削力与切削温度是两个重要的参数，直接影响着加工质量、工具寿命和能源消耗。
因此，对于切削力与切削温度的研究具有重要的理论和实践意义。
一、机械加工的切削力研究切削力是指在切削过程中切削工具对工件所产生的力。
切削力的大小与材料的物性、加工参数以及切削工具的几何形状等因素密切相关。
研究切削力的变化规律可以帮助我们选择合适的切削参数，提高加工效率和质量。
1. 切削力的影响因素切削力的大小受到多个因素的影响。
首先是材料的物性，如硬度、韧性和塑性等。
一般来说，材料的硬度越高，切削力越大。
其次是切削参数，包括切削速度、进给量和切削深度等。
增加切削速度和进给量，会显著增加切削力。
最后是切削工具的几何形状，如刀具刃角、切削刃的数量和分布等。
刀具的形状对切削力有明显的影响，合理选择刀具可以降低切削力。
2. 切削力的计算和测量切削力的计算和测量是研究切削力的重要手段。
常见的计算方法包括经验公式、数值模拟和试验等。
经验公式是基于经验总结的，可以根据加工条件和材料性质来估算切削力。
数值模拟利用计算机软件进行仿真，可以得到更准确的结果。
试验是通过实际加工过程进行测量，可以直接获得切削力的大小。
二、机械加工的切削温度研究切削温度是指在切削过程中切削区域的温度分布情况。
切削温度的高低对切削质量、工具寿命和加工精度等方面都有着重要的影响。
研究切削温度不仅可以提高加工效果，还可以减少能源消耗和环境污染。
1. 切削温度的影响因素切削温度的大小与切削区域的摩擦热和塑性变形热等因素密切相关。
首先是切削速度，切削速度的增加会导致切削温度的升高。
其次是切削深度和进给量，增加切削深度和进给量会增加切削界面的摩擦热和塑性变形热，进而使切削温度升高。
最后是材料的热导率和热膨胀系数等物理性质。
2. 切削温度的计算和测量切削温度的计算和测量是研究切削温度的重要手段。
各切削用量对切削温度的影响
各切削用量对切削温度的影响引言：在金属切削加工中，切削温度是一个重要的参数，它直接影响着切削过程的质量和效率。
切削温度过高会导致刀具磨损加剧、工件表面质量下降，甚至引起热裂纹等问题。
因此，研究各切削用量对切削温度的影响，对于优化切削过程、提高加工效率具有重要意义。
一、切削速度对切削温度的影响切削速度是切削过程中最主要的切削用量之一。
在其他切削条件相同的情况下，增加切削速度会使切削温度升高。
这是因为切削速度的增加会使切削区域的摩擦热增加，导致切削温度的升高。
然而，当切削速度超过一定范围时，由于切削区域的冷却不能及时进行，切削温度反而会下降。
因此，在实际切削过程中，需要选择合适的切削速度以保证切削温度在合理范围内。
二、进给量对切削温度的影响进给量是指每刀齿在单位时间内移动的距离，它也是影响切削温度的重要因素之一。
增大进给量会使切削温度升高，这是因为进给量的增加会导致切削区域的摩擦热增加，从而使切削温度升高。
然而，当进给量过大时，切削区域的冷却效果会减弱，切削温度也会上升。
因此，在切削加工中，需要根据具体情况选择合适的进给量，以保证切削温度的控制。
三、切削深度对切削温度的影响切削深度是指每次切削中刀具与工件之间的距离。
切削深度的增加会使切削温度升高。
这是因为切削深度的增加会导致切削区域的摩擦热增加，从而使切削温度升高。
然而，当切削深度过大时，切削区域的冷却效果会减弱，切削温度也会上升。
因此，在切削加工中，需要根据具体情况选择合适的切削深度，以保证切削温度的控制。
四、切削液对切削温度的影响切削液是切削过程中常用的冷却润滑介质，它对切削温度有着重要的影响。
合理选择和使用切削液可以有效降低切削温度。
切削液的喷射冷却作用可以将切削区域的热量带走，从而降低切削温度。
此外，切削液还可以起到润滑的作用，减少刀具与工件间的摩擦热量，进一步降低切削温度。
因此，在切削加工中，合理选择和使用切削液是控制切削温度的重要手段之一。
高速铣削切削力与温度的分析的开题报告
高速铣削切削力与温度的分析的开题报告
1.研究背景及意义
高速铣削是一种快速、高效的加工方法，对于减少生产成本、提升加工效率具有重要的意义。
而高速铣削过程中，切削力和温度是两个非常关键的参数，其大小和变
化会影响到工件表面质量和加工效率，因此对于高速铣削切削力和温度的研究十分必要。
2.研究目的
本研究旨在通过实验和数值模拟的方法，探究高速铣削切削力和温度的变化规律，并寻找影响切削力和温度的因素，以求达到优化加工效率和提高产品精度的目的。
3.研究内容和步骤
本研究主要包括以下两个方面的内容：
（1）实验研究：使用高速铣削设备对不同材料的工件进行加工，在加工中实时
测量切削力和温度，并记录数据。
根据实验数据分析切削力和温度的变化规律，寻找
影响因素。
（2）数值模拟：基于有限元方法，建立高速铣削加工的动态模型，并利用模型
计算出切削力和温度的分布情况。
通过与实验结果的比对来验证模型的可靠性，同时
利用数值模拟进一步探究影响因素。
4.预期成果
本研究预期能够获得以下成果：
（1）获得高速铣削加工中切削力和温度的变化规律和主要影响因素；
（2）建立高速铣削加工的动态模型和高精度计算模拟方法，为优化加工效率和
提高产品精度提供技术支持；
（3）提出相应的优化方案，为实际生产中的高速铣削加工提供参考。
切削力和切削温度
• 1、总切削力的概念： • 切削过程中，为了克服工件被切削层材
料对切削的抵抗，刀具必须对工件施加力 的作用。 • 一个切削部分总切削力：刀具的一个切削 部分在切削工件时所产生的全部切削力。 • 总切削力：所有参与切削的各切削部分所 产生的总切削力的合力。
• 2、总切削力的分解：
• ⑴ 切削力Fc:总切削力 F在主运动方向上的正 投影。
• ⑶ 刀具角度：1）前角增大，总切削抗力减小。2） 后角增大，总切削抗力减小。3）主偏角对切削抗 力Fc′影响较小，但对背向抗力Fp′和进给抗力Ff′ 的比例影响明显。
• ⑷ 切削液的选用：合理选用切削液，可以减小工 件材料的变形抗力和摩擦阻力，使总切削抗力减 小。
二、切削温度
• 1、切削热与切削温度
• 进给抗力Ff′
• 分别与切削力Fc、背向力 Fp、进给力Ff大小相等、 方向相反。
• 4、影响切总削抗力的因素
• ⑴ 工件材料：工件材料的强度、硬度越高，韧性 和塑性越好，越难切削，总切削抗力越大。
• ⑵ 切削用量：背吃刀量ap和进给量f增大时，切 削横截面积也增大，切屑粗壮，切下金属增多， 总切削抗力增大。
• 切削热：切削过程中，由于被切削材料
•Байду номын сангаас
层的变形、分离及刀具和被切
•
削材料间的摩擦而产生的热量。
• 切削温度：切削过程中，切削区域的温
•
度。
• 切削热的传导：由切屑带走70%-80%热量
•
传入刀具15%-20%热量
•
传入工件5%-10%热量
• 2、减少切削热和降低切削温度的工艺措施：
• ⑴ 合理选择刀具材料和刀具几何角度。 • ⑵ 合理选择切削用量。 • ⑶ 适当选择和使用切削液。
铣削加工中的切削温度
铣削加工中的切削温度铣削加工是一种常见的金属加工方式，它可以通过移动刀具以切削的方式将工件表面上的材料去除，以达到工件形状和尺寸的要求。
在铣削加工中，切削温度是一个重要的参数，它可以影响刀具的寿命、表面质量和加工效率等方面的指标。
本文将探讨铣削加工中的切削温度问题，包括切削温度的产生机理、切削温度的测量方法、以及影响切削温度的因素等。
一、切削温度的产生机理在铣削加工中，刀具与工件表面之间的相互作用可以引起切削温度的产生。
具体来说，切削过程中，由于刀具和工件之间的摩擦和冲击，工件表面上的材料开始热变形，且温度逐渐升高。
当温度达到一定值时，工件表面上的材料开始软化、熔化、甚至汽化，产生切屑并在工件表面形成新的金属层。
此时，切削温度已经达到了一个较高的水平，严重影响了刀具寿命和加工效率。
二、切削温度的测量方法切削温度的测量方法有很多种，常见的有红外线测温法、热电偶测温法、纳米压电传感器测温法等。
其中，红外线测温法是一种简单而又常用的方法。
它通过测量工件表面的红外辐射来间接地反映表面的温度，并可以实现非接触式测量。
热电偶测温法是一种直接测量表面温度的方法，可以通过在刀具和工件表面上安装热电偶来实现温度的实时监测。
纳米压电传感器测温法则是一种需要安装在刀具上的传感器，可以实时测量刀具所在位置的温度，并且具有较高的测温精度。
三、影响切削温度的因素切削温度受到很多因素的影响，包括材料、刀具、加工参数等。
首先是材料的影响。
不同的材料有不同的热导率、热膨胀系数以及热容量等物理特性，这些特性决定了材料受热后的温度变化速率。
其次是刀具的影响。
不同材质的刀具在切削过程中承受的热量和温度分布有所不同，同时刀具与工件表面的接触面积也会影响所产生的切削温度。
最后是加工参数的影响。
例如切削速度、进给量以及切削深度等参数都会对切削温度产生影响。
当切削速度和进给量增加时，切屑的产生速度和温度同时增加，导致了更高的切削温度。
四、结论切削温度是铣削加工中一个重要的参数，它不仅可以影响切削过程中的工件表面质量和加工效率，也直接影响刀具的寿命和切削力的大小。
机械加工切削力与切削温度
机械加工切削力与切削温度机械加工是制造业中不可或缺的一环，而切削力与切削温度则是机械加工过程中重要的考量因素。
切削力和切削温度的大小与加工材料的性质、刀具的材料和几何形状以及切削条件等密切相关。
本文将针对机械加工切削力和切削温度的关系进行探讨。
一、机械加工切削力的影响因素切削力是指在机械加工过程中，切削刃对工件施加的力。
切削力的大小直接影响加工效果、刀具寿命以及机床的负荷。
以下是影响机械加工切削力的重要因素：1. 材料性质加工材料的硬度、耐热性、塑性等性质对切削力产生显著影响。
一般而言，材料越硬，切削力越大。
与此同时，材料的热导率也会影响切削力的大小。
热导率越高的材料，切削过程中的热量传递速度越快，切削力也会相应减小。
2. 刀具特性刀具的材料、几何形状和刃口处理等因素会影响切削力。
切削刃的形状和处理方式可以改变切削刃的尖锐度和表面粗糙度，从而影响切削力的大小。
此外，刀具材料的硬度和耐热性也决定了切削力的大小。
3. 切削条件切削条件包括切削速度、进给量、切削深度等参数。
切削速度的增加会导致切削力的增加，而进给量和切削深度也会直接影响切削力的大小。
二、机械加工切削温度的影响因素切削温度是指在机械加工过程中，切削过程中产生的热量引起的温度变化。
切削温度的大小与材料的热导率、切削速度、切削深度等因素有关。
以下是影响机械加工切削温度的重要因素：1. 材料特性与切削力相似，材料的热导率对切削温度具有重要影响。
材料的热导率越高，热量传递越快，切削温度越低。
此外，材料的熔点和融化热也会影响切削温度。
2. 切削条件切削速度、进给量和切削深度是决定切削温度的关键参数。
切削速度的增加一般会导致切削温度的升高，而进给量和切削深度对切削温度的影响与具体的加工情况有关。
3. 刀具特性刀具的材料和几何形状对切削温度的大小具有一定影响。
不同材料的刀具具有不同的热导率，这会影响切削温度的传递速度。
刀具的几何形状和刃口处理也会影响切削温度，例如，切削刃的形状和处理方式可以改变切削温度的分布情况。
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高速铣削钛合金的切削力和切削温度
切削力和切削温度试验在五坐标高速加工中心上进行，采用YOLO-YDXC-III切削三向力测试系统对铣削力进行测量，采用夹丝半人工热电偶方法对铣削温度进行测量。
试验用刀具为Walter WMG40硬质合金机夹刀片，工件材料为钛合金TA15，热处理状态为退火。
采用单因素试验，考察不同铣削速度下切削力和切削温度的变化规律。
其他切削条件为：轴向切深ap=6mm，径向切深ae=1mm，每齿进给量fz=0.1mm/z。
为典型的铣削力信号图以及后刀面磨损VB＝0.15mm 时的切削力与铣削速度关系曲线。
铣削力的方向定义为：进给方向为X，铣刀径向切深方向为Y，刀具轴向为Z。
可以看到在此范围内，Fx和Fz变化不大，而Fy随切削速度的提高略有下降。
试验和理论表明：一方面随着切削速度的上升，两个因素会导致切削力的增加。
首先是由断续切削造成的切削力冲击和动态切削力的数值会增加；其次，材料的应变硬化程度严重，导致剪切区变形抗力增加。
另外一方面，切削速度上升导致的切削温度上升也会使被加工材料软化，使切削力减小。
所以，切削速度对切削力的影响，要看这两方面综合作用的结果。
当刀具后刀面磨损达到一定程度时，随着切削速度的增加，由温度升高所导致的材料软化影响占主导地位，其作用超过动态切削力增加和应变硬化增加两方面的影响，所以总的铣削力呈下降趋势。
典型的铣削温度热电势信号及50～550m/min 切削速度范围内的切削温度与铣削速度的关系。
切削温度随铣削速度增加有一直上升的趋势，但是在不同的速度范围内，切削温度上升的程度是不同的。
在较低的速度范围内，温度随切削速度而上升的趋势较快，而在较高的速度范围内，温度随切削速度而上升的趋势变缓。
这一现象产生的原因在于，随着切削速度的增加，传入切屑的热量比例增加，更多的热量被切屑带走；而传入工件和刀具的热量的比例减小，相应的刀具和工件的温度升高也不明显。
高速铣削钛合金的刀具磨损
钛合金高速铣削刀具磨损机理和刀具耐用度是生产过程中较受关注的问题。
为磨钝标准VB ＝0.3mm的情况下，刀具耐用度随切削速度的变化关系。
随着铣削速度增加，刀具铣削时间下降较快。
在200～250m/min 的速度范围内时，刀具寿命下降很快；铣削速度继续增加，刀具寿命的下降趋势有所减缓。
在200m/min的速度下，刀具寿命超过120min。
硬质合金刀具高速铣削钛合金时的刀具磨损微观形态（图中黑色部分为未被完全腐蚀的钛合金粘结物）。
在高速铣削钛合金时，钛合金在刀具表面的粘结现象非常严重，由于工件与刀具接触表面的温度较高，且温度梯度大，在钛合金粘结和温度梯度的综合作用下，刀具将产生扩散磨损。
一方面，粘结在刀具上的钛合金中的Ti元素向刀具中扩散，形成粘结的TiC层，TiC粘结层脱落时，会带走一部分刀具材料。
另一方面，刀具中的C向高温区扩散，Co向低温区扩散，在刀具和工件的接触面上形成富C贫Co区，造成WC颗粒间的粘结强度下降，表层脆化，从而引起WC颗粒脱落。
另外，铣削时的热冲击会使刀具切削刃附近产生梳状裂纹，裂纹垂直于切削刃方向，沿切削刃平均分布，裂纹间距约100μm，长度可达到0.5mm，并且贯穿前刀面和后刀面。
当裂纹扩展到一程度，会引起刀具切削刃的强度下降，从而使刀具材料被粘结其上的钛合金撕裂和脱落，使切削刃变形和钝化。
所以，铣削钛合金时的刀具磨损是扩散磨损、粘结磨损和热冲击相互作用、相互促进的结果。
高速铣削钛合金的表面完整性
在50～300m/min的速度范围内，加工表面粗糙度Ra的值较低，并且变化很小，分布在0.1～0.3 μm 之间。
表面粗糙度随后刀面磨损的增加而增大。
在刀具磨损初期，粗糙度变化不大；但当后刀面磨损较大时，粗糙度会显著增加。
为保证获得良好的表面粗糙度，应该控制刀具的后刀面磨损量。
从各种切削速度下加工表面层的金相组织来看，铣削钛合金TA15的加工表面层金相组织变化并不明显，也未发现晶粒沿刀刃运动方向被拉伸的现象。
同时，无论是常规速度还是高速铣削TA15，所产生的加工硬化均不严重，铣削速度的提高并不会造成显著的加工硬化。
采用YOLO-YDXC-III切削三向力测试系统对铣削力进行测量对残余应力的分析结果表明，在试验所用各种切削速度下，已加工表面的残余应力均为压应力。
压应力的大小约在-300～-30MPa之间。
随切削速度的提高，残余压应力的绝对值有所降低；径向切深和每齿进给量增加时，残余压应力的绝对值略有升高，但径向切深或每齿进给量增加，可能导致刀具磨损加快、加工表面粗糙度和加工硬化的升高，所以必须将其控制在适当的范围。
为了更加准确和可靠地分析切削速度对加工零件表面质量和疲劳性能的影响，进一步对各种切削速度下铣削加工的钛合金试样进行了疲劳性能的对比试验。
疲劳试验采用轴向应力控制，应力比R＝0.1。
800MPa和900MPa两种应力水平下，试样中值疲劳寿命的对比。
采用YOLO-YDXC-III切削三向力测试系统对铣削力进行测量在50～100m/min的切削速度范围内，试样的疲劳寿命随切削速度的提高而明显上升。
这说明与常规切削速度相比，高速切削钛合金可以获得更好的加工表面。
结果分析与讨论
随着铣削速度的提高，铣削钛合金的切削力有下降的趋势，而切削温度相应升高。
在较高的切削速度下，由于更多的切削热被切屑带走，而来不及传入工件和刀具，所以刀具和工件的温度升高较小。
高速铣削钛合金时的刀具磨损，是扩散磨损、粘结磨损和热冲击相互作用、相互促进的结果。
在200m/min的速度下，刀具寿命超过120min。
高速铣削钛合金可以得到较低的表面粗糙度数值，金相组织变化和加工硬化均不明显。
对表层残余应力的X射线衍射分析表明，残余应力均为压应力，其值在-300～-30MPa之间。
对试样的疲劳性能试验表明，在一定范围内提高切削速度有利于改善零件的表面完整性和疲劳性能。
堯零智能檢測儀器科技有限公司
2016年05月
（参考南京航天学院和上海航天设备制造厂）。