切削用量對切削力的影響比較

切削用量對切削力的影響比擬〔理工學院機械工程學院〕摘要：通過分析切削力單因素實驗，探討切削用量對切削力的影響規(guī)律；同時討論刀具幾何參數(shù)對切削力的影響，得出一般結(jié)論；進而比照說明精細切削切削力的特殊規(guī)律。關鍵詞：切削變形；切削力；刀具；精細切削；規(guī)律引言金屬機械加工過程中，產(chǎn)生的切削力直接影響工件的粗糙度和加工精度，同時也是確定切削用量的根本參數(shù)。所以掌握切削用量對切削力的影響規(guī)律也顯得重要。本文從一般切削和精細切削兩個方面對切削用量對切削力的影響規(guī)律做初步探討。2.金屬切削加工機理金屬切削加工是機械制造業(yè)中最根本的加工方法之一。金屬切削加工是指在金屬切削機床上使用金屬切削刀具從工件外表上切除多余金屬，從而獲得在形狀、尺寸精度及外表質(zhì)量等方面都符合預定要求的加工。2.1切削加工原理利用刀具與工件之間的相對運動，在材料外表產(chǎn)生剪切變形、摩擦擠壓和滑移變形，進而形成切屑。2.2切削變形根據(jù)金屬切削實驗中切削層的變形，如圖1-2，可以將切削刃作用部位的切削層劃分為3個變形區(qū)。第Ⅰ變形區(qū)：剪切滑移區(qū)。該變形區(qū)包括三個過程，分別是切削層彈性變形、塑性變形、成為切屑。第Ⅱ變形區(qū)：前刀面擠壓摩擦區(qū)。該變形區(qū)的金屬層受到高溫高壓作用，使靠近刀具前面處的金屬纖維化。第Ⅲ變形區(qū)：后刀面擠壓摩擦區(qū)。該變形區(qū)造成工件表層金屬纖維化與 圖1-2切削層的變形區(qū)加工硬化，并產(chǎn)生剩余應力。3.切削力切削力是指切削過程中作用在刀具或工件上的力，它是工件材料抵抗刀具切削所產(chǎn)生的阻力。3.1切削力來源根據(jù)切削變形的不同，切削過程中刀具會受到三種力的作用，即：〔1〕克制切削層彈性變形的抗力〔2〕克制切削層塑性變形的抗力〔3〕克制切屑對刀具前面、工件對刀具后面的摩擦力3.2切削力的合成與分解圖2-2切削力合力和分力圖2-2為車削外圓時切削力的合力與分力示意圖。圖中字母分別表示：、——作用在車刀前刀面的正壓力、摩擦力、——作用在車刀后刀面的正壓力、摩擦力、——N1與、與的合力——與的合力，即總切削力一般地，為了研究方便，將總切削力F按實際運動效果分為以下三個分力：切削力——垂直于水平面，與切削速度的方向一致，且該分力最大。徑向切削力——在基面，與進給方向垂直，沿切削深度方向，不做功，但能使工件變形或造成振動。軸向切削力——在基面，與進給方向平行。由圖2-2可知，合力與各分力之間的關系為： 其中：。式中：——合力在基面上的分力。3.3切削力的測定實驗——單因素實驗法在切削過程中，影響切削力的因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)等。單因素實驗法就是只改變一個因素，固定其它因素不變，進展試驗；如此測得多組數(shù)據(jù)。最后綜合考慮實驗數(shù)據(jù)，得出包含多個可變因素的切削力實驗公式。以下是我搜集的局部實驗數(shù)據(jù)處理后的關系曲線，如圖2-3-1。從曲線中，可以得出結(jié)論：〔1〕背吃刀量增大，切削力增大〔2〕進給量f增大，切削力增大〔3〕不同的切削速度圍，切削力變化不同〔4〕與和f與成*種函數(shù)關系圖2-3-1切削三要素對切削力的影響曲線為了了解、f、v與可能成的函數(shù)關系，我們搜集了切削力單因素實驗的局部原始數(shù)據(jù)，如下表所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，利用MATLAB編程可作出對應的散點圖和曲線圖，如圖2-3-2所示。觀察曲線圖，猜想、f、v與可能成指數(shù)函數(shù)關系或一次函數(shù)關系。表1-1f=0.2mm，v=100m/min實驗f(mm)v(m/min)(mm)(kN)10.21000.50.02321.00.04331.50.06342.00.08252.50.10163.00.11973.50.137表1-2=1mm，v=100m/min實驗(mm)v(m/min)f(mm)(kN)111000.10.34620.20.56230.30.74640.40.91250.51.06760.61.21270.71.351表1-3=1mm，f=100mm實驗(mm)f(mm)V(m/min)(kN)110.2250.0612500.0553750.05241000.04951250.04861500.04671750.045圖3-2-2實驗散點圖和曲線圖數(shù)據(jù)分析：〔以與為例〕假設與成指數(shù)函數(shù)關系，即：為了便于計算，對上式兩邊同時取對數(shù)，可得：比照一次函數(shù)y=k*+b，lg與lg成一次函數(shù)關系。同理：為了驗證假設，依據(jù)②式，我先對原始數(shù)據(jù)取對數(shù)，再在對數(shù)坐標系中分別作出、f、v與的散點圖和曲線圖；為了驗證該曲線為一次函數(shù)，分別在曲線上各取四點，兩兩求斜率，假設對應斜率之差的絕對值近似為0〔在誤差允許圍〕，則可認為該曲線為一次函數(shù)；然后取斜率的平均值為最終斜率，再代值求出截距，寫出表達式；最后求反函數(shù)分別寫出、f、v與的關系式。按照上述思路，編寫MATLAB語言程序〔附1〕，運行結(jié)果如下：圖3-3-3實驗對數(shù)坐標圖K=0.93530.92360.91490.92460.69870.70150.70520.7018-0.1150-0.1927-0.1152-0.1410h=[-3.14080.5512-2.3426]H=[0.04321.73530.0961]其中，K——矩陣元素表示斜率，行分別表示、和的值，最后一列為斜率的平均值。h——矩陣元素分別表示截距、和的值。H——矩陣元素分別表示系數(shù)、和的值。根據(jù)運行結(jié)果代值，分別寫出函數(shù)關系表達式如下：③④⑤式③④⑤說明，在、f和v只有一個因素改變時，切削力Fz都與該可變因素成指數(shù)函數(shù)關系。當綜合考慮三個可變因素時，可得出：。式中，K為綜合系數(shù)。類似的，可分別求出、f、v和、的關系表達式。4.切削用量對切削力的影響一般性結(jié)論：〔1〕背吃刀量與切削力近似成正比;〔2〕進給量增加，切削力增加，但不成正比；〔3〕切削速度對切削力影響較復雜(與切削溫度的變化和積屑瘤的產(chǎn)生和消失有關)。在無積屑瘤的切削速度圍，隨著切削速度的增大，切削力減小。5.刀具幾何參數(shù)對切削力的影響圖4-1刀具幾何參數(shù)與切削力的關系曲線一般性結(jié)論：〔1〕前角對切削力的影響最大。加工塑性材料時，增大前角，切削力降低；加工脆性材料時，由于切屑變形很小，前角對切削力影響的顯著。主偏角對切削力影響較小，但對徑向力和軸向力影響較大。徑向力隨著主偏角的增大而減小，軸向力隨著主偏角的增大而增大。刃傾角在很大圍變化時對切削力影響不大，但對徑向力和軸向力影響較大，隨著刃傾角的增大，徑向力減小，軸向力增大。6.精細切削加工切削用量對切削力的影響精細切削過程中，就本質(zhì)而言，切屑的變形與一般切削一樣，所以其切削力的來源也一樣。但是，由于精細切削采用的是微量切屑方法，與一般切削不同，所以可變因素對二者的影響就不同，，也就是說可變因素對精細切削切削力的影響具有獨特規(guī)律。6.1進給量和背吃刀量的影響為了探討精細切削切削力的獨有規(guī)律，搜集局部實驗數(shù)據(jù)，如下表：表6-1進給量對切削力的影響〔HSS刀〕切削力〔N〕進給量f/(mm/r)0.010.020.040.100.2060100350570900240280410580700表6-2進給量對切削力的影響〔金剛石刀〕切削力〔N〕進給量f/(mm/r)0.010.020.040.100.2020026048090010304050120170200表6-3切削深度對切削力的影響〔HSS刀〕切削力〔N〕切削深度〔mm〕0.0020.0040.0080.0160.03280150370520670250270330370390表6-4切削深度對切削力的影響〔金剛石刀〕切削力〔N〕切削深度〔mm〕0.0030.0060.010.020.031001702604505002030507090以上數(shù)據(jù)的曲線圖如圖5-1所示。從曲線中可以清楚地看出，①精細切削采用HSS車刀〔或硬質(zhì)合金車刀〕時，當進給量或背吃刀量小于一定值時，均有成立。而采用金剛石刀時，。這和一般切削總是大于是不同的。②另外，在精細切削時，進給量對切削力的影響大于切削深度的影響。這和一般切削恰恰相反。為了解釋以上兩條特殊規(guī)律，我查閱了相關資料文獻，得知：a.規(guī)律①取決于切削用量〔、〕同刀具刃口半徑的比值。b.規(guī)律②與精細切削通常采用大于的切削方式有關。圖5-1精細切削切削用量與切削力的關系曲線6.2切削速度的影響 如圖5-2所示〔考慮積屑瘤的影響〕，低速時切削力隨切削速度增加而急劇下降。到200~300m/min后，切削力根本保持不變，這規(guī)律和積屑瘤高度隨切削速度的變化規(guī)律一致。即積屑瘤高時切削力大，積屑瘤小時切削力也小，這和一般切削規(guī)律正好相反。圖5-2超精切削時的切削力7.一般切削與精細切削切削力的比照類型與的比值、f對切削力的影響一般切削總是大于1的影響大于f精細切削可以小于1〔當切削用量同刃口半徑之比到達一定數(shù)值時〕f的影響大于參考文獻[1]王貴成.精細與特種加工[M].2013年.第1版.[2]周利平.現(xiàn)代切削刀具[M].大學.2013年.第1版.[3]何寧.機械制造技術(shù)根底[M].高等教育.[4]卞化梅,牛小鐵.基于MATLAB的切削力測量實驗數(shù)據(jù)處理分析[J].煤礦機械.第29卷第2期.2008年2月[5]曉舟,于化東.微切削加工中切削力的理論與實驗[J].理工大學機械工程學報.2008年2月[6]吳立新.減小切削力有效途徑的探討[J].工程技術(shù).2008年2月[