機(jī)械制造技術(shù)：切削力

機(jī)械制造技術(shù)：切削力一、切削力的來源，切削合力及其分解，切削功率(一）切削力的來源研究切削力，對(duì)進(jìn)一步弄清切削機(jī)理，對(duì)計(jì)算功率消耗，對(duì)刀具、機(jī)床、夾具的設(shè)計(jì)，對(duì)制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何參數(shù)等，都具有非常重要的意義。金屬切削時(shí)，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形并成為切屑所需的力，稱為切削力。切削力來源于三個(gè)方面：1．克服被加工材料對(duì)彈性變形的抗力；2．克服被加工材料對(duì)塑性變形的抗力；3．克服切屑對(duì)前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)過渡表面與已加工表面之間的摩擦力。（二）切削合力及其分解上述各力的總和形成作用在刀具上的合力Fr（國標(biāo)為F）。為了實(shí)際應(yīng)用，F(xiàn)r可分解為相互垂直的Fx（國標(biāo)為Ff）、Fy（國標(biāo)為Fp）和Fz（國標(biāo)為Fc）三個(gè)分力。在車削時(shí)：Fz——主切削力或切向力。它切于過渡表面并與基面垂直。Fz是計(jì)算車刀強(qiáng)度，設(shè)計(jì)機(jī)床零件，確定機(jī)床功率所必需的。Fx——進(jìn)給抗力、軸向力或走刀力。它是處于基面內(nèi)并與工件軸線平行與走刀方向相反的力。Fx是設(shè)計(jì)進(jìn)給（走刀）機(jī)構(gòu)，計(jì)算車刀進(jìn)給功率所必需的。Fy——切深抗力、或背向力、徑向力、吃刀力。它是處于基面內(nèi)并與工件軸線垂直的力。Fy用來確定與工件加工精度有關(guān)的工件撓度（詳見第七章），計(jì)算機(jī)床零件和車刀強(qiáng)度。它與工件在切削過程中產(chǎn)生的振動(dòng)有關(guān)。（三）切削功率1、單位切削力單位切削力p是指切除單位切削層面積所產(chǎn)生的主切削力。單位切削力p可查手冊，利用單位切削力P來計(jì)算主切削力Fz較為簡易直觀。2、切削功率Pm消耗在切削過程中的功率稱為切削功率Pm(國標(biāo)為Po)。切削功率為力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向沒有位移，所以不消耗功率。于是Pm=(Fz*Vc+Fx*nw*f/1000)×10-3???其中：Pm—切削功率（KW）；Fz—切削力（N）；Vc—切削速度（m/s）；Fx—進(jìn)給力（N）；nw—工件轉(zhuǎn)速（r/s）；f—進(jìn)給量（mm/s）。式中等號(hào)右側(cè)的第二項(xiàng)是消耗在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中的功率，它相對(duì)于F所消耗的功率來說，一般很?。?lt;1%～2%），可以略去不計(jì)，于是?Pm=FzV×10-3按上式求得切削功率后，如要計(jì)算機(jī)床電動(dòng)機(jī)的功率（PE）以便選擇機(jī)床電動(dòng)機(jī)時(shí)，還應(yīng)考慮到機(jī)床傳動(dòng)效率。PE≥Pm/ηm式中：ηm—機(jī)床的傳動(dòng)效率，一般取為0.75～0.85，大值適用于新機(jī)床，小值適用于舊機(jī)床。3、單位切削功率單位切削功率Ps是指單位時(shí)間內(nèi)切除單位體積金屬Zw所消耗的功率。二、切削力的測定在生產(chǎn)實(shí)際中，切削力的大小一般采用由實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立起來的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算。在需要較為準(zhǔn)確地知道某種切削條件下的切削力時(shí)，還需進(jìn)行實(shí)際測量。隨著測試手段的現(xiàn)代化，切削力的測量方法有了很大的發(fā)展，在很多場合下已經(jīng)能很精確地測量切削力。切削力的測量成了研究切削力的行之有效的手段。目前采用的切削力測量手段主要有：1．測定機(jī)床功率，計(jì)算切削力用功率表測出機(jī)床電機(jī)在切削過程中所消耗的功率PE后，可按下式計(jì)算出切削功率Pm???Pm=Peηm在切削速度Vc為已知的情況下，利用Pm即可求出切削力F。這種方法只能粗略估算切削力的大小，不夠精確。當(dāng)要求精確知道切削力的大小時(shí)，通常采用測力儀直接測量。2．用測力儀測量切削力測力儀的測量原理是利用切削力作用在測力儀的彈性元件上所產(chǎn)生的變形，或作用在壓電晶體上產(chǎn)生的電荷經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，讀出Fz、Fx、Fy的值。在自動(dòng)化生產(chǎn)中，還可利用測力傳感裝置產(chǎn)生的信號(hào)優(yōu)化和監(jiān)控切削過程。按測力儀的工作原理可以分為機(jī)械、液壓和電氣測力儀。目前常用的是電阻應(yīng)變片式測力儀。三、切削力的經(jīng)驗(yàn)公式和切削力估算目前，人們已經(jīng)積累了大量的切削力實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)于一般加工方法，如車削、孔加工和銑削等已建立起了可直接利用的經(jīng)驗(yàn)公式。測力實(shí)驗(yàn)的方法有單因素法和多因素法，通常采用單因素法。即固定其它實(shí)驗(yàn)條件，在切削時(shí)分別改變背吃刀量ap和進(jìn)給量f，并從測力儀上讀出對(duì)應(yīng)切削力數(shù)值，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)整理求出它們之間的函數(shù)關(guān)系式。通過切削力實(shí)驗(yàn)建立的車削力實(shí)驗(yàn)公式，其一般形式為：注意：切削力實(shí)驗(yàn)公式是在特定的實(shí)驗(yàn)條件下求出來的。在計(jì)算切削力時(shí)，如果切削條件與實(shí)驗(yàn)條件不符，需乘一個(gè)修正系數(shù)KF，它是包括了許多因素的修正系數(shù)乘積。修正系數(shù)也是用實(shí)驗(yàn)方法求出。四、切削力的變化規(guī)律實(shí)踐證明，切削力的影響因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)、刀具材料刀具磨損狀態(tài)和切削液等。1、工件材料（1）硬度或強(qiáng)度提高，剪切屈服強(qiáng)度τs增大，切削力增大。（2）塑性或韌性提高，切屑不易折斷，切屑與前刀面摩擦增大，切削力增大。2、切削用量（1）背吃刀量（切削深度）ap、進(jìn)給量增大，切削層面積增大，變形抗力和摩擦力增大，切削力增大。由于背吃刀量ap對(duì)切削力的影響比進(jìn)給量對(duì)切削力的影響大(通常XFz=1,YFz=0.75-0.9），所以在實(shí)踐中，當(dāng)需切除一定量的金屬層時(shí)，為了提高生產(chǎn)率，采用大進(jìn)給切削比大切深切削較省力又省功率。（2）切削速度vc1）加工塑性金屬時(shí)，切削速度Vc對(duì)切削力的影響規(guī)律如同對(duì)切削變形影響一樣，它們都是通過積屑瘤與摩擦的作用造成的。（以車削45鋼為例2）切削脆性金屬時(shí)，因?yàn)樽冃魏湍Σ辆^小，故切削速度Vc改變時(shí)切削力變化不大。3、刀具幾何角度（1）前角：前角增大，變形減小，切削力減小。（2）主偏角：主偏角Kr在300-600范圍內(nèi)增大，由切削厚度hD的影響起主要作用，使主切削力Fz減??；主偏角Kr在600-900范圍內(nèi)增大，刀尖處圓弧和副前角的影響更為突出，故主切削力Fz增大。一般地，Kr=600-750,所以主偏角Kr增大，主切削力Fz增大。(見P33圖2.22）Kr增大，使Fy減小、Fx增大。實(shí)踐應(yīng)用，在車削軸類零件，尤其是細(xì)長軸，為了減小切深抗力Fy的作用，往往采用較大的主偏角κr>600的車刀切削。(3)刃傾角λs：λs對(duì)Fz影響較小，但對(duì)Fx、Fy影響較大。???λs由正向負(fù)轉(zhuǎn)變，則Fx減小、Fy增大。實(shí)踐應(yīng)用，從切削力觀點(diǎn)分析，切削時(shí)不宜選用過大的負(fù)刃傾角λs。特別是在工藝系統(tǒng)