第四節(jié)切削力與切削功率 在切削過(guò)程中 切削力決定著切削熱的產(chǎn)生 并影響刀具磨損和已加工表面質(zhì)量 在生產(chǎn)中 切削力又是計(jì)算切削功率 設(shè)計(jì)和使用機(jī)床 刀具 夾具的必要依據(jù) 切削熱和由它產(chǎn)生的切削溫度 直接影響刀具的磨損和使用壽命 并影響工件的加工精度和表面質(zhì)量 一 切削力的來(lái)源 切削合力及其分解 一 切削力的來(lái)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(lái)源于三個(gè)方面 如圖1所示 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(guò)渡表面與已加工表面之間的摩擦力 圖1切削力的來(lái)源 二 切削合力及其分解 它們的合力Fr作用在前刀面上近切削刃處 為了便于分析切削力的作用和測(cè)量 計(jì)算切削力的大小 通常將合力Fr 在按主運(yùn)動(dòng)速度方向 切深方向和進(jìn)給方向作的空間直角坐標(biāo)軸z y x上分解成三個(gè)為相互垂直的Fz Fy和Fx三個(gè)分力 圖2 1 主切削力Fz 切向力 主運(yùn)動(dòng)切削速度方向的分力 Fz是最大的一個(gè)分力 它消耗了切削總功率的95 左右 是設(shè)計(jì)與使用刀具的主要依據(jù) 并用于驗(yàn)算機(jī)床 夾具主要零部件的強(qiáng)度和剛度以及機(jī)床電動(dòng)機(jī)功率 圖2 2 切深抗力Fy 徑向力 切深方向的分力 Fy不消耗功率 但在機(jī)床一工件一夾具一刀具所組成的工藝系統(tǒng)剛性不足時(shí) 是造成振動(dòng)的主要因素 3 進(jìn)給抗力Fx 進(jìn)給方向的分力 圖3 Fx消耗了總功率5 左右 它是驗(yàn)算機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)主要零 部件強(qiáng)度和剛性的依據(jù) 注 在銑削平面對(duì) 上述分力亦稱為 Fr 切向力 Fy 徑向力 Fx 軸向力 圖3 根據(jù)實(shí)驗(yàn) Kr 45 s 0 和 o 15 時(shí) Fz Fx和Fy之間有以下近似關(guān)系 Fy 0 4 0 5 Fz Fx 0 3 0 4 Fz由此可得 F 1 12 1 18 Fz隨車(chē)刀材料 車(chē)刀幾何參數(shù) 切削用量 工件材料和車(chē)刀磨損情況的不同 Fx Fy Fz之間的比例可在較大范圍內(nèi)變化 二 切削功率切削功率應(yīng)是各切削分力功率之和 由于Fy方向的運(yùn)動(dòng)速度為零 所以不做功 Fx消耗的功率所占比例很小 約為總功率的1 5 通常忽略不計(jì) 故切削功率Pc 單位KW 為Pc FzVc 10 3其中 Pc 切削功率 KW Fz 切削力 N Vc 切削速度 m s 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 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 Pc m式中 m 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 三 單位切削力是指切除單位切削層面積所產(chǎn)生的主切削力 可用Kc表示 N mm2 Kc Fc AD式中AD 切削層公稱橫截面積 mm2 AD apf Fc 主切削力 N 如果已知單位切削力Kc 可利用下式計(jì)算主切削力 Fc Kc AD Kc ap f四 切削力測(cè)量與經(jīng)驗(yàn)公式生產(chǎn) 實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常遇到切削力的計(jì)算 目前切削力的理論計(jì)算公式只能供定性分析用 因?yàn)榍邢髁z計(jì)算公式是在忽略了溫 溫度 正應(yīng)力 第 變形區(qū)變形與摩擦力等條件下推導(dǎo)出來(lái)的 故不能用于計(jì)算 而求切削力較簡(jiǎn)單又實(shí)用的方法是利用測(cè)力儀直接測(cè)出或通過(guò)實(shí)驗(yàn)后整理成的實(shí)驗(yàn)公式求得 1 用測(cè)力儀測(cè)量切削力測(cè)力儀的測(cè)量原理是利用切削力作用在測(cè)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(guò)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(cè)力傳感裝置產(chǎn)生的信號(hào)優(yōu)化和監(jiān)控切削過(guò)程 按測(cè)力儀的工作原理可以分為機(jī)械 液壓和電氣測(cè)力儀 目前常用的是電阻應(yīng)變片式測(cè)力儀 圖4測(cè)力系統(tǒng)方框示意圖 1 傳感器2 電橋電路3 應(yīng)變儀4 記錄儀 傳感器是一個(gè)在彈性體上粘貼著電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換元件 通過(guò)它使切削力的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化 將電阻應(yīng)變片連接成電橋電路 當(dāng)應(yīng)變片的電阻值變化時(shí) 則電橋不平衡 產(chǎn)生了電流或電壓訊號(hào)輸出 該訊號(hào)經(jīng)應(yīng)變儀放大 并由計(jì)錄儀顯示出來(lái) 通過(guò)標(biāo)定就能作出電量與切削力之間的關(guān)系圖表 在測(cè)力時(shí)根據(jù)記錄的電量 可以從標(biāo)定圖表上查出對(duì)應(yīng)的切削力數(shù)值 2 切削力的經(jīng)驗(yàn)公式 圖5直桿式測(cè)力原理 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(chē)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(cè)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(cè)力儀上讀出對(duì)應(yīng)切削力數(shù)值 然后經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整理求出它們之間的函數(shù)關(guān)系式 通過(guò)切削力實(shí)驗(yàn)建立的車(chē)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(lái)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 五 影響切削力的因素實(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 s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(guò)積屑瘤與摩擦的作用造成的 以車(chē)削45鋼為例 見(jiàn)圖6 圖5切削速度vc對(duì)切削力Fc的影響規(guī)律 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 主偏角Kr對(duì)切削力的影響 1 前角 前角增大 變形減小 切削力減小 2 主偏角Kr 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減小 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 Kr增大 使Fy減小 Fx增大 實(shí)踐應(yīng)用 在車(chē)削軸類(lèi)零件 尤其是細(xì)長(zhǎng)軸 為了減小切深抗力Fy的作用 往往采用較大的主偏角 r 600的車(chē)刀切削 3 刃傾角 s s對(duì)Fz影響較小 但對(duì)Fx Fy影響較大 s由正向負(fù)轉(zhuǎn)變 則Fx減小 Fy增大 4 負(fù)倒棱 在鋒利的切削刃上磨出負(fù)倒棱 可以提高刃區(qū)的強(qiáng)度 從而提高刀具使用壽命 但使切削變形加大 切削力增加 負(fù)倒棱是通過(guò)它的寬度br與進(jìn)給量的比值 br f 來(lái)影響切削力的 4 其它因素 1 刀具圓弧半徑 增大 切削變形 摩擦增大 切削力增大 2 刀具磨損 后刀面磨損增大 刀具變鈍 與工件擠壓 摩擦增大 切削力增大 3 切削液的影響 以冷卻作用為主的水溶液對(duì)切削力影響較小 而潤(rùn)滑作用強(qiáng)的切削油能夠顯著地降低切削力 這是因?yàn)樗梢詼p小摩擦力 甚至還能減小金屬的塑性變形 4 刀具材料的影響 刀具材料不是影響切削力的主要因素 但由于不同的刀具材料之間的摩擦系數(shù)不同 因此對(duì)切削力也有一定的影響