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第四節(jié)切削力與切削功率 在切削過程中 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 切削力的來源 切削合力及其分解 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 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)過渡表面與已加工表面之間的摩擦力 圖1切削力的來源 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隨車刀材料 車刀幾何參數(shù) 切削用量 工件材料和車刀磨損情況的不同 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)出來的 故不能用于計(jì)算 而求切削力較簡單又實(shí)用的方法是利用測力儀直接測出或通過實(shí)驗(yàn)后整理成的實(shí)驗(yàn)公式求得 1 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 圖4測力系統(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 通過標(biāo)定就能作出電量與切削力之間的關(guān)系圖表 在測力時(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 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 它們都是通過積屑瘤與摩擦的作用造成的 以車削45鋼為例 見圖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 r 600的車刀切削 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)倒棱是通過它的寬度br與進(jìn)給量的比值 br f 來影響切削力的 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