第四节切削力与切削功率

第四节第四节切削力与切削功率切削力与切削功率在切削过程中，切削力决定着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工表在切削过程中，切削力决定着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工表在切削过程中，切削力决定着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工表在切削过程中，切削力决定着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计和使用机床、刀具、夹具面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计和使用机床、刀具、夹具面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计和使用机床、刀具、夹具面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和使用寿命，的必要依据。切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和使用寿命，的必要依据。切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和使用寿命，的必要依据。切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和使用寿命，并影响工件的加工精度和表面质量。并影响工件的加工精度和表面质量。并影响工件的加工精度和表面质量。并影响工件的加工精度和表面质量。一、切削力的来源，切削合力及其分解一、切削力的来源，切削合力及其分解(一）一）切削力的来源切削力的来源研究切削力，对进一步弄清切削机理，研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为并成为切屑所需的力，称为切削力切削力。切削力。切削力来源于三个方面：来源于三个方面：(如图如图1所示所示)1、克服被加工材料对弹性变形的抗力；、克服被加工材料对弹性变形的抗力；2、克服被加工材料对塑性变形的抗力；、克服被加工材料对塑性变形的抗力；3、克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面、克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。图1切削力的来源1（二）切削合力及其分解（二）切削合力及其分解（二）切削合力及其分解（二）切削合力及其分解它们的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处。为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力Fr，在按主运动速度方向、切深方向和进给方向作的空间直角坐标轴z、y、x上分解成三个为相互垂直的Fz、Fy和Fx三个分力。(图2)1、主切削力、主切削力Fz（切向力）切向力）：主运动切削速度方向的分力。Fz是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。图图222 2、切深抗力、切深抗力FyFy（径向力）：切深方向的分力。（径向力）：切深方向的分力。Fy不消耗功率，但在机床一工件一夹具一刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。3、进给抗力、进给抗力Fx：进给方向的分力。(图3)Fx消耗了总功率5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。注：注：在铣削平面对，上述分力亦称为：在铣削平面对，上述分力亦称为：Fr切向力、切向力、Fy径径向力、向力、Fx轴向力。轴向力。图图33根据实验，Kr=45，s=0和o=15时，Fz、Fx和Fy之间有以下近似关系：Fy=（0.40.5)Fz，Fx=（0.30.4)Fz由此可得：F=（1.121.18)Fz随车刀材料、车刀几何参数、切削用量、工件材料和车刀磨损情况的不同，Fx、Fy、Fz之间的比例可在较大范围内变化。二、切削功率切削功率应是各切削分力功率之和。由于Fy方向的运动速度为零，所以不做功。Fx消耗的功率所占比例很小，约为总功率的1%5%，通常忽略不计。故切削功率Pc（单位KW）为Pc=FzVc10-3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，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。4按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。PEPc/m式中：m机床的传动效率，一般取为0.750.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。三、单位切削力是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。可用Kc表示(N/mm2)Kc=Fc/AD式中AD切削层公称横截面积（mm2)，AD=apf;Fc主切削力（N）。如果已知单位切削力Kc，可利用下式计算主切削力：Fc=Kc*AD=Kc*ap*f四、切削力测量与经验公式 生产、实验中经常遇到切削力的计算。目前切削力的理论计切削力的理论计算公式算公式只能供定性分析用。因为切削力Fz计算公式是在忽略了温5温度、正应力、第变形区变形与摩擦力等条件下推导出来的，故不能用于计算。而求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪利用测力仪直接测出直接测出或通过实验后整理成的实验公式通过实验后整理成的实验公式求得。1 1、用测力仪测量切削力、用测力仪测量切削力 测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出Fz、Fx、Fy的值。在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程。按测力仪的工作原理可以分为机械、液压和电气测力仪。目前常用的是电阻应变片式测力仪电阻应变片式测力仪。图图4 测力系统方框示意图测力系统方框示意图1、传感器、传感器 2、电桥电路、电桥电路 3、应变仪、应变仪 4、记录仪、记录仪6传感器是一个在弹性体上粘贴着电阻应变片的转换元件，通过它使切削力的变化转换成电量的变化。将电阻应变片连接成电桥电路，当应变片的电阻值变化时，则电桥不平衡，产生了电流或电压讯号输出，该讯号经应变仪放大，并由计录仪显示出来。通过标定就能作出电量与切削力之间的关系图表。在测力时根据记录的电量，可以从标定图表上查出对应的切削力数值。2、切削力的经验公式、切削力的经验公式图5直杆式测力原理目前，人目前，人们已经积累们已经积累了大量的切了大量的切削力实验数削力实验数据，对于一据，对于一般加工方法，般加工方法，如车削、孔如车削、孔加工和铣削加工和铣削等已建立起等已建立起了可直接利了可直接利用的经验公用的经验公式。式。7测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法。即固定其它实验条件，在切削时分别改变背吃刀量ap和进给量f，并从测力仪上读出对应切削力数值，然后经过数据整理求出它们之间的函数关系式。通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为：注意：注意：切削力实验公式是在特定的实验条件下求出来的。在计算切削力时，如果切削条件与实验条件不符，需乘一个修正系数KF，它是包括了许多因素的修正系数乘积。修正系数也是用实验方法求出。8五、影响切削力的因素实践证明，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。1、工件材料、工件材料（1）硬度或强度提高，剪切屈服强度s增大，切削力增大。（2）塑性或韧性提高，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。2、切削用量、切削用量（1）背吃刀量（切削深度）背吃刀量（切削深度）ap、进给量、进给量增大，切削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，切削力增大。由于背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响大(通常XFz=1,YFz=0.75-0.9），所以在实践中，当需切除一定量的金属层时，为了提高生产率，采用大进给切削比大切深切削较省力又省功率。（2）切削速度）切削速度vc1）加工塑性金属时）加工塑性金属时，切削速度Vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。（以车削45钢为例，见图6）9图图5 切削速度切削速度vc对切对切削力削力Fc的影响规律的影响规律2）切削脆性）切削脆性金属时金属时，因为变形和摩擦均较小，故切削速度Vc改变时切削力变化不大。3、刀具几何角度、刀具几何角度主偏角Kr对切削力的影响（1）前角：）前角：前角增大，变形减小，切削力减小。（2）主偏角）主偏角Kr：主偏角Kr在300-600范围内增大，由切削厚度hD的影响起主要作用，使主切削力Fz减小；主偏角Kr在600-900范围10内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力Fz增大。一般地，Kr=60Kr=600 0-75-750 0,所以主偏角所以主偏角KrKr增大，主切削力增大，主切削力FzFz增大增大。KrKr增大，使增大，使FyFy减小、减小、FxFx增大增大。实践应用实践应用，在车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力Fy的作用，往往采用较大的主偏角r600的车刀切削。(3)(3)刃倾角刃倾角ss：s对Fz影响较小，但对Fx、Fy影响较大。s由正向负转变，则Fx减小、Fy增大。（4 4）负倒棱：）负倒棱：在锋利的切削刃上磨出负倒棱，可以提高刃区的强度，从而提高刀具使用寿命，但使切削变形加大，切削力增加。负倒棱是通过它的宽度br与进给量的比值（br/f）来影响切削力的。4、其它因素、其它因素（1）刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。（2）刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。（3）切削液的影响：以冷却作用为主的水溶液对切削力影响较小，而润滑作用强的切削油能够显著地降低切削力。这是因为它可以减小摩擦力，甚至还能减小金属的塑性变形。（4）刀具材料的影响：刀具材料不是影响切削力的主要因素。但由于不同的刀具材料之间的摩擦系数不同，因此对切削力也有一定的影响。11