切削力与切削功率.ppt

第四节 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 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 ，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 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 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 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，称为切削力。切削力 来源于三个方面： (如图1所示) 1、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； 3、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。 图1 切削力的来源 （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Fz（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2 2、切深抗力Fy（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 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：在铣削平面对，上述分力亦称为：Fr切向力、Fy径 向力、Fx轴向力。 图3 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。 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。 PE Pc/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 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 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 直接测出或通过实验后整理成的实验公式求得。 1、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。 图4 测力系统方框示意图 1、传感器 2、电桥电路 3、应变仪 4、记录仪 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 图5 直杆式测力原理 目前，人 们已经积累 了大量的切 削力实验数 据，对于一 般加工方法 ，如车削、 孔加工和铣 削等已建立 起了可直接 利用的经验 公式。 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：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。 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 （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 （1）背吃刀量（切削深度）ap、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vc 1）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） 图5 切削速度vc对切 削力Fc的影响规律 2）切削脆性 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 主偏角Kr对切 削力的影响（1）前角：前角增 大，变形减小，切 削力减小。 （2）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 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=600-750,所以主偏角Kr增大，主切削力Fz增大。 Kr增大，使Fy减小、Fx增大。 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)刃倾角s：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）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 （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，