金属切削原理 05-切削力.pdf

切切削削力力削削 Cutting Forceg 机电及自动化学院机电及自动化学院 机制专业 专业课 老 师 黄 辉 机制专业 专业课 老 师 黄 辉 2010年年12月月 主要内容主要内容主要内容主要内容 研究切削力的意义研究切削力的意义 切削力的来源切削力的来源 切削力的来源切削力的来源 切削合力 分力切削合力 分力 切削功率和切削比能切削功率和切削比能 切削力的测量切削力的测量 切削力的测量切削力的测量 切削力的切削力的经经验公式验公式切削力的验公式切削力的验公式 影响切削力的因素影响切削力的因素 研研究切削力的意义究切削力的意义 在切削过程中 切削力直接决定着切削热在切削过程中 切削力直接决定着切削热 的产生 并影响刀具磨损 破损 使用寿的产生 并影响刀具磨损 破损 使用寿 命命 加工精度和已加工表面质量加工精度和已加工表面质量 命命 加工精度和已加工表面质量加工精度和已加工表面质量 在生产中 切削力又是计算切削功率 设在生产中 切削力又是计算切削功率 设 计和使用机床计和使用机床刀具刀具夹具的必要依据夹具的必要依据计和使用机床计和使用机床 刀具刀具 夹具的必要依据夹具的必要依据 切削力的来源切削力的来源切削力的来源切削力的来源 切削层材料 切屑和切削层材料 切屑和 工件表面层金属的弹工件表面层金属的弹工件表面层金属的弹工件表面层金属的弹 性变形 塑性变形所性变形 塑性变形所 产生的抗力产生的抗力产生的抗力产生的抗力 刀具与切屑 工件表刀具与切屑 工件表 面间的摩擦阻力面间的摩擦阻力面间的摩擦阻力面间的摩擦阻力 切削合力与分力切削合力与分力 切削力切削力 主切削主切削 在主运动方向上的分力在主运动方向上的分力 切削合力与分力切削合力与分力 切削力切削力F Fc c 主切削主切削F Fz z 在主运动方向上的分力在主运动方向上的分力 背向力F 背向力Fp p 切深抗力F 切深抗力Fy y 在垂直于工作平面上分力 在垂直于工作平面上分力 p py y 进给力F进给力Ff f 进给抗力F 进给抗力Fx x 在进给运动方向上分力 在进给运动方向上分力 切削分力的作用切削分力的作用切削分力的作用切削分力的作用 一般情况下 切削力F一般情况下 切削力Fc c最大 F最大 Fp p F Ff f小一些 小一些 F F 计算切削功率和设计机床的主要依据计算切削功率和设计机床的主要依据 F Fc c 计算切削功率和设计机床的主要依据计算切削功率和设计机床的主要依据 F Fp p 使工件变形或造成振动 对加工精度和已加工 使工件变形或造成振动 对加工精度和已加工 表面质量影响较大表面质量影响较大表面质量影响较大表面质量影响较大 F Ff f 作用在机床进给机构上 常用以设计机床进给 作用在机床进给机构上 常用以设计机床进给 机构或校核其强度机构或校核其强度机构或校核其强度机构或校核其强度 222 FFFF pfc FFFF 切削力测量的意义切削力测量的意义切削力测量的意义切削力测量的意义 切削功率切削功率切削功率切削功率 功率是力和力作用方向上的运动速度的乘积 切 削 功率是力和力作用方向上的运动速度的乘积 切 削功率功率是是各各切削切削分力消耗功率分力消耗功率的总和 的总和 功率各分力消耗功率功率各分力消耗功率 kWvFkW fnF vFP wx 33 1010 根据切削功率选择机床电动机根据切削功率选择机床电动机还要考虑机床还要考虑机床 kWvFkWvFP zzm 1010 1000 根据切削功率选择机床电动机根据切削功率选择机床电动机 还要考虑机床还要考虑机床 的传动效率 的传动效率 P P P P P PE E P PC C m m m m 机床传动效率 一般取0 75 0 85机床传动效率 一般取0 75 0 85 切削比能切削比能切削比能切削比能 切削比能是指去除单位体切削比能是指去除单位体 积金属所消耗的能量 积金属所消耗的能量 剪切比能剪切比能 VVAVF cos sinV V Vaa VA Vaa VF u s cw sc cw ss s 摩擦比能摩擦比能 ii cossin cw yz cw cns f rF aa FF Vaa VF u cos sincossin cw ns aa rF 总比能总比能 fs uuu 典型材料的加工比能典型材料的加工比能典型材料的加工比能典型材料的加工比能 典型材料的加工比能典型材料的加工比能 续续 典型材料的加工比能典型材料的加工比能 续续 广义测量系统广义测量系统 辅助能源 辅助能源 辅助能源 并非始终需要 辅助能 通常需要 敏感元件 信号调理器 被测量被传感的信号 传感器 信号调理器 与输入类似 模拟驱 动信号 显记计处控显 示 记 录 计 算 处 理 控 制 标定输入 仪仪机器器 切削力的测量切削力的测量切削力的测量切削力的测量 测力仪包括机械测力仪测力仪包括机械测力仪油压测力仪和电测油压测力仪和电测 测力仪包括机械测力仪测力仪包括机械测力仪 油压测力仪和电测油压测力仪和电测 力仪 其中电测力仪的测量精度和灵敏度较力仪 其中电测力仪的测量精度和灵敏度较 高高高高 电测力仪有电阻式 电感式 电容式 压电电测力仪有电阻式 电感式 电容式 压电 式和电磁式等 式和电磁式等 目前使用比较多的是电阻式和压电式测力仪目前使用比较多的是电阻式和压电式测力仪 目前使用比较多的是电阻式和压电式测力仪目前使用比较多的是电阻式和压电式测力仪 测力仪要求测力仪要求测力仪要求测力仪要求 良好的灵敏度 良好的灵敏度 足够的刚度足够的刚度 足够的刚度足够的刚度 直线性 直线性 定性定性 稳稳定性定性好 好 自振频率高自振频率高 自振频率高自振频率高 理想的动态特性 理想的动态特性 各项之间干扰小各项之间干扰小 各项之间干扰小各项之间干扰小 结构简单 应用方便 结构简单 应用方便 电阻式测力仪的原理电阻式测力仪的原理电阻式测力仪的原理电阻式测力仪的原理 在测力仪的弹性元件上粘贴具 有一定电阻值的电阻应变片 在测力仪的弹性元件上粘贴具 有一定电阻值的电阻应变片 然后将电阻应变片联接成电桥然后将电阻应变片联接成电桥 然后将电阻应变片联接成电桥然后将电阻应变片联接成电桥 在切削力的作用下 电阻应变 片随着弹性元件发生弹性变形 在切削力的作用下 电阻应变 片随着弹性元件发生弹性变形 从而改变了它的电阻从而改变了它的电阻在电路在电路从而改变了它的电阻从而改变了它的电阻 在电路在电路 中会由于电阻变化而产生电位 差 通过放大将电流读数显示 中会由于电阻变化而产生电位 差 通过放大将电流读数显示 或记录下或记录下电流读数电流读数一一般与切般与切或记录下或记录下 电流读数般与切电流读数般与切 削力的大小成正比 经过标定 后 可以得到电流读数和切之 削力的大小成正比 经过标定 后 可以得到电流读数和切之 间的关系的曲线间的关系的曲线测量时测量时知知间的关系的曲线间的关系的曲线 测量时测量时 知知 道电流读数 就能查出切削力 的数值 道电流读数 就能查出切削力 的数值 八角环形电阻式三向车削测力仪八角环形电阻式三向车削测力仪 石英的压电效应石英的压电效应石英的压电效应石英的压电效应 纵向效应纵向效应纵向效应纵向效应 在受压的石英表面产生电荷在受压的石英表面产生电荷 剪切效应剪切效应剪切效应剪切效应 在受剪切力的石英表面上产生 电荷 在受剪切力的石英表面上产生 电荷 横向效应横向效应横向效应横向效应 在与受压面垂直的石英表面上 产生电荷 在与受压面垂直的石英表面上 产生电荷 压电晶体测量仪压电晶体测量仪压电晶体测量仪压电晶体测量仪 某些非金属材料 石英晶 体和压电陶瓷 具有压 某些非金属材料 石英晶 体和压电陶瓷 具有压 电效应 即当它们受到外 力作用时 在其表面上将 电效应 即当它们受到外 力作用时 在其表面上将 产生电荷产生电荷电荷量与所受电荷量与所受产生电荷产生电荷 电荷量与所受电荷量与所受 的压力成正比而与压电材的压力成正比而与压电材 料的大小无关料的大小无关 受力时产受力时产料的大小无关料的大小无关 受力时产受力时产 生的电荷需经电荷放大器 转换成相应的电压参数 生的电荷需经电荷放大器 转换成相应的电压参数 通过标定可以确定力的大 小 通过标定可以确定力的大 小 压电晶体测量实物图压电晶体测量实物图压电晶体测量实物图压电晶体测量实物图 技术参数技术参数技术参数技术参数 刀具HSS刀具HSS 工件工件45 45 切削长度切削长度 35mm35mm工件工件45 45 切削长度切削长度 35mm35mm 切削参数n 520rpm V 切削参数n 520rpm Vf f 0 12mm r a 0 12mm r ap p 0 2 mm 0 2 mm p p 无冷却剂无冷却剂 Cutting Force Measurement New Productsg CompaDyn 9254 Technical data ToolCBN disk WkiW f Gl Work pieceWafer Glass Cutting parameters n 10 000 rpm vc 38 m s vf 60 mm min ap 2 mm Coolant pressurep 2 bar 两种测力仪的比较两种测力仪的比较两种测力仪的比较两种测力仪的比较 电阻应变片式测力仪 结构简单 有较好的灵敏度 刚度和动态特性 价钱便宜 不适宜测量高频的信 电阻应变片式测力仪 结构简单 有较好的灵敏度 刚度和动态特性 价钱便宜 不适宜测量高频的信 号 号 压电晶体式测力仪 结构简单 体积小 灵敏度 刚度 动态特征均优于上者 在湿度影响下 易产 压电晶体式测力仪 结构简单 体积小 灵敏度 刚度 动态特征均优于上者 在湿度影响下 易产 生电荷泄漏而影响测量精度 制造精度要求高 价 格较贵 不适于测量变化缓慢的信号 生电荷泄漏而影响测量精度 制造精度要求高 价 格较贵 不适于测量变化缓慢的信号 测量系统测量系统测量系统测量系统 电阻应变式电阻应变式电阻应变式电阻应变式 压电晶体式压电晶体式压电晶体式压电晶体式 切削力测量系统切削力测量系统切削力测量系统切削力测量系统 切削力的经验公式切削力的经验公式切削力的经验公式切削力的经验公式 利用测力仪测出切削力 再将实验数据加以适当处利用测力仪测出切削力 再将实验数据加以适当处 理理 可以得到切削力的经验公式可以得到切削力的经验公式 理理 可以得到切削力的经验公式可以得到切削力的经验公式 切削力的经验公式通常是以切削深度a切削力的经验公式通常是以切削深度ap p和进给量f和进给量f 为变量的幂函数为变量的幂函数其形式如下其形式如下 为变量的幂函数为变量的幂函数 其形式如下其形式如下 FFF ccc xyn cFpcF FC afvK cc FF Fppp pp cFpcF yn x pFpcF f FC afvK pp FFF fff ff pp xyn fFpcF FC afvK ff fp 单位切削力单位切削力单位切削力单位切削力 单位切削面积上的切削力 单位切削面积上的切削力 2 mmN FF p zz mmN aaA p wcc 单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率 单位切削功率单位切削功率 单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率 3 10 fvpa P 6 10 1000 10 p fva fvpa Z P P p p w m s 经验公式的建立经验公式的建立 切削力实验的设计方法很多 最简单的是切削力实验的设计方法很多 最简单的是 单素实验法单素实验法在定其他素在定其他素单单因因素实验法素实验法 即 即在在固固定其他定其他因因素素 只改 变一个因素的条件下 测出切削力 然后 只改 变一个因素的条件下 测出切削力 然后 处理数据 建立经验公式 处理数据 建立经验公式 处理数据的方法主要有 图解法以及回归处理数据的方法主要有 图解法以及回归 分析法分析法分析法分析法 元线性回归元线性回归一一元线性回归元线性回归 针对只有一个自变量x 因变量y 测得到系列数据 xiyi 针对只有个自变量x 因变量y 测得到系列数据 xi yi i 1 2 3 n 若已知变量x y之间的关系是 近似是 线 性 则可今其回归方程为 0 ybbx y 实际测量值 yi与回归值的差值为 bxbyyy 测量值与回归值的偏差平方和为 iiii bxbyyy 0 n i ii n i ii bxbyyybbQ 1 2 0 2 1 0 ii11 元线性回归元线性回归 续续 一一元线性回归元线性回归 续续 根据最小二乘法原理 当偏差平方和Q为最小 可求得b 和根据最小二乘法原理 当偏差平方和Q为最小 可求得bo和 b的值 0 2 0 ii Q ybbx b 0 0 0 2 0 ii iii y b Q ybbx x b 解得 bybx ii xxyy b b 解得 0 bybx 2 i b xx 式中 1 i xx n 1 i yy n 影响切削力的因素影响切削力的因素影响切削力的因素影响切削力的因素 刀具的几何参数刀具的几何参数刀具的几何参数刀具的几何参数 刀具材料刀具材料 工件材料工件材料 刀具材料刀具材料 工件材料工件材料 切切削力削力切切削力削力削力削力削力削力 切削用量切削用量刀具磨损刀具磨损 切削液切削液 切削用量切削用量刀具磨损刀具磨损 切削液切削液 工件材料的影响工件材料的影响 被加工工件材料的强度被加工工件材料的强度硬度越高硬度越高所受的切削力所受的切削力 被加工工件材料的强度被加工工件材料的强度 硬度越高硬度越高 所受的切削力所受的切削力 越大 同时 它还受到材料加工硬化能力大小的影越大 同时 它还受到材料加工硬化能力大小的影 响响 响响 化学成分一方面通过影响材料的强度和硬度来影响化学成分一方面通过影响材料的强度和硬度来影响 切削力的大小切削力的大小 另另一一方面方面 加入了硫加入了硫 铅等元素铅等元素 切削力的大小切削力的大小另方面另方面加入了硫加入了硫铅等元素铅等元素 会引起结构成份间的应力集中 形成挤裂切屑 使 切削力降低 会引起结构成份间的应力集中 形成挤裂切屑 使 切削力降低 同材料的热处理状态不同同材料的热处理状态不同金相组织不同也会影金相组织不同也会影 同同一一材料的热处理状态不同材料的热处理状态不同 金相组织不同也会影金相组织不同也会影 响切削力的大小 响切削力的大小 工件材料的塑性和韧性越高工件材料的塑性和韧性越高切削变形越大切削变形越大切屑切屑 工件材料的塑性和韧性越高工件材料的塑性和韧性越高 切削变形越大切削变形越大 切屑切屑 与刀具间摩擦增加 故切削力越大 切削脆性材料 时 其切削力一般低于塑性材料 与刀具间摩擦增加 故切削力越大 切削脆性材料 时 其切削力一般低于塑性材料 切削用量的影响切削用量的影响切削用量的影响切削用量的影响 切削深度a切削深度ap p或进给或进给 量量f f加大加大 均使切削均使切削量量f f加大加大 均使切削均使切削 力增大 但两者的力增大 但两者的 影响程度不同影响程度不同 影响程度不同影响程度不同 在切削加工中 如在切削加工中 如 果从切削力和切削果从切削力和切削果从切削力和切削果从切削力和切削 功率来考虑 加大功率来考虑 加大 进给量比加大切削进给量比加大切削进给量比加大切削进给量比加大切削 深度有利 深度有利 书书 P68 图图4 10书书 P68 图图4 10 切削速度切削速度 切削速度切削速度 加工塑性材料时 在低 加工塑性材料时 在低 中速时中速时由于积屑瘤的产由于积屑瘤的产 书书 中速时中速时 由于积屑瘤的产由于积屑瘤的产 生和消失 使车刀实际前生和消失 使车刀实际前 角发生变化角发生变化 导致切削力导致切削力 书书P68 图图4 角发生变化角发生变化 导致切削力导致切削力 变化 高速时 切削力一 般随着切削速度的增大而 变化 高速时 切削力一 般随着切削速度的增大而 减小减小 4 11 减小减小 切削脆性材料时 因其塑 性变形很小 切屑和前刀 切削脆性材料时 因其塑 性变形很小 切屑和前刀 面的摩擦也很小面的摩擦也很小所以切所以切 书书 面的摩擦也很小面的摩擦也很小 所以切所以切 削速度对切削力没有显著削速度对切削力没有显著 的影响的影响 P69 图 图4 的影响的影响 12 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 前角 前角增大 前角 前角增大 切削变形减小切削变形减小 切削变形减小切削变形减小 切削力减小 尤 其是加工材料的 切削力减小 尤 其是加工材料的 韧性韧性延伸率越延伸率越韧性韧性 延伸率越延伸率越 高 增大前角 切削力下降得更 高 增大前角 切削力下降得更 为显著 但对脆 性材料的影响并 为显著 但对脆 性材料的影响并 不显著不显著 不显著不显著 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 负倒棱的存在会增加切削力 其影响作用与倒棱宽度与进给 量之比有关 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 主偏角主偏角 在在30o 60o范围内范围内 增大主偏角增大主偏角 切削厚度增大切削厚度增大 主偏角主偏角 在在30 60 范围内范围内 增大主偏角增大主偏角 切削厚度增大切削厚度增大 切削变形减小 切削力切削变形减小 切削力Fz减小 从减小 从60o增加到增加到90o 切屑流 出时挤压加剧 切削力 切屑流 出时挤压加剧 切削力Fz逐渐增大 逐渐增大 Fy随着主偏角的增大随着主偏角的增大 y 而减小 而减小 Fx随着主偏角的增大而增大 主偏角的变化会改 变切削分力的分配比例 生产中常选择主偏角为 随着主偏角的增大而增大 主偏角的变化会改 变切削分力的分配比例 生产中常选择主偏角为75o 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径圆弧半径增大圆弧半径增大切削刃曲线部分的长度和切削刃曲线部分的长度和 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径 圆弧半径增大圆弧半径增大 切削刃曲线部分的长度和切削刃曲线部分的长度和 切削宽度也随之增大 但切削厚度减薄 切削变形增大 切削宽度也随之增大 但切削厚度减薄 切削变形增大 切削力增大切削力增大 切削力增大切削力增大 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 刃倾角刃倾角刃倾角对刃倾角对F 影响不大影响不大但对但对F 和和F 影响较影响较 刃倾角刃倾角 刃倾角对刃倾角对Fz影响不大影响不大 但对但对Fy和和Fx影响较影响较 大 生产中 常由于刃倾角的增加 而使轴类工大 生产中 常由于刃倾角的增加 而使轴类工 件产生弯曲变形并引起振动件产生弯曲变形并引起振动件产生弯曲变形并引起振动件产生弯曲变形并引起振动 其它因素其它因素其它因素其它因素 刀具材料 对切削力的影响是由刀具材料与工件刀具材料 对切削力的影响是由刀具材料与工件 材料之间亲合力和摩擦系数等因素决定的材料之间亲合力和摩擦系数等因素决定的 材料之间亲合力和摩擦系数等因素决定的材料之间亲合力和摩擦系数等因素决定的 切削液切削液由于使刀具由于使刀具工件与切屑接触面间摩擦工件与切屑接触面间摩擦 切削液切削液 由于使刀具由于使刀具 工件与切屑接触面间摩擦工件与切屑接触面间摩擦 减小 因此 能较显著减小切削力 减小 因此 能较显著减小切削力 刀具磨损 后面磨损 使刀具与加工表面间摩擦刀具磨损 后面磨损 使刀具与加工表面间摩擦 加剧 故切削力加剧 故切削力Fc Fp增大 增大 加工实例加工实例加工实例加工实例 在正交切削中 刀具前角为 在正交切削中 刀具前角为 0 0 10 100 0 背吃刀量为0 5mm 加工 后切屑厚度为1 125mm 刀具宽度为3 125mm 切削时所测得的 背吃刀量为0 5mm 加工 后切屑厚度为1 125mm 刀具宽度为3 125mm 切削时所测得的 力力F F50N50NF F15N15N切削速度为切削速度为90 i90 i求加工时的剪切求加工时的剪切 在正交切削中 刀具前角为 在正交切削中 刀具前角为 0 0 10 100 0 背吃刀量为0 5mm 加工 后切屑厚度为1 125mm 刀具宽度为3 125mm 切削时所测得的 背吃刀量为0 5mm 加工 后切屑厚度为1 125mm 刀具宽度为3 125mm 切削时所测得的 力力F F50N50NF F15N15N切削速度为切削速度为90 i90 i求加工时的剪切求加工时的剪切力力 F Fc c 50N50N F Ff f 15N15N 切削速度为切削速度为 9090m m m mi in n 求加工时的剪切求加工时的剪切 应变 剪切应力 切削功率 应变 剪切应力 切削功率 解解 剪切应变剪切应变 即相对滑移即相对滑移 力力 F Fc c 50N50N F Ff f 15N15N 切削速度为切削速度为 9090m m m mi in n 求加工时的剪切求加工时的剪切 应变 剪切应力 切削功率 应变 剪切应力 切削功率 解解 剪切应变剪切应变 即相对滑移即相对滑移 解解 剪切应变剪切应变 即相对滑移即相对滑移 0 5 1 125 0 444 解解 剪切应变剪切应变 即相对滑移即相对滑移 0 5 1 125 0 444 从下式中可以求出剪切角从下式中可以求出剪切角 tan cos 0 1 sin 0 tan 0 444 cos 10 10 444 sin 10 25 4 从下式中可以求出剪切角 从下式中可以求出剪切角 tan cos 0 1 sin 0 tan 0 444 cos 10 10 444 sin 10 25 4 tan 0 444 cos 10 1 0 444 sin 10 25 4 从下式可以计算出相对滑移从下式可以计算出相对滑移 tan 0 cot tan 0 444 cos 10 1 0 444 sin 10 25 4 从下式可以计算出相对滑移从下式可以计算出相对滑移 tan 0 cot tan 25 4 10 cot 25 4 2 386 tan 25 4 10 cot 25 4 2 386 加工实例 续 加工实例 续 加工实例 续 加工实例 续 在正交切削中 刀具前角为 在正交切削中 刀具前角为 0 0 10 100 0 背吃刀量为0 5mm 加工 后切屑厚度为1 125mm 刀具宽度为3 125mm 切削时所测得的 背吃刀量为0 5mm 加工 后切屑厚度为1 125mm 刀具宽度为3 125mm 切削时所测得的 力力F F50N50NF F15N15N切削速度为切削速度为90 i90 i求加工时的剪切求加工时的剪切 在正交切削中 刀具前角为 在正交切削中 刀具前角为 0 0 10 100 0 背吃刀量为0 5mm 加工 后切屑厚度为1 125mm 刀具宽度为3 125mm 切削时所测得的 背吃刀量为0 5mm 加工 后切屑厚度为1 125mm 刀具宽度为3 125mm 切削时所测得的 力力F F50N50NF F15N15N切削速度为切削速度为90 i90 i求加工时的剪切求加工时的剪切力力 F Fc c 50N50N F Ff f 15N15N 切削速度为切削速度为 9090m m m mi in n 求加工时的剪切求加工时的剪切 应变 剪切应力 切削功率 应变 剪切应力 切削功率 力力 F Fc c 50N50N F Ff f 15N15N 切削速度为切削速度为 9090m m m mi in n 求加工时的剪切求加工时的剪切 应变 剪切应力 切削功率 应变 剪切应力 切削功率 解 剪切应力 从下式可求出剪切力 解 剪切应力 从下式可求出剪切力 Fs Fccos Ffsin 解 剪切应力 从下式可求出剪切力 解 剪切应力 从下式可求出剪切力 Fs Fccos Ffsin Fs 50 cos 25 4 15 sin 25 4 38 73N 从下式可求出变形面积从下式可求出变形面积 Aa a sin Fs 50 cos 25 4 15 sin 25 4 38 73N 从下式可求出变形面积从下式可求出变形面积 Aa a sin