切削力预测方法研究

机械制造与研究 冯卫 东 等 切 削力预测方法研 究 切削力预测方法研 究 冯卫东 戚厚军 天津工程师范 学院 机械工程学院 天津 3 0 0 2 2 2 摘要 切削力是一个包含了切削加工过程信息的非常重要的物理量 可靠的切削力的预测 对于在设计和选择加工系统时决定设备功率 工件轮廓误差或偏差 颤振和振动特性 刀具和 夹具的强度等是至关重要的 介绍了常用的切削力预测的方法 并详细分析了其原理和优缺 点 指出了其适用范围 关键词 切削 切削力 预测 中图分类号 T H1 6 文献标志码 B 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 0 0 5 0 0 6 2 0 2 S t u dy o f Pr e di c t i O n O f Cut t i n g Fo r c e s F E N G We i d o n g Q I H o u j u n S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g in e e r i n g T i a n j i n U n iv e r s i t y o f T e c h n o l o g y a n d E d u c a t io n T i a n j i n 3 0 0 2 2 2 Ch in a Ab s t r a c t C u t t in g f o r c e is a n imp o r t a n t p h y s ic a l v a r i a b le t h a t e mb o d i e s r e l e v a n t p r o c e s s i n f o r ma t io n o f ma c h i n in g R e li a b l e p r e d ic t io n o f t h e c u in g f o r c e s i n ma c h i n i n g op e r a t ion s is e s s en t ial f or d et e r mi n in g t h e p o wer r e qu ir emen t s mac h i n e d c o mp o n en t g eo me t r i c a l e r r o r s o r d e v i a t i o n s c h a e r v i b r a t io n c h a r a c t e r i s t ic s a n d s t r e n g t h r e q u i r e me n t s o f c u r i n g t o o ls a n d j i g s a n d f i x t u r e s in d e s ig n in g a n d s elec t in g pr a c t ic a l ma c h i n i n g s ys t e ms Th e p ap e r a n aly z e s t h e a d v an t a g e s a n d d i s a d v an t a g es o f t h e c o mmo n me t h o d a p pli e d t o t h e p r ed ic t io n o f cu t t i n g f o r c e s Ke y wo r ds c u in g c u in g f or c e pr e d i c t ion 0 引言 随着改革开放的发展和社会主义市场经济的繁荣 中 国正日益成为全球制造的中心 这对我国制造业的发展带 来了前所未有的机遇 金属切削加工作为机械加工的重 要方法之一 在机械制造业中扮演着非常重要的角色 随 着 C A D C A M技术的不断发展 越来越多的大型复杂零件 和模具需要通过金属切削加工的方法来实现生产 同时 随着科技的飞速发展 越来越多的难加工材料和有着特殊 材料特性的材料需要切削加工成形 零件的复杂性和材 料的特殊 性对 现 有 的切 削加 工技 术 带来 了前 所 未 有 的 挑战 切削力是一个包含有切削加工过程信息的非常重要 的物理量 可靠的 量化的切削力预测对于生产实践和理 论研究都有着极其重要的意义 a 切削力是计算铣削功率 制订铣削用量 设计铣 床 刀具 夹具的重要参数 b 切削力预测对于在计算机辅助过程规划中的约束 优化也必不可少 C 切削力预测对于选择合理的加工参数和适当的加 工条件 改善产品质量和降低生成成本非常重要 d 随着计算机技术的发展 对关键的切削属性 如可 加工性 表面质量 刀具的磨损和破裂 颤振等进行仿真 从而得出一些加工规划和在线监控方法已成为切削研究 和知道生产实践的有效手段之一 而切削力预测是所有 切削仿真工作的基础 e 随着高速切削的不断发展完善和应用 高速切削 稳定性已越来越为人们所重视 而切削力预测对于切削 过程中的稳定性阈值的预测必不可少 f 在不久的将来 切削力建模和预测对建立和完善 虚拟机床技术也将起到非常重要的作用 从 2 0世纪初开始 国内外学者在对切削过程和切削 机理的研究上投入了大量的力量 尤其是从7 0年代开始 计算机技术的发展为金属切削注入了新鲜的血液并带来 了研究发展的新繁荣 目前 切削力的预测方法主要有切 削力经验公式 机械学说模型和理论切削力模型三种 1 切 削力经验公式 利用测力仪测量切削力 在大量实验的基础上 用数 学方法 如图解法 回归方法等 对所得数据进行处理 可 以获得计算切削力的经验公式 目前 在生产实际中计算切削力的经验公式可以分为 两类 1 是指数公式 2 是按照单位切削力进行计算 常用的指数公式为 fF c C p c n x c n c K c C o 印 1 t c c F K M 式中 C C C 工件材料和切削条件对三个分力的 影响系数 作者简介 冯卫东 1 9 7 4 一 男 山西运城人 硕士研究生 研究方向为切削稳定性 6 2 h t t p Z Z H D c h i n a j o u r n a 1 n e t c a E m a i l Z Z H D c h a i n a j o u m a 1 n e t c n 机械制造与 自 动化 机械制造与研究 冯卫东 等 切削力预测方法研究 背吃刀量对三个分力的影响指数 Y n Y 进给量对三个分力的影响指数 n n n I t 切削速度对三个分力的影响指数 K r c K K F 厂 一 各种因素对三个分力影响的修正系 数的乘积 单位切削力是指单位面积上 的切削力 用 k 表示 如已知单位切削力 则可利用下式计算出切削力 F j A D k o a J k c h D b D 2 式中 k 单位切削力 切削层公称截面积 切 削层 公称厚度 b 切 削层 公称宽度 a 背吃刀量 厂 进 给量 经验切削力公式是在 2 0世纪 6 0年代通过对车削过 程的观察分析得出的 它需要大量的切削实验来确定切 削参数 如背吃刀量 进给量及切削速度与各切削力分力 之间的关系 而且 经验切削力公式对于断续切 削以及切 削过程 中切屑 的横截 面积 不 断变化 的切削 方法 如铣 削 等 是很难得出比较精确的结果的 2 机械学说模型 基于机械学说 或称之为半实验的切削力模型认为在 切削过程中消耗的功率与金属去除率成正比 而金属去除 率又是切深 切屑厚度和切削速度的乘积 比例系数定义 为一个常量 即切削力系数 岳 式中 切削过程中消耗的功率 金属去除率 切 削力 切削速度 a 背吃 刀量 切削厚度 一 般对于未变形切屑厚度 的定义被认为是随时间变 化的静态的切屑厚度和动态的切屑厚度的和 而静态的切 屑厚度仅仅决定于每齿进给量和接触角 f t 4 t 是 静态切屑厚度 是稳 定切削条件下 的未变形 的切屑厚度 动态切屑厚度 T a t 将会导致刀具和工件 之间的相对振动 这种振动正是不稳定切削条件的主要部 分 在假定稳定切削的条件下 切屑厚度总是等于静态切 屑厚 度 t T t t 5 实际测量的切削力不 仅包含 前刀 面对切 削层 的作用 力 也包含在第三变形 区发生 在切削刃后刀面的划擦作用 产生的力 基本的基于机械学说的半实验的切削力模型 如下 r 0 P t n P 口 r t a p 6 L F n P j n P Ma c h i n e B u il d i n g 8 Au t o m a t i o n Oc t 2 0 1 0 3 9 5 6 2 6 3 7 3 切削力系数 k k j 和刃口力系数 k 与剪切 变形无关 可以直接通过刀具一工件材料对 的切 削实 验标 定获得 不同的建模方法只是在切削力系数 k j k 刃 口力系数 k k 和指数 不 同 该切削力模型要求对每一对刀具一工件材料对进行 切削实验以求得切削力系数 因而需要大量实验 该模 型也不能揭示加工条件 材料特性和刀具参数等与切削 力之问的关系 而且 该模型没有办法在设计刀具之前 或对新 的刀 具一 材料 对 进 行 切 削 实验 之 前 进 行切 削 力 预测 3 理论切削力模型 2 0世纪 4 0年代美 国学者 Me r c h a n t 提出了塑性金属 切削是剪切过程的力学模型 该模型以切屑作为单元体 在假定剪切区是一个薄平面的假说基础上 认为前刀面作 用在切屑上的正压力和摩擦力的合力与作用在剪切平面 上的正应力和切应力 的合力 是一 对平衡力 从而推导 出了 正交切削的切削力与切削参数的关系式 并用最小能量原 理求出 了剪切角 的理论公式 J A r ma r e g o 在正交切削模型的基础上通过斜角切削的 力学分析建立了斜角切削力学模型 F L s m0 等筹 相应的切削力系数为 上 s i n b c o s 3 o t a n i t a n T s i n fl 8 l f c o s 一 t a n i t a n s i n c o s 咖 3 一 ta n 7 s i n 卢 a 由于很难通过拉伸和摩擦试验中获得标准材料特 性来预测切削过程中刀具前刀面的平均摩擦系数和剪切 平面的剪切角及切应力 比较精确和现实的做法是通过 正交切削实验来获得这些参数 通过直角切削实验获得 剪切角 平均摩擦角卢 和剪切屈服强度f 采用下列 假说 利用斜角切削力系数表达式预测切削力 1 斜角切削中的法向剪切角等于直角切削的剪切角 咖 2 斜角切削中的法向前角等于直角切削前角 3 采用 S t a b l e r 的切屑流动规则 切屑流动角等于斜 角切削倾角 田 i 4 对于给定 的切 削速 度 切 屑载荷 和刀具 一 材料对 在斜角切削中的摩擦因数 和剪切屈服强度f 与直角切 削相 同 b 大量实验证明 该切削力模型虽然可用 但尚存在 下转第 7 3页 6 3 j S 一 0 一 C 一n S 机械制造与研究 张正彬 等 工程制图教学中板书画图和多媒体结合的探讨 经验 加深了对本节内容的理解 同时 年轻人通过这种 自 我表现的形式 增强了自信心 为将来成为一名优秀的工 程师打下 良好的心理基础 通过这种师生互动的形式 也 加深了师生之间的感情联络 为更好地完成教学任务打下 了基础 这样实现了多媒体与手工绘图相结合 教师讲课 与学生参与相结合 既发挥了多媒体立体感强的优势 又 通过手工绘图 加深了对基本读绘图方法的理解与掌握 各取所长 形式活泼 是一种让学生喜闻乐见的教学方法 4 结语 多年的教学实践表明 制图教学中充分利用多媒体课 件立体感强 动画形式活泼多样 引人人胜的优势 结合传 统的板书教学 发动学生积极参与动手画图 可以较快地 培养学生的空间想象能力 及读图绘 图的技能 为学习相 关专业课程打下坚实基础 随着社会需求的不断变化 教 学改革与教学研究的不断发展 工程制图教学中会不断出 现新课题 师生要继续努力 与时聚进 不断探寻最佳的教 学方法 为培养更多优秀的专业人才而奋斗 参考文献 1 杨文珍 陈文华 机械 制图理 论及实践 系列 课程建 设 的探 索 D 机械类课程报告论坛论文集 2 0 0 9 2 同济大学建筑制图教研室 画法几何 M 3版 上海 同济大 学出版社 2 0 0 4 3 大连理工大学 工程画教研室 机械制图 M 5版 北京 高 等 教育出版社 2 0 0 4 4 罗敏雪 画法几何 M 合肥 中国科技大学出版社 2 0 0 6 5 朱福熙 何斌 建筑制图 M 3版 北京 高等教育 出版 社 1 9 9 4 收稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 2 上接第6 3页 许多不完善之处 j 1 该力学模型把切削区的剪切滑移现象假设成是在 单一剪切平面上产生的 这不符合实际情况 在低速切削 时这一假设与实际不符尤为明显 所以单一剪切平面只能 作为假想的或名义 的剪切平面 是一种简单化的表示 方法 2 把切屑和前刀面的摩擦作为一般服从库仑定律的 外摩擦来处理 也是不符合实际情况的 实际上 在前刀 面上的接触长度内既有内摩擦 也有外摩擦 这两部分上 的正应力与切应力分布各不相同 3 把切屑作为单元体 认为前刀面上的正压力和前 刀面与切屑之间的摩擦力的合力 F 和剪切面上 的正应力和切应力的合力 F 是一对平衡力 这个模型被大量试验证明 基本上是可用的 但又是不完 善的 不能解释切屑弯曲这个基本事实 4 在预测剪切角和切削力时也应该考虑切削变形 变形速度以及切削温度对被切材料性能的影响 否则 预 测将不准确 5 斜角切削力学分析中 法平面上的切削厚度在沿 着切削宽度方向的两端是变化的 6 需要庞大而完备的正交切削数据库 7 未考虑剪切变形区的加工硬化 理论切削力模型虽然 由于简化而并不完 善 但它 从切削机理上揭示 了刀具参数 加工条件以及工件材 料特 性之 间 的关 系 对 于 加 工 过 程 优 化 和 刀 具 设 计 提 供 了最基本 的理论基础 而且 通过该理论切削力模型 可以在刀具设计之前或新刀具使用之前 根 据其 正交 切削数据库 对切削力 进行大概 的预测 以了解其加 工 过 程特 性 Ma c h i n e B u i ld in g8 Au t o m a t i o n Oc t 2 0 1 0 3 9 5 7 一刀 4 结语 切削力预测除了上述常用方法之外 还有很多其他的 方法 如有限元 法 F E M 基于混 沌 理论 的方 法 基 于人 工神经网络的方法 等等 也有学者就某一种加工方法提 出了一些不 同于现有 的切削力模 型的切削力预测方法 如 J R o t b e r g 6 等人提出了快速评估铣削力 的方法 适用于 所有进给率的基本的铣削力方程是通过应用特殊的步骤 的单齿全齿铣削 铣槽 得到的 对于每一种不同形状材 质的铣刀 都需要定制一把同样材质和切削刃线的单齿刀 具 才能使用该方法 这使得该方法的实用性大打折扣 相信随着技术的发展和人们的不断努力 切削力预测的理 论一定会越来越完善 参考文献 1 Z h e n g L i Y a w e i L i a n d S t e v e n Y L i a n g a G e n e r a l i s e d m o d e l o f mi l l i n g f o r c e s J I n t J A d v Ma n u f T e c