切削力與切削功率

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1、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，切削力又是計算切削功率，設(shè)計和使用機床、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，對進一步弄清切削機理，對計算功率消耗，對刀具、機床、夾具的設(shè)計，對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，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形并成為切

2、屑所需的力，稱為切削力。切削力來源于三個方面：(如圖1所示)1、克服被加工材料對彈性變形的抗力；2、克服被加工材料對塑性變形的抗力；3、克服切屑對前刀面的摩擦力和刀具后刀面對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、計算切削力的大小，通常將合力Fr，在按主運動速度方向、切深方向和進給方向作的空間直角坐標(biāo)軸z、y、x上分解成三個為相互垂直的Fz、Fy和Fx三個分力。(圖2)1、主切削力Fz（切向力）

3、：主運動切削速度方向的分力。Fz是最大的一個分力，它消耗了切削總功率的95%左右，是設(shè)計與使用刀具的主要依據(jù)，并用于驗算機床、夾具主要零部件的強度和剛度以及機床電動機功率。圖22、切深抗力Fy（徑向力）：切深方向的分力。Fy不消耗功率，但在機床一工件一夾具一刀具所組成的工藝系統(tǒng)剛性不足時，是造成振動的主要因素。3、進給抗力Fx：進給方向的分力。(圖3)Fx消耗了總功率5%左右，它是驗算機床進給系統(tǒng)主要零、部件強度和剛性的依據(jù)。注：在銑削平面對，上述分力亦稱為：Fr——切向力、Fy——徑向力、Fx—

4、—軸向力。圖3根據(jù)實驗，Kr=45o，λs=0o和γo=15o時，F(xiàn)z、Fx和Fy之間有以下近似關(guān)系：Fy=（0.4~0.5)Fz，F(xiàn)x=（0.3~0.4)Fz由此可得：Fγ=（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，F(xiàn)x、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方向的運動速度為零，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。故切削功率Pc（單位KW）為Pc=Fz

5、Vc×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，如要計算機床電動機的功率（PE）以便選擇機床電動機時，還應(yīng)考慮到機床傳動效率。按上式求得切削功率后，如要計算機床電動機的功率（PE）以便選擇機床電動機時，還應(yīng)考慮到機床傳動效率。PE≥Pc/ηm式中：ηm—機床的傳動效率，一般取為0.75～0.85，大值適用于新機床，小值適用于舊機床。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?？捎肒c表示(N/mm2)Kc=Fc/AD式中AD

6、——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，可利用下式計算主切削力：Fc=Kc*AD=Kc*ap*f四、切削力測量與經(jīng)驗公式生產(chǎn)、實驗中經(jīng)常遇到切削力的計算。目前切削力的理論計算公式只能供定性分析用。因為切削力Fz計算公式是在忽略了溫溫度、正應(yīng)力、第Ⅲ變形區(qū)變形與摩擦力等條件下推導(dǎo)出來的，故不能用于計算。而求切削力較簡單又實用的方法是利用測力儀直接測出或通過實驗后整理成的實驗公式求得。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

7、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。在自動化生產(chǎn)中，還可利用測力傳感裝置產(chǎn)生的信號優(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，則電橋不平衡，產(chǎn)生了電流或電壓訊號輸出，該訊號經(jīng)應(yīng)變儀放大

8、，并由計錄儀顯示出來。通過標(biāo)定就能作出電量與切削力之間的關(guān)系圖表。在測力時根據(jù)記錄的電量，可以從標(biāo)定圖表上查出對應(yīng)的切削力數(shù)值。2、切削力的經(jīng)驗公式圖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驗數(shù)據(jù)，對于一般加工方法，如車削、孔加工和銑削等已建立起了可直接利用的經(jīng)驗公式。測力實驗的方法有單因素法和多因素法，通常采用單因素法。即固定其它實驗條件，在切削時分別改變背吃刀量ap和進給量f，并從測力儀上讀出對應(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