第四章切削力

主切削力Fc（Fz）：主运动方向上的切削分力。用于计算切削功率、校核机 床及工夹具强度和刚度。切削力，它垂直于基面pr，与切削速度方向一致， 它消耗机床的主要功率，是计算切削功率、选取机床电动机功率和设计机床 主传动机构的依据; 背向力Fp （Fy） （径 向分力Fy）： 它作用于基面 pr内，与进给 方向垂直，它 能使工件产生 变形，过大会 引起工艺系统 的变形和振动， 降低加工质量。 机床设计时， 用于主轴轴承 寿命计算、轴 承选择、主轴 弯曲刚度校验 等。
2)压电式测力仪
• • • • • 压电式测力仪具有灵敏度高、刚度 大、自振频率高、线性度和抗相互干 扰性较好，无惯性、精度高的优点，适 用于测量动态切削力和瞬时切削力。其 缺点是易受湿度影响，连续测量稳定的或变化不大的切削力时，存在电 荷泄漏，致使零点漂移，影响测量精度。 • 这种测力仪利用某些材料(如石英品体或压电陶瓷)的压电效应。即当 受力时其表面产生电荷，电荷的多少仅与所施加的外力的大小成正比。 用电荷放大器将电荷转换成相应的电压参数就可以测出力的大小。图为 单一压电传感器原理图。电压参数就可以测出力的大小。图3.34为单一 压电传感器原理图。压力F通过小球1及金属薄片2传给压电晶体3。两压 电晶体间有电极4，由压力产生的负电荷集中在电极4上，通过有绝缘层 的导体5传出，而正电荷则通过金属片2或测力仪体接地传出。导体5输 出的电荷通过电荷放大器放大后用记录仪器记录下来，在事先标定的标 定曲线图上即可查出切削力的数值。在测力仪中沿三个方向上都装有传 感器，可以分别测出三向分力。
CFc , CFp , CFf —与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf —— 背吃刀量ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf —— 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf —— 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具 磨损等因素影响的修正系数。
第四章切削力
• 定义：切削力是指由于刀具切削工件而产 生的工件和刀具之间的相互作用力，是金 属变形的原因。
• 切削力是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过 程有着多方面的重要影响：
• • • • • 变形； 生产效率； 加工表面质量； 设计依据； 加工性能的指标；
• 意义：掌握切削力的变化规律，计算切削力的数值， 不仅是设计机床、刀具、夹具的重要依据，而且对分 析、解决切削加工生产中的实际问题有重要的指导意 义。
进给力Ff（轴向分力Fx）:进给力，它作用于基面pr内， 与进给方向平行，是设计机床进给机构的依据;
Fd—作用于基面内的合力。
作用力关系如下： • F2=Fc2+Fp2+Ff2 • Fp=FD cosκr ； Ff=FDsinκr
• FD：在基面内合力；FD2=Fp2+Ff2
• F2=Fc2+FD2 • 一般情况下，主切削力Fc最大。 • 随着刀具材料、刀具几何参数、刃磨情况、切削用量、工件材料 的不同，Fc、Fp、Ff之间的比例可在较大范围内变化。 • 根据实验，当κr=45°、λs=0°、γo=15°时，Fc、Fp、Ff之间有 近似关系：
kc
Fc AD
N / mm2
4.2切削力的测量与经验公式
• 4.2.1切削力的测量 • 1.间接测量法——电功 率法 • 在没有专用测力仪器的 情况下，可以使用功率 表测出机床电动机在切 削过程中所消耗的功率 PE，然后按式计算出pc。 在切削速度己知的情况 下，利用式计算出F. • 这种方法只能粗略的 估算出切削力的大小。
第一种方法查表
第一步：选择公式
第二步：查表求系数
工件材料：45钢，σb＝ 598MPa； 刀具材料：YT15；
工件材料：45钢，σb＝598MPa； 刀具材料：YT15；
几何参数：γo＝15°， αo＝8°，kr＝75°， kr‘＝10 °，λs＝-5 °， rε＝1mm。
简单介绍第二种方法
电阻应变片
• 测力时，当紧固在传感器刀孔内的 车刀受到切削力作用时，应变片中 电阻丝的直径和长度将随弹性元件 的变形而发生变化，因而其阻值将 发生微小变化，受拉伸时阻值增大， 受压缩时阻值减小，其变化量随变 形量的大小而变化。为便于测量， 通常采用电桥电路将其转化为电压 （或电流）信号，再由应变仪放大 后，由记录仪输出。在传感器元件 允许的范围内，输出电信号与切削 力的大小成正比，通过标定可得到 切削力与电信号之间的关系曲线 （标定曲线），进行实际切削时， 通过测量得到的电信号便可在曲线 上找到其对应的切削力数值。
•
• •
注意： 切削力的大小不单纯受材料的原始强度和硬度影响，它还受到 材料加工硬化能力大小的影响。例如，奥氏体不锈钢的强度、硬 度都较低，但是加工硬化能力大，较小的变形就会引起硬度较大 的提高，导致切削力增大。
在含硫、铅元素的钢中如果引起结构成分间的应力集中，则 容易形成挤裂切屑，其切削力将比正常钢减小20% -30%，故此种 钢也被称为易切钢。
2.用单位切削力公式计算：
kc Fc AD N / mm2
→
Fc kc AD kc (hDbD ) kc ( fa p )
Pc=pcQ
补充：
pc是单位切削功率；Q是单位时间体积切除量
例：已知：工件材料：45钢，σb＝ 598MPa； 刀具材料：YT15； 几何 参数：γo＝15°，αo＝8°，kr＝75°， kr‘＝10 °，λs＝-5 °，rε＝1mm。 切削用量：vc＝100m/min，f＝0.4mm/r， ap＝4mm。求：Fc、Pc
• •
举例： 当进行切削力实验时，保持其他切削条件不变，只改变背吃刀量,用测力仪测出不 同背吃刀量时的切削分力数据，将所得的数据画在对数坐标纸上，近似为一条直线， 如图所示，其数学方程见图。
• 综合后得：
• 4.2.3切削力的计算 • 实际生产中，常用指数公式来计算切削力以及切削功 率。 F C a xFc f yFc K Fc p Fc • 1.指数公式： c xF p yFp K Fp Fp CFp a p f xF f yF f Ff CF f a p f K Ff
nw f 1000
) 10 3 kw
由于进给运动相对于主运动消耗的功很少，小于1%~2%)，可以忽略不计， 于是有
Pc Fc vc 10 3 kw
PE Pc
机床的电机功率应为
c
式中 η─ 机床的传动效率，一般取0.75（旧机床）～0.85（新机 床）。 4.1.4单位切削力 指单位切削面积上的主切削力，用kc表示，切削面积，即
建立Fc与ap、f之关系的原理以及主要步骤 如下： 首先建立Fc 与ap、f之单元关系。实验时确定ap以外的所有其他切削 条件，选取若干个ap进行切削实验，用测力仪量取不同ap时的切削 力 Fc ，得到若干组Fc与ap的对应数据，经数据处理（详细），得到Fz 与ap之间的单元关系式。然后用同样方法Fc与f的单元定量关系 式。 最后将两单元关系式加以综合，便可得到Fc与ap、f之间的多元定量 关系式。
• Fp=(0.40.5) Fc
Ff=(0.30.4) Fc
F=(1.121.18)Fc
注意：切削力方向
4.1.3切削功率
• 消耗在切削过程中的功率称为切削功率，记为Pc。切削功率是 三个切削分力消耗功率的总和，即 ：
Pc Fc vc Fp 0 F f v f ( Fc vc F f
• 2.直接测量法——测力仪法 • 为获得在某特定切削条件下切削力的数值，可用一种专门用于测 量切削力的装置测力仪进行测量。测力仪的种类很多，按工作原 理的不同，可分为机械式、电阻式、电感式、压电式等。目前使 用较为普遍的是电阻应变式测力仪。压电式测力精度高，但价格 昂贵，应用也在不断增加。下面介绍电阻应变式测力仪的工作原 理及其测力方法。 • 电阻应变式测力仪由传感器、电桥电路、应变仪和记录仪组成。 传感器是一个可将切削力的变化转换为电量变化的弹性元件，其 结构有多种形式，目前使用较多的是八角环式。中部八角环形部 分为弹性元件，分为上环和下环，前端有安装车刀用的方孔，后 部的圆孔用于在车床刀架上安装紧固。
Fc kc AD kc (hDbD ) kc ( fa p )
注意：修正系数在48页表4.8查
4.3影响切削力的因素
在切削过程中，有很多因素都对切削力产生了不同程度的影响， 归纳起来除了工件材料、刀具材料、刀具参数、切削用量、后刀面 磨损、刀具刃磨质量及切削液等方面的影响。这些因素的影响程度 和影响规律在切削力的理论公式和经验公式中都有较全面的体现。 刃倾角为零的时候，根据力学和材料 的应力应变规律得到理论公式：
本节内容： 1、研究切削力的构成、切削合力与分力， 以及功率； 2、切削力测量以及计算； 3、影响切削力的因素；
4.1切削力的构成、切削合力与分力及切削功率
• • • • • • • • • • • • • 4.1.1切削力的构成 产生切削力的根本原因是切削过程中产生的变形和摩擦。对刀具来说， 它受到的切削力来自： 1)克服被加工材料弹性变形的抗力。 (2)克服被加工材料塑性变形的抗力。 (3)克服切屑对刀具前刀面、工件过渡表面和己加工表面对刀具后刀面 的摩擦力。 从产生的部位来说，切 削力产生于刀具的前、 后刀面，前刀面上的正 压力FNr和Ffr合成前刀面 合力Fr , 工件剪切面上的 Fnsh 、Ffsh，Fγ＝Fsh， 后刀面上的正压力与摩 擦力 合成后刀面合力Fa 。
• 平行八角环三向测力仪 • 利用这种传感器可同时测量Fz、Fy和Fx，也可单测某一分力。 如 图所示为八角环型电阻式三向车削测力仪，在上环和下环的各个 表面上，共粘贴着20片电阻应变片，组成三个电桥，分别测量三 个分力。在测力仪制造工艺及贴片情况良好的情况下，三向分力 之间的相对干扰扰可小于5% • 测量时，要在弹性元件部分的适当部位粘贴若干片电阻值可随弹 性元件变形而变化的电阻应变片，并把它们联入电桥电路，以便 于将电阻值的变化转换成可读的电信号（电流或电压）后输出。