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1、金属切削原理及刀具山东英才学院山东英才学院山东英才学院山东英才学院第四章第四章 切削力切削力1zz第一节第一节 概述概述zz一、切削力的来源一、切削力的来源zz切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。见下图。摩擦阻力。见下图。 z二、切削力的分解z用力的表示方法将切削力画到一张图上，则可以看到下图所示。zz切削力的分析切削力的分析 :zz合力F又称总切削力是一个空间力，不太好用。总切削力
2、F 可分解为三个互相垂直的切削分力Fc、Ff和Fp。切削分力在设计机床和切削加工中的作用是显而易见的。切削合力、分力的表示见下图。 zz F Fr r zzF FD D zz合力合力合力合力F Fr r zzF Ff f 进给力进给力进给力进给力zzF FP P 背向力背向力背向力背向力zzF Fc c 主切削力主切削力主切削力主切削力zzF FD D为总合力在切削层平面上的投影为总合力在切削层平面上的投影为总合力在切削层平面上的投影为总合力在切削层平面上的投影 。zz三、切削功率zz概念：概念：zz切削过程中所消耗的功率称为切削功率切削过程中所消耗的功率称为切削功率Pc。 zz背向力背向力F
3、P在力的方向无位移，不做功，因此切削在力的方向无位移，不做功，因此切削功率为进给力功率为进给力Ff与主切削力与主切削力Fc所做的功。所做的功。 zz根据功率公式切削功率：根据功率公式切削功率：zz Pc （ Fc c Ff nf /1000）10-3KW zz式中，式中， Fc主切削力（主切削力（N），）， c切削速度切削速度（m/min），）， Ff进给力（进给力（N），），n工件转速工件转速（r/s），），f进给量（）进给量（）zFf 消耗功率一般小于消耗功率一般小于12，可，可以忽略不计，因此功率公式可简化以忽略不计，因此功率公式可简化为为 ： z Pc Fc c 10-3KWzFf 在
4、计算车床进给机构强度时要用在计算车床进给机构强度时要用到它。到它。 z 单位切削力公式单位切削力公式zz单位切削力指单位切削面积上的切削力。单位切削力指单位切削面积上的切削力。zz公式：公式：zzKc = = （N/2） zz式中，式中，Fc主切削力（主切削力（N），），zzAD切削面积（切削面积（2），），zzap背吃刀量背吃刀量()，f 进给量（进给量（/r）。）。zzKc可以查表。可以查表。 z根据切削功率选择机床电动机时，根据切削功率选择机床电动机时，还应考虑机床的传动效率还应考虑机床的传动效率, ,机床电机床电动机的功率应为动机的功率应为zz一般=0.750.85。第二节第二节 切削
5、力的测量及经验公式切削力的测量及经验公式2zz一、力的测量zz1、力的估算zz利用切削功率的计算公式和切削时的速度可以反算出主切削力，再根据机床效率就可以得到一个切削力数据。但这种结果肯定精度不高。zz2、切削力的测量zz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。zz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。见下图电阻应变片电阻应变片zz电阻应变式测力仪由传感器、电桥电路、应变仪和记录
6、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，其结构形状如下图所示。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。八角环形三向车削测力仪八角环形三向车削测力仪zz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，zz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，
7、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。二、车削力实验数据的处理和经二、车削力实验数据的处理和经验公式的建立验公式的建立zz1、经验公式建立方法简介 zz 切削力经验公式是在通过切削实验取得大量数据的基础上，经适当的数据处理后得到的关于切削力与可变因素（切削条件）之间的定量关系式。由于建立这种关系的依据是经验数据，故称为经验公式。目前，在计算一定切削条件下的切削力数值时，多采用经验公式。zz建立经验公式时，为便于进行数据处理并保证经验公式的可靠性，通常多采用单因素实验法或正交
8、实验法，而在处理数据时采用图解法或线性回归法。zz下面将单因素实验法建立车削力经验公式的主要过程作一简要介绍。zz在影响车削力的因素中，影响最大，也最直接的是切削深度ap和进给量f。其他因素则主要通过对切屑变形和摩擦的影响而影响切削力。因此，目前，普遍使用的车削力经验公式的基本形式均采用各切削分力与ap、f之关系的形式，对其他因素的影响，再通过修正系数加以考虑。zz建立Fc与ap、f之关系的主要步骤如下：zz首先建立Fz与ap、f之单独关系。为此，实验时，固定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Fz，得到若干组Fc与ap的对应数据，然后处理数据
9、，建立经验公式。zz处理数据的方法很多，这里仅介绍一种精度较高的方法最小二乘法。2、回归系数的计算、回归系数的计算zz根据试验的结果画散点图，可以看出自变量和因变量之间为近似线性关系。见下图。假设要确定的直线方程为y=a+bx。zz这条直线与各试验点之间的偏差平方和为最小的原理，可以求得回归系数a和b。这种方法称为最小二乘法。zz设有n个试验点，各点的偏差为： 教材图教材图4.8zz上图是在双对数坐标纸上建立的自变量与因变量之间的关系，因此肯定是一种线性函数关系。zz问题是试验点与直线是有误差的，各试验点不会都落在线上，使各试验点到线的偏差最小，这条线就最能代表其函数关系。zz则各点偏差的平方
10、和为：zz根据数学分析中极值原理，分别对a和b求偏微商并令其为零，则可得q的最小值即： zz由上式可得一组二元联立方程式，经整理后可得解。即求出回归系数a和b，最终可得回归方程y=a+bx。zz可得a直线的截距。b直线的斜率。zz3、建立经验公式zz将 去对数得zz同理可得对f的回归方程。将两者合并， zz最终指数形式的车削力经验公式如下：zz公式中的系数教材里都有解释，不多谈。请注意例题的结果。zz实验证明，切削力与某些变量之间的关系是 zz线性的，但在大多数情况下，切削力与一些变量之间的关系都是非线性的。zz上式中指数分别反映了背吃刀量和进给量对切削力的影响程度。zz通常，在求得回归方程之
11、后，还应检查试验点对回归直线的离散程度，即还需进行显著性检验，以判断Y与X有无明显的线性关系。zz建立三个以上因素的经验公式时，应采用多因素实验法，即正交实验法。zz教材上用单位切削力公式计算总切削力的部分请同学们自己看书，这一部分我不讲。这一部分主要是根据已知条件来查表，其实切削手册上这样的表很多，如有实际问题，请同学们查阅切削手册。第三节第三节 影响切削力的因素影响切削力的因素zz影响切削力的因素很多，它们是：影响切削力的因素很多，它们是：zz1、工件材料、工件材料zz2、切削用量、切削用量zz背吃刀量背吃刀量ap与进给量与进给量f影响、影响、切削速度切削速度zz3、刀具几何参数、刀具几何
12、参数zz刀具前角刀具前角zz刀具主偏角刀具主偏角r和刀尖圆弧半径和刀尖圆弧半径zz刀具刃倾角刀具刃倾角s zz4、刀具材料与切削液、刀具材料与切削液 一、一、 工件材料工件材料zz工件材料性能中，很多性能都影响切削力。但强度和硬度对切削力的影响最大。zz一般材料的强度愈高，硬度越大，切削力越大。强度和硬度相同时，加工硬化性越强，塑性变形越大，加工此材料所需的切削力也越大。zz如奥氏体不锈钢，虽然强度、硬度较低，但加工硬化能力大，因此切削力也较大。铜、铝塑性变形大，但加工硬化小，强度和硬度低，故切削力较低。二、切削用量二、切削用量zz背吃刀量背吃刀量ap与进给量与进给量 f 影响影响zz因为切削
13、面积因为切削面积 AD ap f ，所以背吃刀量，所以背吃刀量ap与进给与进给量量 f 的增大都将增大切削面积。切削面积的增大的增大都将增大切削面积。切削面积的增大将使变形力和摩擦力增大，切削力也将增大，但将使变形力和摩擦力增大，切削力也将增大，但两者对切削力影响不同。两者对切削力影响不同。zz由于进给量由于进给量 f 的增大会减小切削层的变形，的增大会减小切削层的变形，所以所以背吃刀量背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响比进给量f大。大。zz在生产中，如机床消耗功率相等，为提高生产效在生产中，如机床消耗功率相等，为提高生产效率，一般采用提高进给量而不是背吃刀量的措施。率，一般采用
14、提高进给量而不是背吃刀量的措施。切削速度对切削力的影响切削速度对切削力的影响zz切削速度对切削力的影响规律见下图。切削速度对切削力的影响规律见下图。zz积屑瘤产生阶段，由于刀具实际前角增大，切削积屑瘤产生阶段，由于刀具实际前角增大，切削力减小。力减小。zz在积屑瘤消失阶段，切削力逐渐增大，在积屑瘤消失阶段，切削力逐渐增大，zz积屑瘤消失时，切削力积屑瘤消失时，切削力Fc达到最大，以后又开始达到最大，以后又开始减小。原因是速度再提高温度增高使工件强度硬减小。原因是速度再提高温度增高使工件强度硬度下降。度下降。zz与对变形系数的影响一样，都有马鞍形变化。与对变形系数的影响一样，都有马鞍形变化。三、
15、三、 刀具几何参数刀具几何参数zz1、前角、前角O ：对切削力影响最大。切削力随：对切削力影响最大。切削力随着前角的着前角的增大而减小增大而减小。这是因为前角的增大，。这是因为前角的增大，切削变形与摩擦力减小，切削力相应减小。切削变形与摩擦力减小，切削力相应减小。zz2、刀具主偏角、刀具主偏角r ：对切削力：对切削力Fc的影响不大，的影响不大，r 60 o75 o 时，时， Fc最小，因此，主偏角最小，因此，主偏角r 75 o 的车刀在生产中应用较多。的车刀在生产中应用较多。vv背向力背向力Fp随主偏角随主偏角r的增大而减小。的增大而减小。vv进给力进给力Ff随主偏角随主偏角r的增大而增大。的
16、增大而增大。v刀尖圆弧刀尖圆弧半径增大半径增大，切削变形增，切削变形增大，大，切削力也增大。切削力也增大。相当于相当于r减减小对切削力影响。小对切削力影响。四、四、 刀具材料与切削液刀具材料与切削液zz1、刀具材料影响到它与被加工材料摩擦力的、刀具材料影响到它与被加工材料摩擦力的变化，因此影响切削力的变化。同样的切削条变化，因此影响切削力的变化。同样的切削条件，陶瓷刀切削力最小，硬质合金次之，高速件，陶瓷刀切削力最小，硬质合金次之，高速钢刀具切削力最大。钢刀具切削力最大。zz2、切削液的正确应用，可以降低摩擦力，减、切削液的正确应用，可以降低摩擦力，减小切削力。小切削力。zz课外练习P514.5题。
