哈工大版金属切削原理与刀具PPT课件第4章.ppt

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1、第四章切削力第四章切削力 切削力是指由于刀具切削工件而产生的工件和刀具之间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。的相互作用力。 切削力是切削过程中产生的重要物理现象，对切削过程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：它直接影响切削时消耗的功率有着多方面的重要影响：它直接影响切削时消耗的功率和产生的热量，并引进工艺系统的变形和振动。切削力和产生的热量，并引进工艺系统的变形和振动。切削力过大时，还会造成刀具、夹具或机床的损坏。切削过程过大时，还会造成刀具、夹具或机床的损坏。切削过程中消耗功所转化成的切削热则会使刀具磨损加快，工艺中消耗功所转化成

2、的切削热则会使刀具磨损加快，工艺系统产生热变形并恶化已加工表面质量。所以，掌握切系统产生热变形并恶化已加工表面质量。所以，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、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。产中的实际问题有重要的指导意义。4.1切削力的构成、切削合力与分力及切削功率切削力的构成、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产生切削力的根本原因是切削过程中产生的变形和摩

3、擦。对刀具来说，它受到的切削力来自两个方面，一擦。对刀具来说，它受到的切削力来自两个方面，一是三个变形区内工件材料的弹、塑性变形产生的抗力；是三个变形区内工件材料的弹、塑性变形产生的抗力；二是工件、切屑与刀具摩擦产生的阻力。从产生的部二是工件、切屑与刀具摩擦产生的阻力。从产生的部位来说，切削力产生于刀具的前、后刀面，前刀面上位来说，切削力产生于刀具的前、后刀面，前刀面上的正压力的正压力FNr和和Ffr合成前刀面合力合成前刀面合力Fr , 工件剪切面上的工件剪切面上的Fnsh 、Ffsh，FFsh 后刀面上的正压力与摩擦力合成后刀面合力后刀面上的正压力与摩擦力合成后刀面合力Fa 。 一般切削条件

4、下，如果刀具比较锋利，前刀面上的切一般切削条件下，如果刀具比较锋利，前刀面上的切削力是主要的，后刀面上的切削力相对较小。在研究削力是主要的，后刀面上的切削力相对较小。在研究有些具体问题时，为了使问题简化，常忽略后刀面上有些具体问题时，为了使问题简化，常忽略后刀面上的作用力的影响，但在刀具磨损大时，则不容忽视。的作用力的影响，但在刀具磨损大时，则不容忽视。 4.1.2切削合力与分力切削合力与分力主切削力主切削力FcFc（FzFz）：主运动方）：主运动方向上的切削分力。用于计算切向上的切削分力。用于计算切削功率、校核机床及工夹具强削功率、校核机床及工夹具强度和刚度。度和刚度。背向力背向力Fp （径

5、向分力（径向分力Fy）：垂直于工作平面，过大会引起）：垂直于工作平面，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。于主轴轴承寿命计算、轴承选择、主轴弯曲刚度校验等。进给力进给力Ff（轴向分力（轴向分力Fx）:沿进给运动方向。是设计机床进给系统沿进给运动方向。是设计机床进给系统的主要依据的主要依据 F2=Fc2+Fp2+Ff2 Fp=FD cosr Ff=FDsinr FD：在基面内合力；：在基面内合力；FD2=Fp2+Ff2 F2=Fc2+FD2 一般情况下，主切削力一般情况下，

6、主切削力Fc最大。随着刀具材料、刀具最大。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，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。之间的比例可在较大范围内变化。 根据实验，当根据实验，当r=45、s=0、o=15时，时，Fc、Fp、Ff之间有近似关系：之间有近似关系： Fp=(0.4 0.5) Fc Ff=(0.3 0.4) Fc F=(1.12 1.18)Fc 切削力的数值可以用仪器测量获得，也可以用经验公切削力的数值可以用仪器测量获得，也可以用经验公式计算得到。式计算得到。4.1.3切削功率切削功率 消耗在切削过程中的功率

7、称为切削功率，记为消耗在切削过程中的功率称为切削功率，记为Pc。切。切削功率是三个切削分力消耗功率的总和，即削功率是三个切削分力消耗功率的总和，即 ：kwfnFvFvFFvFPwfccffpccc310)1000(0kwvFPccc310机床的电机功率应为机床的电机功率应为式中式中 机床的传动效率，一般取机床的传动效率，一般取0.750.85。4.1.4单位切削力单位切削力指单位切削面积上的主切削力，用指单位切削面积上的主切削力，用kc表示，即表示，即cEPcP2/mmNAFckcD4.2切削力的测量与经验公式切削力的测量与经验公式切削力的测量切削力的测量 1.间接测量法间接测量法电功率法电功

8、率法 2.直接测量法直接测量法测力仪法测力仪法 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，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

9、法。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。成。传感器传感器是一个可将切削力的变化转换为电量变化的弹性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。车刀用的方孔，后部的圆孔用于在车床刀架上安装紧固。平行八角环三向测力仪平行八角环三向测力仪

10、利用这种传感器可同时测量利用这种传感器可同时测量Fz、Fy和和Fx，也可单测某一分力。测，也可单测某一分力。测量时，要在弹性元件部分的适当量时，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，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将电阻值的变化转换成可读的电信号（电流或电压）后输出。信号（电流或电压）后输出。电阻应变片电阻应变片 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力作用时，

11、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，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，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小成正比，通过标定

12、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。切削力数值。 4.2.2切削力经验公式的建立切削力经验公式的建立 切削力经验公式是在通过切削实验取得大量数据的基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。由于依据经验因素（切削条件）之间的定量关系式。由于依据经验数据，故称为经验公式。目前，在计算一定切削条件数据，故

13、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。下的切削力数值时，多采用经验公式。 建立经验公式时，为便于进行数据处理并保证经验公建立经验公式时，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实验法，式的可靠性，通常多采用单因素实验法或正交实验法，而在处理数据时采用图解法或线性回归法。而在处理数据时采用图解法或线性回归法。 单因素实验法建立车削力经验公式：在影响车削力的单因素实验法建立车削力经验公式：在影响车削力的因素中，影响最大，也最直接的是切削深度因素中，影响最大，也最直接的是切削深度ap和进给和进给量量f。其他因素则主要通过对切屑变形和摩擦

14、的影响。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。目前普遍使用的车削力经验公式的基而影响切削力。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本形式均采用各切削分力与ap、f之关系的形式，对其之关系的形式，对其他因素的影响，再通过修正系数加以考虑。他因素的影响，再通过修正系数加以考虑。 建立建立Fc与与ap、f之关系的主要步骤如下：之关系的主要步骤如下： 首先建立首先建立Fc 与与ap、f之单元关系。实验时确定之单元关系。实验时确定ap以外的所有其他切削条件，选取若干个以外的所有其他切削条件，选取若干个ap进进行切削实验，用测力仪量取不同行切削实验，用测力仪量取不同ap时

15、的切削力时的切削力Fc ，得到若干组，得到若干组Fc与与ap的对应数据，经数据的对应数据，经数据处理，得到处理，得到Fz与与ap之间的单元关系式。之间的单元关系式。 然后用同样方法然后用同样方法Fc与与f的单元定量关系式。的单元定量关系式。 最后将两单元关系式加以综合，便可得到最后将两单元关系式加以综合，便可得到Fc与与ap、f之间的多元定量关系式。之间的多元定量关系式。切削力的计算切削力的计算 1.指数公式：指数公式：FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafKCFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数；与工件、刀具材料

16、有关系数；xFc , xFp , xFf 切削深度切削深度ap 对切削力影响指数；对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量进给量 f 对切削力影响指数；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。磨损等因素影响的修正系数。2/mmNAFckcD)()(pcDDcDccfakbhkAkF切削功率：切削功率：2.用单位切削力公式计算：用单位切削力公式计算：kwvFPccc310例：已知：工件材料：例：已知：工件材料：45钢，钢，b598MPa； 刀具材料：刀具材料：YT15； 几何参

17、数：几何参数：o15，o8，kr75， kr10 ，s-5 ，r1mm。 切削用量：切削用量：vc100m/min，f0.4mm/r，ap4mm。求：。求：Fc、Pc4.3影响切削力的因素影响切削力的因素 根据力学和材料的应力应变规律得到理论公式：根据力学和材料的应力应变规律得到理论公式： Fcs（hDbD）（）（1.4hC） 1.4 h C s：剪切屈服强度：剪切屈服强度 C： h直线截距直线截距 ： h与与o的函数的函数 4.3.1工件材料的影响工件材料的影响 工件材料的强度、硬度越高，剪切强度工件材料的强度、硬度越高，剪切强度s越大，虽然变形系数有所下降，但切越大，虽然变形系数有所下降，

18、但切削力总趋势还是增大的。强度、硬度相削力总趋势还是增大的。强度、硬度相近的材料，塑性大，则与刀面的摩擦系近的材料，塑性大，则与刀面的摩擦系数数也较大，故切削力增大。灰铸铁及也较大，故切削力增大。灰铸铁及其它脆性材料，切削时一般形成崩碎切其它脆性材料，切削时一般形成崩碎切屑，切屑与前刀面的接触长度短，摩擦屑，切屑与前刀面的接触长度短，摩擦小，故切削力较小。材料的高温强度高，小，故切削力较小。材料的高温强度高，切削力增大。切削力增大。 4.3.2切削用量的影响切削用量的影响 1.背吃刀量和进给量的影响背吃刀量和进给量的影响 背吃刀量背吃刀量ap或进给量或进给量f加大，均使切削力增大，加大，均使切

19、削力增大，但两者的影响程度不同。加大但两者的影响程度不同。加大ap 时，变形系数时，变形系数不变，切削力成正比例增大；不变，切削力成正比例增大；f加大时，变形系加大时，变形系数有所下降，故切削力不成正比例增大。在车数有所下降，故切削力不成正比例增大。在车削力的经验公式中，加工各种材料的削力的经验公式中，加工各种材料的ap指数指数xFc1，而，而f的指数的指数yFc=0.750.9，即当，即当ap加大一加大一倍时，倍时，Fc也增大一倍；而也增大一倍；而f加大一倍时，加大一倍时，Fc只增只增大大68%86%。因此，切削加工中，如从切削。因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加

20、大背力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。吃刀量有利。 2.切削速度的影响切削速度的影响 切削速度对切削力影响复杂切削速度对切削力影响复杂。加工塑性金属，切削速度。加工塑性金属，切削速度vc27m/min时，积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增时，积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增大而减小。这主要是因为随着大而减小。这主要是因为随着vc的增大，切削温度升高，的增大，切削温度升高，下降，从而使变形系数减小。在下降，从而使变形系数减小。在vc27m/min时，切削力时，切削力是受积屑瘤影响而变化的。约在是受积屑瘤影响而变化的。约在vc=5m/min时已出现积屑时已出现积屑瘤，随切削

21、速度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前瘤，随切削速度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前角加大，故切削力逐渐减小；约在角加大，故切削力逐渐减小；约在vc=17m/min处，积屑瘤处，积屑瘤最大，切削力最小；当切削速度超过最大，切削力最小；当切削速度超过vc=17m/min，一直到，一直到vc=27m/min时，由于积屑瘤减小，使切削力逐步增大。时，由于积屑瘤减小，使切削力逐步增大。 切削脆性金属切削脆性金属(灰铸铁、铅黄铜等灰铸铁、铅黄铜等)时，因金属的塑性变形时，因金属的塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的

22、影响。力没有显著的影响。 4.3.3刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 1.前角的影响前角的影响 前角前角o加大，被切削金属的变形减小，变形系数减小，刀加大，被切削金属的变形减小，变形系数减小，刀具与切屑间的摩擦力和正应力也相应下降。因此切削力减具与切屑间的摩擦力和正应力也相应下降。因此切削力减小。小。 但前角增大对塑性大的材料但前角增大对塑性大的材料(如铝合金、紫铜等如铝合金、紫铜等)影响显著，影响显著，即材料的塑性变形、加工硬化程度明显减小，切削力降低即材料的塑性变形、加工硬化程度明显减小，切削力降低较多；而加工脆性材料较多；而加工脆性材料(灰铸铁、脆铜等灰铸铁、脆铜等)，因切削时塑性变

23、，因切削时塑性变形很小，故前角变化对切削力影响不大。形很小，故前角变化对切削力影响不大。 2.主偏角的影响主偏角的影响 对对Fc影响不大。对影响不大。对Fp、Ff影响较大。影响较大。Fp=FDcosr ， Ff=FDsinr。 3.刃倾角的影响刃倾角的影响 刃倾角刃倾角s减小时，减小时，Fp 增大，增大，Ff减小。刃倾角在减小。刃倾角在10o-45o的范围内变化时，的范围内变化时，Fc基本不变。基本不变。 4.刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径 对主切削力影响不大，对对主切削力影响不大，对Fp和和Ff影响显著。影响显著。5.负倒棱的影响负倒棱的影响 前刀面上的负倒棱可以提高刃区的强度，但此时被切金属的变

24、形加大，前刀面上的负倒棱可以提高刃区的强度，但此时被切金属的变形加大，使切削力有所增加。使切削力有所增加。负倒棱是通过宽度负倒棱是通过宽度br1对进给量对进给量f的比值的比值(br1/ f)来影响切削力的。来影响切削力的。br1/ f增增大，切削力增大。当大，切削力增大。当br1小于小于lf(lf为切屑与刀具前刀面的接触长度为切屑与刀具前刀面的接触长度)时，时，切屑除与倒棱接触外，还与前刀面接触，前刀面仍起作用。而当切钢切屑除与倒棱接触外，还与前刀面接触，前刀面仍起作用。而当切钢br1/ f5或切灰铸铁或切灰铸铁br1/ f3，即，即br1大于大于l f时，切屑只与倒棱接触，不与时，切屑只与倒

25、棱接触，不与前刀面接触，切削力趋于稳定，且相当于用负前角为前刀面接触，切削力趋于稳定，且相当于用负前角为o1刀加工时的切刀加工时的切削力。削力。 4.3.4其他因素的影响其他因素的影响 1.刀具材料的影响刀具材料的影响 刀具材料与被加工材料间的摩擦系刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响切削力的变化。数，影响到摩擦力的变化，直接影响切削力的变化。如在同样的切削条件下，陶瓷刀具切削力最小，硬质如在同样的切削条件下，陶瓷刀具切削力最小，硬质合金刀具次之，高速钢刀具的切削力最大。合金刀具次之，高速钢刀具的切削力最大。 2.刀具磨损的影响刀具磨损的影响 后刀面磨损增大，使主后刀面与加后刀面磨损增大，使主后刀面与加工表面的接触面积增大，后刀面上的法向力和摩擦力工表面的接触面积增大，后刀面上的法向力和摩擦力都将增大，故切削力加大。都将增大，故切削力加大。 3.切削液的影响切削液的影响 以冷却作用为主的水溶液对切削力影以冷却作用为主的水溶液对切削力影响很小；而润滑作用强的切削油，由于其有效地减少响很小；而润滑作用强的切削油，由于其有效地减少了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩擦，了刀具前刀面与切屑、后刀面与工件表面之间的摩擦，甚至还能减少被加工金属的塑性变形，从而能显著地甚至还能减少被加工金属的塑性变形，从而能显著地降低切削力。降低切削力。