机械制造技术基础(贾振元)lectu课件

2.4 2.4 切削力与切削功率切削力与切削功率2.4.1 2.4.1 切削力及其来源；切削合力及其分解；切削力及其来源；切削合力及其分解；切削功率切削功率n切削力切削力切削加工时，刀具切入工件，使被加工材料发生切削加工时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力。变形并成为切屑所需的力。n切削力的实际意义切削力的实际意义计算功率消耗；计算功率消耗；设计机床、刀具、夹具；设计机床、刀具、夹具；制定合理的切削用量；制定合理的切削用量；优化刀具几何参数；优化刀具几何参数；监控切削过程和刀具工作状态。监控切削过程和刀具工作状态。机械制造技术基础(贾振元)lectun切削力的来源切削力的来源1 1）克服被加工材料弹性变形的抗力。）克服被加工材料弹性变形的抗力。2 2）克服被加工材料塑性变形的抗力。）克服被加工材料塑性变形的抗力。3 3）克服切屑与前刀面的摩擦力、后刀面与过渡）克服切屑与前刀面的摩擦力、后刀面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。表面和已加工表面之间的摩擦力。机械制造技术基础(贾振元)lectun切削合力切削合力F及其分解及其分解由切屑变形过程所需各力的总和，形成作用在刀由切屑变形过程所需各力的总和，形成作用在刀具上的合力。具上的合力。为了便于测量与应用，为了便于测量与应用，F可分解为相互垂直的三可分解为相互垂直的三个分力（矢量关系）。个分力（矢量关系）。机械制造技术基础(贾振元)lectu主切削力主切削力FzFz（切向力）（切向力）与过渡表面相切并与基面垂直。与过渡表面相切并与基面垂直。用于计算刀具强度、设计机床零件、确定机床功用于计算刀具强度、设计机床零件、确定机床功率等。率等。机械制造技术基础(贾振元)lectu进给力进给力F Fx（轴向力）（轴向力）处于基面内并与工件轴线平行，方向与进给方向处于基面内并与工件轴线平行，方向与进给方向相反。相反。用于设计进给机构、计算进给运动功率等。用于设计进给机构、计算进给运动功率等。机械制造技术基础(贾振元)lectu背向力背向力F Fy（径向力）（径向力）处于基面内并与工件轴线垂直。处于基面内并与工件轴线垂直。用于计算工件挠度、刀具强度、机床零件强度等。用于计算工件挠度、刀具强度、机床零件强度等。使工件在切削过程中产生振动的主要因素之一。使工件在切削过程中产生振动的主要因素之一。机械制造技术基础(贾振元)lectun各分力之间的关系各分力之间的关系F Fz FN Fz Fx Fy外外圆车削削实验当当r=45=45，s=0=0，0=15=15时：时：Fy（0.40.40.50.5）FzFx（0.30.30.40.4）Fz计算得到：计算得到：F（1.121.121.181.18）Fz比例系数的变化范围与刀具材料、工件材料、比例系数的变化范围与刀具材料、工件材料、刀具几何参数、切削用量、刀具磨损程度等刀具几何参数、切削用量、刀具磨损程度等因素有关。因素有关。机械制造技术基础(贾振元)lectun切削功率切削功率Pc（kWkW）消耗在切削过程中的功率，为主切削力和进给消耗在切削过程中的功率，为主切削力和进给力所消耗的功率之和。力所消耗的功率之和。Pc（FzvFxnwf/1000）10进给运动消耗的功率很小，可以忽略。进给运动消耗的功率很小，可以忽略。Pc Fzv10考虑机床的传动效率考虑机床的传动效率，机床电动机功率：，机床电动机功率：PE Pc/一般取一般取0.750.85。机械制造技术基础(贾振元)lectu 2.4.2 切削力的测量切削力的测量n切削力的理论计算切削力的理论计算n切削力的测量方法切削力的测量方法通过测定机床功率计算切削力通过测定机床功率计算切削力采用测力仪测量切削力采用测力仪测量切削力测量原理：利用切削力作用在测力仪的弹性元件测量原理：利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换处理后，得到各切削分力电荷经过转换处理后，得到各切削分力Fz、Fx、Fy的值。的值。机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectun常用的切削力测量仪常用的切削力测量仪电阻应变片测力仪：灵敏度较高，量程范围较大，电阻应变片测力仪：灵敏度较高，量程范围较大，测量精度较高。测量精度较高。电阻应变仪电阻应变仪电流参数电流参数压电晶体测力仪：灵敏度高，刚度大，线性度和压电晶体测力仪：灵敏度高，刚度大，线性度和抗干扰性都较好且无惯性的高精度测量仪，特抗干扰性都较好且无惯性的高精度测量仪，特别适用于测量动态力及瞬时力。别适用于测量动态力及瞬时力。电荷放大器电荷放大器电压参数电压参数机械制造技术基础(贾振元)lectu 2.4.3 切削力经验公式和切削力估算切削力经验公式和切削力估算（1）计算切削力的指数经验公式）计算切削力的指数经验公式机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu表表2.2刀具几何参数刀具几何参数硬质合金刀具：硬质合金刀具：r=45=45，0=10=10，s=0=0；高速钢刀具：高速钢刀具：r=45=45，0=20=202525，r r=1.0mm=1.0mm。当当刀具几何参数等条件不符时，可进行相应修刀具几何参数等条件不符时，可进行相应修正，修正系数的积正，修正系数的积KFz、KFy、KFx受到工件材受到工件材料、刀具材料和刀具几何参数等条件的影响，料、刀具材料和刀具几何参数等条件的影响，可查阅切削用量手册（金属切削原理）计算。可查阅切削用量手册（金属切削原理）计算。机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu（2）按照单位切削力计算切削力和切削功率）按照单位切削力计算切削力和切削功率单位切削力单位切削力kc（N/mm）：单位切削面积上的）：单位切削面积上的主切削力。主切削力。kcFz/AcFz/apfFz/acaw单位切削功率单位切削功率Ps（kW/mms）：单位时间内）：单位时间内切除单位体积金属所消耗的功率。切除单位体积金属所消耗的功率。PsPc/QzQz（mm/s）：单位时间内的金属切除量。）：单位时间内的金属切除量。Qz1000vapf切削功率切削功率PcFzv10kcapfv10Pskcapfv10/1000vapfkc106机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu 2.4.4 影响切削力的因素影响切削力的因素第一变形区：塑性变形。第一变形区：塑性变形。第二变形区：摩擦。第二变形区：摩擦。（1）工件材料）工件材料物理机械性能物理机械性能加工硬化加工硬化化学成分（含碳量，易切钢）化学成分（含碳量，易切钢）热处理状态及金相组织热处理状态及金相组织（2）切削用量）切削用量背吃刀量和进给量背吃刀量和进给量切削速度切削速度机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu1）背吃刀量）背吃刀量背吃刀量增大，切削面积增大，变形力、摩擦背吃刀量增大，切削面积增大，变形力、摩擦力增大，切削力增大；不影响变形系数和摩力增大，切削力增大；不影响变形系数和摩擦系数；影响指数基本为擦系数；影响指数基本为1，与切削力成正比。，与切削力成正比。2）进给量）进给量进给量增大，切削面积增大，变形力、摩擦力进给量增大，切削面积增大，变形力、摩擦力增大，切削力增大；进给量增大，变形系数增大，切削力增大；进给量增大，变形系数和摩擦系数减小；影响指数小于和摩擦系数减小；影响指数小于1大于大于0，与，与切削力成正比。切削力成正比。3）切削速度）切削速度无积屑瘤条件下，切削速度提高，变形系数和无积屑瘤条件下，切削速度提高，变形系数和摩擦系数减小，切削力减小；切削温度提高，摩擦系数减小，切削力减小；切削温度提高，被加工材料强度硬度降低，切削力减小；影被加工材料强度硬度降低，切削力减小；影响指数小于响指数小于0，与切削力成反比。，与切削力成反比。机械制造技术基础(贾振元)lectu（3）刀具几何参数）刀具几何参数前角前角主偏角主偏角刃倾角刃倾角负倒棱负倒棱刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径1）前角）前角前角增大，变形系数减小，摩擦系数减小，前角增大，变形系数减小，摩擦系数减小，切削力减小。切削力减小。机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu2）负倒棱）负倒棱 机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu3 3）主偏角）主偏角n主偏角增大，受几何关系影响，进给力增大，主偏角增大，受几何关系影响，进给力增大，背向力减小。背向力减小。机械制造技术基础(贾振元)lectun主偏角增大，切削厚度增大（图主偏角增大，切削厚度增大（图2.342.34），变形），变形减小，主切削力减小；继续增大，受刀尖圆弧减小，主切削力减小；继续增大，受刀尖圆弧半径影响，主切削力增大。总体变化较小。半径影响，主切削力增大。总体变化较小。机械制造技术基础(贾振元)lectu机械制造技术基础(贾振元)lectu4）刀尖圆弧半径）刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径增大相当于主偏角减小对切削力的刀尖圆弧半径增大相当于主偏角减小对切削力的影响。影响。机械制造技术基础(贾振元)lectu5）刃倾角）刃倾角刃倾角增大：主切削力不变；进给方向前角减小，刃倾角增大：主切削力不变；进给方向前角减小，进给力增大；背向方向前角增大，背向力减小。进给力增大；背向方向前角增大，背向力减小。机械制造技术基础(贾振元)lectu（4）刀具材料）刀具材料摩擦系数：超硬材料摩擦系数：超硬材料 陶瓷陶瓷 硬质合金硬质合金 高速钢高速钢 机械制造技术基础(贾振元)lectu（5）切削液）切削液降低摩擦力降低摩擦力润滑性能：矿物油，植物油。润滑性能：矿物油，植物油。（6）刀具磨损）刀具磨损前刀面月牙洼磨损，前角增大，切削力减小。前刀面月牙洼磨损，前角增大，切削力减小。后刀面磨损，与被加工工件接触面积增大，切削后刀面磨损，与被加工工件接触面积增大，切削力增大。力增大。切削力变化，在线检测刀具磨损。切削力变化，在线检测刀具磨损。机械制造技术基础(贾振元)lectu思考题思考题1、金属切削过程中为什么会产生切削力？、金属切削过程中为什么会产生切削力？2、车削时切削合力为什么常分解为三个相互垂、车削时切削合力为什么常分解为三个相互垂直的分力来分析？试说明三个分力的作用。直的分力来分析？试说明三个分力的作用。3、背吃刀量、进给量和切削速度对切削力的影、背吃刀量、进给量和切削速度对切削力的影响有何不同？响有何不同？机械制造技术基础(贾振元)lectu