§-2.4-切削力与切削功率

机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率§2.4切削力与切削功率分析和计算切削力，是计算功率消耗，进行机床、刀具、夹具设计，制定合理的切削用量，优化刀具参数的重要依据。在自动化生产中，还可通过切削力来监控切削过程和刀具工作状态，如刀具折断、磨损、破损等。切削力和切削功率的概念（重点）切削力的测量切削力的经验公式和切削力估算（重点）本节内容：影响切削力的因素（重点）机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率2.4.1切削力和切削功率的概念切削力定义金属切削时，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，称为切削力。来源克服被加工材料弹性变形的抗力；克服被加工材料塑性变形的抗力；克服切屑与前面的摩擦力和刀具后面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率切削合力及其分解作用在刀具上的合力Fr（国标为F）可分解成三个相互垂直的Fx（国标称为Ff）、Fy（国标称为Fp）和Fz（国标称为Fc）三个分力。κrFcFFpFf·pFfFf·pFf·pfv切削力的分解F切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率22222yxzNzrFFFFFF1）Fz（Fc）——主切削力（切向力），方向与过渡表面相切并与基面垂直。是计算车刀强度、设计机床主轴系统、确定机床功率所必需的。在车削时：2）Fx（Ff）——进给力（轴向力），处于基面内与工件轴向平行并与进给方向相反。是设计进给机构，计算车刀进给功率所必需的。2）3）Fy（Fp）——切深抗力（背向力，径向力或吃刀力），处于基面内与工件轴向垂直。是计算工件挠度、机床零件和车刀强度的依据。工件在切削过程中产生的振动往往与它相关。切削合力：随车刀材料、车刀几何参数、切削用量、工件材料和车刀磨损情况的不同，三个分力之间的比例可在较大范围内变化。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率切削功率消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm（Pc）。3wxczc101000fnFvFP式中，Fz——主切削力（N）；vc——切削速度（m/s）；Fx——进给力（N）；nw——工件转速（r/s）；f——进给量（mm/s）。上式等号右侧第二项，是消耗在进给运动中的功率，它相对于Fz所消耗的功率很小，一般为1~2%，因此可忽略不计，所以，计算Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床的主电动机功率PE。考虑到机床的传动效率η（一般取值0.75~0.85）它为Fz和Fz所消耗的功率之和（Fy方向没有位移，所以不消耗功率）。3czc10vFPηPPcE机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率2.4.2切削力的测量对于在某种具体的切削条件下，切削力究竟有多大？实际的金属切削过程非常复杂、影响因素很多一些假设现有理论公式（用于定性分析）存在缺点计算与实验不能很好吻合所以，实际中，切削力的大小一般用由实验结果建立起来的经验公式来计算。若需要较准确的知道某种切削条件下的切削力，就要进行实际测量。测量手段：测定机床功率，计算切削力。功率表测PE,然后算出Pc。只是粗略估算，不够精确。用测力仪测量切削力。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率2.4.3切削力的经验公式和切削力估算切削力实验数据大量积累！经验公式车削孔加工铣削………指数公式按单位切削力进行计算的公式数学分析计算机处理机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率指数公式计算切削力的指数公式yyFyFyFyxxFxFxFxzzFzFzFzFnyxyFyFnyxpFxFnyxpFzKvfaCFKvfaCFKvfaCFyxzFFFxxx、、——背吃刀量（切削深度）的指数——与工件、刀具材料及切削条件有关yxzFFFCCC、、yxzFFFyyy、、——进给量的指数yxzFFFnnn、、——切削速度的指数yxzFFFKKK、、——实际加工条件与公式要求不符时各种因素对切削分力的修正系数之积查切削用量手册机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率车削力公式中的系数和指数机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率切削力计算举例：GPa637.0bmm4pa0s10045rm/s7.1cvmm/r4.0f用YT15硬质合金车刀外圆纵车加工的结构钢，车刀几何参数为：、、。切削用量为：、、。查前表，由于所给条件与公式要求的相同，因此1fpcFFFKKK切削功率：kW5.4107.126633cccvFP其余系数、指数如下：N114817.14.04561N98017.14.04572N266317.14.0414334.06.00.13.06.09.015.075.00.1ffFfFfFfppFpFpFpccFcFcFcFncyxpFfFncyxpFpFncyxpFcKvfaCFKvfaCFKvfaCF机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率按单位切削力计算切削力和切削功率单位切削力kcwczpzczcaaFfaFAFk式中：kc——单位切削力（N/mm2）Ac——切削面积（mm2）ap——背吃刀量（mm）f——进给量（mm/r）ac——切削厚度（mm）aw——切削宽度（mm）若单位切削力已知，则可由上式求出切削力Fz。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率单位切削功率：单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率称为单位切削功率Ps[kW/(mm3·s-1)]。zcsQPP式中：Qz——单位时间内的金属切削量（mm3/s）faQpz1000Qs——切削功率（kW）331010fvakvFPpczs由上述三个公式，得6310100010cppcskfafvakP通过实验求得kc后，即可由上述公式求出Ps。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率2.4.4影响切削力的因素凡影响切削过程变形和摩擦的因素均影响切削力：切削用量工件材料刀具几何参数其他因素切削用量背吃刀量ap与进给量fyyFyFyFyxxFxFxFxzzFzFzFzFnyxyFyFnyxpFxFnyxpFzKvfaCFKvfaCFKvfaCFf不变，ap↑→Ac成正比↑，ap的指数约等于1，因而切削力成正比增加;ap不变，f↑→Ac成正比↑，f的指数小于1，因而切削力增加但与f不成正比。如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率在积屑瘤增长阶段随v↑→积屑瘤高度↑，变形程度↓，F↓在积屑瘤减小阶段v↑→变形程度↑，F↑在无积屑瘤阶段随v↑，F↑,v中速后，温度升高，摩擦系数↓变形程度↓→F↓切削速度vc速度v对F的影响在无积屑瘤阶段v↑→变形程度↓→切削力减小加工脆性金属时，因变形和摩擦均较小，故切削速度对切削力影响不大。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率工件材料工件材料是通过材料的剪切屈服强度τs、塑性变形程度与刀具间的摩擦等条件影响切削力的。工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形减小，但由于剪切屈服强度τs越高，产生的切削力越大。如与45钢比较，加工60钢的切削力Fc增大了4%，加工35钢的切削力Fc减小了13%。工件材料的塑性和韧性越高，切削变形越大，切屑与刀具间的摩擦增加，故切削力越大。如，不锈钢1Cr18Ni9Ti的延伸率是45钢的4倍，所以切削时变形大，切屑不易折断，加工硬化严重，产生的切削力Fc较加工45钢大25%。切削铸铁的变形小、摩擦小，故产生的切削力小。如，灰铸铁HT200与45钢的硬度较接近，但在切削灰铸铁时切削力Fc减小40%。热处理对切削力的影响是通过改变材料的硬度来施加的。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率刀具几何参数影响前角γ0加工塑性材料时，γ0↑→变形程度↓→F↓加工脆性材料时，切削变形很小，γ0对F影响不显著。刃倾角λs刃倾角的变化对Fc影响不大；刃倾角的变化对Fp、Ff影响较大；Fp随λs增大而减小，Ff随λs增大而增大。当刃倾角由正值向负值变化时，背向力FP逐渐增大，因此工件弯曲变形增大，机床振动也增大。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率主偏角主偏角κr对主切削力影响不大对吃刀抗力和进给抗力影响显著（κr↑——Fp↓，Ff↑）Fp＝FDcosκrFf＝FDsinκr主偏角κr改变了Fp、Ff的分配比例。由于主偏角κr=60°~75°能减小切削力Fp、Ff，因此，生产中主偏角κr=75°车刀被广泛使用。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率刀尖圆弧半径rε（1）rε对Fc影响很小（2）Fp随rε增大而增大，Ff随rε增大而减小rε增大相当于κr减小的影响机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率其他因素刀具磨损刀具的切削刃及后刀面产生磨损后，会使切削时摩擦和挤压加剧，故使切削力Fc和Fp增大。切削液切削液润滑作用越好，切削力减小越显著，低速时更突出。刀具材料各种刀具材料对切削力的影响，是通过刀具材料与工件之间的亲和力、摩擦力和磨损等因素决定的。按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢顺序，切削力依次增大。在计算切削力时，考虑到各个参数对切削力不同的影响，需对切削力数值进行相应的修正，其修正系数是通过切削实验确定的，具体修正系数有表供查。机械工程学院机械制造技术——第二章金属切削原理与刀具§2.4切削力与切削功率本节结束