机制技术第二章-多媒体.ppt

,本章提要:金属切削过程是机械制造过程的一个重要组成部分。金属切削过程的优劣,直接影响机械加工的质量、生产率与生产成本。本章主要内容：1、分析了金属切削过程中产生切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损的原因及对切削过程的影响;2、介绍金属切削过程中的基本规律，即切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损与刀具耐用度变化四大规律;3、介绍了四个方面的基本规律在生产上应用的各种问题，如改善工件材料的切削加工性，合理选择切液，合理选择刀具几何参数与切削用量等。,内 容 提 要,金属切削过程:通过切削运动，使刀具从工件上切下多余的金属层，形成切屑和已加工表面的过程。在这一过程中产生了一系列的现象，如切削变形、切削力、切削热与切削温度、刀具磨损等。本章主要研究诸现象的成因、作用和变化规律。掌握这些规律，对于合理设计与使用刀具、夹具和机床，保证切削加工质量，减少能量消耗，提高生产率和促进生产技术发展等方面起着重要的作用。,金 属 切 削 过 程,2.1金属切削的变形过程 切屑的形成过程切屑形成的基本特征及典型模型研究切削过程，为了使问题简化，便于观察和分析，大多采用直角自由切削方式。这时主切削刃与主运动方向垂直，而且切削刃上各点的切屑流出方向相同，金属变形基本上在一个平面内。用直角自由切削进行研究得出的基本理论是进一步研究非自由切削的基础。根据材料力学的分析，塑性金属受挤压时，其内部在产生主应力的同时，还将产生剪应力，当物体内最大剪应力达到某一限度时就产生塑性变形。如图2.1(a)所示，工件受到挤压时，工件内部产生剪应力，其中与作用力大致成45的AB与CD平面内剪应力最大，因而剪切变形沿此两面产生，当剪应力达到屈服极限时，工件即沿AB或CD面剪切滑移，产生塑性变形。,切 削 变 形,金属切削过程如同压缩过程，切削层在刀具作用下，在与前刀面成45方向上将产生最大的剪应力，如图2.1(b)所示，由于在CD方向上受到切削层以下金属的限制，所以通常只在AB方向产生滑移。如果是脆性材料(如铸铁)，则沿此剪切面被剪断。如果刀具不断向前移动，则此种滑移将持续下去。如图2.2(a)所示，当刀具作用于切削层，切削刃由m至A时，切削层单元1、2、3、4等，沿着剪切面AB依次发生剪切滑移，于是被切金属层就转变为切屑。从力学观点看，刀具前刀面对切削层金属所作用的压力对切屑产生一个弯曲力矩，迫使切屑卷曲，如图2.2(b)所示。研究表明：金属切削过程的实质，就是被切削金属在刀具切削刃及前刀面的推挤作用下，沿着剪切面产生剪切变形并转变为切屑的过程。,切 削 变 形,金属切削过程中的三个变形区 经过剪切变形区后，一方面形成的切屑要沿前刀面方向流出，还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力，切屑进一步发生变形，这个变形主要集中在与前刀面摩擦的切屑底面一薄层金属里，表现为该处晶粒纤维化的方向和前刀面平行。显然，切屑底层金属的变形，比切屑的其它部分要大。另一方面由于已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压、摩擦，同样产生弹、塑性变形。为了便于进一步分析切削层变形规律，可将整个切削区域划分为三个变形区。第变形区 近切削刃处切削层内产生的塑性变形区；金属的剪切滑移变形；第变形区 与前刀面接触的切屑层内产生的变形区；金属的挤压摩擦变形；第变形区 近切削刃处已加工表层内产生的变形区；金属的挤压摩擦变形。三个变形区各具有特点，又存在着相互联系、相互影响。,切 削 变 形,剪切区的变形(1)第变形区金属的剪切滑移取金属内部质点P来分析滑移过程：P点移到1位置时,产生了塑性变形。即在该处剪应力达到材料的屈服极限,在1处继续移动到1处的过程中，P点沿最大剪应力方向的剪切面上滑移至2处，之后同理继续滑移至3、4处,离开4处后，就沿着前刀面方向流出而成为切屑上一个质点。在切削层上其余各点，移动至AC线均开始滑移、离开AE线终止滑移，在沿切削宽度范围内，称AC是始滑移面，AE是终滑移面。AC、AE之间为第变形区。由于切屑形成时应变速度很快、时间极短，故AC、AE面相距很近，一般约为0.020.2mm，所以常用AB滑移面来表示第一变形区，AB面亦称为剪切面。它与切削速度方向的夹角称为剪切角，用表示。,切 削 变 形,(2)变形程度的度量 1)相对滑移 相对滑移是用来度量第变形区滑移变形的程度。如图，设切削层中AB线沿剪切面滑移至AB时的距离为y，事实上 y很小，可认为滑移是在剪切面上进行，滑移量为s。相对滑移表示为：(1)用相对滑移的大小能比较真实地反映切削变形程度。,变形程度的量度方法,(2)变形系数h 变形系数是衡量变形的另一个参数，用它来表示切屑的外形尺寸（宽度不变),这种切屑外形尺寸变化的变形现象称为切屑的收缩。切屑经过剪切变形、又受到前刀面摩擦后,与切削层比较,它的长度缩短lchlc,厚度增加即hchhD(收缩)。变形系数h表示切屑收缩的程度,即:（2）式中 lc、hD切削层长度和厚度；lch、hch切屑长度和厚度。测量出切削层和切屑的长度和厚度,能方便地求出变形系数 h。,变形程度的量度方法,由图示可知剪切角变化对切屑收缩的影响，增大剪切面AB减短，切屑厚度hD减小，故 h变小，它们之间的关系如下：(3)公式（1）、（3）表明，剪切角与前角o是影响切削变形的两个主要因素。变形系数h可以用来近似地衡量和表示切削过程中金属的变形程度，它的优点是比较直观，而且容易测量。将式（3）代入式（1），可得，与h的关系：,变形程度的量度方法,通过计算可知：在h1.5时，与h的值呈线性关系。此时h值在一定程度上反映了相对滑移的大小。h1时，切屑似乎没有变形，但此时相对滑移并不等于零，说明此时不能用h值来反映切削变形的规律。在o=-1530范围内，随着前角o的增大，对于相同的变形系数h，相对滑移呈减小趋势。当变形系数h1.2时，不能用变形系数h表示变形程度。这是考虑到：当h=11.2之间，h虽减小，而相对滑移却变化不大；当h1时，h稍有减小，而相对滑移反而大大增加。,变形程度的量度方法,（3）剪切面与剪切角 剪切角指出了切屑单元剪切的方向，是说明切削变形的重要参数之一。在一定的简化情况下，可从作用于切削层的力系来确定剪切角 的大小。1）作用力分析 为了深入了解切削变形的实质，掌握切削变形的规律，下面进一步在形成带状切屑的过程中考虑第二变形区的变形及其对剪切角的影响。图 切屑上受力分析,前刀面的挤压摩擦,图2.7 切屑上受力分析,前刀面的挤压摩擦,如图所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的正压力Fn与摩擦力Ff 组成的合力Fr与剪切面上反作用力Fr共线，并处于平衡。将合力Fr分解成二组分力：在运动方向的水平分力Fz、垂直分力Fy；在剪切面上的剪切力Fs、法向力Fns。分力Fz、Fy可利用测力仪测得。由于剪切力Fs的作用，使切削层在剪切面上产生剪切变形。,前刀面的挤压摩擦,AD切削层面积用s表示剪切面上产生剪切滑移变形时的屈服剪应力，则,又,得,前刀面上摩擦力Ff 与正压力Fn之比，即为前刀面与切屑接触面间摩擦系数：摩擦系数或摩擦角亦可根据已测得的分力Fz、Fy值求得：由于前刀面与切屑间产生塑性变形，其间接触面积远大于普通滑动摩擦条件的局部接触，因此摩擦系数不能运用库伦定理来计算。,前刀面的挤压摩擦,2）剪切角的确定 剪切角是影响切削变形的一个重要因素。若能预测剪切角的值，则对了解与控制切削变形具有重要意义。为此，许多学者进行了大量研究，并推荐了若干剪切角的计算式。根据主应力方向与最大剪应力方向成45角原理确定的剪切角：合力Fr的方向即为主应力的方向，Fs的方向就是最大剪应力的方向。由金属塑性变形理论可知，它们之间的夹角(+-o)约成/4。因此剪切角为：（2.10）上式称为李和谢弗(Lee and Shaffer)公式。根据合力最小原理确定的剪切角：若剪切角不同，则切削合力Fr亦不同。存在一个，使得Fr 最小。对式(2.5)求导，并令，求得Fr为最小时的值，即（2.11）上式称为麦钱特()公式。,剪切角 确定,从式（2.10）和（2.11）可得出如下结论：剪切角与摩擦角有关。当增大时，角随之减小，变形增大。因此，在低速切削时，使用切削液以减小前刀面上的摩擦系数是很重要的。这一结论也说明第变形区的变形与第变形区的变形密切相关。当前角o增大时，剪切角随之增大，变形减小。可见在保证切削刃强度的前提下，增大前角对改善切削过程是有利的。上面两个公式的计算结果和实验结果在定性上是一致的，但在定量上有出入，其原因是切削模型的简化。,剪切角 确定,（4）剪切速度 切屑流出时由于受第二变形区的影响，使切屑沿前刀面流出时的速度vx低于原来的切削速度vc。切削层以速度vc被切除，以速度vs沿剪切面剪切滑移。vc、vx与vs三个向量组成一个封闭三角形，即（2.12）根据正弦定律：可得：（2.13）（2.14）可见，只要知道刀具前角、切削速度与剪切角就可求出切屑流出速度vx与剪切速度vs。,剪切速度,图2.8切削速度、切屑流出速度与剪切速度间的关系,前刀面上的挤压摩擦与积屑瘤 切削层金属经过剪切面AB，形成切屑沿前刀面流出时，切屑底层仍受到刀具的挤压及接触面间强烈摩擦的作用，它影响到切屑的形成、切削力、切削温度及刀具的磨损；此外，还影响积屑瘤的形成，从而影响已加工表面的质量。（1）刀-屑接触区的摩擦特性 金属切削时:由于在刀-屑接触界面间存在着很大的压力(可达23.5GPa)，切削液不易流入接触界面;几百度的高温;切屑底层又总是以新鲜表面与前刀面接触。从而使刀-屑接触面间产生粘接，粘结面间相对滑动产生的摩擦就不再是一般意义上的外摩擦，而是内摩擦，内摩擦的实质就是金属内部的剪切滑移，内摩擦力等于剪切其中较软金属层材料所需的力。,切屑与前刀面间的摩擦,采用一定的实验方法可测出切削塑性金属时前刀面上的应力分布情况。由图2.9所示，在刀-屑接触面上正应力的分布是变化的，以切削刃处为最大，离切削刃越远，前刀面上正压力越小，随着切屑沿前刀面的流出而逐渐减小，在刀-屑分离处为零。因此切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域，即粘结区和滑动区。粘结区：近切削刃长度lfi内，属于内摩擦性质，在粘结区内基本上是不变的，它等于较软金属的剪切屈服极限S。滑动区：切屑即将脱离前刀面时在lfo长度内的接触区。该区域内的摩擦性质为外(滑动)摩擦，其外摩擦力可应用库伦定律计算。在滑动区内剪应力是变化的，离切削刃越远，越小。,切屑与前刀面间的摩擦,总长度lf:切屑与前刀面接触总长度lf 根据加工条件不同而改变。例如对中碳钢实验可知，采用高的切削速度vc，减小切削厚度hD，增大前角o或加工抗拉强度b高的材料，均可减短接触长度lf。由此可见，切屑与前刀面间的摩擦是由内摩擦和外摩擦组成,且内摩擦力远大于外摩擦力，内摩擦力约占总摩擦力的85%，但在切削温度低、压力小时,应考虑外摩擦的影响。粘结区内的摩擦系数av计算方法如下：（2.15）式中 Ffi、Fni分别指粘结区内的摩擦力和正压力；Ari粘结面积；av粘结区内平均正应力。由于粘结区内正应力是变化的，因此摩擦系数按平均应力计算，故称为平均摩擦系数，称为平均摩擦角。通常分析时所提及的切屑与前刀面间摩擦系数就是指该平均摩擦系数。,切屑与前刀面间的摩擦,（2）积屑瘤 积屑瘤现象及其产生条件：切削塑性金属时，往往会在切削刃口附近堆积一楔状或鼻状的金属块，它包围着切削刃且覆盖部分前刀面，这种堆积物叫做积屑瘤。积屑瘤是堆积在前刀面上近切削刃处的一个楔块，经测定它的硬度为金属母体的23倍。切削钢、球墨铸铁、铝合金等塑性材料时，在切削速度不高，而又能形成带状切屑的情况下易生成积屑瘤。,积 屑 瘤,积屑瘤的形成和刀具前刀面上的摩擦有着密切关系，通常认为是由于切屑在前刀面上粘结造成的。当在一定的加工条件下，随着切屑与前刀面间温度和压力的增加，摩擦力也增大，使近前刀面处切屑中塑性变形层流速减慢，产生“滞流”现象。当温度和压力增加到一定程度，滞流层中底层与前刀面产生了粘结。当切屑底层中剪应力超过金属的剪切屈服极限时，底层金属被剪断并粘结在前刀面上。该粘结层经过了剧烈的塑性变形使硬度提高，在继续切削时，硬的粘结层又剪断软的金属层，这样层层堆积，高度逐渐增加，形成了积屑瘤。图2.10(a)所示为通过快速落刀获取的在低速下切削含碳量为0.15%钢时的积屑瘤图片。图2.10(b)所示，切削加工时，刀具的新的工作表面在O处和切屑下表面的A处形成，但在O与A之间的积屑瘤和工件是一个连续的整体，并未与切屑下表面分隔开来。实际上滞流层已从刀具表面转移至积屑瘤顶部。研究认为积屑瘤是个动态结构。长高了的积屑瘤，受外力或振动的作用可能发生局部断裂或脱落。有些资料表明积屑瘤的产生、成长和脱落是在瞬间内进行的，它们的频率很高。,积 屑 瘤,积 屑 瘤,积屑瘤对切削过程有积极的影响，也有消极的影响：1）实际前角增大 随着积屑瘤的增大，实际前角有所增大，当积屑瘤达到最高时，实际前角可达30左右。因而减小了变形，降低了切削力。2）对切削刃及前刀面的影响 积屑瘤覆盖着切削刃及前刀面的一部分，可代替切削刃及前刀面进行切削，从而使切削刃及前刀面得到保护。积屑瘤的产生、成长和脱落是在瞬间内进行的，稳定性很差，脱落时易带走前刀面金属颗粒，这又加剧了刀具的磨损。3）增大背吃刀量 积屑瘤前端伸出切削刃之外，因而增大了背吃刀量，影响了加工尺寸。4）增大已加工表面粗糙度值 由于积屑瘤的不稳定性，可造成已加工表面粗糙度值增加，因此在精加工时必须设法避免积屑瘤。,积 屑 瘤,形成积屑瘤的条件：主要决定于切削温度。在切削温度很低时，切屑与前刀面间呈点接触，摩擦系数较小，故不易形成粘结；在温度很高时，接触面间切屑底层金属呈微熔状态，起润滑作用，摩擦系数也较小，积屑瘤同样不易形成；在中温区，切屑底层材料软化，粘结严重，摩擦系数最大，产生的积屑瘤高度达到很大值。合理控制切削条件，调节切削参数，尽量不形成中温区域，就能较有效地抑制或避免积屑瘤的产生。切削温度与切削速度密切相关，切削速度不同，积屑瘤生长所能达到的最大高度也不同。以切削中碳钢为例，如图2.11所示：,积 屑 瘤,图2.11 切削速度对积屑瘤高度的影响(示意图),由此可见，切削时：对于精加工工序，为了提高加工表面质量，应尽量不采用中速加工，否则应配合其它改善措施；在切削硬度和强度高的材料时，由于剪切屈服强度s高，不易切除切屑，即使采用较低的切削速度，也易达到产生积屑瘤的中温区域，为了抑制积屑瘤，通常选用中等以上切削速度加工；切削塑性高的材料，需选用高的切削速度才能消除积屑瘤；采用润滑性能好的切削液，以减小摩擦，增大前角、减小进给量、提高刀具刃磨质量、将工件预先经适当的热处理以提高工件材料硬度都可以防止积屑瘤的产生。,积 屑 瘤,切屑的类型 由于工件材料不同，切削条件不同，切削变形的程度也就不同，因而所形成的切屑种类也就多种多样。按照切屑形成机理的差异,通常将切屑分为四类：国际标准化组织的切屑分类法(1、2)；带状切屑；挤裂切屑；单元切屑;崩碎切屑,切 屑 类 型,图2.12 切屑的类型(a)带状切屑(b)挤裂切屑(c)单元切屑(d)崩碎切屑,（1）带状切屑 如图2.12(a)，这是最常见的一种切屑，它是经过上述塑性变形过程形成的切屑，与前刀面接触的内表面是光滑的，外表面呈毛葺。一般加工塑性金属材料，当切削厚度较小，切削速度较高，刀具前角较大时常得到这类切屑。它的切削过程比较平稳，切削力波动较小，因而已加工表面粗糙度值也较小。但有时需采取断屑措施。（2）挤裂切屑 如图2.12(b)，在形成切屑的过程中，剪切面上局部位置处的剪应力达到材料的强度极限。切屑外表面呈较大的锯齿形，内表面有时有裂纹。在切削速度较低、切削厚度较大、刀具前角较小时，容易产生这类切屑。,切 屑 类 型,（3）单元切屑 如图2.12(c)，当剪切面上的剪应力超过材料的强度极限时产生了剪切破坏，使切屑沿厚度断裂成均匀的颗粒状，成为梯形的单元切屑。以上三种类型的切屑，一般是在切削塑性金属材料时产生的。切屑的类型是由材料的应力-应变特性和塑性变形程度决定的。如加工条件相同，塑性高的材料不易断裂，易形成带状切屑。改变加工条件，使材料产生的塑性变形程度随之变化，切屑的类型便会相互转化，假如改变得到挤裂切屑的条件，即进一步减小前角，减低切削速度，或加大切削厚度，就可得到单元切屑，反之，则可得到带状切屑。这说明切屑的形态是可以随着切削条件而转化的。,切 屑 类 型,（4）崩碎切屑 如图2.12(d)，在切削脆性金属时，切削层几乎不经过塑性变形就产生脆性崩裂，得到的切屑呈不规则的粒状，同时使工件加工表面凸凹不平。这种切屑同前刀面的接触长度较短，切削力集中在切削刃附近，易造成崩刃。所以无论从切削力或加工表面质量的观点都应设法避免此类切屑。工件材料越脆、刀具前角越小、切削厚度越大，越容易产生这类切屑。此时应减小切削厚度，使切屑成针状或片状。,切 屑 类 型,切 屑 类 型,在生产实践中，切削过程中排出的切屑形状多种多样。如图2.13所示。精车时希望形成螺卷屑；在重型机床上用大的背吃刀量、大的进给量车削钢件时，通常希望形成发条状切屑；在自动机或自动线上，宝塔状切屑（图示7）是一种比较好的屑形。图示10为崩碎屑。影响屑形的基本因素有：工件材料、刀具几何角度、切削液、机床的动态性能及切削条件。掌握了各种屑形的形成条件、特点及变化规律，就可以控制切屑的变形、形态及尺寸，达到卷屑和断屑的目的。,切 屑 类 型,图2.13 常见切屑的形状,影响切削变形的因素 切削过程中变形越大，切削力就越大，加工质量就会差些，严重时引起振动等。因此，掌握变形的规律，不但有助于了解切削力的变化，更重要的是我们可以控制切削过程，提高加工质量。切削变形是个复杂的过程，切削变形的大小，主要取决于第一变形区及第二变形区挤压和摩擦情况。凡是影响这两个变形区变形和摩擦的因素都会影响切削的变形。影响切削变形的因素很多，下面介绍的是其中最主要的、起决定作用的几个因素。,切削变形的变化规律,（1）工件材料 工件材料的机械性能不同，切削变形也不同。生产实践表明：工件材料的塑性越大，切削变形就越大；工件材料的强度、硬度高，正压力Fn增大，平均正应力av增大，因此，摩擦系数下降，剪切角增大，切削变形减小。实验结果也表明，工件材料的强度和硬度越大，变形系数h越小，见图2.14。,切削变形的变化规律,图2.14 工件材料强度对变形系数的影响,（2）前角 从剪切角的表达式可知，增大前角o，使剪切角增大。但实验证明，在一定的切削速度范围内，随着前角o增大，前刀面上正应力减小，材料的剪切屈服强度与正压力之比增加，也即摩擦角有所增大。例如，用高速钢刀具切削40钢，hD=0.1mm，当o=10时，=0.61；当o=30时，=0.79。综合作用的结果是，随着前角o的增大，的增加不如o增加的多，最终剪切角增大，变形系数h减小。如图2.15所示。,切削变形的变化规律,掌握这些规律，在车削细长轴时，就可以用大前角车刀，减小变形和切削力以免工件弯曲和振动。生产实践表明：采用大前角刀具切削，刀刃锋利、切入金属容易，切屑与前刀面接触长度lf 减短，切屑流出阻力小，因此，切屑变形小、切削省力。但若切削速度较高（vc80m/min）前角对变形的影响很小。因此高速切削时若工件材料很硬，就可以用负前角，这时切削变形和切削力都增加不多。被切金属材料的塑性大小，是在选择刀具几何参数，特别是在选择刀具前角时主要考虑的因素。,积 屑 瘤,（3）切削速度 切削速度对切削变形的影响比较复杂，主要与积屑瘤有关。在产生积屑瘤的速度范围内，切削速度vc是通过积屑瘤的高度所形成的实际前角改变，从而改变剪切角来影响切削变形的。如图2.16，以30钢为例，切削速度vc在320m/min范围内提高，积屑瘤高度随着增加，刀具实际前角增大，使剪切角增大，故变形系数h减小；切削速度vc=20m/min左右时，此时积屑瘤高度最大，故h值最小，切削速度vc在2040m/min范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角逐渐减小，使减小，h增大。,切削变形的变化规律,图2.16 切削速度vc及进给量 f 对变形系数h的影响 工件材料：30钢；背吃刀量：ap=4mm,在中等切削速度以上不产生积屑瘤的范围内（vc80100m/min），切削速度vc越大，h越小或基本不变。主要是因为其一，切削速度增高，金属流动速度大于塑性变形速度，剪切面后移，剪切角变大，而使切削变形减小；其二是由于随着切削速度的提高切削温度继续增高，致使摩擦系数下降，故变形系数h减小。这就是通过提高切削速度vc可减小切削变形，降低切削力和提高表面质量的原因，也是高速切削的理论依据。,切削变形的变化规律,（4）进给量 进给量 f 增大，使变形系数h减小。这是由于进给量f 增大后，使切削厚度hD增加，正压力Fn增大，平均正应力av增大，因此摩擦系数下降，剪切角增大所致。从另一方面来说，在一定切削厚度hD的切屑中，各切削层变形的应力分布是不均匀的。越靠近前刀面的金属层，其变形和应力越大，离前刀面越远，变形和应力越小。因此，切削厚度hD增加，切屑中平均变形减小，反之，薄切屑的变形量大。,切削变形的变化规律,2.2切削力切削力：切削过程中刀具和工件相互作用的力称为切削力。切削力是金属切削过程中主要的物理现象之一。它直接影响着切削热的产生，并影响刀具的磨损、加工精度以及表面质量。在生产实践中，切削力又是计算切削功率、设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。因此，研究切削力，掌握其变化规律将有助于分析切削过程。,切 削 力,切削力的来源、合力及其分力 在刀具作用下，被切削金属层、切屑和已加工表面金属都要产生弹性变形和塑性变形。Fn和Fn分别作用于前、后刀面上；由于切屑沿前刀面流出故有摩擦力Ff作用于前刀面；刀具与工件之间有相对运动，又有摩擦力Ff作用于后刀面；它们的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处，其反作用力Fr作用在工件上。综上所述，切削力的来源有两个：一是切削层金属、切屑和工件表层金属的弹性变形抗力和塑性变形抗力；二是切屑、工件与刀具间的摩擦阻力。,切 削 力,图2.17 切削力的来源、合力及分力,实际生产中的金属切削过程都是三维的非自由切削。图2.17(b)以车削外圆为例，当刃倾角s绝对值较小，过渡刃所占比例较小，副切削刃的切削力不大时，可近似认为合力Fr作用在刀具主剖面内。为了便于分析切削力的作用及测量、计算切削力的大小，通常将合力Fr分解成三个相互垂直的分力。主切削力Fz 主运动切削速度方向的分力；切深抗力Fy 背吃刀量方向的分力；进给抗力Fx 进给方向的分力。在铣削平面时，上述分力亦称为：Fz切向力、Fy径向力、Fx轴向力。,切 削 力,由图2.17(b)可知，合力与各分力间的关系为：（2.16）Fy=Fxycosr；Fx=Fxysinr（2.17）式中 Fxy合力Fr在基面上的分力。主切削力Fz是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。切深抗力Fy不消耗功率，但在机床工件夹具刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。进给抗力Fx消耗了总功率的5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚度的依据。一般情况下，Fz比Fy及Fx大，但使用负前角刀具加工淬硬钢时，Fy可能比Fz大。因而Fy、Fx相对于Fz的比值，随工件材料、刀具几何参数、刀具磨损情况以及切削用量的不同，有较大变化，当刀具的主偏角越小、刀尖圆弧半径越大以及背吃刀量越小时，Fy越大，而Fx将越小。Fz、Fy及Fx可用三向测力仪测得。,切 削 力,切削力测定和切削力实验公式 生产、实验中经常遇到切削力的计算，近百余年来国内外许多学者作了大量的工作。但由于实际的金属切削过程非常复杂，影响因素很多，现有的一些理论公式（如公式（2.6）都是在一些假设的基础上得到的，还存在着较大的缺点，计算结果与实验结果不能很好地吻合。所以在生产实际中，切削力的大小一般采用由实验结果建立起来的经验公式计算。在需要较为准确地知道某种切削条件下的切削力时，还需进行实际测量。随着测试手段的现代化，切削力的测量方法有了很大的发展，在很多场合下已能很精确地测量切削力。目前求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪直接测出或通过实验后整理成的实验公式求得。现将切削力实验公式的来源简述如下：,切 削 力,（1）测力仪的工作原理 测力仪的类型很多，目前较为普遍使用的是电阻应变片式和压电式测力仪。1）电阻应变片式测力仪 测量原理是：利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，经过转换处理后，得出切削力各分力。,切 削 力,图2.18电阻应变片式测力系统示意图（车削力）,测力传感器是一个在弹性体上粘贴着电阻应变片的转换元件，通过它使切削力的变化转换成电量的变化。将电阻应变片连接成电桥电路，当应变片的电阻值变化时，则电桥不平衡，产生了电流或电压讯号输出。在测力时根据输出的电量，经过微机处理可以得出对应的切削力数值。电阻应变片式测力仪的传感器有很多结构型式，在车削测力仪中较常用的如图2.18所示，有能测主切削力Fz的直杆式和能测Fz、Fy、Fx三向分力的八角环式。它们的测力原理相同。,切 削 力,(a)(b)图2.19 车削测力传感器(a)直杆式；(b)八角环式,以直杆式为例，其顶面与底面分别贴有应变片R1、R2，R1、R2与外接应变片组成电桥电路，如图(a)、(b)所示。在主切削力Fz的作用下，直杆弹性体顶面产生拉伸变形，应变片R1伸长、阻值增大R1；其底面产生压缩变形，应变片R2缩短、阻值减小R2。这样，电桥的平衡条件受到破坏，2、4点之间就产生了输出电压（电流）讯号，该电压（电流）值与切削力Fz大小成正比。当然，测力仪使用前必须经过标定。八角环式同理。,切 削 力,图 直杆式测力原理,2）压电式测力仪 如图2.21所示，压电式测力仪由于刚性好，灵敏度高，可测动态切削力，因此应用逐渐增多。它的工作原理是基于石英晶体的正压电效应。石英晶体由于其内部结构的特点，当晶体受外力作用时将产生变形，从而在晶体表面产生电荷，所产生电荷的多少与外力的大小成正比，从而测得切削力的大小。,切 削 力,图2.21 压电测力系统示意图（车削力）,（2）车削力实验公式的建立 测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法。即固定其它实验条件，在切削时分别改变背吃刀量ap和进给量f，并从测力仪上读出对应切削力数值，然后经过数据整理求出它们之间的函数关系式。通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为：,切 削 力,式中 CFx、CFy、CFz影响系数，它的大小与实验条件有关；xFx、xFy、xFz背吃刀量ap对切削力影响指数；yFx、yFy、yFz进给量f 对切削力影响指数；KFx、KFy、KFz计算条件与实验条件不同时对切削力的修正系数。,下面简要说明建立主切削力Fz实验公式的基本原理：根据实验得到的ap-Fz、f-Fz许多对应值，就可在双对数坐标中连成如图2.22所示的两条直线图形。直线图形的对数方程为：上式可改写为：（2.21）（2.22）综合(2.21)、(2.22)式，得Fz实验公式：,切 削 力,式中 xFz、yFz分别为ap-Fz、f-Fz直线图形中的斜率，通常xFz=1、yFz=0.750.9；lgCap、lgCf 分别为ap-Fz、f-Fz直线图形中的截距；CFz由式（2.21）、（2.22）和（2.23）联立求得的系数值。,图2.22 双对数坐标中直线图形(a)ap-Fz(b)f-Fz,切 削 力,例如：图2.22中ap-Fz、f-Fz的直线图形，是在下列实验条件下得到的；刀具几何参数o=15、r=45、o=8、o1=-6、b1=0.20.3mm、断屑槽宽度LBo=4mm。焊接硬质合金车刀YT15。在CA6140车床上用三向电阻应变片式测力仪，车削45号钢，切削速度vc=105m/min，不加切削液。N 同理，经实验可求出Fy与Fx的实验公式。,切 削 力,在科学研究中，为了获得精确的实验结果，应该是根据正交设计原理确定实验方案，并将实验数据进行一元回归分析，利用最小二乘法求出各系数和指数，具体方法可参阅有关资料。另外，切削力实验公式是在特定的实验条件下求出来的。在计算切削力时，如果切削条件与实验条件不符，不必另求实验公式，只需借用原有实验公式再乘一个系数KF即可。KF称为修正系数，它是包括了许多因素的修正系数乘积。修正系数也是用实验方法求出。例如以前角o为例，在其它条件相同的情况下，用不同o的车刀进行切削实验，测出它们的Fz值，然后与求Fz实验公式时的o所得到的Fz进行比较，它们的比值用KoFz表示，即为o改变对切削力Fz的修正系数。每一因素都可求出它对Fz、Fy和Fx影响的修正系数值。修正系数的大小，表示该因素对切削力的影响程度。,切 削 力,2.2.3 单位切削力、切削功率和单位切削功率（1）单位切削力 切削力的计算公式，除了常用指数公式外，亦有通过单位切削力进行计算。单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力，可用下式表示：（2.24）式(2.24)表明，单位切削力不受背吃刀量ap的影响，这是因为背吃刀量改变后，切削力Fz与切削层面积AD以相同的比例随着变化。而进给量f 增大，切削面积AD随之增大，而切削力Fz增大不多。单位切削力p与进给量f 和系数CFz有关，它随着进给量f 增大而减小，与h-f的规律相同，说明p也能反映切削的平均变形量。CFz取决于工件材料的强度(b)和硬度(HB)。利用单位切削力p来计算主切削力Fz较为简易直观。显然进给量 f 不同时，单位切削力也不同。求出所有进给量下的单位切削力是很烦琐的，在实际使用中，取f=0.3mm/r时的单位切削力，当f 0.3mm/r时，乘以修正系数加以修正。,切 削 力,（2）切削功率 切削功率Pm是指车削时在切削区域内消耗的功率，通常计算的是主运动所消耗的功率。kW（2.25）式中 Fz主切削力（N）；vc主运动切削速度(m/min)。机床电动机所需功率PE应为：kW（2.26）式中 机床传动效率。,切 削 力,（3）单位切削功率 单位切削功率是指单位时间内切除单位体积金属所消耗的功率。kW/(mm3s-1)（2.27）另外可导出Ps、p之间的关系式：kW/(mm3s-1)（2.28）表 2.1为使用硬质合金车刀对部分常用金属材料进行切削实验求得的单位切削力p和单位切削功率值。实验是在固定进给量f=0.3mm/r和其余条件下进行的。当进给量f 改变时，应将p和Ps值乘表2.2中修正系数。,切 削 力,切 削 力,【例】用硬质合金车刀车削热轧45号钢外圆，车刀主要角度o=15、r=75、s=0，选用切削用量ap=2 mm、f=0.4 mm/r、vc=100m/min。求：主切削力Fz、单位切削功率Ps、切削功率Pm。解：查表2.1 p=1962 N/mm2 Ps=196210-6(kW/（mm3s）)由f=0.4 mm/r 查表2.2 Kfp=Kfps=0.96 Fz=pKfp AD=19620.9620.4=1506.8(N)Ps=196210-6Kfs=1883.510-6(kW/（mm3s)）Pm=1506.8(100/60)10-3=2.5kW,切 削 力,表2.2 进给量 f 对单位切削力或单位切削功率的修正系数Kfp、Kfps,影响切削力的因素 由于切削力来源于工件材料的弹、塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，因此，凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力。影响切削力的因素很多，可归纳为四个方面：工件材料、切削用量、刀具几何参数及其它方面的因素。（1）工件材料的影响 工件材料是通过材料的剪切屈服强度s、塑性变形、切屑与刀具间摩擦系数等方面影响切削力的。工件材料的硬度或强度越高，材料的剪切屈服强度s越高，虽然变形系数h略有减小，但总的切削力还是增大的。材料的制造、热处理状态不同，得到的硬度也不同，切削力随着硬度提高而增大。,切 削 力,强度、硬度接近的材料，若其塑性或韧性越高，则切屑越不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增加，故切削力增大。例如不锈钢1Cr18Ni9Ti的硬度接近45号钢（229HB），但延伸率是45号钢的4倍，所以同样条件下产生的切削力较45号钢增大25%。；在切削铸铁等脆性金属时，由于塑性变形小，崩碎切屑与前刀面接触面积小，摩擦小，故切削力小。例如灰铸铁（HT200）与热轧45号钢，两者硬度接近，但前者切削力小40%。此外，化学成分也会影响材料的物理、机械性能，从而影响切削力的大小。工件材料对切削力的影响反映在系数CFz中。,切 削 力,（2）切削用量的影响1）背吃刀量和进给量 背吃刀量ap和进给量f 增大，分别使切削宽度bD、切削厚度hD增大，从而切削层面积AD增大，故变形抗力和摩擦力增加，引起切削力增大。但是ap和 f 增大后，它们分别使变形和摩擦增加的程度不同。如图所示，当 f 不变，ap增大一倍时，bD、AD也都增大一倍，刀具上的负荷也增加一倍，使切屑变形和摩擦成倍增加，故主切削力Fz也成倍增大；如图所示，当ap不变、f 增大一倍时，AD增大一倍，切削力也相应增大，考虑到 f 增大，切屑变形减小，摩擦系数也降低，又会使切削力减小，这两方面作用的结果，使切削力的增大与f 不成正比，使主切削力Fz增大不到一倍，约增大70%80%。实验结果也表明了ap与f 对切削力的影响程度不同，即在Fz实验公式中，通常ap的影响指数xFz=1，f 的影响指数yFz=0.750.9。,切 削 力,切 削 力,图2.23 背吃刀量和进给量对切削面积形状影响(a)f 不变 ap增大一倍;(b)ap不变 f 增大一倍,上述ap和 f 对Fz的影响规律对于指导生产实际具有重要作用。例如，需切除一定量的金属层，为了提高生产效率，采用大进给切削比大背吃刀量切削即省力又省功率。或者说，在同样切削力和切削功率条件下，允许采用更大的进给量切削，能达到切除更多的金属层的目的。,2）切削速度 加工塑性金属材料时，切削速度vc对切削力的影响可分为两个阶段，有积屑瘤的阶段和积屑瘤消失后的阶段，其影响规律如同对切削变形影响一样。,切 削 力,图2.24 切削速度vc对切削力Fz的影响,以车削45钢（正火）为例，刀具材料：YT15，切削用量：ap=3mm，f=0.25mm/r。由图2.24可知：在有积屑瘤阶段，切削速度从低速逐渐增加时，切削力先是逐渐减小，达到最低点后又逐渐增加至最大。这是由于切削速度影响积屑瘤的大小所致。在低速到中速范围内（520m/min），随着切削速度vc的提高，积屑瘤逐渐增大，使刀具的实际前角也逐渐增大，从而切削变形减小，故主切削力Fz逐渐减小；中速时（约20m/min），变形值最小，Fz减至最小值；超过中速，随着切削速度vc的提高，积屑瘤又逐渐减小，切削变形增大，故Fz逐渐增大，在积屑瘤消失时，切削力增至最大。在更高速度范围内（vc35m/min），由于切削温度逐渐升高，摩擦系数逐渐减小，因此，使切削力又重新缓慢下降，但渐趋稳定。加工脆性金属时，因为变形和摩擦均较小，切屑与前刀面的接触也很小，故切削速度vc改变时切削力变化不大。,切 削 力,表 2.3 切削速度vc改变时主切削力Fz的修正系数KvFz,切 削 力,由表2.3可知，在硬质合金刀具常用的切削速度范围内，采用高的速度切削，不仅能提高生产效率，而又使切削力Fz有所下降，但也会使功率消耗增多。例如通过计算表明，在相同条件下，切削速度vc增加一倍，使切削力Fz减小6%，但功率消耗增多，可达80%以上。,（3）刀具几何角度的影响1）前角 在刀具几何参数中，前角对切削力的影响最大。前角o增大，切削变形减小，故切削力减小。但增大前角o，使三个分力Fz、Fy、和Fx减小的程度不同。例如由实验可知，用主偏角r=75外圆车刀车削45号钢和灰铸铁HT200时，o每增加1，使Fz降低约1%、Fy降低约1.5%2%、Fx约降低4%5%。这是由于前角o增大后，前刀面上正压力Fn作用方向改变，使合力Fr减小