第2章金属切削过程的基本规律及其应用.ppt

第二章金属切削过程的基本规律及其应用,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,:,是指通过切削运动，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，对于合理使用与设计刀具、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,切削过程的基本规律,2.1.1,切削变形,金属切削过程与金属受压缩（拉伸）过程比较：如下,图（,a,）,所示,塑性金属受压缩时,随着外力的增加,金属先后产生弹性变形、塑性变形,并使金属晶格产生滑移,而后断裂；如下,图（,b,）,所示,以直角自由切削为例,如果忽略了摩擦、温度和应变速度的影响,金属切削过程如同压缩过程,切削层受刀具挤压后也产生塑性变形。,切 削 变 形,切削过程中产生的诸现象均与金属层变形密切相关。为了进一步分析研究切削层变形的特殊规律,通常把切削刃作用部位的金属层划分为,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,2.1.1.1,切屑的形成,及变形特点,(1),第一变形区金属的剪切滑移变形 切削层受刀具的作用，经过第一变形区的塑性变形后形成了切屑。下面以直角自由切削为例，分析较典型的连续切屑的形成过程。切削层受到刀具前刀面与切削刃的挤压作用下，使近切削刃处的金属先产生弹性变形，继而塑性变形，在这同时,金属晶格产生滑移,。,切 削 变 形,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,0.02,0.2mm,，所以常用,AB,滑移面来表示第一变形区，,AB,面亦称为剪切面。,切 削 变 形,如,图（,b,）,所示，对于切削层,mn,来说，,mn,线移至剪切面,AB,时，产生滑移后形成切屑上,mn,线，这个过程连续地进行，切削层便连续地通过前刀面转变为切屑。此图与形成切屑时的实际变形较接近，故称之为切屑形成模型。,剪切角,：剪切面,AB,与切削速度,v,c,之间的夹角称为剪切角。作用角：作用力,F,r,与切削速度,v,c,之间的夹角,称为作用角。由此可知，第,变形区就是形成切屑的变形区，其变形特点是切削层产生剪切滑移变形。,切 削 变 形,（,2,）第二变形区内金属的挤压摩擦变形 经过第一变形区后,形成的切屑要沿前刀面方向排出,还必须克服刀具前刀面对切屑挤压而产生的摩擦力。切屑在受前刀面挤压摩擦过程中进一步发生变形,(,第二变形区的变形,),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。这种作用离前刀面愈远影响愈小。切屑形成模型只考虑剪切面的滑移,实际上由于第二变形区的挤压,这些单元底面被挤压伸长,从平行四边形变成梯形，造成了切屑的弯曲。应指出,第一变形区与第二变形区是相互关联的。前刀面上的摩擦力大时,切屑排出不顺,挤压变形加剧,以致第一变形区的剪切滑移变形增大。,切 削 变 形,(3),第三变形区内金属的挤压摩擦变形 已加工表面受到切削刃钝圆部分和后刀面的挤压摩擦，造成纤维化与加工硬化。,2.1.1.2,切屑的类型,由于工件材料不同，切削条件不同，切削过程的变形也不同，所形成的切屑多种多样。通常将切屑分为四类：,带状切屑；挤裂切屑；单元切屑,;,崩碎切屑,(,1),带状切屑,它是经过上述塑性变形过程形成的切屑,外形呈带状。切削塑性较高的金属材料,例如碳素钢、合金钢、铜和铝合金时,常出现这类切屑。,切 屑 类 型,(2),挤裂切屑,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,使切屑上与前刀面接触的一面较光洁,其背面局部开裂成节状。切削黄铜或用低速切削钢,较易得到这类切屑。,(3),单元切屑,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。切削铅或用很低的速度切削钢时可得到这类切屑。,(4),崩碎切屑,在切削脆性金属时,例如铸铁、黄铜等材料,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细粒状。,切 屑 类 型,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，当塑性变形尚未达到断裂点就被切离时出现了带状切屑,变形后达到断裂就形成挤裂切屑或单元切屑。因此，在生产中常利用切屑转化条件，使之得到较为有利的屑型。,国际标准化组织的切屑分类法,(,1,、,2,),；,加工中常见的切屑形式,切 屑 类 型,2.1.1.3,变形程度的量度方法,(1),相对滑移,相对滑移,是用来量度第,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,，事实上,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变化大小。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,l,ch,l,c,厚度增加即,h,ch,h,D,（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,。变形系数,h,表示切屑收缩的程度,即,:,（,2,）式中,l,c,、,h,D,切屑层长度和厚度；,l,ch,、,h,ch,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,h,D,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,是影响切削变形的两个主要因素。,例如,当,=5,、,=15,-30,范围内变化时,由计算得,=2.2,3.9,、,h,1.6,3.6,，,因此，切削时塑性变形是很大的。如果增大前角,和剪切角,使,、,h,减小，则切削变形减小。,变形程度的量度方法,通过计算可知，在,=0,-30,、,h,1.5,时，,h,与,的值比较接近，此时用,h,值来表示变形程度既方便又较直观。在,为负值时，此时,值很大、,h,值变小，或者,h,1,时都不能用,h,值来反映切削变形的规律，这是由于切削过程是一个非常复杂的物理过程，切削变形除了产生滑移变形外，还有挤压、摩擦等作用，,h,主要从塑性压缩方面分析；而,值主要从剪切变形考虑。所以，,与,h,都只能近似地表示切削变形程度。,变形程度的量度方法,2.1.1.4,前刀面的挤压摩擦与积屑瘤,（,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。如图所示，以切屑作为研究对象，设刀具作用的正压力,F,n,与摩擦力,F,f,图,切屑上受力分析,前刀面的挤压摩擦,组成的合力,F,r,与剪切面上反作用力,F,r,共线，并处于平衡。将合力,F,r,分解成二组分力：在运动方向的水平分力,F,z,、垂直分力,F,y,；在剪切面上的剪切力,F,s,、法向力,F,ns,。分力,F,z,、,F,y,可利用测力仪测得。由于剪切力,F,s,的作用，使切削层在剪切面上产生剪切变形。,F,s,按下列公式计算,：,前刀面的挤压摩擦,剪切面上产生的剪应力,应为：,上两式中,:,摩擦角；,A,D,切削层面积。当剪应力,超过材料的剪切强度极限时，切削层产生剪切破坏而断裂成切屑。上式表明，减小水平分力,F,z,、增大切削层面积或减小剪切角,均可减小剪应力,。,前刀面的挤压摩擦,前刀面上摩擦力,F,f,与正压力,F,n,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,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。下面简要介绍,M,E,Merchant,提出的按最少能量原则来确定剪切角,的原理。开始切削时，刀具对切削层的作用力逐渐增大，在刀具前方切削层内不同平面上的剪应力也随着增大,当切削力继续增加时,其中有一个平面上剪应力达到材料的屈服强度，出现了塑性材料。显然，该剪应力即为最大剪应力,并由实验证明，前述,AB,面就是最早产生剪切变形的平面（,剪切面,），此时所需的切削力也是形成切屑的最小切削力，,剪切角,确定,由它做的功或消耗的能量也是最少的。由图可知，切削力,F,z,为：欲求最小切削力或耗能最少时的剪切角,，则取 ，然后求解出,为：,剪切角,确定,此外，也可按最大剪应力的理论，求出剪切角,为：通常剪切角,计算与实验结果并不一致。就以上式为例，它是忽略了剪切面上正应力、温度、应变速度及材质不均匀等因素的影响所致。上式或其它剪切角,计算式表明,与,、,有关。增大前角,、减小摩擦角,，使剪切角,增大，切削变形减小，这一规律已被普遍用于生产实践中。也可看出第,变形区产生的摩擦对第,变形区的影响规律。,剪切角,确定,(3),切屑与前刀面间的摩擦,切屑与前刀面间的摩擦与一般金属材料接触面间的摩擦不同。切屑与前刀面接触部分划分为两个摩擦区域，如图所示有,粘结区和滑动区,。粘结区：近切削刃长度,l,fi,，由于高温（可过,900,）、高压（可达,3.510,9,N/m,2,）的作用使切屑底层材料产生软化，切屑底层的金属材料粘嵌在前刀面上的高低不平凹坑中而形成粘结区。,切屑与前刀面间的摩擦,粘结面间相对滑动产生的摩擦称为内摩擦，内摩擦力等于剪切其中较软材料金属层所需的力。滑动区：切屑即将脱离前刀面时在,l,fo,长度内的接触区。在该区内切屑与前刀面间只是凸出的金属点接触，因此实际的接触面积,A,ro,远小于名义接触面积,A,a,o,，滑动区的摩擦称为外摩擦，其外摩擦力可应用库伦定律计算。切屑与前刀面接触总长度,l,f,i,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,v,c,减小切削厚度,h,D,、增大前角,或加工抗拉强度,b,高的材料，均可减短接触长度,l,fo,。,切屑与前刀面间的摩擦,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,通常以内摩擦为主，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。经测定切屑与前刀面间摩擦区的内应力分布如图所示。剪应力,的分布,:,在粘结区,基本上是不变的，它等于较软金属的剪切屈服极限,s,；在滑动区内剪应力,是变化的，离切削刃越远,越小。正应力,分布,:,在接触区内正应力,是变化的，离切削刃越远，前刀面上正压力越小，故正应力,越小。近切削刃处正应力,为最大值。,切屑与前刀面间的摩擦,粘结区内的摩擦系数,计算方法如下：式中,F,fi,、,F,ni,分别指粘结区内的摩擦力和正压力；,A,ri,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，显然，它与一般为常数值的外摩擦系数不同。由上式可知，减短接触长度、降低材料屈服强度,S,等，都能使摩擦系数,下降和减小切削变形。,切屑与前刀面间的摩擦,（,4,）,积屑瘤,如图所示，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,2,3,倍，积屑瘤高出前刀面,0.369mm,、凸出后刀面,0.057mm,、宽,1.138mm,，在切削时形成了实际前角,3227(,有的可达,40),。积屑瘤替代切削刃参加切削情况。当积屑瘤的顶部具有大的刃口圆弧半径时（图中,R0.134 mm,），会产生较大的挤压作用。此外，由于积屑瘤顶部凹凸不平和脱落后粘 附在已加工表面上，促使加工表面粗糙度增加。所以在精加工时应尽量避免或抑制积屑瘤的产生。,积 屑 瘤,积屑瘤的形成有许多解释：,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。越贴近前刀面处的金属层，流速越低。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，底层金属流速为零而被剪断，并粘结在前刀面上。该粘结层经过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。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，是个周期性的动态过程。,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，例如切削中碳钢的温度在,300,380,时，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。此外，接触面间压力、粗糙程度、粘结强度等因素都与形成积屑瘤的条件有关。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。以切削中碳钢为例，从,图示,的曲线可知，低速（,v,c,3m/min,左右）切削时，产生的切削温度很低；较高速（,v,c,60m/min,）切削时，产生的切削温度较高，这两种情况的摩擦系数均小，故不易形成积屑瘤。,积 屑 瘤,在中速（,v,c,20m/min,），积屑瘤的高度达到最大值。所以许多中速加工工序，如攻丝、拉孔、钻孔、铰孔等经常由于积屑瘤作用而影响加工表面粗糙度。如同其它精加工工序，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。同时，切削塑性高的材料，需选用高的切削速度才能消除积屑瘤。,积 屑 瘤,2.1.1.5,切削变形的变化规律,切削变形是个复杂的过程，通常利用先进的测试仪器和手段，才可能描绘出变形过程。目前，研究切削变形的方法有：通过试件侧面网格来观察变形，分析切屑根部试样中金相组织，高速拍摄变形过程，用扫描电镜观察切屑形成过程以及用,X,射线测定变形程度等。从相对滑移,、变形系数,h,计算式中可知，切屑变形的程度主要决定于剪切角,和摩擦系数,的大小。改变加工条件，促使,增大、,减小，就能减小切屑的变形。影响切屑变形的因素很多，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),前角,增大前角,，使剪切角,增大，变形系数,h,减小，因此，切屑变形减小。如图所示，,增大，改变了正压力,Fn,的大小和方向，,切削变形的变化规律,前角对剪切角的影响,a),负前角；,b),正前角,使合力,Fr,减小、作用角,减小，故剪切角,增大。由于增大了,，切屑厚度,h,ch,减小，使变形系数,h,减小。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,L,f,减短，流屑阻力小，因此，切屑变形小、切屑省力。,(2),切削速度,切削速度,v,c,是通过积屑瘤使剪切角,改变和通过切削温度使摩擦系数,变化而影响切削变形的。,切削变形的变化规律,如图中碳钢为例。,v,c,在,3,20m/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；,v,c,=20m/min,左右时，,h,值最小，,v,c,在,20,40m/min,范围内提高，积屑瘤逐渐消失，刀具实际前角减小，使,减小，,h,增大。,v,c,超过,40m/min,继续增高，由于切削温度继续增高，致使摩擦系数,下降，故变形系数,h,减小。此外，在高速时，也由于切削层受力小，切削速度又快，切削变形不充分而使切屑变形减小。,积 屑 瘤,(3),进给量,进给量,f,对切屑变形的影响规律如图所示，即：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,h,D,增加，正压力,F,n,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,h,D,的切屑中，各切削层的变形的应力分布是不均匀的。近前刀面处的金属变形和应力大，离前刀面越远的金属层，变形和应力越小。因此，切削厚度,h,D,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,（,4,）工件材料,工件材料的机械性能不同，切屑变形也不同。材料的强度、硬度提高，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，切屑变形减小。,切削变形的变化规律,所以，切削强度、硬度高的材料，不易产生变形，若需达到一定变形量，应施较大作用力和消耗较多的功率。而切削塑性较高的材料，则变形较大。下图为采用不同前角,切削不同材料时的变形系数,h,值。,积 屑 瘤,2.1.2,切削力,切削过程中作用在刀具与工件上的力称为切削力。切削力的大小及变化规律，直接影响刀具、机床、夹具的设计与使用。,2.1.2.1,切削力的来源,、合力及其分力,切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成：第一：变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；第二：切屑、工件与刀具间的摩擦力。,切 削 力,图,(a),为直角自由切削时，作用在前刀面上的弹、塑性变形抗力,F,n,和摩擦力,F,f,；作用在后刀面上的弹、塑性变形抗力,F,n,和摩擦力,F,f,。,图,合力及其分力 （,a,）直角自由切削 （,b,）（,c,）非自由切削,切 削 力,它们的合力,F,r,作用在前刀面上近切削刃处，其反作用力,F,r,作用在工件上。图,(b),为直角非自由切削时，由于受到副切削刃上刀尖处变形抗力和摩擦力的影响,改变了合力,F,r,的作用方向。为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力,F,r,在按主运动速度方向、切深方向和进给方向建立的空间直角坐标轴,z,、,y,、,x,上分解成三个分力，它们是：主切削力,F,z,主运动切削速度方向的分力；切深抗力,F,y,切深方向的分力；进给抗力,F,x,进给方向的分力。,切 削 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。合力与各分力间的关系为：,其中，,F,y,=,F,x,ycosk,r,；,F,x,=,F,x,ysink,r,式中,F,xy,合力在,Fr,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 削 力,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,5%,左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。,2.1.2.2,切削力测定和切削力实验公式,目前,切削力,Fz,计算公式是在忽略了温度、正应力、第,变形区变形与摩擦力等条件下推导出来的，故只能供定性分析用不能用于计算。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。,切 削 力,切削力实验公式的来源简述如下：（,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测力仪。测力仪如图所示，,切 削 力,测力系统方框示意图,1,、传感器,2,、电桥电路,3,、应变仪,4,、记录仪,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，该讯号经应变仪放大，并由记录仪显示出来。通过标定就能作出电量与切削力之间的关系图表。在测力时根据记录的电量，可以从标定图表上查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所示，有能测主切削力,Fz,的直杆式和能测,Fz,、,Fy,、,Fx,三方向的,八角环式,。它们的测力原理相同。,切 削 力,以直杆式为例，在主切削力,Fz,的作用下，直杆弹性体顶面产生拉伸变形，其上应变片,R,1,伸长、阻值增大,R,1,；,其底面产生压缩变形，应变片,R,2,缩短、阻值减小,R,2,。,切 削 力,图,直杆式测力原理,如果将应变片与外接应变片组成半桥电路，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。通过标定，从外加已知的载荷,(,相当于,Fz,值,),，可找出相应的电压,(,电流,),值。同理，在八角环式传感器上，也是通过三处分力的作用，使粘贴在相应表面上的应变片产生拉压变形，然后由应变片分别组成的三个电桥电路产生电压,(,电流,),变化讯号。传感器是测力仪的主要组成部分。合理确定弹性体的结构、形状和参数，提高弹性体的制造精度，保证应变片的合理布局和粘贴质量，是提高测力仪的测量精度、刚性和灵敏度以及减小各分力间相互干涉的主要途径。,切 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,a,p,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,C,Fx,、,C,Fy,、,C,Fz,影响系数，它的大小与实验条件有关,:,X,Fx,、,X,Fy,、,X,Fz,背吃刀量,a p,对切削力影响指数；,Y,Fx,、,Y,Fy,、,Y,Fz,进给量,f,对切削力影响指数；,K,Fx,、,K,Fx,、,K,Fx,计算条件与实验条件不同时,对切削力的修正系数。,(2),建立主切削力,Fz,实验公式的基本原理。根据实验得到的,a,p,-Fz,、,f-F,z,许多对应值，就可在双对数坐标中连成如图所示的两条直线图形。,切 削 力,切削深度,a,p,进给量,f,(mm/r),图,双对数坐标中直线图形,切 削 力,直线图形的对数方程为：,lg,F,z,=,lg,C,a,p,+,xF,z,lg,a,p,lg,F,x,=,lg,C,f,+,yF,z,lg,f,上式可改写为：（,a),（,b,）综合以上两式，得,F,z,实验公式：,（,c,）,切 削 力,式（,a,）、（,b,）、（,c,）中，,x,Fz,、,y,FZ,分别为,a,p,-,F,z,、,f-,F,z,直线图形中的斜率，通常，,x,Fz,=1,、,y,FZ,=0.75-0.9,；,C,ap,、,C,f,分别为,a,p,-,F,z,、,f-,F,z,直线图形中的截距；,C,FZ,由（,a,）、（,b,）和（,c,）式联立求得的系数值。同理，经实验可求出,F,y,与,F,x,的实验公式。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。,切 削 力,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，只需借用原有实验公式再乘一个系数,K,F,即可,K,F,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,K,o,F,z,即为,o,改变对切削力,Fz,的修正系数。注：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,2.1.2.3,单位切削力、切削功率和单位切削功率,（,1,）单位切削力 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：上式表明，单位切削力,p,与进给量,f,有关，它随着进给量,f,增大而减小。单位切削力不受背吃刀量,a,p,的影响，这是因为背吃刀量改变后，切削力,F,z,与切削层面积,A,D,以相同的比例随着变化。而进给量,f,增大，切削面积,A,D,随之增大，而切削力,F,z,增大不多。利用单位切削力,p,来计算主切削力,F,z,较为简易直观。,切 削 力,（,2,）切削功率 切削功率,P,m,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。式中,Fz,主切削力（,N,）；,v,c,主运动切削速度。机床电动机所需功率,P,E,应为：式中,机床传动效率。,切 削 力,(3),单位切削功率 单位切削功率,P,S,是指单位时间内切除单位体积金属,Z,W,所消耗的功率。另外,可导出,P,m,、,P,S,之间的关系式：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,P,S,值（,表,1,）。,切 削 力,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,P,S,值乘下表中修正系数,K,f,p,、,K,fps,。,【,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,、,k,r,=,75,、,s,=0,，选用切削用量,a,p,=2,mm,、,f,=0,3,mm/r,、,v,c,=100m/,min,求：单位切削力,P,、主切削力,F,z,、单位切削功率,P,S,、切削功率,P,m,。解,:,查表,1,P,=1962 N/mm,2,F,z,=,P,A,D,=196220.3=1177.2 N,P,s,=196210,-6,kw/(mm,-3,s,-1,),P,m,=(,F,z,v,c,10,-3,)/60=1177.2 (100/60)10,-3,=1.96kw,切 削 力,进给量,f,对,p,和,P,S,值的修正系数,Kf,p,、,Kf,ps,。,1.2.4,切削力的变化规律 影响切削力的因素主要有四个方面：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,等条件影响切削力的。工件材料的硬度或强度越高，材料的剪切屈服强度,S,越高，切削力越大。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,工件材料的塑性或韧性越高，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（,HB229,），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%,。在切削铸铁时，由于塑性变形小，崩碎切屑与前刀面摩擦小，故切削力小。例如灰铸铁（,HT20-40,）与热轧,45,号钢，两者硬度接近，但前者切削力小,40%,。,表,中可以反映出不同材料对切削力的影响程度,。,切 削 力,(,),切削用量的影响 背吃刀量和进给量 背吃刀量,a,P,和进给量,f,增大，分别使切削宽度,b,D,、切削厚度,h,D,增大,因而切削层面积,A,D,增大，故变形抗力和摩擦力增加，而引起切削力增大。但是,a,P,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，,切 削 力,当,f,不变，,a,p,增大一倍时，,b,D,、,A,D,也都增大一倍，使变形和摩擦成倍增加，故主切削力,Fz,也成倍增大，当,a,P,不变、,f,增大一倍时，,A,D,增大一倍，虽然,h,D,也成倍增大，但由于切屑变形小，故使主切削力,Fz,增大不到一倍，约增大,70%,80%,。实验的结果也表明了,a,P,与,f,对切削力的影响程度不同，即在,Fz,实验公式中，通常,a,P,的影响指数,x,F,Z,=1,、,f,的影响指数,y,F,Z,=0.75-0.9,。,切 削 力,上述,a,p,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切深切削较省力又省功率。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。切削速度 加工塑性金属时，切削速度,v,c,对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。,切 削 力,以车削,45,钢为例：在低速到中速范围内（,5,20m/min,），随着速度,v,c,的提高，切削变形减小，故主切削力,Fz,逐渐减小；中速时（,20m/min,），变形值最小，,Fz,减至最小值；超过中速，,切 削 力,随着速度,v,c,的提高，切削变形增大，故,Fz,逐渐增大。在更高速度范围内（,v,c,35m/min,），切削变形随着切削速度增加而减小，故切削力,Fz,逐渐减小而后达到稳定。切削脆性金属，因为变形和摩擦均较小，故切削速度,v,c,改变时切削力变化不大。表为车削钢时切削速度,v,c,对切削力,Fz,影响的修正系数,。,表,切削速度,v,c,改变时主切削力,Fz,的修正系数,KvFz,切 削 力,由表可知，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,v,c,增加,50%,，使切削力,F,z,减小,4%,，但功率消耗增多，可达,40%,以上。,(,),刀具几何角度的影响前角 前角,o,增大，切削变形减小，切削力减小。但增大前角,o,，使三个分力,F,z,、,F,y,、和,F,x,减小的程度不同。例由实验可知,:,用主偏角,k,r,=75,外圆车刀切削,45,号钢和灰铸铁,HT20-40,时，,o,每增加,1,，使,F,z,降低,1%,、,F,y,约降低,1.5%,2%,、,F,x,约降低,4%,5%,。,切 削 力,如果主偏角,k,r,45,时，则前角,增大后，由于前刀面上正压力,F,n,作用方向改变，使合力,Fr,减小的同时，作用角,变小，,F,r,在基面上分力,F,xy,减小，分力,F,y,、,F,x,也随之减小。,F,y,与,F,x,减小的幅度是由主偏角,k,r,大小决定：当,k,r,45,时，,F,x,降低幅度较大；当,k,r,45,时，,F,y,降低幅度较大,。,切 削 力,表为用,k,r,=75,外圆车刀车削,45,号钢和灰铸铁时前角,0,对切削力的修正系数。,表 前角改变时切削力的修正系数,K,0F,切 削 力,主偏角 主偏角,k,r,改变使切削面积的形状和切削分力,F,xy,的作用方向改变，因而使切削力也随之变化。如图示，当主偏角,k,r,增大时,切削厚度,h,D,增加,切削变形减小,故主切削力,F,z,减小；但,k,r,增大后,圆弧刀尖在切削刃上占的切削工作比例增大,使切屑变形和排屑时切屑相互挤压加剧。,切 削 力,(a),k,r,=30,(b),k,r,=75,此外，副前角,0,又随主偏角,k,r,增大而减小，上述影响又使主切削力,F,z,增大。由实验曲线表明：主偏角,k,r,在,30,60,范围内增大，由切削厚度,h,D,的影响起主要作用，促使主切削力,F,z,减小；主偏角约在,60,90,范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力,F,z,增大。,切 削 力,一般情况主偏角,k,r,=60-75,，故主切削力,F,z,增大。主偏角变化对切削力,F,y,和,F,x,的影响，是由于切削分力,F,xy,的作用方向改变而造成的。,k,r,增大，使,F,y,减小、,F,x,增大。当,k,r,=90,或,93,时，不仅,F,y,甚小，后者改变了,F,y,对工件的作用方向，使工件受到径向拉力的作用，从而减小了工件的变形和振动。由此可见，车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力,F,y,的作用，往往采用较大主偏角（,k,r,60,）的车刀切削。对于切断或切槽刀来说,由于切屑在槽中挤压、摩擦以及后刀面上摩擦的影响,主切削力,F,z,较外圆车削增大,20%,30%,。进给抗力,F,x,很大，约为（,0.4,0.55,）,F,z,。,切 削 力,表 主偏角,k,r,对切削力的修正系数,K,krF,切 削 力,刃倾角,s,由实验可知，刃倾角,s,对主切削力,F,z,影响很小，但对切深抗力,F,y,、进给抗力,F,x,影响较显著。刃倾角,s,的绝对值增大时，使主切削刃参加工作长度增加，摩擦加剧；但在法剖面中刃口圆弧半径,r,减小，刀刃锋利，切削变形减小。上述作用的结果是使,F,z,变化很小。刃倾角,s,对,F,y,、,F,x,的作用如图示,。,切 削 力,当刃倾角,s,由正值向负值变化时，使正压力,F,n,倾斜了刃倾角,s,，从而改变了合力,F,r,及其分力,F,xy,的作用方向,F,xy,的切深分力,F,y,增大、进给分力,F,x,减小。通常刃倾角,s,每增减,1,使切深分力,F,y,增减,2%,3%,。由此可见，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角。尤其在加工的工艺系统刚性较差情况下，往往因,(-,s,),增大了,Fy,的作用而产生振动。,切 削 力,表 车削,45,号钢时刃倾角,s,改变对切削力修正系数,。,（,4,）其它因素的影响 刀具的棱面：如图所示，刀具的棱面参数有第一前刀面上宽度,b,r1,和前角,01,、棱面提高了刀具强度，但也增大了挤压和摩擦作用，如图所示，由于棱面上正压力和摩擦力的影响，使合力,F,r,的大小和方向变化，因此剪切角,减小和摩擦增大，切削变形增大。所以，为了减小,Fy,的作用，应选用较小宽度,b,r1,，并使,b,r1,/,f,的比值小于,0.5,较适宜。,切 削 力,刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径,r,越大，圆弧刀刃参加工作比例越多，切削变形和摩擦越大，切削力越大。此外，由于圆弧刀刃上主偏角是变化的，使参加工作刀刃上主偏角的平均值减小，因此使,F,y,增大。所以当刀尖圆弧,r,由,0.25mm,增大到,1mm,时，,F,y,力可增大,20%,左右，并较易引起振动。刀具磨损