切削力與切削功率

切削力與切削功率的計算

切削力及其分解、切削功率

（1） 切削力的產生與切削力的分解 切削加工時，在刀具的作用下，被切削層金屬、切屑和工件已加工表面金屬都要產生彈性變形和塑性變形，這些變形所產生的抗力分別作用在前刀面和后刀面上：同時，由于切屑沿前刀面流出，刀具與工件之間有相對運動，所以還有摩擦力作用在刀面和后刀面上。這些作用在刀具上的合力就是總切削力F，簡稱切削力。

     由于F受很多因素的影響，因此，其大小和方向都是不固定的。為了便于分析切削力的作用和測量切削力的大小，常常將總切削力F分解為如圖1-9所示的三個互相垂直的切削分力：

1)切削力F_c是總切削力在主運動方向上的分力。因此，它垂直與基面，是切削力中最大的一個切削分力。其所消耗的功率占總功率的95%~99%。它是計算機床動力，校核刀具、夾具的強度與剛度的主要依據(jù)之一。

2) 背向力F_p是總切削力在切削深度方向上的分力。它在基面內，與進給運動方向垂直。

          圖1-9 切削力的分解

此力作用在機床一夾具一工件一刀具系統(tǒng)剛度最弱的方向上，容易引起振動與加工誤差，它是設計和校驗系統(tǒng)剛度和精度的基本參數(shù)。

3) 進給力F_f是總切削力在進給運動方向上的分力。它在基面內，與進給運動方向一致。F_f作用在機床的進給機構上，是計算和校驗機床進給系統(tǒng)的動力、強度及剛度的主要依據(jù)之一。

由圖1-9可知，總切削力F與三個切削分力之間的關系為

   （1-1）

（2） 切削功率 消耗在切削過程中的功率稱為切削功率p_m。切削功率為切削力F_c­­和進給力F_f所消耗功率之和，因背向力F_p沒有位移，所以不消耗功率。于是切削功率（W）為

 （1-2）

式中：F_c—切削力（N）

     υ_c—切削速度（m/s）

      F_f—進給力（N）

     υ_f—進給速度（mm/s）。

一般情況下，F(xiàn)_f所消耗功率（約占p_m的1%~2%）遠小于F_c所消耗的功率，因此，式（1-2）可簡化為

 （1-3）

按上式求得P_m后，如要計算機床電動機功率P_E，還應將P_m除以機床的傳動效率η_m（一般取η_m=0.75~0.85），即

(1-4)

2.切削分力的經驗公式

目前，生產中計算切削分力的經驗公式可分為兩類：一類是按單位切削力進行計算。

（1） 計算切削力的指數(shù)公式 用指數(shù)公式計算切削力在是生產實際中或得廣泛作用，其形式為

                      (1-5)

式中C_Fc、C_FP、C_Ff—決定于被加工材料和切削條件的系數(shù)：

x_FC、y_FC、n_FC、x_Fp、y_EP、n_FP、

x_Ff、y_Ff、n_Ff、—分別為三個分力公式中切削深度a_p、進給量f和切削速度υ_c的指數(shù)：

k_FC、k_FP、k_Ff、—分別為三個分力計算式中，當實際加工條件與求經驗公式時的條件不符時，各種因素對切削分力修正系數(shù)的積。

設k_MF、K_yOF、k_KRF、k_λSF、 k_R∈F、k_TF分別為被加工材料力學性能，刀具前角、主偏角、刃傾角、刀尖圓弧半徑、耐用度改變時對切削分力的修正系數(shù)，并以k_F表示k_FC、k_FP、k_Ff，則

          K_F=k_MF、K_yOF、k_KRF、k_λSF、 k_R∈F、k_TF     （1-6）

式（1-5）中的各系數(shù)、指數(shù)的數(shù)值，以及式（1-6）中各種切削條件下修正系數(shù)的數(shù)值可在本書有關章節(jié)中查得。

（2） 用單位切削力計算切削力和功率 單位切削力p是單位切削層公稱橫截面積（m²）上的切削力（N），所以 (1-7)：

  

                                                         (1-8)

式中  Fc—切削為（N）:

      A_D—切削層公稱橫截面積（m²）:

      b_D—切削層公稱寬度（mm）：

      h_D—切削層公稱厚度（mm）：

      a_p—切削深度（mm）：

      f—進給量（mm/r）。

 單位切削功率p_c是單位時間內切除單位體積材料所需的切削功率（W/(m3/s)).所以

 (1-9)  

 式中   Q—材料切除率（m³/s）：

        υ_c—切削速度（m/s）：

         p_c—切削功率（W）：

          （1-10）

 將Q、P_c、代入式（1-9）得

 

因此，如果知道了單位切削力p，就可由式（1-8）計算出切削力F_C，并用式（1-10）計算出切削功率p_c。

   單位切削力的具體數(shù)值可在有關文獻中查到。表1-1是硬質合金外圓車刀車削幾種常用材料的單位切削力和單位切削功率。

表1-1硬質合金外圓車刀切削常用金屬材料時的單位切削力與單位切削功率

注：1、切削各種鋼，用YT15刀片：切削不銹鋼、各種鑄鐵與銅、鋁，用YG8或YG6刀片：用YW2刀片。

2、不加切削液。

      表1-2 影響切削力的因素

影響切削力的因素（見表1-2）

切削力的測量

測量切削分力的方法有兩類：一類是間接測量法，例如把應變片貼在滾動軸承外環(huán)上、用為移計測量主軸或刀架變形量、測量驅動電動機耗電功率或轉差率、測量靜壓軸承壓力等，利用這些方法便可間接測量切削力的大�。毫硪活愂侵苯訙y量法，主要是利用各種測力儀來進行測量。常用的測量儀是應變片式和壓電式兩種，其工作原理是利用切削力作用在測力儀的彈性元件上所產生的變形，或作用在壓電晶體上產生的電荷經過轉換后，來測量各切削分力。

（1） 電阻應變片式測力儀這種測量儀具有靈敏高度，量程范圍大，既可用語靜態(tài)、也可用于動態(tài)測量，以及測量精度較高等特點。

測量儀常用的電阻軟件叫做電阻應變片。將若干電阻應變片緊貼在測量儀的彈性元件發(fā)生變形，使應變片的電阻值改變，破壞了電橋的平衡，于是有與切削力大小相應的電流輸出，經放大、標定后就可讀出三向切削力之值。

     圖1-10 八角環(huán)車削測力儀及應變片布置

（2） 壓電式測力儀這是一種靈敏度高，剛度大，自振頻率高，線性度和抗相互干擾都較好且無慣性的高精度測力儀，特別適用于測量動態(tài)力及瞬時力。其缺點是易受濕度的影響，在連續(xù)測量穩(wěn)定的或變化不大的力時，會產生因電荷泄漏而引起的零點漂移，影響測量精度。壓電測力儀的工作原理是利用石英晶體或壓電陶瓷的壓電效應。在受力時，她們的表面將產生電荷，電荷的多少與所施加的壓力成正比而與壓電晶體的大小無關。用電荷放大器轉換成相應的電壓參數(shù)，從而可測出力的大�。ㄒ妶D1-11_a）。

將幾個石英元件按次序機械地排列在一起，就可構成多向力傳感器（見圖1-11b）。加在傳感器上的力作用在石英片上，由于石英晶體的切割方向選擇得不同，所以各受力方向上的靈敏度不同，故能分別測出各個切割分力。

         圖1-11  壓電式傳感器

a)     但向測力傳感器及測力系統(tǒng)  b）三向測力傳感器

1—壓電傳感器  2—電荷放大器 3—峰值電壓表 4—陰極射線示波器 5—光線示波器 6—聚四氟套  7—晶片 8—蓋 9—電子束焊縫 10—基座