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1.3 切削力和切削功率的计算

1.3.1 切削力的来源与分解

金属切削时,工件材料抵抗刀具切削时所产生的阻力称为切削力。这种力与刀具作用在工件上的力大小相等,方向相反。切削力来源于两个方面,一是三个变形区内金属产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力;二是切屑与前面、工件与刀具后面之间的摩擦阻力。切削力是一个空间力,其方向和大小受多种因素影响而不易确定,为了便于分析切削力的作用和测量、计算其大小,便于生产应用,一般把总切削力 F 分解为三个互相垂直的切削分力 F c F p F f 。车削外圆时力的分解如图1-14所示。

图1-14 切削力分解

a)刀具对工件的力的分解 b)工件对刀具的力的分解

(1)切向力 F c 又称主切削力,是总切削力在主运动方向上的正投影(分力),单位为N。它与主运动方向一致,垂直于基面,是三个切削分力中最大的。切向力作用在工件上,并通过卡盘传递到机床主轴箱,是计算机床切削功率,校核刀具、夹具强度与刚度的依据。

(2)背向力 F p 又称径向力,是总切削力在垂直于工作平面上的分力,单位为N。由于在背向力方向上没有相对运动,所以背向力不消耗切削功率,但它作用在工件和机床刚性最差的方向上,易使工件在水平面内变形,影响工件精度,并易引起振动。背向力是校验机床刚度的主要依据。

(3)进给力 F f 又称轴向力,是总切削力在进给运动方向上的正投影(分力),单位为N。进给力作用在机床的进给机构上,是校验机床进给机构强度和刚度的主要依据。总切削力在基面的投影用 F D 表示,是 F p F f 的合力。总切削力和各分力的关系为

1.3.2 单位切削力和切削功率

单位切削力是指单位切削面积上的主切削力,用 p 表示,单位为N/mm 2 。可按下式计算:

切削功率是在切削过程中消耗的功率,等于总切削力的三个分力消耗的功率总和,用 P c 表示,单位为kW。由于 F f 消耗的功率所占比例很小,约为1%~1.5%,故通常略去不计。 F p 方向的运动速度为零,不消耗功率,所以切削功率为

根据切削功率选择机床电动机功率时,还应考虑到机床的传动效率。机床电动机功率为

式中 P E ——机床电动机功率(kW);

η ——机床的传动效率,一般为0.75~0.85。

1.3.3 影响切削力的主要因素

1.工件材料

工件材料的强度、硬度越高,材料的剪切屈服强度越高,切削力越大。工件材料的塑性、韧性好,加工硬化的程度高,由于变形严重,故切削力也增大。此外,工件的热处理状态、金相组织不同,也会影响切削力的大小。通常情况下,韧性材料主要以强度,脆性材料主要以硬度来判别其对切削力的影响。

2.切削用量

(1)背吃刀量 a p 与进给量f的影响当 a p f 加大时,切削层的公称横截面积增大,变形抗力和摩擦阻力增加,因而切削力随之加大。

(2)切削速度 v c 的影响在低速切削范围内,随着切削速度的增加,积屑瘤逐渐长大,刀具实际前角逐渐增大,切削变形减小,使切削力逐渐减小。在中速切削范围内,随着切削速度的增加,积屑瘤逐渐减小并消失,使切削力逐渐增至最大。在高速切削阶段,由于切削温度升高,摩擦力逐渐减小,使切削力得到稳定的降低。

3.刀具几何角度

前角 γ o 加大,切削层易从刀具前面流出,使切削变形减小,因此切削力下降。此外,工件材料不同,前角的影响也不同,对塑性大的材料(如纯铜、铝合金等),切削时塑性变形大,前角的影响较显著;而对脆性材料(如灰铸铁、脆黄铜等),因切削时塑性变形很小,故前角的变化对切削力影响较小。

刃倾角 λ s 对主切削力的影响较小,对进给力 F f 和背向力 F p 的影响较大。当 λ s 逐渐由正值变为负值时, F f 增大, F p 减小。

4.其他影响因素

刀具材料不同时,影响切屑与刀具间的摩擦状态,从而影响切削力。在相同切削条件下,使切削力依次减小的刀具是立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具和高速钢刀具。

切削液有润滑作用,使用合适的切削液可降低切削力。

由以上分析可知,影响切削变形和摩擦的因素都影响切削力的大小,凡是使切削变形增大、摩擦增大的因素均可使切削力增大。 7IHQjSkpdd57s/+LZi+ZBwwSX8EBGACABzzOqdwW/oD0OmyCpteKpfyWjCC2CcdK

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