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切削用量對切削力的影響比較 （陜西理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院 ） 摘 要：通過分析切削力單因素實驗，探討切削用量對切削力的影響規(guī)律；同時討論刀具幾何參數(shù)對切削力的影響，得出一般結(jié)論；進(jìn)而對比說明精密切削切削力的特殊規(guī)律。 關(guān)鍵詞：切削變形；切削力；刀具；精密切削；規(guī)律 1. 引言 金屬機(jī)械加工過程中，產(chǎn)生的切削力直接影響工件的粗糙度和加工精度，同時也是確定切削用量的基本參數(shù)。所以掌握切削用量對切削力的影響規(guī)律也顯得重要。本文從一般切削和精密切削兩個方面對切削用量對切削力的影響規(guī)律做初步探討。 2.金屬切削加工機(jī)理 金屬切削加工是機(jī)械制造業(yè)中最基本的加工方法之一。金屬切削加工是指在金屬切削機(jī)床上使用金屬切削刀具從工件表面上切除多余金屬，從而獲得在形狀、尺寸精度及表面質(zhì)量等方面都符合預(yù)定要求的加工。 2.1切削加工原理 利用刀具與工件之間的相對運(yùn)動，在材料表面產(chǎn)生剪切變形、摩擦擠壓和滑移變形，進(jìn)而形成切屑。 2.2切削變形 根據(jù)金屬切削實驗中切削層的變形，如圖1-2，可以將切削刃作用部位的切削層劃分為3個變形區(qū)。 第Ⅰ變形區(qū)：剪切滑移區(qū)。該變 形區(qū)包括三個過程，分別是切削層彈 性變形、塑性變形、成為切屑。 第Ⅱ變形區(qū)：前刀面擠壓摩擦區(qū)。 該變形區(qū)的金屬層受到高溫高壓作用， 使靠近刀具前面處的金屬纖維化。 第Ⅲ變形區(qū)：后刀面擠壓摩擦區(qū)。 該變形區(qū)造成工件表層金屬纖維化與 圖1-2 切削層的變形區(qū) 加工硬化，并產(chǎn)生殘余應(yīng)力。 3.切削力 切削力是指切削過程中作用在刀具或工件上的力，它是工件材料抵抗刀具切削所產(chǎn)生的阻力。 3.1切削力來源 根據(jù)切削變形的不同，切削過程中刀具會受到三種力的作用，即： （1）克服切削層彈性變形的抗力 （2）克服切削層塑性變形的抗力 （3）克服切屑對刀具前面、工件對刀具后面的摩擦力 3.2切削力的合成與分解 圖2 - 2 切削力合力和分力 圖2-2為車削外圓時切削力的合力與分力示意圖。圖中字母分別表示： 、——作用在車刀前刀面的正壓力、摩擦力 、——作用在車刀后刀面的正壓力、摩擦力 、——N1與、與的合力 ——與的合力，即總切削力 一般地，為了研究方便，將總切削力F按實際運(yùn)動效果分為以下三個分力： 切削力——垂直于水平面，與切削速度的方向一致，且該分力最大。 徑向切削力——在基面內(nèi)，與進(jìn)給方向垂直，沿切削深度方向，不做功，但能使工件變形或造成振動。 軸向切削力——在基面內(nèi)，與進(jìn)給方向平行。 由圖2-2可知，合力與各分力之間的關(guān)系為： 其中： 。式中：——合力在基面上的分力。 3.3切削力的測定實驗——單因素實驗法 在切削過程中，影響切削力的因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具幾何參數(shù)等。單因素實驗法就是只改變一個因素，固定其它因素不變，進(jìn)行試驗；如此測得多組數(shù)據(jù)。最后綜合考慮實驗數(shù)據(jù)，得出包含多個可變因素的切削力實驗公式。 以下是我搜集的部分實驗數(shù)據(jù)處理后的關(guān)系曲線，如圖2-3-1。從曲線中，可以得出結(jié)論：（1）背吃刀量增大，切削力 增大 （2）進(jìn)給量f增大，切削力增大 （3）不同的切削速度范圍，切削力變化不同 （4）與和f與成某種函數(shù)關(guān)系 圖2-3-1 切削三要素對切削力的影響曲線 為了了解、f、v與可能成的函數(shù)關(guān)系，我們搜集了切削力單因素實驗的部分原始數(shù)據(jù)，如下表所示。根據(jù)表中數(shù)據(jù)，利用MATLAB編程可作出對應(yīng)的散點圖和曲線圖，如圖2-3-2所示。觀察曲線圖，猜測、f、v與可能成指數(shù)函數(shù)關(guān)系或一次函數(shù)關(guān)系。 表1-1 f=0.2mm，v=100m/min 實驗 f(mm) v(m/min) (mm) (kN) 1 0.2 100 0.5 0.023 2 1.0 0.043 3 1.5 0.063 4 2.0 0.082 5 2.5 0.101 6 3.0 0.119 7 3.5 0.137 表1-2 =1mm，v=100m/min 實驗 (mm) v(m/min) f(mm) (kN) 1 1 100 0.1 0.346 2 0.2 0.562 3 0.3 0.746 4 0.4 0.912 5 0.5 1.067 6 0.6 1.212 7 0.7 1.351 表1-3 =1mm，f=100mm 實驗 (mm) f(mm) V(m/min) (kN) 1 1 0.2 25 0.061 2 50 0.055 3 75 0.052 4 100 0.049 5 125 0.048 6 150 0.046 7 175 0.045 圖3-2-2 實驗散點圖和曲線圖 數(shù)據(jù)分析：（以與為例） 假設(shè)與成指數(shù)函數(shù)關(guān)系，即： 為了便于計算，對上式兩邊同時取對數(shù)，可得： 對比一次函數(shù)y=kx+b，lg與lg成一次函數(shù)關(guān)系。 同理： 為了驗證假設(shè)，依據(jù)②式，我先對原始數(shù)據(jù)取對數(shù)，再在對數(shù)坐標(biāo)系中分別作出、f、v與的散點圖和曲線圖；為了驗證該曲線為一次函數(shù)，分別在曲線上各取四點，兩兩求斜率，若對應(yīng)斜率之差的絕對值近似為0（在誤差允許范圍內(nèi)），則可認(rèn)為該曲線為一次函數(shù)；然后取斜率的平均值為最終斜率，再代值求出截距，寫出表達(dá)式；最后求反函數(shù)分別寫出、f、v與的關(guān)系式。 按照上述思路，編寫MATLAB語言程序（附1），運(yùn)行結(jié)果如下： 圖3-3-3 實驗對數(shù)坐標(biāo)圖 K = 0.9353 0.9236 0.9149 0.9246 0.6987 0.7015 0.7052 0.7018 -0.1150 -0.1927 -0.1152 -0.1410 h =[ -3.1408 0.5512 -2.3426] H =[0.0432 1.7353 0.0961] 其中，K——矩陣元素表示斜率，行分別表示、和的值，最后一列為斜率的平均值。 h——矩陣元素分別表示截距、和的值。 H——矩陣元素分別表示系數(shù)、和的值。 根據(jù)運(yùn)行結(jié)果代值，分別寫出函數(shù)關(guān)系表達(dá)式如下： ③ ④ ⑤ 式③④⑤表明，在、f和v只有一個因素改變時，切削力Fz都與該可變因素成指數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)綜合考慮三個可變因素時，可得出：。 式中，K為綜合系數(shù)。 類似的，可分別求出、f、v和、的關(guān)系表達(dá)式。 4.切削用量對切削力的影響 一般性結(jié)論：（1）背吃刀量與切削力近似成正比; （2）進(jìn)給量增加，切削力增加，但不成正比； （3）切削速度對切削力影響較復(fù)雜(與切削溫度的變化和積屑瘤的產(chǎn)生和消失有關(guān))。在無積屑瘤的切削速度范圍內(nèi)，隨著切削速度的增大，切削力減小。 5.刀具幾何參數(shù)對切削力的影響 圖4-1 刀具幾何參數(shù)與切削力的關(guān)系曲線 一般性結(jié)論：（1）前角對切削力的影響最大。加工塑性材料時，增大前角，切削力降低；加工脆性材料時，由于切屑變形很小，前角對切削力影響的顯著。 （2） 主偏角對切削力影響較小，但對徑向力和軸向力影響較大。徑向力隨著主偏角的增大而減小，軸向力隨著主偏角的增大而增大。 （3） 刃傾角在很大范圍內(nèi)變化時對切削力影響不大，但對徑向力和軸向力影響較大，隨著刃傾角的增大，徑向力減小，軸向力增大。 6.精密切削加工切削用量對切削力的影響 精密切削過程中，就本質(zhì)而言，切屑的變形與一般切削相同，所以其切削力的來源也相同。但是，由于精密切削采用的是微量切屑方法，與一般切削不同，所以可變因素對二者的影響就不同，，也就是說可變因素對精密切削切削力的影響具有獨(dú)特規(guī)律。 6.1進(jìn)給量和背吃刀量的影響 為了探討精密切削切削力的獨(dú)有規(guī)律，搜集部分實驗數(shù)據(jù)，如下表： 表6-1進(jìn)給量對切削力的影響（HSS刀） 切削力 （N） 進(jìn)給量f/(mm/r) 0.01 0.02 0.04 0.10 0.20 60 100 350 570 900 240 280 410 580 700 表6-2進(jìn)給量對切削力的影響（金剛石刀） 切削力 （N） 進(jìn)給量f/(mm/r) 0.01 0.02 0.04 0.10 0.20 200 260 480 900 1030 40 50 120 170 200 表6-3切削深度對切削力的影響（HSS刀） 切削力 （N） 切削深度（mm） 0.002 0.004 0.008 0.016 0.032 80 150 370 520 670 250 270 330 370 390 表6-4切削深度對切削力的影響（金剛石刀） 切削力 （N） 切削深度（mm） 0.003 0.006 0.01 0.02 0.03 100 170 260 450 500 20 30 50 70 90 以上數(shù)據(jù)的曲線圖如圖5-1所示。從曲線中可以清楚地看出，①精密切削采用HSS車刀（或硬質(zhì)合金車刀）時，當(dāng)進(jìn)給量或背吃刀量小于一定值時，均有成立。而采用金剛石刀時，。這和一般切削總是大于是不同的。②另外，在精密切削時，進(jìn)給量對切削力的影響大于切削深度的影響。這和一般切削恰恰相反。 為了解釋以上兩條特殊規(guī)律，我查閱了相關(guān)資料文獻(xiàn)，得知：a.規(guī)律①取決于切削用量（、）同刀具刃口半徑的比值。 b.規(guī)律②與精密切削通常采用大于的切削方式有關(guān)。 圖5-1精密切削切削用量與切削力的關(guān)系曲線 6.2切削速度的影響 如圖5-2所示（考慮積屑瘤的影響）， 低速時切削力隨切削速度增加而急劇下降。 到200~300m/min后，切削力基本保持不變， 這規(guī)律和積屑瘤高度隨切削速度的變化規(guī)律 一致。即積屑瘤高時切削力大，積屑瘤小時 切削力也小，這和一般切削規(guī)律正好相反。 圖5-2超精切削時的切削力 7.一般切削與精密切削切削力的對比 類型 與的比值 、f對切削力的影響 一般切削 總是大于1 的影響大于f 精密切削 可以小于1 （當(dāng)切削用量同刃口半徑之比達(dá)到一定數(shù)值時） f的影響大于 參考文獻(xiàn) [ 1 ] 王貴成. 精密與特種加工[M]. 2013年. 第1版. 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