1.3 切削力和切削功率的計算
1.3.1 切削力的來源與分解
金屬切削時,工件材料抵抗刀具切削時所產生的阻力稱為切削力。這種力與刀具作用在工件上的力大小相等,方向相反。切削力來源于兩個方面,一是三個變形區內金屬產生的彈性變形抗力和塑性變形抗力;二是切屑與前面、工件與刀具后面之間的摩擦阻力。切削力是一個空間力,其方向和大小受多種因素影響而不易確定,為了便于分析切削力的作用和測量、計算其大小,便于生產應用,一般把總切削力F分解為三個互相垂直的切削分力Fc、Fp和Ff。車削外圓時力的分解如圖1-14所示。
圖1-14 切削力分解
a)刀具對工件的力的分解 b)工件對刀具的力的分解
(1)切向力Fc又稱主切削力,是總切削力在主運動方向上的正投影(分力),單位為N。它與主運動方向一致,垂直于基面,是三個切削分力中最大的。切向力作用在工件上,并通過卡盤傳遞到機床主軸箱,是計算機床切削功率,校核刀具、夾具強度與剛度的依據。
(2)背向力Fp又稱徑向力,是總切削力在垂直于工作平面上的分力,單位為N。由于在背向力方向上沒有相對運動,所以背向力不消耗切削功率,但它作用在工件和機床剛性最差的方向上,易使工件在水平面內變形,影響工件精度,并易引起振動。背向力是校驗機床剛度的主要依據。
(3)進給力Ff又稱軸向力,是總切削力在進給運動方向上的正投影(分力),單位為N。進給力作用在機床的進給機構上,是校驗機床進給機構強度和剛度的主要依據。總切削力在基面的投影用FD表示,是Fp和Ff的合力。總切削力和各分力的關系為
1.3.2 單位切削力和切削功率
單位切削力是指單位切削面積上的主切削力,用p表示,單位為N/mm2。可按下式計算:
切削功率是在切削過程中消耗的功率,等于總切削力的三個分力消耗的功率總和,用Pc表示,單位為kW。由于Ff消耗的功率所占比例很小,約為1%~1.5%,故通常略去不計。Fp方向的運動速度為零,不消耗功率,所以切削功率為
根據切削功率選擇機床電動機功率時,還應考慮到機床的傳動效率。機床電動機功率為
式中 PE——機床電動機功率(kW);
η——機床的傳動效率,一般為0.75~0.85。
1.3.3 影響切削力的主要因素
1.工件材料
工件材料的強度、硬度越高,材料的剪切屈服強度越高,切削力越大。工件材料的塑性、韌性好,加工硬化的程度高,由于變形嚴重,故切削力也增大。此外,工件的熱處理狀態、金相組織不同,也會影響切削力的大小。通常情況下,韌性材料主要以強度,脆性材料主要以硬度來判別其對切削力的影響。
2.切削用量
(1)背吃刀量ap與進給量f的影響當ap或f加大時,切削層的公稱橫截面積增大,變形抗力和摩擦阻力增加,因而切削力隨之加大。
(2)切削速度vc的影響在低速切削范圍內,隨著切削速度的增加,積屑瘤逐漸長大,刀具實際前角逐漸增大,切削變形減小,使切削力逐漸減小。在中速切削范圍內,隨著切削速度的增加,積屑瘤逐漸減小并消失,使切削力逐漸增至最大。在高速切削階段,由于切削溫度升高,摩擦力逐漸減小,使切削力得到穩定的降低。
3.刀具幾何角度
前角γo加大,切削層易從刀具前面流出,使切削變形減小,因此切削力下降。此外,工件材料不同,前角的影響也不同,對塑性大的材料(如純銅、鋁合金等),切削時塑性變形大,前角的影響較顯著;而對脆性材料(如灰鑄鐵、脆黃銅等),因切削時塑性變形很小,故前角的變化對切削力影響較小。
刃傾角λs對主切削力的影響較小,對進給力Ff和背向力Fp的影響較大。當λs逐漸由正值變為負值時,Ff增大,Fp減小。
4.其他影響因素
刀具材料不同時,影響切屑與刀具間的摩擦狀態,從而影響切削力。在相同切削條件下,使切削力依次減小的刀具是立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬質合金刀具和高速鋼刀具。
切削液有潤滑作用,使用合適的切削液可降低切削力。
由以上分析可知,影響切削變形和摩擦的因素都影響切削力的大小,凡是使切削變形增大、摩擦增大的因素均可使切削力增大。