切削用量对切削力的影响比较Word文件下载.docx
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前刀面挤压摩擦区。
该变形区的金属层受到高温高压作用,使靠近刀具前面处的金属纤维化。
第川变形区:
后刀面挤压摩擦区。
该变形区造成工件表层金属纤维化与加工硬化,并产生残余应力。
3•切削力
切削力是指切削过程中作用在刀具或工件上的力,它是工件材料抵抗刀具切
削所产生的阻力。
3.1切削力来源
根据切削变形的不同,切削过程中刀具会受到三种力的作用,即:
(1)克服切削层弹性变形的抗力
(2)克服切削层塑性变形的抗力
(3)克服切屑对刀具前面、工件对刀具后面的摩擦力
3.2切削力的合成与分解
图2-2切削力合力和分力
图2-2为车削外圆时切削力的合力与分力示意图。
图中字母分别表示:
N1、F1——作用在车刀前刀面的正压力、摩擦力
N2、F2——作用在车刀后刀面的正压力、摩擦力
Q「Q2N1与F1、N2与F2的合力
F——Q1与Q2的合力,即总切削力
一般地,为了研究方便,将总切削力F按实际运动效果分为以下三个分力:
切削力Fz——垂直于水平面,与切削速度的方向一致,且该分力最大。
径向切削力Fy——在基面内,与进给方向垂直,沿切削深度方向,不做功,但能使工件变形或造成振动。
轴向切削力Fx——在基面内,与进给方向平行。
由图2-2可知,合力与各分力之间的关系为:
^<
fz+f2^'
f?
+fy+f2
其中:
Fy=FxyCOSk「Fx二Fxysinkr。
式中:
Fxy合力在基面上的分力。
3.3切削力的测定实验一一单因素实验法
在切削过程中,影响切削力的因素很多,主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数等。
单因素实验法就是只改变一个因素,固定其它因素不变,进行试验;
如此测得多组数据。
最后综合考虑实验数据,得出包含多个可变因素的切削力实验公式。
以下是我搜集的部分实验数据处理后的关系曲线,如图2-3-1。
从曲线中,
可以得出结论:
(1)背吃刀量ap增大,切削力fz增大
(2)进给量f增大,切削力Fz增大
(3)不同的切削速度范围,切削力变化不同
(4)ap与Fz和f与Fz成某种函数关系
图2-3-1切削三要素对切削力的影响曲线[]
为了了解ap、f、v与Fz可能成的函数关系,我们搜集了切削力单因素实验
的部分原始数据,如下表所示。
根据表中数据,利用MATLAB编程可作出对应的散点图和曲线图,如图2-3-2所示。
观察曲线图,猜测ap、f、v与Fz可能成指数函数关系或一次函数关系。
表1-1
f=0.2mm,v=100m/min[4]
实验
f(mm)
v(m/min)
ap(mm)
Fz(kN)
1
0.5
0.023
2
1.0
0.043
3
1.5
0.063
0.2
100
4
2.0
0.082
5
2.5
0.101
6
3.0
0.119
7
3.5
0.137
表1-2
[4]
a门=1mm,v=100m/min
P
0.1
0.346
0.562
0.3
0.746
0.4
0.912
1.067
0.6
1.212
0.7
1.351
表1-3
a=1mm,f=100mm[4]
ap
V(m/min)
25
0.061
50
0.055
75
0.052
0.049
125
0.048
150
0.046
175
0.045
图3-2-2实验散点图和曲线图
数据分析:
(以ap与Fz为例)
假设ap与Fz成指数函数关系,即:
Fz十a%1
为了便于计算,对上式两边同时取对数,可得:
igFz^kigapJgo对比一次函数y=kx+b,lgFz与lgap成一次函数关系。
同理:
FZ二k2fx2lgFz=x2lgflgk2
Fz二k3vx3lgFz=x3lgvlgk3
为了验证假设,依据②式,我先对原始数据取对数,再在对数坐标系中分别作出ap、f、v与fz的散点图和曲线图;
为了验证该曲线为一次函数,分别在曲线上各取四点,两两求斜率,若对应斜率之差的绝对值近似为0(在误差允许范
围内),则可认为该曲线为一次函数;
然后取斜率的平均值为最终斜率,再代值求出截距,写出表达式;
最后求反函数分别写出ap、f、V与Fz的关系式。
pz
按照上述思路,编写MATLAB语言程序(附1),运行结果如下:
图3-3-3实验对数坐标图
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=[-3.14080.5512-2.3426]
H=[0.04321.73530.0961]
其中,K矩阵元素表示斜率,行分别表示X2和X3的值,最后一列
为斜率的平均值。
h矩阵元素分别表示截距lgk1、lgk2和lgk3的值。
H――矩阵元素分别表示系数k「k2和k3的值。
根据运行结果代值,分别写出函数关系表达式如下:
lgFz=0.92lgap-3.14
Fz=0.0432ap°
.92
③
lgFz=0.70lgf0.55
Fz=1.7353f°
.7°
④
lgfz=-°
.14lgv-2.34
Fz=0.0961v—°
.14
⑤
式③④⑤表明,在ap、f和v只有一个因素改变时,切削力fz都与该可变因素成指数函数关系。
当综合考虑三个可变因素时,可得出:
Fz二Kap1fX2vX3。
式中,K为综合系数。
类似的,可分别求出ap、f、v和Fy、Fx的关系表达式
4•切削用量对切削力的影响
一般性结论:
(1)背吃刀量与切削力近似成正比;
(2)进给量增加,切削力增加,但不成正比;
(3)切削速度对切削力影响较复杂(与切削温度的变化和积屑瘤的产生和消失有关)。
在无积屑瘤的切削速度范围内,随着切削速度的增大,切削力减小。
5•刀具几何参数对切削力的影响
图4-1刀具几何参数与切削力的关系曲线[2]
(1)前角对切削力的影响最大。
加工塑性材料时,增大前角,切削力降低;
加工脆性材料时,由于切屑变形很小,前角对切削力影响的显著。
(2)主偏角对切削力影响较小,但对径向力和轴向力影响较大。
径向力随着主偏角的增大而减小,轴向力随着主偏角的增大而增大。
(3)刃倾角在很大范围内变化时对切削力影响不大,但对径向力和轴向力影响较大,随着刃倾角的增大,径向力减小,轴向力增大。
6•精密切削加工切削用量对切削力的影响
精密切削过程中,就本质而言,切屑的变形与一般切削相同,所以其切削力的来源也相同。
但是,由于精密切削采用的是微量切屑方法,与一般切削不同,所以可变因素对二者的影响就不同,,也就是说可变因素对精密切削切削力的影响具有独特规律。
6.1进给量和背吃刀量的影响
为了探讨精密切削切削力的独有规律,搜集部分实验数据,如下表:
表6-1进给量对切削力的影响(HSS刀)[1]
切削力
进给量f/(mm/r)
(N)
0.01
0.02
0.04
0.10
0.20
Fz
60
350
570
900
Fy
240
280
410
580
700
表6-2进给量对切削力的影响(金刚石刀)
[1]
200
260
480
1030
40
120
170
表6-3切削深度对切削力的影响(HSS刀)
切削深度ap(mm)
0.002
0.004
0.008
0.016
0.032
80
370
520
670
250
270
330
390
表6-4切削深度对切削力的影响(金刚石刀)
r
0.003
0.006
0.03
450
500
20
30
70
90
以上数据的曲线图如图5-1所示。
从曲线中可以清楚地看出,①精密切削采用HSS车刀(或硬质合金车刀)时,当进给量或背吃刀量小于一定值时,均有Fy>
fz成立。
而米用金刚石刀时,FyVFz。
这和一般切削Fz总是大于Fy是不同的。
②另外,在精密切削时,进给量对切削力的影响大于切削深度的影响。
这和一般切削恰恰相反。
为了解释以上两条特殊规律,我查阅了相关资料文献,得知:
a.规律①取决
于切削用量(f、ap)同刀具刃口半径的比值。
b.规律②与精密切削通常采用f
大于ap的切削方式有关。
图5-2超精切削时的切削力[1]
图5-1精密切削切削用量与切削力的关系曲线
6.2切削速度的影响
如图5-2所示(考虑积屑瘤的影响),低速时切削力随切削速度增加而急剧下降。
到200~300m/min后,切削力基本保持不变,这规律和积屑瘤高度随切削速度的变化规律一致。
即积屑瘤高时切削力大,积屑瘤小时切削
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