微切削加工中切削力的理论与实验
•
技术综合
摘要：微切削过程中的切削力严重影响刀具寿命及零件的加工精度，因此，深入研究微切削过程中的切削力变化规律及影响因素是确定合理的加工参数、加工工艺及提高加工系统性能的基础。本文在考虑刀具钝圆半径存在的条件下，采用轴对称原理建立了微切削力理论公式及微切削模型，实验研究了切削用量、刀具材料及工件材料对切削力的影响，验证了理论分析的正确性。研究结果表明：在切深a
p为0.002～0.032mm ，进给量f为0.01～0.20mm/r，切削速度v为20～12Om/min情况下，切削力F的变化范围为100～1030N, Fz的变化范围为40～700N；减小刀具钝圆半径会减小刀具后刀面与工件的接触长度，并且会减小切削刃以下部分金属的变形，有利于获得高质量的加工表面；控制切削速度对切削力的影响可以通过控制切削层厚度与刀具钝圆半径的比值来实现，控制切削力比值Fz/Fy则可以通过控制走刀量、切深与刀具钝圆半径的比值来实现。
1 引言
2 微切削加工中的切削力
r及&Deltat的挤压和摩擦进一步发生变形。减小刀具切削刃钝圆半径ρ值有利于减小微切削中的切屑变形。
t=0，正应力σt为最大，而且τt，σt是关于连线CO对称的，Fr在CO方向上。假定切削合力Fr通过切屑分界点O和刀具切削刃钝圆中心点C，以CO为对称轴，按轴对称问题来处理切削作用力的平衡关系。在O 点以上，刀具作用于切屑的合力Fr/2；在O点以下，刀具作用于工件的合力为Fr/2，并且此二力相对于CO连线对称，又与CO连线平行，因此只考虑O点以上部分即可。取切屑MOQ作为自由隔离体，可得出前刀面上的平均摩擦系数为µ=tanβ=Ff/Fn。
smice=τs·b·t1-uτs·[t1-ρ(1-sinω)]=τsb[t1-ρ+ρsin(β-γ0)]sinØsinØsinØ(1)式(1)中，τs为剪切面上的剪应力，b为切削宽度，β为摩擦角，由图3作用力关系可知：Frmicesin(90°-&omaga-Ø)=Fsmice2Fsmice=2Fsmice=2τsb[t1-ρ+ρsin(β-γ0)]sin(90°-β+γ0-Ø)sinØcos(Ø+β-γ0)(2)故Fzmice=Frmice·cos(β-gamma;0)=2τsb[t1-ρ+&rhosin(β-γ0)]cos(β-γ0)sinØcos(Ø+β-γ0)(3)Fymice=F·sin(β-gamma;0)=2τsb[t1-ρ+&rhosin(β-γ0)]sin(β-γ0)sinØcos(Ø+β-γ0)(4)
rmice为最小值。
rmice=0 即cos(2Ø+β-γ0)=0dØ所以：Ø=π-β+γ0422(5)式(5)为微切削加工的切削方程式，这一表达形式与常规切削加工中的切削方程式完全相同。
rc，切削分力分别为Fzc，Fyc，微切削与常规切削的切削力变化量为：δFr=Frmice-Frc=-τsbρ[1-sin(β-γ0)]2sinØcos(Ø+β-γ0)(6)ΔFz=Fzmice-Fzc=-τsbρ[1-sin(β-γ0)]cos(β-γ0)2sinØcos(Ø+β-γ0)(7)δFy=Fymice-Fyc=-τsbρ[1-sin(β-γ0)]sin(β-γ0)2sinØcos(Ø+β-γ0)(8)由式(6)、(7)、(8)可见，随ρ值的增加，δFr，δFz，δFy变大。这说明，单就刀具前刀面受力而言，微切削时前刀面所受切削力要小于常规切削前刀面所受的切削力。
r及δt之和。微切削时刀尖切削刃以下加工表面的变形之所以复杂，是由于微切削时切削刃钝圆半径的ρ影响，虽然对于常规切削时刀具切削刃也有钝圆存在，但对加工表面质量的影响较微切削时要小得多。在微切削中，切削刃钝圆ρ的减小使得切削刃O点以下的钝圆部分及δt减小，也即减小了刀具后刀面与工件的接触长度及金属的变形，这无疑对获得高质量的加工表面是有利的。
3 微切削时切削力的影响因素
3.1 切削用量的影响
- 切削速度的影响
- 微切削时切削速度v对微切削力的影响结果。高速钢车刀切削加工时，切削速度对微切削力的影响不明显，这是因为刀具前刀面前切削区的变形及摩擦在整个切削变形中占的比例较小，因此当切削速度增加时，这部分变形及摩擦不明显；同时由于高速钢车刀的切削刃钝圆半径ρ较大，切削刃钝圆圆弧部分对加工表面所产生的挤压力所占的比例较大，而切削速度的增加对其影响很小。而用金刚石车刀进行微切削时，金刚石车刀的切削刃钝圆半径比高速钢车刀的小得多，虽然切削用量相同，但刀具前刀面前切削区的变形及摩擦所占的比例较大，当切削速度增加时，这部分变形及摩擦减小。用金刚石车刀进行微切削时，随着切削速度的增加，切削力下降。可见，切削速度对切削力的影响取决于t
1/ρ值的大小，因此控制t1/ρ值就可以控制切削速度对切削力大小的影响。
- 微切削时切削速度v对微切削力的影响结果。高速钢车刀切削加工时，切削速度对微切削力的影响不明显，这是因为刀具前刀面前切削区的变形及摩擦在整个切削变形中占的比例较小，因此当切削速度增加时，这部分变形及摩擦不明显；同时由于高速钢车刀的切削刃钝圆半径ρ较大，切削刃钝圆圆弧部分对加工表面所产生的挤压力所占的比例较大，而切削速度的增加对其影响很小。而用金刚石车刀进行微切削时，金刚石车刀的切削刃钝圆半径比高速钢车刀的小得多，虽然切削用量相同，但刀具前刀面前切削区的变形及摩擦所占的比例较大，当切削速度增加时，这部分变形及摩擦减小。用金刚石车刀进行微切削时，随着切削速度的增加，切削力下降。可见，切削速度对切削力的影响取决于t
- 进给量的影响
- 进给量和切削深度决定切削体积大小，因而进给量是影响切削的一个重要因素，如表1、表2所示。表1 进给量对切削力的影响(HSS刀)切削力
(N)进给量f / (mm/r)0.010.020.040.100.20F
z60100350570900Fy240280410580700表2 进给量对切削力的影响(金刚石刀)切削力
(N)进给量f / (mm/r)0.010.020.040.100.20Fz2002604809001030Fy4050120170200- 用高速钢车刀进行微切削时，进给量对切削力有明显的影响，进给量对F
z的影响比对Fy的影响大，当进给量小于一定值时，Fy> Fz，这一点在微切削时比较特殊。在用金刚石车刀进行微切削时，Fz>Fy。 - 进给量和切削深度决定切削体积大小，因而进给量是影响切削的一个重要因素，如表1、表2所示。表1 进给量对切削力的影响(HSS刀)切削力
- 切削深度的影响
- 用高速钢、金刚石车刀进行微切削时，切削深度对切削力也有一定影响，如表3、表4所示。
- 由表3可见，切削深度对F
z的影响比对Fy的影响大，切削深度小于一定值时，则Fy>Fz。由表4可见，用金刚石车刀进行微切削时，与进给量对切削力的影响相似，仍然有Fz>Fy的规律。这是由于切削用量的大小决定着Fz的大小，切削刃钝圆半径ρ的大小决定刀具后刀面上正压力大小，直接影响着Fy的大小，因此当切削用量减小时，Fz不断减小。由于切削刃钝圆半径是固定值，所以当切削用量减小到一定值后，才有Fy>Fz。但金刚石可以刃磨得很锋利，切削刃钝圆半径比高速钢刀具要小几倍，因此由切削刃钝圆圆弧部分产生的挤压小，刀具后刀面的正压力小，从而Fy小，虽然是微量切削，仍然有Fz>Fy。表3 切削深度对切削力的影响(HSS刀)切削力
(N)切削深度ap / (mm/r)0.0020.0040.0080.0160.032Fz80150370520670Fy250270330370390表4 切削深度对切削力的影响(金刚石刀)切削力
(N)切削深度ap / (mm/r)0.0030.0060.010.020.03Fz100170260450500Fy2030507090- 可见，F
z/Fy值取决于切削用量(f, ap)同ρ的比值，当切削用量同ρ之比达到一定值时，有Fy>Fz，因此控制切削用量同ρ之比就能控制Fz，Fy比值的大小。在常规切削时，切削深度ap对切削力的影响大于进给量f对切削力的影响。在微切削时，恰好相反，进给量f对切削力的影响大于切削深度ap对切削力的影响，这是因为微切削时常常会有f >ap，而成为倒切削。
3.2 刀具材料的影响
zFyFxKHzKHyKHxH62黄铜86015050111LY12-Cz硬铝13004401201.512.932.45TV1无氧铜26509702503.086.465.00
3.3 工件材料的影响
z硬铝及TV1无氧铜时切削力的实验结果。
z硬铝的强度和塑性都比H62黄铜大，故切削力也较大。而TV1无氧铜的塑性比LY12-Cz硬铝、H62黄铜的塑性大得多，因此切削力最大。
4 结论
1/ρ值可实现控制切削速度对切削力的影响；而依靠控制(f, ap)/ρ值可实现控制切削力比值Fz/Fy。
作者：西部车床，如若转载，请注明出处：https://www.lathe.cc/2022/01/4043.html