论文部分内容阅读
[摘 要] 在切削过程中，切削力直接决定着切削热的产生，并影响刀具磨损、破损、使用寿命、加工精度和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，制定切削用量，监控切削状态，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。因此，研究切削力的规律和计算方法，将有助于分析切削机理，并对生产实际有重要实用意义。切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。
[关键词] 切削力 刀具磨损 切削功率 摩擦阻力
一、引言
常见的切削力研究方法有两大类：理论分析与试验测量方法。理论分析切削力能相当充分反映切削过程，多年来，国内外学者对计算切削力的理论分析公式作了大量工作，大多切削力理论公式考虑到了刀具材料、工件材料、切削用量、刀具几何参数等影响因素[1]，却没有考虑到副切削刃及刀尖圆弧半径等的影响，因此，迄今为止还不能说己经得出了与实验结果相吻合的切削力理论分析公式。通过切削实验，由测力仪可以测得具体切削条件下的切削力。但由于切削过程非常复杂，影响因素很多，不可能对各种影响因素都进行试验研究。因此，对切削力的研究应采取理论分析与试验研究相结合的研究方法。
切削力实验是《机械制造技术基础》课程的一个基础实验，通过实验可以验证切削力的基础理论，了解测量三向切削力的基本方法和计算机辅助实验系统的基本构成，了解应变式三向测力传感器的原理和结构。在完成切削力实验的过程中，可以求出切削用量对三向切削力的影响规律，可以学习和掌握计算机辅助实验的方法和技能，认识信息技术在实验中的作用。
本实验的目的是：1.了解切削测力仪的工作原理和测力方法和实验系统；2.掌握背吃刀量进给量和切削速度对切削力的影响规律；3.通过实验数据的处理，建立切削力的经验公式。所采用的实验方法是单因素法和正交法。在实验之前已经对测力系统进行了三通道增益标定、机械标定。实验过程中还需经常进行三通道零位调整，之后再通过数字显示观察输出情况，若输出稳定就可以进行单因素实验和正交实验。
二、试验设备及试验原理
1.检测三向切削力与标定测力传感器的原理
三向切削力的检测是使用三向车削测力（应变）传感器进行的，其输出的低电压模拟信号经高精度线性放大（放大倍率可达数万倍，没有采用传统的应变仪，有效的简化了调整和操作）后，经A/D板数字化，再送入计算机。这个测力系统通过三向电标定和机械标定，可形成一个较高精度的稳定的检测系统。电标定的作用是确定各向放大倍数，机械标定的作用是确定各向测力传感器输入力值与A/D板三向输出之间的响应关系，获得标定公式，在检测切削力时，利用这个标定公式计算消除向间干扰，获得无干扰的准确度的三向切削力。在进行机械标定时，必须使用复合国家标准的测力环做基准，才能获得较高的精确度。
2. 切削力实验硬件系统构成
切削力实验硬件系统由重庆迪佳科技有限公司构建，由以下主要器件组成（图1）：
图1 切削力实验硬件系统组成简图
安装在车床横拖板上的三向车削测力传感器，三向测力（应变）传感器由北京航空航天大学配套，能够与重庆迪佳科技有限公司生产的高精度线形放大器匹配的北京航空航天大学可提供的传感器有：
1)SDC-L3M型应变式三向车削测力传感器，垂向Fz量程3000N，轴向Fy和径向Fx量程1500N；
2)SDC-M3M型铣削测力传感器，性能同上；
3)SDC-D2M型钻削测力传感器，Fx、Fy：0～1500N，Fz：0～3000N，Mz：0～15000Ncm；
4)SDC-CJ4M型车、铣、钻、磨测力传感器，Fx、Fy：0～500N，Fz：0～3000N，Mz：0～15000Ncm；
5)SDC-CJ4M型精密车、铣、钻、磨测力传感器，Fx、Fy：0～500N，Fz：0～1000N，Mz：0～1500Ncm；
6)SDC-C3M型车、铣、磨测力传感器，Fx、Fy：0～1500N，Fz：0～3000N；
7)SDC-C3M型精密车、铣、磨测力传感器，Fx、Fy：0～500N，Fz：0～1000N；
8)用于金刚石刀车削的SDC-CJ3SAS型精密车削测力传感器，Fx、Fy 、Fz：0～250N，线性度≤±0.3%，分力干扰≤±2%，滞后≤0.3%，固有频率≈2.5KHz，分辨率Fx、Fy：≈0.1N，Fz≈0.2N；
9)用于金刚石刀车削的SDC-CJ3SAR型车削测力传感器，Fx、Fy 、Fz：0～750N，线性度≤±0.3%，分力干扰≤±2%，滞后≤0.3%，固有频率≈3.0KHz，分辨率Fx、Fy：≈0.25N，Fz≈0.5N。试验中用到的其它设备还有：l6位A/D板或带放大（10倍）功能的1 216K2型12位A/D板；P3型计算机和键盘、鼠标、打印机等外设； 垂直与水平两个方向的螺旋加力装置；符合JB/T1006-99标准的测力环等。
3.切削力实验软件系统构成
为适应教学实验需要，切削力实验软件系统设置的主要功能有（见图2）。
主菜单界面包含：三向力零位调整界面；系统诊断与电标定界面；系统三向机械标定界面。三向切削力数字显示界面，同时进行三向力的数字与线图显示，可用于要求不高的切削力实验；单因素切削力实验（改变背吃刀量或进给量或切削速度）界面，可获得三向切削力与单个切削用量之间的实验公式，以及三向切削力与三个切削用量之间的单因素综合实验公式；
切削力正交实验界面，采用正交实验方法，进行9次切削后，获得三向切削力与三个切削用量之间的正交实验公式；自动建立切削力实验数据库，记录实验条件、实验日期时间、实验数据、实验公式；
软件设置帮助系统、按键提示、警告提示和操作提示，必要的过程提示，有效地进行实时指导。软件设置必要的出错处理，使误操作或干扰不影响实验进程。
4.三向力的数字显示
在三向力数字显示界面(如图3)内，可以实时的观察到切削力的变化情况，以及变化规律。从而更好的对实验过程进行控制。
三、试验设计及数据处理
1. 试验设计：采用不同的切削条件、不同的可转位车刀片对球墨铸铁进行切削，研究中、高速切削速度时，切削速度、进给量、背吃刀量、不同材质的刀片等因素对切削力的影响规律，确定出因素的主次顺序。采用正交试验方法，选用L9（34）正交表进行试验设计。切削力试验方案如表1（球墨铸铁）所示。然后用极差分析对所测得的数据进行处理，确定各因素对切削力的影响。
2.实验结果分析：根据表1可以看出极差的大小，从而排出各因素对切削力影响的主次：背吃刀量ap对切削力影响最大，进给量f次之，转速n对切削力影响较小，不同材质的刀具对切削力影响最小。较好的生产条件是：ap1,f1,n3,刀具2。各因素的水平变化时，切削力的变化怎样呢？我们可以通过因素—指标图来刻画，分别以ap,f,n和刀具型号为横坐标，切削力为纵坐标作图，并连成折线，如图4，图5，图6和图7所示。
1-SNCR190432-V4，2—SNCR190432，3-UMS
由图4，图5，图6和图7可以看出，背吃刀量从2到5变化时，呈上升趋势，并且上升幅度较大；进给量从0.1变到0.3时，切削力也呈上升趋势，变化幅度也较大；而转速从80变化到120时，切削力是逐渐减小的，如果转速继续提高，切削力也还会随着下降；在使用刀具SNCR190432-V4， SNCR190432和UMS时，刀具SNCR190432 的切削力最小。
四、结论
本篇文章对在不同的背吃刀量、不同的进给量、不同的转速和不同的刀具条件下，对切削力进行了试验研究。切削试验表明，在中高速（速度大于80m/min）条件下，当所用刀具、背吃刀量、和进给量不变时，切削力会随着切削速度的增加而降低，而切削力会随着背吃刀量、进给量的增加而增大。因此，在中高速切削时，从切削力角度考虑，应增大切削速度，减小背吃刀量和进给量是有利的。
作者简介：
梁平玉（1982-），男，河南平顶山人，本科，从事机械设计研发工作。
[关键词] 切削力 刀具磨损 切削功率 摩擦阻力
一、引言
常见的切削力研究方法有两大类：理论分析与试验测量方法。理论分析切削力能相当充分反映切削过程，多年来，国内外学者对计算切削力的理论分析公式作了大量工作，大多切削力理论公式考虑到了刀具材料、工件材料、切削用量、刀具几何参数等影响因素[1]，却没有考虑到副切削刃及刀尖圆弧半径等的影响，因此，迄今为止还不能说己经得出了与实验结果相吻合的切削力理论分析公式。通过切削实验，由测力仪可以测得具体切削条件下的切削力。但由于切削过程非常复杂，影响因素很多，不可能对各种影响因素都进行试验研究。因此，对切削力的研究应采取理论分析与试验研究相结合的研究方法。
切削力实验是《机械制造技术基础》课程的一个基础实验，通过实验可以验证切削力的基础理论，了解测量三向切削力的基本方法和计算机辅助实验系统的基本构成，了解应变式三向测力传感器的原理和结构。在完成切削力实验的过程中，可以求出切削用量对三向切削力的影响规律，可以学习和掌握计算机辅助实验的方法和技能，认识信息技术在实验中的作用。
本实验的目的是：1.了解切削测力仪的工作原理和测力方法和实验系统；2.掌握背吃刀量进给量和切削速度对切削力的影响规律；3.通过实验数据的处理，建立切削力的经验公式。所采用的实验方法是单因素法和正交法。在实验之前已经对测力系统进行了三通道增益标定、机械标定。实验过程中还需经常进行三通道零位调整，之后再通过数字显示观察输出情况，若输出稳定就可以进行单因素实验和正交实验。
二、试验设备及试验原理
1.检测三向切削力与标定测力传感器的原理
三向切削力的检测是使用三向车削测力（应变）传感器进行的，其输出的低电压模拟信号经高精度线性放大（放大倍率可达数万倍，没有采用传统的应变仪，有效的简化了调整和操作）后，经A/D板数字化，再送入计算机。这个测力系统通过三向电标定和机械标定，可形成一个较高精度的稳定的检测系统。电标定的作用是确定各向放大倍数，机械标定的作用是确定各向测力传感器输入力值与A/D板三向输出之间的响应关系，获得标定公式，在检测切削力时，利用这个标定公式计算消除向间干扰，获得无干扰的准确度的三向切削力。在进行机械标定时，必须使用复合国家标准的测力环做基准，才能获得较高的精确度。
2. 切削力实验硬件系统构成
切削力实验硬件系统由重庆迪佳科技有限公司构建，由以下主要器件组成（图1）：
图1 切削力实验硬件系统组成简图
安装在车床横拖板上的三向车削测力传感器，三向测力（应变）传感器由北京航空航天大学配套，能够与重庆迪佳科技有限公司生产的高精度线形放大器匹配的北京航空航天大学可提供的传感器有：
1)SDC-L3M型应变式三向车削测力传感器，垂向Fz量程3000N，轴向Fy和径向Fx量程1500N；
2)SDC-M3M型铣削测力传感器，性能同上；
3)SDC-D2M型钻削测力传感器，Fx、Fy：0～1500N，Fz：0～3000N，Mz：0～15000Ncm；
4)SDC-CJ4M型车、铣、钻、磨测力传感器，Fx、Fy：0～500N，Fz：0～3000N，Mz：0～15000Ncm；
5)SDC-CJ4M型精密车、铣、钻、磨测力传感器，Fx、Fy：0～500N，Fz：0～1000N，Mz：0～1500Ncm；
6)SDC-C3M型车、铣、磨测力传感器，Fx、Fy：0～1500N，Fz：0～3000N；
7)SDC-C3M型精密车、铣、磨测力传感器，Fx、Fy：0～500N，Fz：0～1000N；
8)用于金刚石刀车削的SDC-CJ3SAS型精密车削测力传感器，Fx、Fy 、Fz：0～250N，线性度≤±0.3%，分力干扰≤±2%，滞后≤0.3%，固有频率≈2.5KHz，分辨率Fx、Fy：≈0.1N，Fz≈0.2N；
9)用于金刚石刀车削的SDC-CJ3SAR型车削测力传感器，Fx、Fy 、Fz：0～750N，线性度≤±0.3%，分力干扰≤±2%，滞后≤0.3%，固有频率≈3.0KHz，分辨率Fx、Fy：≈0.25N，Fz≈0.5N。试验中用到的其它设备还有：l6位A/D板或带放大（10倍）功能的1 216K2型12位A/D板；P3型计算机和键盘、鼠标、打印机等外设； 垂直与水平两个方向的螺旋加力装置；符合JB/T1006-99标准的测力环等。
3.切削力实验软件系统构成
为适应教学实验需要，切削力实验软件系统设置的主要功能有（见图2）。
主菜单界面包含：三向力零位调整界面；系统诊断与电标定界面；系统三向机械标定界面。三向切削力数字显示界面，同时进行三向力的数字与线图显示，可用于要求不高的切削力实验；单因素切削力实验（改变背吃刀量或进给量或切削速度）界面，可获得三向切削力与单个切削用量之间的实验公式，以及三向切削力与三个切削用量之间的单因素综合实验公式；
切削力正交实验界面，采用正交实验方法，进行9次切削后，获得三向切削力与三个切削用量之间的正交实验公式；自动建立切削力实验数据库，记录实验条件、实验日期时间、实验数据、实验公式；
软件设置帮助系统、按键提示、警告提示和操作提示，必要的过程提示，有效地进行实时指导。软件设置必要的出错处理，使误操作或干扰不影响实验进程。
4.三向力的数字显示
在三向力数字显示界面(如图3)内，可以实时的观察到切削力的变化情况，以及变化规律。从而更好的对实验过程进行控制。
三、试验设计及数据处理
1. 试验设计：采用不同的切削条件、不同的可转位车刀片对球墨铸铁进行切削，研究中、高速切削速度时，切削速度、进给量、背吃刀量、不同材质的刀片等因素对切削力的影响规律，确定出因素的主次顺序。采用正交试验方法，选用L9（34）正交表进行试验设计。切削力试验方案如表1（球墨铸铁）所示。然后用极差分析对所测得的数据进行处理，确定各因素对切削力的影响。
2.实验结果分析：根据表1可以看出极差的大小，从而排出各因素对切削力影响的主次：背吃刀量ap对切削力影响最大，进给量f次之，转速n对切削力影响较小，不同材质的刀具对切削力影响最小。较好的生产条件是：ap1,f1,n3,刀具2。各因素的水平变化时，切削力的变化怎样呢？我们可以通过因素—指标图来刻画，分别以ap,f,n和刀具型号为横坐标，切削力为纵坐标作图，并连成折线，如图4，图5，图6和图7所示。
1-SNCR190432-V4，2—SNCR190432，3-UMS
由图4，图5，图6和图7可以看出，背吃刀量从2到5变化时，呈上升趋势，并且上升幅度较大；进给量从0.1变到0.3时，切削力也呈上升趋势，变化幅度也较大；而转速从80变化到120时，切削力是逐渐减小的，如果转速继续提高，切削力也还会随着下降；在使用刀具SNCR190432-V4， SNCR190432和UMS时，刀具SNCR190432 的切削力最小。
四、结论
本篇文章对在不同的背吃刀量、不同的进给量、不同的转速和不同的刀具条件下，对切削力进行了试验研究。切削试验表明，在中高速（速度大于80m/min）条件下，当所用刀具、背吃刀量、和进给量不变时，切削力会随着切削速度的增加而降低，而切削力会随着背吃刀量、进给量的增加而增大。因此，在中高速切削时，从切削力角度考虑，应增大切削速度，减小背吃刀量和进给量是有利的。
作者简介：
梁平玉（1982-），男，河南平顶山人，本科，从事机械设计研发工作。