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数控铣床切削力在加工时,生产效率低下受哪些影响?

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数控铣床金属切削时,刀具切入工件,使工件材料产生变形成为切屑所需要的力称为切削力。切削力是计算切削功率、设计刀具、机床和机床夹具以及制定切削用量的重要依据。在自动化生产中,还可通过切削力来监控切削过程和刀具的工作状态。


一、数控铣床切削力及切削功率


1、数控铣床切削力的来源。切削力的来源,一方面是在切屑形成过程中,弹性变形和塑性变形产生的抗力;另一方面是切屑和刀具前刀面之间的摩擦阻力及工件和刀具后刀面之间的摩擦阻力。


2、切削合力与分解。切削时的总切削力F是一个空间力,为了便于测量和计算,以适应机床、夹具、刀具的设计和工艺分析的需要,常将F分解为三个互相垂直的切削分力Fc、Fp和Ff。


(1)主切削力Fc是总切削力F在主运动方向上的投影,其方向垂直于基面。Fc是计算机床功率、刀具强度以及夹具设计、选择切削用量的重要依据。Fc可以用经验公式,也可以用单位切削力kc、(单位为N/mm)进行计算:Fc=kcAD=kchDbD=kcapf。


(2)背向力Fp是总切削力F在垂直于进给方向的分力。它是影响工件变形、造成系统振动的主要因素。


(3)进给力Ff是总切削力给F在进给运动方向上的切削分力。它是设计、校核机床进给机构和计算机床进给功率的主要依据。


切削力,是总切削力F分解为Fc与FD,FD又分解为Fp与Ff,它们的关系为Ff=FDsinkr;Fp=FDcoskr。


3、数控铣床切削功率。切削功率是指切削力在切削过程中所消粍的功率,用pm表示,单位为kW。在车削外圆时,它是主切削力Fc与进给力Ff消耗功率之和,由于进给力Ff消耗功率所占比例很小(仅为1%5%),故一般Ff消耗的功率可忽略不计,且Fp不做功,于是得出Pm=Fcυc×10式中,Fc是主切削力(N);υc是切削速度(m/s)。


考虑机床的传动效率,由切削功率Pm可求出机床电动机率PE,即PE≥Pm/式中,是机床的传动效率,一般取0.75~0.85。


二、数控铣床影响切削力的主要因素


1、数控铣床工件材料的影响


工件材料的强度、硬度越高,虽然切削变形略有减小,但总的切削力力还是增大的。加工强度、硬度相近的材料,塑性大,则与刀具的摩擦因数也较大,故切削力增大;加工脆性材料,因塑性变形小,切屑与刀具前刀面摩擦小,故切削力较小。


2、数控铣床切削用量的影响


(1)背吃刀量ap和进给量f。当f和ap增加时,切削面积增大,主切削力也增加,但两者的影响程度不同。在车削时,当ap增大一倍时,主切削力约增大一倍;而f加大一倍时,主切削力只增大68%~86%。因此,在切削加工中,如果从主切削力和切削功率来考虑,加大进给量比加大背吃刀量有利。


(2)切削速度υc。用YT15硬质合金车刀加工45钢(ap=4mm,f=0.3mm/r)时切削速度对切削力的影响曲线。切削塑性金属时,在积屑瘤区,积屑瘤的生长能使刀具实际前角增大,切屑变形减小,切削力减小;反之,积屑瘤的减小使切削力增大。无积屑瘤时,随着切削速度υc提高,切削温度增高,前刀面摩擦减小,变形减小,切削力减小,因此生产中常用高速切削来提高生产率。切削脆性金属时,υc增加,切削力略有减小。


3、数控铣床刀具几何参数的影响


(1)前角。前角对切削力影响最大。当切削塑性金属时,前角增大,能使被切层材料所受挤压变形和摩擦减小,排屑顺畅,总切削力减小;当切削脆性金属时,前角对切削力影响不明显。


(2)负倒棱。在锋利的切削刃上磨出负倒棱,可以提高刃口强度,从而提高刀具使用寿命,但此时被切削金属的变形加大,使切削力增加。


(3)主偏角。主偏角对切削力的影响主要是通过切削厚度和刀尖圆弧曲线长度的变化来影响变形,从而影响切削力的。主偏角对主切削力Fc的影响较小,但对背向力Fp和进给力Ff的比例影响明显。F'D为工件对刀具的反推力,由于F'p=F'Dcoskr,F'f=F'dsinkr,增大主偏角kr,会使进给力F'f增大、背向力F'p减小。当车削细长工件时,为减小或防止工件弯曲变形可选较大主偏角。


4、其他因素的影响。刀具、工件材料之间的摩擦因


在同样的切削条件下,高速钢刀具切削力最大,硬质合金刀具次之,陶瓷刀具最小。在切削过程中使用切削液,可以降低切削力,并且切削液的润滑性能越高,切削力的降低越显著。刀具后刀面磨损越严重,摩擦越剧烈,切削力越大。



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