典型金属及非金属材料车削力实验研究

文献综述

1. 切削力
   1. 金属切削

在金属切削加工中,切削力就是刀具切入工件，使被加工材料与切屑发生分离所需的力^[1]。切削力是切屑与工件内部变形抗力以及切屑与工件对刀具摩擦力综合作用的结果，它主要有三大来源：①克服被加工材料的弹性变形的抗力；②克服被加工材料对塑性变形的抗力；③克服切屑刀具后刀面对已加工表面和过渡表面的摩擦力、切屑以及刀具前刀面的摩擦力。

• 1. 木塑复合材料切削

木塑复合材料是国内外近年蓬勃兴起的一类新型复合材料，其切削加工方式、切削参数、刀具结构可参考木材切削^[2]。在木材切削中，在木材切削中，切削力指对木材的作用力，由于木材在刀具上的切削阻力引起。切削力主要来源于以下三个方面：①摩擦力:刀具沿切削方向运动时，克服的前刀面与切屑之间以及后刀面与加工表面之间存在摩擦阻力称为摩擦力。②变形力:在切削过程中，由于切屑及刃口附近木材的变形，因此作用在刀具上有变形阻力，克服这个变形阻力的力称为变形力。③分离力:切屑从工件上分离的过程中，需要消耗切削力，因此对刀具作用有分离阻力，克服这个分离阻力的力称为分离力。在上述三个力中，变形力在切削力中所占比例最大，通常占50%以上，在切屑形成过程中材料的变形力消耗了大部分切削力^[3]。

• 1. 切削力影响因素和作用

凡影响切削过程变形和摩擦因素均影响切削力，包括被加工材料、切削用量、刀具、和切削液等方面。具体体现在：（1）工件材料的物理力学性能、化学成分、几何形状、加工硬化程度、热处理状态等；（2）切削基本参数，如切削速度、切削进给量、背吃刀量；（3）刀具的材料、几何形状、磨损、以及刀具的安装；（4）切削液、切削温度、切削方式等^[4]。

切削力是车削加工过程中非常重要的参数之一，其动态变化直接影响切削加工过程中被加工表面质量，刀具与工件的相对位移及刀具磨损等^[5]；切削力对切削机理的研究，机床、刀具、夹具的设计，机床功率消耗的计算，合理切削用量的制定，刀具几何参数的优化，都具有非常重要的意义；切削力也是校核机床、刀具、夹具等的承载能力和最大加工进给量的重要依据；在自动化生产中，还可通过切削力来监视切削加工过程与刀具工作状态，如刀具磨损，折断、破损等。

• 1. 切削力测量

目前常用的测力仪是压电式测力仪和电阻式测力仪。本次车削力试验研究是使用压电式测力仪来进行切削力测量。测量仪原理是利用切削力作用在弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出三个切削力的值。

压电测力仪是利用一些材料，如压电陶瓷或石英晶体等的压电效应进行工作的。在它们受力时，它们的受力表面将产生电荷，且产生电荷的多少与所施加的压力成正比而与压电晶体的大小无关。这种测力仪具有结构简单、工作可靠和重量轻、高灵敏度、自振频率高、线性度高、刚度大、无惯性且抗相互干扰性强较好的高精度测力仪，特别适合测量动态力以及瞬时力，广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。但压电测力仪易受环境湿度的影响，对连续测量稳定的或是变化不大的切力时，会产生电荷泄露，从而导致测量精度的下降。因此在本次试验研究中，需严格保证测力仪所要求的良好工作环境。此外，压电传感器中的压电材料的介电常数很大，即它的电阻很大，尽管压电传感器输出的电压很高，但是电流很小。通过施加一个机械压力，压电材料产生的电荷就很少，反映到压电传感器上就是输出一个毫伏量级的信号,信号微弱，难以输出有效信号，不利于采集和传输，必须经过放大才有利于压电信号的采集、传输和分析，因此需再利用电荷放大器转换成相应的电荷参数，从而测出力的大小。

• 1. 数据分析软件

本毕业设计运用Origin9.0软件进行实验测得的车削力数据分析。Origin是由OriginLab公司开发的一个科学绘图、数据分析软件，Origin中的数据分析功能包括统计，信号处理，曲线拟合以及峰值分析。Origin具有强大的数据导入功能，支持多种格式的数据，包括ASCII、Excel、NI TDM、DIADem、NetCDF、SPC。并且它图形输出格式多样，例如JPEG，GIF，EPS，TIFF等，综上来看，Origin拥有强大的数据分析和函数图象绘制输出的功能，对此次试验结果分析具有很大的辅助作用。