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切削⼒计算的经验公式切削⼒计算的经验公式切削⼒计算的经验公式2011-12-0521:31通过试验的⽅法，测出各种影响因素变化时的切削⼒数据，加以处理得到的反映各因素与切削⼒关系的表达式，称为切削⼒计算的经验公式。
在实际中使⽤切削⼒的经验公式有两种:⼀是指数公式，⼆是单位切削⼒。
1.指数公式主切削⼒(2-4)背向⼒(2-5)进给⼒(2-6)式中Fc--主切削⼒(N);Fp--背向⼒(N);Ff--进给⼒(N);Cfc、Cfp、Cff--系数，可查表2-1;xfc、yfc、nfc、xfp、yfp、nfp、xff、yff、nff--指数，可查表2-1。
KFc、KFp、KFf--修正系数，可查表2-5，表2-6。
2.单位切削⼒单位切削⼒是指单位切削⾯积上的主切削⼒，⽤kc表⽰，见表2-2。
kc=Fc/Ad=Fc/(apf)=Fc/(bdhd)(2-7)式中AD---切削⾯积(mm2);ap---背吃⼑量(mm);f----进给量(mm/r);hd--切削厚度(mm);bd--切削宽度(mm)。
已知单位切削⼒kc,求主切削⼒FcFc=kcapf=kchdbd(2-8)式2-8中的kc是指f=0.3mm/r时的单位切削⼒，当实际进给量f⼤于或⼩于0.3mm/r时，需乘以修正系数Kfkc，见表2-3。
表2-3进给量?对单位切削⼒或单位切削功率的修正系数Kfkc，Kfpsf/(mm/r)0.10.150.20.250.30.350.40.450.50.6Kfkc，Kfps1.181.111.061.0310.970.960.940.9250.9切削⼒的来源、切削分⼒⾦属切削时，切削层及其加⼯表⾯上产⽣弹性和塑性变形;同时⼯件与⼑具之间的相对运动存在着摩擦⼒。
如图2-15所⽰，作⽤在⼑具上的⼒有两部分组成:1.作⽤在前、后⼑⾯上的变形抗⼒Fnγ和Fnα;2.作⽤在前、后⼑⾯上的摩擦⼒Ffγ和Ffα。
这些⼒的合⼒F称为切削合⼒，也称为总切削⼒。
高温合金轴向超声振动钻削减摩机理陈硕;邹平;田英健;毛亮【摘要】针对高温合金钻削困难、钻削过程中摩擦力大等问题,采用超声振动技术加工.首先,分析了超声振动减摩机理,构建了平均摩擦力与振动参数之间的关系,并得出了平均摩擦力与振幅之间的变化趋势.建立轴向超声振动钻削系统,利用该系统对高温合金进行钻削加工.结果表明:振动振幅对孔壁表面质量的影响符合超声振动钻削的减摩特性.利用优化后的振幅超声振动钻削,与普通钻削相比,切屑形态更加规整,孔壁表面粗糙度值更小,表面质量更好.【期刊名称】《东北大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(039)010【总页数】5页(P1485-1489)【关键词】超声振动钻削;减摩;振幅;切屑形态;粗糙度【作者】陈硕;邹平;田英健;毛亮【作者单位】东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;辽宁轨道交通职业学院机械工程系,辽宁沈阳 110023;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819;东北大学机械工程与自动化学院,辽宁沈阳 110819【正文语种】中文【中图分类】TG506.5;TH161高温合金GH4169是一种难加工材料[1],属于镍基合金的一种,具有高硬度、高韧性和高耐磨性,能够制造出各种形状复杂的零部件,广泛应用于宇航、核能、石油工业等领域.目前,GH4169高温合金孔加工多采用钻削加工,但传统钻削加工由于摩擦力大,极易使钻头出现磨损,切屑不易折断,缠绕在螺旋槽中,导致工件容易划伤,难以保证加工质量[2].为了改善钻削加工,采用超声振动加工技术[3],在钻削过程中,加入高频、低振幅的振动[4],可以实现更好的加工效果[5-6],有效降低刀具与切屑之间的摩擦力,易于断屑排屑[7],改善孔壁表面质量[8-9],非常适合难加工材料加工.1 振动减摩机理一个滑块放在一个倾斜的斜面上,使滑块与斜面处于临界状态,此时,如果对滑块施加一个振动,滑块就会沿着斜面滑下,说明了超声振动的减摩特性,如图1所示.图1 斜面滑块图Fig.1 Slope slider diagram根据对超声振动减摩机理的分析,建立了1个简单的摩擦副模型,如图2所示.物体1和物体2组成一个简单的摩擦副模型,物体2在以速度v运动的过程中,在静载荷W 的作用下作垂直于与物体1接触面的振动z.在振动z的作用下,物体1和物体2之间的实际载荷会发生变化,不再是固定的载荷,而是动载荷[10-11].振动z和物体1与物体2之间的动态载荷Wd的表达式为z=Acosωt ,(1)Wd=W-CAcosωt .(2)式中:A为振动振幅;ω为振动频率;C为常数.图2 摩擦副模型Fig.2 Model of friction pair对固体摩擦润滑理论的分析和相关参数的计算,可得在振动z的作用下,物体1与物体2之间的平均摩擦力F与振动之间的关系:(3)式中:为振动周期;c1为常数; v为物体2的运动速度;μk为临界摩擦系数.令常数c1=1 μm-1,W=100 N,v=0.1 m/s,C=8 N/μm,μk=0.25,当f=20 kHz时,通过改变振幅值得出平均摩擦力与振幅的关系,如图3所示.图3 平均摩擦力与振幅A的关系Fig.3 Relationship between average friction forceand amplitude由图3可知,振动频率固定时,随着振幅的逐渐增大平均摩擦力先逐渐减小,达到某一最小值后再逐渐增大,其中的最小值是随着参数的改变而改变的.虽然最小值不是统一的,但平均摩擦力随着振幅的增大有先减少后增大的趋势是统一的,因此,振动频率已知时,选择合适的振幅就会使平均摩擦力比没加振动时的低,而且,存在一个最佳的振幅,使得平均摩擦力最小.2 试验材料和加工方法试验钻削加工选用GH4169高温合金试件,直径25 mm,长30 mm.其泊松比、密度、弹性模量及抗拉强度分别为0.3,8 240 kg · m-3,200 GPa,965 MPa.所选的钻头材料为含钴高速钢,在高速钢的基础上加入5%～8%钴,钻头的硬度、耐热性能和韧性都显著提升,直径为6 mm.本试验中,轴向超声振动钻削加工系统基于CA6140型普通车床进行创建,换能器、变幅杆装入套筒并夹紧,之后将套筒固定在中心架上,套筒尾部伸入机床尾座固定夹紧.安装过程中使换能器、变幅杆、钻头的中心线保持一致,车床的尾座中心线与主轴回转中心线要保证统一,确保钻头准确钻削试件,防止钻头偏摆,换能器通过导线连接发生器,通电之后进行轴向超声振动钻削加工试验,加工过程不使用冷却液.超声振动钻削实物图见图4.图4 轴向超声振动钻削装置实物图Fig.4 Schematic diagram of axial ultrasonic vibrationdrilling device3 结果与讨论3.1 振幅对孔表面粗糙度的影响及分析在钻削试验中,先采用普通钻削,之后分别以振幅12,15,18,21,24 μm进行超声振动钻削,通过三维表面轮廓仪测量,考察振幅有无及振幅大小对孔壁表面粗糙度Sa的影响.在主轴转速为320 r/min时,分别加工试件,得出Sa随振幅的变化关系图如图5所示.普通钻削时, Sa值为2.16 μm.辅助超声振动技术钻削,粗糙度值均低于普通钻削.可以看出,超声振动钻削改善了孔的加工质量.超声振动钻削振幅从12 μm到15 μm,孔的表面粗糙度降低,表面质量较好,振幅15 μm时表面质量最好.之后随着振幅的升高,孔壁的粗糙度值升高,表面质量较差,可以看出,表面粗糙度随振幅的变化关系趋向于前述推导出的平均摩擦力随振幅的变化趋势.图5 表面粗糙度随超声振幅变化的关系曲线Fig.5 Relationship between surface roughness andultrasonic amplitude这是因为在钻削加工中,摩擦力对加工质量起至关重要的作用.在初始阶段,振幅较小时,钻头与孔之间摩擦力较大,孔表面粗糙度值高.随着振幅的逐渐增大,平均摩擦力相对普通钻削时的摩擦力有所降低,减小了刀具与孔的摩擦,使加工孔的表面粗糙度降低.当振幅达到15 μm时,平均摩擦力最小,即刀具与孔的摩擦最弱,加工孔的表面粗糙度值最低.但当振幅超过15 μm之后,随着振幅进一步增大,振动过程会产生比较大的冲击力,大的冲击力会增大刀具与孔的摩擦,加工孔的表面粗糙度值增大.通过上述分析可以看出,超声振动钻削加工振幅影响孔壁的表面质量,并趋向于平均摩擦力随振幅的变化趋势.3.2 钻削切屑形态分析切屑形态是反映钻孔加工中一个重要的因素,切屑的形状和排屑是否顺畅会导致加工表面质量和加工精度的不同.图6是在相同加工参数下得到的切屑形态.图6a为普通钻削的切屑形态,不易断屑,而且切屑较长,易缠绕钻头,显然增加了钻头-切屑-孔壁之间的摩擦力,加工过程不稳定,降低孔壁表面质量.图6b为超声振动钻削后的切屑形态,振动钻削最大的优点就是可以顺利实现断屑,钻削过程并不是发生在整个振动周期内,而是在振动周期内极短的一段时间内完成了切削过程,其他时间钻头与工件分离不进行切削过程,只有很小一部分的时间处在钻削状态,因此,振动钻削过程中,钻头和工件会周期性的接触和分离,平均摩擦力会小于普通钻削过程中的平均摩擦力,切屑的厚度也在周期性的改变,从而在切屑的薄弱环节(即切屑厚度为零或很小时)处使切屑折断.图6c 和图6d是将切屑放大20倍后普通钻削与超声振动钻削得到的切屑形态.从图6c可以看出,高温合金普通钻削的切屑具有锯齿化的特点,切屑表面呈鱼鳞状,相对粗糙,这是因为钻削加工中摩擦力大,促使钻削过程不稳定,切屑变形严重,形成边缘不规则的切屑,影响孔壁加工质量.从图6d可以看出,超声振动钻削的切屑变化明显,外形规整,切屑边缘比较光滑,表面具有清晰的纹理.另外,从切屑的变形程度上看,超声振动钻削的切屑明显优于普通钻削,证明超声振动钻削的摩擦阻力更小,促进了切屑的断裂,防止切屑缠绕,加工过程更加平稳,加工效果也更加理想.图6 切屑形态Fig.6 Chip formation(a)—普通钻削； (b)—超声振动钻削； (c)—20倍后普通钻削； (d)—20倍超声振动钻削.3.3 已加工孔表面形貌分析图7 是在主轴转速为320 r/min条件下,普通钻削和以振幅为15 μm超声振动钻削孔,并分别将孔壁放大20倍得到的对比表面形貌.从图7a中可以看出,孔表面具有明显的切痕,凹坑和裂纹较多,表面质量不好.这是由于高温合金钻削时摩擦力大,切屑不易断屑排出,导热性低,导致孔内部温度升高,刀具、切屑容易和孔壁表面粘连,钻削时划伤孔壁.同时,高温合金钻削过程也会产生硬化现象,易在加工表面形成裂纹,进而影响加工质量.与普通钻削相比,从图7b可以看出,超声振动钻削孔壁整体光滑均匀,基本上没有明显的划痕,表面质量改善明显.这是由于振动钻削中钻头和工件表面直接周期性的分离和接触,降低钻头与孔内部之间的平均摩擦系数,减小平均摩擦力,切屑易排出,有效降低了钻削温度,加工硬化效果不明显,从而改善加工质量.进一步通过三维表面轮廓仪扫描孔壁上0.1 mm×0.1 mm的区域,对该区域的微观表面形貌进行分析,如图8所示.从图8a可以看出,普通钻削加工所形成的表面出现耕犁现象,通过轮廓仪得到的区域Sa值为2.16 μm.图8b为振幅15 μm超声振动钻削后孔的表面形貌,加上超声振动后孔的波峰和波谷的变化规则平缓,超声振动钻削得到的孔壁表面Sa值为1.98 μm,可以看出,超声振动钻削的孔壁表面质量要好于普通钻削.图7 孔壁形貌Fig.7 Chip formation(a)—普通钻削； (b)—超声振动钻削.摩擦力对于加工质量都起着至关重要的作用,由于超声振动的附加作用,钻头和工件之间的接触形式发生改变,以一定的频率和振幅间断接触,钻头和切屑周期性的分离改善了钻头与切屑的摩擦边界条件,减小钻头与孔壁的摩擦力,降低了切屑划伤孔壁的可能性,从而达到降低表面粗糙度的效果,最终形成良好的表面形貌.图8 孔表面微观形貌Fig.8 Microscopic morphology of hole surface(a)—普通钻削； (b)—超声振动钻削.4 结论1) 根据超声振动钻削的减摩机理,推导出平均摩擦力与振幅之间的关系,并得到一个最佳振幅15 μm,使得平均摩擦力最小.在该振幅下,孔壁表面粗糙度值最小,表面质量最好.2) 普通钻削切屑不易折断,切屑易缠绕,锯齿化严重,容易划伤孔壁.超声振动钻削易于断屑排屑,形状规整,钻削过程也更加平稳.3) 普通钻削孔壁粗糙,切痕严重.超声振动钻削孔壁均匀,无明显切痕.普通钻削微观形貌区域粗糙度Sa值为2.16 μm,超声振动钻削Sa值降低到1.98 μm,降低了约8.3%,超声振动钻削有效地改善孔壁的表面形貌.参考文献：【相关文献】[1] 徐英帅,邹平,王伟,等.超声振动辅助车削高温合金和铝镁合金研究[J].东北大学学报(自然科学版),2017,38(1):95-100.(Xu Ying-shuai,Zou Ping,Wang Wei,et al.Investigation on ultrasonic vibration assisted turning of Ni-based superalloy and Al-Mg alloy[J].Journal of NortheasternUniversity(Natural Science),2017,38(1):95-100.)[2] 陈硕,邹平,吴高勇,等.45钢超声振动钻削加工机理及其试验研究[J].电加工与模具,2017,330(1):48-51.(Chen Shuo,Zou Ping,Wu Gao-yong,et al.Drilling mechanism and experimental study on ultrasonic vibration machining of 45 steel[J].Electromachining & Mould,2017,330(1):48-51.)[3] Jin T,Cai G.Analysis of ultrasonic-assisted drilling of Ti6Al4V[J].Journal of Manufacturing Science and Engineering,2001,12(2):185-190.[4] Pujana J,Rivero A,Celaya A,et al.Analysis of ultrasonic-assisted drilling ofTi6Al4V[J].Tools Manufacture,2009,49(3):500-508.[5] Patil S,Joshi S,Tewari A,et al.Modeling and simulation of effect of ultrasonic vibrations on machining of Ti6Al4V[J]. 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机械式低频轴向振动钻削装置的设计与分析李章东;田军伟;焦锋;李亚鹏;刘旭辉【摘要】在深孔的钻削加工过程中,经常会有连续的带状切屑导致断钻事故发生,如果在钻削过程中对切屑进行周期性地断屑,就能有效解决深孔加工过程中断屑排屑困难的问题.设计一种机械式低频轴向振动钻削装置,研究其工作原理、振幅和频率的调整方法以及振动钻削装置的整体结构布局;对振动钻削装置的主要技术参数进行分析计算;利用ANSYS Workbench对其进行刚体动力学仿真分析,并进行振动钻削装置的振动特性试验.结果表明,所设计的钻削装置结构简单,振幅与频率调整方便,能够解决断屑排屑困难的问题,可以有效提高深孔加工质量.【期刊名称】《河南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2019(038)003【总页数】7页(P89-95)【关键词】深孔加工;低频振动钻削;刚体动力学;仿真建模【作者】李章东;田军伟;焦锋;李亚鹏;刘旭辉【作者单位】河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000;河南理工大学机械与动力工程学院,河南焦作454000【正文语种】中文【中图分类】TH120 引言深孔加工在切削领域中占有很重要的地位。
深孔一般是指其长度大于直径5倍以上的孔。
深孔加工通常是在封闭或半封闭状况下进行，加工产生的带状切屑不易排出，切削热不易逸散，容易造成切削效果不理想，特别是小直径深孔的加工，排屑空间小，切屑的宽窄、长短、形状都将影响到排屑。
因此，小直径深孔加工必须采取强制排屑和强制冷却的措施[1-4]。
振动切削的实质是在工件(或钻头)正常进给的同时，对工件(或钻头)施加某种有规律的振动，以达到改善切削效能的目的。
普通钻削时，切屑经常会堵塞在钻头的螺旋槽内，不仅和钻头产生剧烈的摩擦，而且还会划伤已加工的孔表面，降低孔的表面质量。
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910284912.9(22)申请日 2019.04.10(71)申请人 哈尔滨理工大学地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号(72)发明人 姜彬 张庭政 赵培轶 赵俊峰 (74)专利代理机构 哈尔滨市伟晨专利代理事务所(普通合伙) 23209代理人 李思奇(51)Int.Cl.G06F 17/50(2006.01)(54)发明名称一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法(57)摘要一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法，属于铣刀技术领域，本发明为了解决已有关于切削力建模的研究，不能揭示刀齿铣削微元瞬时切削力的分布及其变化特性，不能揭示刀齿与刀齿之间瞬时切削力关系，无法准确反映出切削力的动态变化过程的问题。
步骤a，对铣刀瞬时切削行为求解；步骤b，对振动作用下的单齿切削边界条件求解；步骤c，建立铣刀刀齿瞬时切削层参数模型并计算；步骤d，建立铣刀刀齿瞬时切削力模型并求解；步骤e，完成铣刀动态切削力模型的构建与验证。
本发明的一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法能准确反映切削过程中切削力的动态变化的动态切削力模型，对动态切削力预测模型进行三重验证。
权利要求书2页 说明书15页 附图8页CN 110032794 A 2019.07.19C N 110032794A权 利 要 求 书1/2页CN 110032794 A1.一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤a，对铣刀瞬时切削行为求解；步骤b，对振动作用下的单齿切削边界条件求解；步骤c，建立铣刀刀齿瞬时切削层参数模型并计算；步骤d，建立铣刀刀齿瞬时切削力模型并求解；步骤e，完成铣刀动态切削力模型的构建与验证。
2.根据权利要求1所述的一种振动作用下的铣刀动态切削力模型构建与验证方法，其特征在于：所述步骤a中对铣刀瞬时切削行为求解包括以下步骤：步骤a1，构建铣削振动和刀齿误差影响下的刀齿瞬时接触关系模型；步骤a2，根据步骤a1建立刀尖切削运动轨迹模型，该模型反映了铣削钛合金过程中刀尖受到铣削振动的影响，产生位移增量，从而使刀尖实际切削运动轨迹发生变化状态；步骤a3，铣削振动造成铣刀整体发生了偏转，从而使铣刀相对于初始状态形成一个姿态夹角增量，根据步骤a1建立铣刀瞬时切削姿态模型，该模型反映铣刀偏转前后的姿态变化；步骤a4，根据步骤a3中各模型关系建立函数方程，对铣刀瞬时姿态夹角求解。
您要打印的文件是：切削力计算的经验公式打印本文切削力计算的经验公式作者：佚名转贴自：本站原创度压缩比有所下降，但切削力总趋势还是增大的。
强度、硬度相近的材料，塑性大，则与刀面的摩擦系数μ也较大，故切削力增大。
灰铸铁及其它脆性材料，切削时一般形成崩碎切屑，切屑与前刀面的接触长度短，摩擦小，故切削力较小。
材料的高温强度高，切削力增大。
⑵切削用量的影响①背吃刀量和进给量的影响背吃刀量ap或进给量f加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。
加大ap 时，切削厚度压缩比不变，切削力成正比例增大；加大f加大时，有所下降，故切削力不成正比例增大。
在车削力的经验公式中，加工各种材料的ap指数xFc≈1，而f的指数yFc=0.75～0.9，即当ap加大一倍时，Fc也增大一倍；而f加大一倍时，Fc只增大68%～86%。
因此，切削加工中，如从切削力和切削功率角度考虑，加大进给量比加大背吃刀量有利。
②切削速度的影响在图3-15的实验条件下加工塑性金属，切削速度vc＞27m/min 时，积屑瘤消失，切削力一般随切削速度的增大而减小。
这主要是因为随着vc的增大，切削温度升高，μ下降，从而使ξ减小。
在vc＜27m/min时，切削力是受积屑瘤影响而变化的。
约在vc=5m/min时已出现积屑瘤，随切削速度的提高，积屑瘤逐渐增大，刀具的实际前角加大，故切削力逐渐减小；约在vc=17m/min处，积屑瘤最大，切削力最小；当切削速度超过vc=17m/min，一直到vc=27m/min时，由于积屑瘤减小，使切削力逐步增大。
图3-15 切削速度对切削力的影响切削脆性金属(灰铸铁、铅黄铜等)时，因金属的塑性变形很小，切屑与前刀面的摩擦也很小，所以切削速度对切削力没有显著的影响。
⑶刀具几何参数的影响①前角的影响前角γo加大，被切削金属的变形减小，切削厚度压缩比值减小，刀具与切屑间的摩擦力和正应力也相应下降。
因此，切削力减小。
但前角增大对塑性大的材料(如铝合金、紫铜等)影响显著，即材料的塑性变形、加工硬化程度明显减小，切削力降低较多；而加工脆性材料(灰铸铁、脆铜等)，因切削时塑性变形很小，故前角变化对切削力影响不大。
