切削力

什么是切削力?

切削力是切削刀具对材料进行加工时受到的阻力。根据以CNC数控机床为主的制造机器所使用的切削工艺(例如车削、铣削和钻削等),切削力的方向和幅度各不相同。(参考下方图1所示的车削中的切削力)。对该等高动态的切削力进行测量和分析,有助于优化切削工艺。

如何测量切削力?

测量加工工艺中的切削力可采用多种技术,其中,测力计是最有效、最可靠的工具。部分测力计可基于压电效应进行测量。但是,使用适合的力传感器或内置于加工刀具零部件中的载荷单元(例如应变计和压电式传感器),也可以定制集成解决方案。用于切削力测量的压电式测力计主要有三种:静态三分量测力计,静态六分量测力计,以及旋转四分量测力计。

为什么测量切削力?切削力测量结果有何用途?

在切削工艺中,刀具承受很高的机械、热量和化学压力,影响切削表现和刀具寿命。如今,金属切削仍是最重要的加工工艺,是制造各种技术产品的基础。除可信赖的品质外,制成品还应兼具成本效益。因此,业界对切削工艺的要求不断提高。对切削工艺的深入了解是满足这些要求的必要条件。切削工艺中,关键指标包括作用力和作用扭矩。

开发新刀具时,更应了解其表现,切削工艺中会产生哪些切削力?刀具在不同条件下的表现如何(工艺稳定性)?如何设计刀具才能避免峰值力(服务寿命)并且保证加工工艺的快速、高效运行?

只有保证刀具开发过程中的精准测量,才能实现工艺可靠性,避免出现残次品。例如,铣削钟表外壳时,制表商需确保加工工艺能够在持续接触的条件下顺利、稳定进行,并且刀具不会过度应力。

将切削力/扭矩测量应用于CNC数控机床的先进编程中,构建智能加工策略,这种方式正得到日益广泛的应用。切削力信号可通过多种方式连接到机床,用于改善切削工艺,提高可追溯性,确保可持续加工运行。

因此,分析刀具磨损情况(即测量和分析刀具的机械载荷)是实现以下几个目标的基础:

  • 改进切削工艺
  • 改良切削刀具(几何形状,涂装)
  • 改进辅助设备(例如冷却液)
  • 确定机床结构和零部件尺寸
  • 验证工艺模型和模拟
  • 将被测力纳入车床控制系统,开展智能编程

为实现上述目标,需要:

  • 测量和分析塑性加工工艺中的施加力
  • 识别特征常量,即与机械加工性有关的特定力
  • 提供与工艺进给能量有关的信息
  • 在数控(NC)机床中使用先进的编程命令,例如同步动作等

压电式测力计广泛应用于学术和工业研发中,用以测量、分析和优化加工工艺。

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