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關於切削力係數

摘要"

切削力係數的基本概念及其鑑別方法之簡介,本文主要透過正交轉斜交方法,建立一不鏽鋼與鈦合金之正交切削參數資料庫。首先進行正交切削實驗,變數為傾角、線速度以及每轉進給,並於切削過程中量測切削力。接著量測切屑長度並計算其切屑壓縮比、剪切角、摩擦角以及剪應力。最後藉由上述之正交切削參數求得材料切削力係數,經由切削力係數轉化公式,利用正交切削參數求取斜角切削之切削力係數,預估銑削切削力。最後透過實際銑削之力量測,與預估之銑削切削力比對,誤差皆於18%以內。這項技術可以讓使用者預測X、Y、Z方向之切削力、主軸功率與主軸扭矩,以利改善加工製程之效率與品質。

關鍵詞:切削力係數、切削力模擬、切削力學

前言

銑削加工為現今常用的材料移除方式之一,因其具有高自由度的加工能力,且可獲得優良的表面品質與加工精度。目前工業界常利用銑削工具機加工航太零件、3C產品、汽車零件、生醫零件以及能源產業相關之零件,因加工成本與加工效率的考量下,如何調整銑削加工參數,使工具機應用端提高加工效率並減少後續的二次加工,為目前工業界極為重要之研究項目。
銑削力為銑削加工製程中最主要、最直接產出的物理量,銑削力與切削溫度、切削功率、切削扭矩、表面粗糙度、刀具壽命以及加工之振動量有著極大的關係,因此銑削力量之預測顯得格外的重要。而銑削力的預測中,除銑刀本身幾何模型的建構外,就屬代表材料因子的切削力係數最為重要。因此本文從切削力係數著手,介紹Altintas之銑削平均力法、Wang之銑削平均力法以及以Budak正交轉斜交之方法,並以正交轉斜交之方法做為主軸進行研究。

切削力係數及其鑑別
方法之簡介

切削力係數簡介

銑削力是由剪切力及犁切力所組成,如圖1所示,p為犁切力,代表刀腹和刀尖圓的犁切作用,s為剪切力,代表刀面切屑移除過程的剪切作用,而即為總切削力。切削力預測模型一般由幾何推導進行建模,並由不同的切削力係數輸入公式,公式中的切削力係數代表著切削不同材料的材料因子,如圖2所示。而切削力係數亦稱為比切削能,其代表移除單位體積材料所需的能量(J/mm3),可簡化為(N/mm2),即代表移除單位面積材料所需之切削力(N)。這些能量包括主要剪切區(Primary shear zone)上切屑的變形能量以及次要剪切區(Secondary shear zone)上切屑與刀具傾角(Rake face)磨擦所消耗的能量。Krs為徑向剪切削力與切向剪切削力的比值。犁切效應則代表與切屑形成相關的刀鼻犁切及刀腹與工件的磨擦效應。其中Ktp為切向犁切力之切削力係數(N/mm),Krp為徑向犁切力與切向犁切力的比值。而影響切削力係數之參數,可分為刀具幾何之參數以及切削參數(線速度、每刃進給、ae、ap)。

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