3.4 3.4 切削力切削力 在切削加工中，切削力是一个非常在切削加工中，切削力是一个非常重要的参数，切削热、刀具磨损等物理重要的参数，切削热、刀具磨损等物理现象都与切削力有关，切削力还是设计现象都与切削力有关，切削力还是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。和使用机床、刀具、夹具的重要依据。 一、切削力、切削合力与分力、切削功率一、切削力、切削合力与分力、切削功率 n1.1.切削力切削力n 切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。切削力来源于以下两个方面：的力称为切削力。切削力来源于以下两个方面：n1)1)克服切削层材料和工件表面层材料对弹性交形、克服切削层材料和工件表面层材料对弹性交形、塑性变形的抗力：塑性变形的抗力：n2)2)克服刀具与切屑、刀具克服刀具与切屑、刀具 与工件表面间摩擦阻力与工件表面间摩擦阻力 所需的力。所需的力。 n2.2.切削合力及分解切削合力及分解n上述各力的总和形成作用在刀具切削部位上的合力上述各力的总和形成作用在刀具切削部位上的合力F F。为。为了便于测量和应用了便于测量和应用可将可将F F分解为分解为FcFc、FpFp和和F Ff f三个互相垂直三个互相垂直的分力。的分力。n图示为车削时切削合力分解情况，其中：图示为车削时切削合力分解情况，其中：nFcFc垂直于基面，与切削速度垂直于基面，与切削速度VcVc的方向一致，称为切削力的方向一致，称为切削力( (也称切向力、主切削力也称切向力、主切削力) )。FcFc是计算切削功率和设计机床是计算切削功率和设计机床的主要参数。的主要参数。 nFpFp平行于基面平行于基面, ,并与进给方向并与进给方向( (即工件轴线方向即工件轴线方向) )相垂直，相垂直，称为背向力称为背向力( (也称切深抗力也称切深抗力, ,径向力径向力) )。FpFp会使机床加工系会使机床加工系统统( (含机床、刀具和工件含机床、刀具和工件) )产生变形，对加工精度的影响较产生变形，对加工精度的影响较大。大。nF Ff f平行于基面，并与进给方向平行，称为进给力平行于基面，并与进给方向平行，称为进给力( (也称轴也称轴向力向力) )。F Ff f是设计机床进给机构或校核其强度的主要参数。是设计机床进给机构或校核其强度的主要参数。n在上述三个分力中在上述三个分力中, ,FcFc值最大；值最大；nFpFp约为约为(0.150.7(0.150.7) ) FcFc；nF Ff f约为约为(0.10.6)Fc(0.10.6)Fc。n3.3.切削功率切削功率n消耗在切削过程中的功率称为切削功率，用消耗在切削过程中的功率称为切削功率，用Pc(kwPc(kw) )表示。表示。因因为在为在FpFp方向位移极小，可忽略不计，所以可以近似认为方向位移极小，可忽略不计，所以可以近似认为FpFp不不作功，不消耗功率，切削功率为作功，不消耗功率，切削功率为FcFc和和FfFf作功所消耗的功率之作功所消耗的功率之和。和。n上式中括号内第二项是上式中括号内第二项是F Ff f消耗的功率，与第一项相比很小消耗的功率，与第一项相比很小( (一一般小于般小于1 1) )，可忽略不计。因此，可以认为，可忽略不计。因此，可以认为n根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率。根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率。机床电动机的功率机床电动机的功率P PE E应为：应为： 式中式中 m m机床传动效率，一般取为机床传动效率，一般取为0.750.850.750.85。 n4.4.单位切削力的概念单位切削力的概念 n单位切削面积上的切削力称为单位切削力，单位切削面积上的切削力称为单位切削力，用用Kc(NKc(Nmmmm2 2) )表示表示: :hD切削厚切削厚度度bD切削宽切削宽度度二、切削力的测量及切削力经验公式二、切削力的测量及切削力经验公式 用测力仪测出切削力，再通过对实验数据的处理，可求得用测力仪测出切削力，再通过对实验数据的处理，可求得计算切削力的计算切削力的经验公式。经验公式。在生产实际中，一般都用经验公式来在生产实际中，一般都用经验公式来计算切削力。计算切削力。 n1.1.切削力的测量切削力的测量n目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。图示图示为切削力测量系统。测力仪输出的模拟信号经为切削力测量系统。测力仪输出的模拟信号经A AD D转换成转换成数字信号后输入计算数字信号后输入计算 机，计算机对测试数据进行处理机，计算机对测试数据进行处理 后即可求得切削力经验公式。在后即可求得切削力经验公式。在 自动化生产中，还可以用测力系自动化生产中，还可以用测力系 统测得的切削力信号实时监控和统测得的切削力信号实时监控和 优化切削过程。优化切削过程。 2 2切削力经验公式切削力经验公式n生产实际中应用比较广泛的切削力经验公式为：生产实际中应用比较广泛的切削力经验公式为：三、影响切削力的因素三、影响切削力的因素n1.1.工件材料的影响工件材料的影响n（1 1）被加工材料的）被加工材料的强度愈高，硬度愈大强度愈高，硬度愈大，切削时产生的变形阻力愈，切削时产生的变形阻力愈大，大，切削力就大切削力就大。n（2 2）材料在加工过程中硬化系数大材料在加工过程中硬化系数大，加工硬化能力大时，即使较小，加工硬化能力大时，即使较小的变形也会引起硬度的大大提高，从而的变形也会引起硬度的大大提高，从而使切削力增大。使切削力增大。 n（3 3）材料的化学成份及其含量影响材料的物理机械性能，从而影响材料的化学成份及其含量影响材料的物理机械性能，从而影响切削力的大小。切削力的大小。如碳钢中的含碳量愈高，其强度和硬度愈高；铜、铝如碳钢中的含碳量愈高，其强度和硬度愈高；铜、铝等金属强度低，塑性较大，但变形时的加工硬化小，因而切削力也较等金属强度低，塑性较大，但变形时的加工硬化小，因而切削力也较低。低。n （4 4）加工铸铁及其它脆性材料时，切削层的塑性变形小，加工硬化加工铸铁及其它脆性材料时，切削层的塑性变形小，加工硬化小。小。切削脆性材料时形成崩碎切屑，且集中在刀尖，切屑与前刀面的切削脆性材料时形成崩碎切屑，且集中在刀尖，切屑与前刀面的接触面积小，摩擦力也小，因此切削力比切钢时小。接触面积小，摩擦力也小，因此切削力比切钢时小。n（5 5）同一材料在不同热处理状态下，其金相组织不同也会影响切削同一材料在不同热处理状态下，其金相组织不同也会影响切削力的大小。力的大小。如钢在正火、调质、淬火状态下的硬度不同，因此切削时如钢在正火、调质、淬火状态下的硬度不同，因此切削时的切削力也不同。的切削力也不同。 2. 2. 切削用量对切削力的影响切削用量对切削力的影响 （1 1）切切削削深深度度a ap p和和进进给给量量f f对对切切削削力力的的影影响响，是是通通过过切切削削面面积积A AD D的的影影响响而而达达到到的的。当当切切削削深深度度和和进进给给量量增增大大都都会会使使切切削削面面积积A AD D增增大大(A(AD D= =a ap pf f) )，从从而而使使变变形形力力和和摩摩擦擦力力增增大大，切切削削力力则则随随之增大。但之增大。但a ap p和和f f两者对切削力的影响大小不同。两者对切削力的影响大小不同。 在在用用高高速速钢钢或或硬硬质质合合金金刀刀具具加加工工金金属属时时，切切削削深深度度a ap p增增大一倍，切削力大一倍，切削力FcFc也增大一倍即：也增大一倍即： FcFc=C=Capap(2 (2 a ap p)=2C)=2Cap ap a ap p 进进给给量量 f f 增增大大，切切削削厚厚度度也也成成正正比比地地增增大大( (h hD D= =f fsinKrsinKr，) )。但但h hD D增增大大时时变变形形系系数数减减小小，摩摩擦擦系系数数也也降降低低，这这又又会会使使切切削削力力减减小小。上上述述分分析析可可知知，加大进给量比加大切削深度消耗的能量更少。加大进给量比加大切削深度消耗的能量更少。 指数指数ap 的的指数为指数为1f 的指数小于的指数小于1（2 2）切削速度对切削力的影响。）切削速度对切削力的影响。 用用实实验验方方法法可可知知切切削削速速度度对对切切削削力力的的影影响响规规律律不不是是呈呈单单调调的曲线，而是随切削速度不同而变化的。的曲线，而是随切削速度不同而变化的。 在在用用YTl5YTl5硬硬质质合合金金车车刀刀加加工工4545钢钢时时，当当v50mv50mV50mminmin时时，切切削削力力随随之之减减小小。这这是是因因为为切切削削速速度度增增高高后后，摩摩擦擦系系数数减减小小，剪剪切切角角增增大大，变变形形系系数数减减小小，从从而而使使切切削削力力减减小小。另另一一方方面面，切切削削速速度度v v增增高高，切切削削温温度度也也增增高高，使使被被加加工工金金属属的的强强度度和和硬度降低，也会导致切削力的降低。硬度降低，也会导致切削力的降低。 加工铸铁时，切削速度加工铸铁时，切削速度v v对切削力的影响不大。因为加工对切削力的影响不大。因为加工铸铁时铸铁时形成崩碎切屑，其塑性变形小，切屑对前刀面的摩擦力形成崩碎切屑，其塑性变形小，切屑对前刀面的摩擦力小，所以对切削力的影响不大。小，所以对切削力的影响不大。3.3.刀具几何参数对切削力的影响刀具几何参数对切削力的影响 刀刀具具几几何何参参数数中中对对切切削削力力影影响响最最大大的的是是前前角角o o，其其次次是是主主偏偏角角KrKr、以以及及与与前前角角有有关关的的负负倒倒棱棱和与主偏角有关的刀尖圆弧半径和与主偏角有关的刀尖圆弧半径r r，和刃倾角和刃倾角s s。 （1 1）前角对切削力的影响）前角对切削力的影响 在在加加工工钢钢时时，前前角角增增大大，切切削削力力减减小小。因因为为前前角角增增大大时时剪剪切切角角随随之之增增大大，金金属属塑塑性性变变形形减减小小，变变形形系系数数减减小小，沿沿前前刀刀面面的的摩摩擦力也减小，因此切削力降低。擦力也减小，因此切削力降低。 加加工工脆脆性性金金属属( (如如铸铸铁铁、青青铜铜时时等等) )时时，由由于于切切屑屑变变形形和和加加工工硬化很小，所以前角对切削力的影响不显著。硬化很小，所以前角对切削力的影响不显著。（2 2）主偏角）主偏角KrKr对切削力的影响对切削力的影响 主主偏偏角角KrKr对对三三个个切切削削分分力力FzFz、FyFy、FxFx的的影影响响程程度度不不同同。从实验曲线图中看出：从实验曲线图中看出： a.a.主偏角增大对主偏角增大对FcFc的影响一般不超过的影响一般不超过1010。 随主偏角的改变，切削厚度与切削刃曲线部分长度的变化b.b.主偏角主偏角KrKr的变化对的变化对F Fp p和和F Ff f的影响的影响 Fp=Fn cosKr； Ff=Fn sinKr； (3)(3)刃倾角刃倾角ss对切削力的影响对切削力的影响 当当ss变变化化时时，会会改改变变合合力力F F的的方方向向，从从而而影影响响FpFp和和F Ff f分分力力的的大小。大小。 （4 4）负倒棱对切削力的影响）负倒棱对切削力的影响 前前刀刀面面上上的的负负倒倒棱棱b b11，对对切切削削力力有有一一定定的的影影响响，在在正正前前角角相相同同时时，对对有有负负倒倒棱棱的的车车刀刀，由由于于切切削削时时的的切切屑屑变变形形比比无无负负倒倒棱棱的的大大，所所以以切切削削力力有有所提高，所提高，无论加工钢或铸铁都是这样。无论加工钢或铸铁都是这样。（5 5） 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r r对切削力的影响对切削力的影响 r r增大相当于是增大相当于是KrKr减小时减小时对切削力的影响。对切削力的影响。n4.4.刀具磨损刀具磨损n后刀面磨损增大时，后刀向上的法向力和后刀面磨损增大时，后刀向上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。摩擦力都增大，故切削力增大。n5.5.切削液切削液n使用以冷却作用为主的切削液使用以冷却作用为主的切削液( (如水溶液如水溶液) )对切削力影响不大，使用润滑作用强的切对切削力影响不大，使用润滑作用强的切削液削液( (如切削油如切削油) )可使切削力减小。可使切削力减小。 n6.6.刀具材料刀具材料n刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小，导致切削力变化擦力的大小，导致切削力变化。n在其他切削条件完全相同的条件下，在其他切削条件完全相同的条件下，用陶用陶瓷刀切削比用硬质合金刀具切削的切削力瓷刀切削比用硬质合金刀具切削的切削力小，用高速钢刀具进行切削的切削力大于小，用高速钢刀具进行切削的切削力大于前两者前两者。