机械制造技术基础 第二版 §3.4 切削力

1、3.4 3.4 切削力切削力 在切削加工中，切削力是一个非常重在切削加工中，切削力是一个非常重要的参数，切削热、刀具磨损等物理现象要的参数，切削热、刀具磨损等物理现象都与切削力有关，切削力还是设计和使用都与切削力有关，切削力还是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。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克服切削

2、层材料和工件表面层材料对弹性交形、塑性面层材料对弹性交形、塑性变形的抗力变形的抗力; ;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上述各力的总和形成作用在刀具切削部位上的合力力F F。为了便于测量和应用可将。为了便于测量和应用可将F F分解为分解为FcFc、FpFp和和FfFf三个互相垂直的分力。三个互相垂直的分力。nFcFc垂直于基面，与切削速度垂直于基面，与切削速度VcVc的方的方向一致，称为切削力向一致，称为切削力( (也称切向力、也

3、称切向力、主切削力主切削力) )。FcFc是计算切削功率和设是计算切削功率和设计机床的主要参数。计机床的主要参数。 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) )相相垂直，称为背向力垂直，称为背向力( (也称切深抗力也称切深抗力, ,径向力径向力) )。FpFp会会使机床加工系统使机床加工系统( (含机床、刀具和工件含机床、刀具和工件) )产生变形，产生变形，对加工精度的影响较大。对加工精度的影响较大。nFfFf平行于基面，并与进给方向平平行于基面，并与进给方向平行，称为进给力行，称为进给力( (也称轴向力也称轴向力) )。FfFf是设计机

4、床进给机构或校核其是设计机床进给机构或校核其强度的主要参数。强度的主要参数。n在上述三个分力中在上述三个分力中,Fc,Fc值最大；值最大；nFpFp约为约为(0.15(0.150.7) Fc0.7) Fc；nFfFf约为约为(0.1(0.10.6)Fc0.6)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

5、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0.750.750.850.85。 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，用单位切

6、削面积上的切削力称为单位切削力，用Kc(NKc(Nmm2)mm2)表示表示: :hD切削厚度切削厚度bD切削宽度切削宽度二、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。n图示为切削力测量系统。测力仪图示为切削力测量系统。

7、测力仪输出的模拟信号经输出的模拟信号经A AD D转换成数转换成数字信号后输入计算机，计算机对字信号后输入计算机，计算机对测试数据进行处理后即可求得切测试数据进行处理后即可求得切削力经验公式。在自动化生产中，削力经验公式。在自动化生产中，还可以用测力系统测得的切削力还可以用测力系统测得的切削力信号实时监控和优化切削过程。信号实时监控和优化切削过程。 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

8、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

9、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

10、，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）切削深度）切削深度a ap p和进给量和进给量f f对切削力的影响，是通过切削对切削力的影响，是通过切削面积面积A AD D的影响而达到的。的影响而达到的。当切削深度和进给量增大都会使切削当切削深度和进给量增大都会使切削面积面积A AD D增大增大(A(AD D=a=ap pf f) )，从而使变形力和摩擦力增大，切削力则随，从而使变形力和摩擦力增大，切削力则随之增大。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

11、者对切削力的影响大小不同。 在用高速钢或硬质合金刀具加工金属时，切削深度在用高速钢或硬质合金刀具加工金属时，切削深度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 a(2 ap p)=2C)=2Cap ap a ap p 进给量进给量 f f 增大，切削厚度也成正比地增大增大，切削厚度也成正比地增大(h(hD D=f=fsinKrsinKr，) )。但但h hD D增大增大时变形系数减小，摩擦系数也降低，这又会使切削力减小。上述分析可知，时变形系数减小，摩擦系数也降低，这又会使切削力减小。上述分析可知，加大进给量比加大切削深度消耗

12、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 的指数为的指数为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。 用实验方法可知切削速度对切削力的影响规律不是呈单调用实验方法可知切削速度对切削力的影响规律不是呈单调的曲线，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。 在用在用YTl5YTl5硬质合金车刀加工硬质合金车刀加工4545钢时，钢时，当当v50mv50mV50mminmin时，切削力随之时，切削力随之减小。减小。这是因为切削速度增高后，这是因为切削速度增高后，摩擦系数摩擦系数减小，剪切角减小，剪切角增大，增

13、大，变形系数减小，从而使切削力减小变形系数减小，从而使切削力减小。另一方面，切削速度另一方面，切削速度v v增高，切削温增高，切削温度也增高，使被加工金属的强度和度也增高，使被加工金属的强度和硬度降低，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 刀具几何参数中

14、对切削力影响最大的是前角刀具几何参数中对切削力影响最大的是前角o o，其次是主偏角，其次是主偏角KrKr、以及与前角有关的、以及与前角有关的负倒棱负倒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 在加工钢时，在加工钢时，前角增大，切削力减小。因为前角增大时剪切角前角增大，切削力减小。因为前角增大时剪切角随之增大，金属塑性变形减小，变形系数随之增大，金属塑性变形减小，变形系数减小，沿前刀面的摩减小，沿前刀面的摩擦力也减小，因此切削力降低。擦力也减小，因此切削力降低。 加工脆性金属加工脆性金属( (如

15、铸铁、青铜时等如铸铁、青铜时等) )时，由于切屑变形和加工时，由于切屑变形和加工硬化很小，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 主偏角主偏角KrKr对三个切削分力对三个切削分力FzFz、FyFy、FxFx的影响程度不同。的影响程度不同。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=

16、Fn cosKr； Ff=Fn sinKr； 22fpnFFF式中(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变化时，会改变合力变化时，会改变合力F F的方向，从而影响的方向，从而影响FpFp和和F Ff f分力的分力的大小。大小。 （4 4）负倒棱对切削力的影响）负倒棱对切削力的影响 前刀面上的负倒棱前刀面上的负倒棱b b11，对切削力有一定的影响，在正前角相同时，对，对切削力有一定的影响，在正前角相同时，对有负倒棱的车刀，有负倒棱的车刀，由于切削时的切屑变形比无负倒棱的大，所以切削力有由于切削时的切屑变形比无负倒棱的大，所以切削力有所提高，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) )