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1、12.5 切削力（符号没统一） 切削力及研究切削力的意义切削力:金属切削时，刀具使加工材料变形成为切屑所需的力切削力对切削过程有着多方面的重要影响：它直接影响切削时消耗的功率和产生的热量，并引进工艺系统的变形和振动。切削力过大时，还会造成刀具、夹具或机床的损坏。切削过程中消耗功所转化成的切削热则会使刀具磨损加快，工艺系统产生热变形并恶化已加工表面质量。所以，掌握切削力的变化规律，计算切削力的数值，不仅是设计机床、刀具、夹具的重要依据，而且对分析、解决切削加工生产中的实际问题有重要的指导意义。2一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率一、切削力的来源、切削合力及分力、切削功率1. 切削力的来源

2、切削力的来源切削力来自于金属切削过程中克服被加工材料的弹、塑性变形抗力和摩擦阻力（图3-18） 。2.5 切削力 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力3刀具（或工件）是上作用的切削力的总合力F称为切削合力，由于切削合力的大小和方向是随切削条件而变化的一个空间力，不便于计算与测量，在研究和分析实际问题难以直接应用，为适应解决问题的需要，又便于测量与计算，常将Fr分解为某几个方向上的分力，称为切削分力。车削中常将Fr分解为以下三个分力。2.2.切削力的分解切削力的分解42.2.切削力的分解切削力的分解 通常将合力Fr分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fc 、进给力 Ff 、背

3、向力 Fp 。主切削力主切削力F Fz z( (F Fc c) )（或称切向力，用Fz表示）总切削力在主运动方向的分力，是计算机床切削功率、选配机床电机、校核机床主轴、设计机床部件及计算刀具强度等必不可少的参数。切深抗力切深抗力Fy（Fp）进给抗力进给抗力Fx (Ff)或称径向力、吃刀力，用Fy表示 总切削力在垂直于工作平面方向的分力，是进行加工精度分析、计算工艺系统刚度以及分析工艺系统振动时，所必须的参数。或称轴向力、进给力，用Fx表示总切削力在进给方向的分力，是设计、校核机床进给机构，计算机床进给功率不可缺少的参数561FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAaf

4、af修改 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1）式中 Fc 主切削力（N）； v 主运动速度（m/s）。 （3-8）310()ccPFvKW切削过程中消耗的总功率为各分力所消耗功率的总和，称为切削功率，用Pm表示。车削中， Fy方向没有位移，故切深抗力Fy不消耗功率，Fx远小于Fz，故计算切削功率时常忽略Fx所消耗的功率，故有 3切削功率切削功率7式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 （3-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（3-9）指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率82.5.3 切削力的理论公式 虽然从公式上看，Fc可以计算出来，

5、但准确性很差。这是由于影响切削力的各项因素难以正确找到，只好作很多假设。为了准确计算切削力就必须依靠实验测定方法，但切削力的理论公式也十分有用，它能够揭示影响切削力诸因素之间的内在联系，有助于分析问题。91切削力经验公式的建立FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK104. 切削力的测量与计算在研究切削力变化规律和解决切削加工生产中的实际问题时，有时需要知道在一定切削条件下的切削力数值，对此，可有三种解决方法。a.用测力仪进行测量。b.用经验公式计算。c.用切削力理论公式估算。（1）切削力测量为获得在某特定切削条件下切削力的数值，可

6、用一种专门用于测量切削力的装置测力仪进行测量。测力仪的种类很多，按工作原理的不同，可分为机械式、电阻式、电感式、压电式等，目前使用较为普遍的是电阻应变式测力仪。压电式测力精度高，但价格昂贵，应用也在不断增加。下面介绍电阻应变式测力仪的工作原理及其测力方法。电阻应变式测力仪由传感器、电桥电路、应变仪和记录仪组成。传感器是一个可将切削力的变化转换为电量变化的弹性元件，其结构有多种形式，目前使用较多的是八角环式，其结构形状如图1-43所示。中部八角环形部分为弹性元件，分为上环和下环，前端有安装车刀用的方孔，后部的圆孔用于在车床刀架上安装紧固。利用这种传感器可同时测量Fz、Fy和Fx，也可单测某一分力

7、。测量时，要在弹性元件部分的适当部位粘贴若干片电阻值可随弹性元件变形而变化的电阻应变片（图1-44），并把它们联入电桥电路，以便于将电阻值的变化转换成可读的电信号（电流或电压）后输出。11 测力时，当紧固在传感器刀孔内的车刀受到切削力作用时，应变片中电阻丝的直径和长度将随弹性元件的变形而发生变化，因而其阻值将发生微小变化，受拉伸时阻值增大，受压缩时阻值减小，其变化量随变形量的大小而变化。为便于测量，通常采用电桥电路将其转化 为电压（或电流）信号，再由应变仪放大后，由记录仪输出。在传感器元件允许的范围内，输出电信号与切削力的大小成正比，通过标定可得到切削力与电信号之间的关系曲线（标定曲线），进行

8、实际切削时，通过测量得到的电信号便可在曲线上找到其对应的切削力数值。12图 1-44 电阻应变片13图 1-43 电阻应变片14 （2）车削力经验公式及切削分力计算 1）经验公式及建立方法简介 切削力经验公式是在通过切削实验取得大量数据的基础上，经适当的数据处理后得到的关于切削力与可变因素（切削条件）之间的定量关系式。由于建立这种关系的依据是经验数据，故称为经验公式。目前，在计算一定切削条件下的切削力数值时，多采用经验公式。 建立经验公式时，为便于进行数据处理并保证经验公式的可靠性，通常多采用单因素实验法或正交实验法，而在处理数据时采用图解法或线性回归法。 下面将单因素实验法建立车削力经验公式

9、的主要过程作一简要介绍。 在影响车削力的因素中，影响最大，也最直接的是切削深度ap和进给量f。其他因素则主要通过对切屑变形和摩擦的影响而影响切削力。因此，目前，普遍使用的车削力经验公式的基本形式均采用各切削分力与ap、f之关系的形式，对其他因素的影响，再通过修正系数加以考虑。15 建立Fc与ap、f之关系的主要步骤如下： 首先建立Fz与ap、f之单元关系。为此，实验时，固定ap以外的所有其他切削条件，选取若干个ap进行切削实验，用测力仪量取不同ap时的切削力Fz，得到若干组Fc与ap的对应数据，经数据处理，得到Fz与ap之间的单元关系式。然后，用同样方法Fc与f的单元定量关系式。最后，将两单元

10、关系式加以综合，便可得到Fz与ap、f之间的多元定量关系式。 2）车削力经验公式及切削分力计算 车削力经验公式有两种形式，一种是指数形式，一种是单位切削力形式。指数形式的车削力经验公式如下：1617表1-7 主切削力经验公式中的系数、指数值（车外圆）184. 切削力理论公式19三、影响切削力的因素三、影响切削力的因素1. 工件材料工件材料影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性。材料的强度、硬度越高，则屈服强度越高，切削力越大。在强度、硬度相近的情况下，材料的塑性、韧性越大，则刀具前面上的平均摩擦系数越大，切削力也就越大。2. 切削用量切削用量进给量f和背吃刀量ap 进给量f和背吃刀量a

11、p增加，使切削力Fc增加，但影响程度不同。进给量f 增大时，切削力有所增加；而背吃刀量ap增大时，切削刃上的切削负荷也随之增大，即切削变形抗力和刀具前面上的摩擦力均成正比的增加。2021前角的影响: o 切削变形切削力。（塑性材料）负倒棱的影响：（图321）负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值切削变形程度切削力；主偏角的影响：（图322） Fy=FxycosKr Fx=FxySinKr Kr Fy , Fx 刃倾角的影响：（图323） s Fy , Fx ,Fz基本不变刀尖圆弧半径r 切削刃圆弧部分的长度切削变形切削力。此外

12、r增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值减小，从而使Fp增大、Ff 减小。3. 刀具几何参数刀具几何参数22图321 负倒棱对切削力的影响23图322 主偏角不同时Fxy力的分解 （a）Kr小 （b） Kr大24kr1Krkr2FpFf25图323 刃倾角对切削力的影响264. 刀具磨损刀具磨损5. 切削液切削液6. 刀具材料刀具材料 刀具材料与被加工材料间的摩擦系数，影响到摩擦力的变化，直接影响着切削力的变化。2728rFcFFpFf pFfFf pFf pfvFr 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 切屑、工件与刀具间摩擦力切削力与切削功率1.

13、切削力29FFccccFFppppFFffffxycFpFxypFpFxyfFpFFCafKFCafKFCafK式中 CFc , CFp , CFf 与工件、刀具材料有关系数； xFc , xFp , xFf 切削深度ap 对切削力影响指数； yFc , yFp , yFf 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf 考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。切削力与切削功率1. 切削力301FFFccccccFcxyxFpFFpcyDppCafKCaFpAafaf（3-7） 切除单位切削层面积的主切削力（令修正系数KFc =1）式中 Fc 主切削力（N）；

14、 v 主运动速度（m/s）。 （3-8）310()ccPFvKW切削力与切削功率2. 切削功率31式中 机床传动效率，通常= 0.750.85 （3-10）63010(/)ccPppKWsmmV()cEPPKW（3-9）指单位时间切除单位体积 V0 材料所消耗的功率切削力与切削功率2. 切削功率32切削深度与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度对切削力影响复杂（图3-16） 强度高加工硬化倾向大切削力大5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）图3-16 切削速度对切削力的影响切削力与切削功率3. 影响

15、切削力的因素33 前角0 增大，切削力减小（图3-17） 主偏角r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff，图3-18）图3-17 前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff图3-18 主偏角r对切削力的影响主偏角r / 切削力/ N3045607590r - Fcr Ffr Fp2006001000140018002200切削力与切削功率3. 影响切削力的因素34 与主偏角相似，刃倾角s对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ s Fp，Ff） 刀尖圆弧半径 r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff） ；

16、 刀具材料：与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，而影响切削力 ； 切削液：有润滑作用，使切削力降低 ； 后刀面磨损：使切削力增大，对吃刀抗力Fp的影响最为显著 ；切削力与切削功率3. 影响切削力的因素3536373-2 切削力切削力 一、切削力的来源一、切削力的来源切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑切削力的来源有两方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力。擦阻力。 3839二、切削力的分解二、切削力的分解222cfpFFFF40三、切

17、削力的实验指数公式三、切削力的实验指数公式 9.819.819.81FFFcccccFFFpppppFFFfffffxyncFpcFxynpFpcFxynfFpcFFC afvKFC afvKFC afvK必须注意，如实际切削条件与试验中切削条件有差异时，则应在上式后面乘以相应的修正系数41四、单位切削力、切削功率四、单位切削力、切削功率 单位切削力单位切削力指的是单位切削面积上的主切削力。 切削功率切削功率是各切削分力消耗功率的总和。 PcFcVc10-3 (kW) 机床电动机的功率机床电动机的功率P PE E：根据切削功率选择机床电动机，还要考虑机床的传动效率。 ccDFkAccDcpFk

18、 Ak afcEPP42五、五、影响切削力的因素影响切削力的因素 工件材料工件材料： 被加工工件材料的强度、硬度越高，切削被加工工件材料的强度、硬度越高，切削力增大。强度相近的材料，如其塑性（伸长率）较大，力增大。强度相近的材料，如其塑性（伸长率）较大，切削力增大。切削脆性材料时，其切削力一般低于塑切削力增大。切削脆性材料时，其切削力一般低于塑性材料。性材料。 切削深度切削深度a ap p或进给量或进给量f f加大，均使切削力增大，但两者加大，均使切削力增大，但两者的影响程度不同。的影响程度不同。 切削速度切削速度 加工塑性金属时，在中速和高速下，切削加工塑性金属时，在中速和高速下，切削力一般

19、随着切削速度的增大而减小。力一般随着切削速度的增大而减小。43刀具几何参数刀具几何参数1前角前角。： 前角加大，被切金属的切削力显著下降。前角加大，被切金属的切削力显著下降。2负倒棱负倒棱 ：在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刀具使用寿命但将在锋利的切削刃上磨出适当宽度的负倒棱，可以提高刀具使用寿命但将使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。使被切金属的变形加大，使切削力有所增加。3. 3. 主偏角主偏角 (1)(1)当当k kr r加大时，加大时，F Fp p减小，减小，F Ff f加大。加大。 (2)(2)当加工塑性金属时，随当加工塑性金属时，随k kr r加大，加大，F Fc c减小；约在减小；约在k kr r6060750750之间，之间，F Fc c减到最小；然后减到最小；然后随随k kr r继续加大，继续加大，F Fc c又有所增大。又有所增大。F Fc c的变动范围不大，无论减小或增大，都在的变动范围不大，无论减小或增大，都在10%10%以内。以内。 （3 3）k kr r加大时，加大时，F Fp p/F/Fc c减小，减小，F Ff f/F/Fc c加大。加大。 4刃倾角刃倾角 ：刃倾角变化时刃倾角变化时 ，将改变合力，将改变合力F的方向，因而影响各分力的大小。刃倾角的方向，