第3章3.2切削力

1、2022-4-9武汉理工大学机电工程学院1/46第三章第三章 切削过程及控制切削过程及控制3.1 3.1 切削变形规律切削变形规律3. 2 切削力切削力3. 3 切削热与切削温度切削热与切削温度3. 4 刀具磨损与刀具耐用度刀具磨损与刀具耐用度3. 5 磨削过程与磨削机理磨削过程与磨削机理2022-4-9武汉理工大学机电工程学院2/46一、切削力的来源及分解一、切削力的来源及分解 3.2 3.2 切削力切削力二、切削力与切削功率的计算二、切削力与切削功率的计算三、影响切削力的因素三、影响切削力的因素2022-4-9武汉理工大学机电工程学院3/46分析计算切削力的意义2022-4-9武汉理工大学

2、机电工程学院4/46被切削材料的弹性、塑性变形抗力被切削材料的弹性、塑性变形抗力 刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力刀具与切屑、工件表面之间的摩擦力1、切削力的来源切削力的来源一、切削力的来源及分解一、切削力的来源及分解直角自由切削直角自由切削切削力的来源切削力的来源 作用在前刀面的作用在前刀面的弹、塑性变形抗弹、塑性变形抗力力Fny作用在前刀面作用在前刀面的摩擦力的摩擦力Ffy合力合力Fr作用在后刀面作用在后刀面的弹、塑性变的弹、塑性变形抗力形抗力Fna作用在后刀面的作用在后刀面的摩擦力摩擦力Ffa切削力切削力 切削变形抗力切削变形抗力 + + 摩擦阻力摩擦阻力图312 切削力的来源2022-

3、4-9武汉理工大学机电工程学院7/46 将切削合力将切削合力F分解为三个互相垂直的分力分解为三个互相垂直的分力Fc 、Ff 、Fp Fc 主切削力，与切削速度方向一致主切削力，与切削速度方向一致 Ff 进给力，与进给方向平行，车外圆时称为轴向力进给力，与进给方向平行，车外圆时称为轴向力 Fp 背向力背向力(切深抗力切深抗力)，与进给方向垂直，又称径向力，与进给方向垂直，又称径向力2 2p p2 2f f2 2c cF FF FF FF F2、切削力的分解、切削力的分解切削力的分解1.主切削力：主切削力：FC在主运动方向的分力。在主运动方向的分力。FC与切削速度方向一致，又与切削速度方向一致，又

4、称切向抗力。是计算机床称切向抗力。是计算机床切削功率的主要依据。切削功率的主要依据。2.背向力：背向力：FP总切削力在切深方向总切削力在切深方向的分力。的分力。 FP在基面内，在基面内，与进给方向垂直。与进给方向垂直。3.进给抗力：进给抗力：Ff在进给方向的分力。在进给方向的分力。是计算或校核机床是计算或校核机床进给机构强度的依进给机构强度的依据。据。cosFFsinFFFFFFDpDf2p2f2c2022-4-9武汉理工大学机电工程学院9/46刀具角度对切削过程刀具角度对切削过程的影响的影响. .wmv( (点击播放点击播放) )2022-4-9武汉理工大学机电工程学院11/46（一）用指数

5、经验公式计算切削力（一）用指数经验公式计算切削力（二）用单位切削力计算切削力（二）用单位切削力计算切削力二、切削力与切削功率的计算二、切削力与切削功率的计算2022-4-9武汉理工大学机电工程学院12/46式中：式中：KFc、 KFf、 KFp为切削条件修正系数，为切削条件修正系数，xFc、 yFc、 zFc等为指等为指数，均可在切削用量数，均可在切削用量手册中查到。手册中查到。（一）用指数经验公式计算切削力（一）用指数经验公式计算切削力CFc、 CFf、 CFp ：决定于被加工材料和切削条件的系数。：决定于被加工材料和切削条件的系数。2022-4-9武汉理工大学机电工程学院13/46切削力实

6、验公式切削力实验公式 l l一传感器；一传感器；2 2一电桥电路；一电桥电路；3 3一应变仪；一应变仪；4 4一记录仪一记录仪测力系统方框示意图测力系统方框示意图电桥电路2022-4-9武汉理工大学机电工程学院15/462022-4-9武汉理工大学机电工程学院16/462022-4-9武汉理工大学机电工程学院17/462022-4-9武汉理工大学机电工程学院18/462022-4-9武汉理工大学机电工程学院19/46zzFzFzFzFnyxpFzKvfaCF yyFyFyFyFnyxpFyKvfaCF xxFxFxFxFnyxpFxKvfaCF 计算切削力的指数公式计算切削力的指数公式式中式中

7、 、 、 决定于被加工材料和切削条件的系数；决定于被加工材料和切削条件的系数；xFCzFCyFCzFxzFyzFnyFxyFyyFnxFxxFyxFn分别为三个分力公式中，分别为三个分力公式中， 、 和和 的指数；的指数；pafv2022-4-9武汉理工大学机电工程学院20/46切削力的计算切削力的计算x xy yz zF FF FF FK KK KK K 、 分别为三个分力公式中，当实际加工条件与所求得的经验分别为三个分力公式中，当实际加工条件与所求得的经验公式的条件下不符合时，各种因素对切削力的修正系数的积。公式的条件下不符合时，各种因素对切削力的修正系数的积。 ( (各指数、修正系数值可

8、查阅各指数、修正系数值可查阅“金属切削手册金属切削手册”) )2022-4-9武汉理工大学机电工程学院21/46（二）用单位切削力计算切削力（二）用单位切削力计算切削力 单位切削力 p 的定义：单位切削层截面积上主切削力的大小即：)(2mm /N wczpzczaaFfaFAFp 式中式中 为切削层截面积；为切削层截面积；cAzF主切削力；主切削力；pa背吃刀量；背吃刀量；f进给量。进给量。 KFc为切削条件修正系数为切削条件修正系数pfaKpAKFpFCFCCC2022-4-9武汉理工大学机电工程学院23/461. 切削功率切削功率 Pe Pe Pc Pf Fc v + Ff nwf 10-

9、3 Fc v （W）式中式中Fc、 Ff 为切削力、为切削力、 进给力（进给力（N N）；）； v 为切削速度为切削速度（m/s）；）； nw为工件转速为工件转速（r/s）；）； f 为进给量（为进给量（mm/r）2. 电动机功率电动机功率 Pm PmPc/m m 为机床传动效率为机床传动效率（三）计算切削功率（三）计算切削功率2022-4-9武汉理工大学机电工程学院24/46切削功率的计算切削功率的计算(kW) 60103cZvFmpz zF F 用切削力计算切削功率。各切削分力消耗功率的用切削力计算切削功率。各切削分力消耗功率的总和。通常以主运动所消耗的功来计算。总和。通常以主运动所消耗的

10、功来计算。主切削力主切削力 ( N )( N ) 切削速度切削速度 ( m / min )( m / min )cv2022-4-9武汉理工大学机电工程学院25/46切削功率)(1000kwvFPccc85. 075. 0 cEPP2022-4-9武汉理工大学机电工程学院26/46单位切削功率)/()/(313smmvfaQsmmkwQPPcpzzcs2022-4-9武汉理工大学机电工程学院27/46单位切削功率单位切削功率用单位切削功率用单位切削功率 计算切削功率。计算切削功率。单位切削功率单位切削功率 ：单位时间内切除单位体积金属所消：单位时间内切除单位体积金属所消耗的功率，即：耗的功率，

11、即：故：故：式中：切削速度式中：切削速度 的单位为的单位为 m/sm/sspsp33/(/ )10mmswpPpPKWmmsZvf310zmspFppvfK KW v2022-4-9武汉理工大学机电工程学院28/46机床电机功率的校核机床电机功率的校核切削功率必须小于等于机床电机的功率。校核公切削功率必须小于等于机床电机的功率。校核公式：式：式中：为机床电机的功率，式中：为机床电机的功率， 为机床的传动效率为机床的传动效率（ 一般取一般取 0.750.750.850.85）mmEPPEPmm2022-4-9武汉理工大学机电工程学院29/46（一）工件材料的影响（一）工件材料的影响（二）切削用量

12、的影响（二）切削用量的影响（三）刀具几何参数的影响（三）刀具几何参数的影响（四）刀具磨损的影响（四）刀具磨损的影响（五）切削液的影响（五）切削液的影响（六）刀具材料的影响（六）刀具材料的影响三、影响切削力的因素三、影响切削力的因素2022-4-9武汉理工大学机电工程学院30/46（通过系数（通过系数C CF F 或单位切削力或单位切削力k kc c体现）体现） 工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削工件材料的强度、硬度、塑性和韧性越大，切削力越大。工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈力越大。工件材料的硬度或强度愈高，材料的剪切屈服强度也愈高，发生剪切变形的抗力也愈大，故切削服强度也愈高，

13、发生剪切变形的抗力也愈大，故切削力也愈大。力也愈大。（一）工件材料的影响（一）工件材料的影响2022-4-9武汉理工大学机电工程学院31/46apAc成正比成正比， kc不变，不变， ap的的 指数约等于指数约等于1，因而，因而 切削力成正比增加。切削力成正比增加。 fAc成正比成正比，但，但 kc略略减小，减小， f 的的 指数小于指数小于1，因而，因而 切削力增加但与切削力增加但与f 不成正比。不成正比。速度速度v 对对F 的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况。的影响分为有积屑瘤和无积屑瘤两种情况。在无积屑瘤阶段，在无积屑瘤阶段， v 变形程度变形程度切削力减小。切削力减小。（二）切削用量

14、的影响（二）切削用量的影响切削速度的影响切削速度的影响试验曲线试验曲线1. 在积屑瘤增长阶段在积屑瘤增长阶段 随随v 积屑瘤高度积屑瘤高度 变形程度变形程度，F 2. 在积屑瘤消退阶段在积屑瘤消退阶段 v 变形程度变形程度，F 3. 在无积屑瘤阶段在无积屑瘤阶段 随随v ，温度升高，摩擦温度升高，摩擦 系数系数变形程度变形程度 F 计算计算F 时乘以修正系数时乘以修正系数Kv 或指数或指数zF约为约为-0.15来体现。来体现。15th2022-4-9武汉理工大学机电工程学院34/461. 1. 前角前角0 0 的影响的影响（三）刀具几何参数的影响（三）刀具几何参数的影响 加工脆性材料时，切削变

15、形很小，加工脆性材料时，切削变形很小， 0 0对对 F F 影响不影响不显著显著0 0 3030或高速切削时，或高速切削时，0 0对对 F F 影响不显著。影响不显著。O O 变形程度变形程度F F刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响前角前角刀刃锋利刀刃锋利前角前角 o o变形抗力变形抗力切削力切削力2022-4-9武汉理工大学机电工程学院37/46（1 1）r r对对F Fc c影响较小，影响较小， 影响程度不超过影响程度不超过10%10% r r在在60607575之之 间时，间时，F Fc c最小。最小。（2）r r对对F Fp p、 F Ff f影响较大影响较大 F Fp p F FD

16、 D coscosr r F Ff f F FD D sinsinr r F Fp p随随r r 增大而减小，增大而减小， F Ff f随随r r 增大而增大增大而增大2. 2. 主偏角主偏角r r的影响的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响主偏角主偏角主偏角主偏角 r rFyFxrxyykFFcos rxyxkFFsin 2022-4-9武汉理工大学机电工程学院39/46（1 1）s s对对F Fc c影响很小影响很小（2） s s对对F Fp p、 F Ff f影响较大影响较大 F Fp p随随s s增大而减小，增大而减小， F Ff f随随s s增大而增大增大而增大3. 3. 刃倾角

17、刃倾角s s的影响的影响刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响刃倾角刃倾角刃倾角刃倾角s sFyFxFz基本不变基本不变2022-4-9武汉理工大学机电工程学院41/46b b1 1 与与f f 之比增大之比增大, ,切削力随之增大。切削力随之增大。当切钢当切钢b b11/ /f f 55或或切铸铁切铸铁b b11/ /f f 33时，时，切削力趋于稳定，接切削力趋于稳定，接近于负前角的状态。近于负前角的状态。4.4.负倒棱负倒棱b b11的影响的影响2022-4-9武汉理工大学机电工程学院42/46（1 1）r r对对F Fc c影响很小影响很小（2 2）F Fp p随随 r r增大而增大增大而增大 F Ff f随随 r r增大而减小增大而减小r r增大相当于增大相当于r r减小的影响减小的影响5.5.刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r r的影响的影响2022-4-9武汉理工大学机电工程学院43/46 后刀面平均磨损带宽度后刀面平均磨损带宽度VB越越大，摩擦越强烈，切削力也越大。大，摩擦越强烈，切削力也越大。 VB对背向力对背向力Fp影响最显著影响最显著（四）刀具磨损的影响（四）刀具磨损的影响2022-4-9武汉理工大学机电工程学院44/46刀具磨损的影响刀具磨损的影响后刀面磨损后刀面磨损后刀面与加工表后刀面与加工表面的接触面积面的接触面积后刀面上的法后刀面上的法向力和摩