切削力

一、切削力的来源，切削协力及其分解

(一）切削力的来源

研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定公道的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切进工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：

1．克服被加工材料对弹性变形的抗力；
2．克服被加工材料对塑性变形的抗力；
3．克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。



（二）切削协力及其分解

它们的协力Fr作用在前刀面上近切削刃处。为了便于分析切削力的作用和丈量、计算切削力的大小，通常将协力Fr，在按主运动速度方向、切深方向和进给方向作的空间直角坐标轴z、y、x上分解成三个为相互垂直的Fz、Fy和Fx三个分力。



1、主切削力Fz（切向力）：主运动切削速度方向的分力。

Fz是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。

2、切深抗力Fy（径向力）：切深方向的分力。

Fy不消耗功率，但在机床一工件一夹具一刀具所组成的工艺系统刚性不足对，是造成振动的丰要因素。








3、进给抗力Fx（轴向力）：进给方向的分力。

Fx消耗了总功率5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。

注：在铣削平面对，上述分力亦称为：Fr——切向力、Fy——径向力、Fx——轴向力。




二、切削力的测定和切削力的经验公式

生产、实验中经常碰到切削力的计算。目前切削力的理论计算公式只能供定性分析用。由于切削力Fz计算公式是在忽略了温度、正应力、第Ⅲ变形区变形与摩擦力等条件下推导出来的，故不能用于计算。而求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪直接测出或通过实验后整理成的实验公式求得。

1、用测力仪丈量切削力

测力仪的丈量原理是利用切削力作用在测力仪的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出Fz、Fx、Fy的值。在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程。
按测力仪的工作原理可以分为机械、液压和电气测力仪。目前常用的是电阻应变片式测力仪。



如图所示，电阻应变片式测力仪由传感器1、电桥电路2、应变仪(放大器)3和记录仪4组成。传感器是一个在弹性体上粘贴着电阻应变片的转换元件，通过它使切削力

的变化转换成电量的变化。将电阻应变片连接成电桥电路，当应变片的电阻值变化时，则电桥不平衡，产生了电流或电压讯号输出，该讯号经应变仪放大，并由计录仪显示出来。
通过标定就能作出电量与切削力之间的关系图表。在测力时根据记录的电量，可以从标定图表上查出对应的切削力数值。







2、切削力的经验公式



目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。

测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法。即固定其它实验条件，在切削时分别改变背吃刀量ap和进给量f，并从测力仪上读出对应切削力数值，然后经过数据整理求出它们之间的函数关系式。
通过切削力实验建立的车削力实验公式，其一般形式为：



留意：切削力实验公式是在特定的实验条件下求出来的。在计算切削力时，假如切削条件与实验条件不符，需乘一个修正系数KF，它是包括了很多因素的修正系数乘积。修正系数也是用实验方法求出。

三、单位切削力、切削功率和单位切削功率

1、单位切削力p：是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。可用下式表示：



上式表明，单位切削力p与进给量f有关，它随着进给量f增大而减小。单位切削力p不受背吃刀量ap的影响。

单位切削力p可查手册，利用单位切削力P来计算主切削力Fz较为简易直观。

2、切削功率Pm：消耗在切削过程中的功率称为切削功率Pm(国标为Po)。

切削功率为力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向没有位移，所以不消耗功率。于是
Pm=(FzVc+Fxnwf/1000)×10-3
其中：Pm—切削功率（KW）；
Fz—切削力（N）；
Vc—切削速度（m/s）；
Fx—进给力（N）；
nw—工件转速（r/s）；
f—进给量（mm/s）。

式中等号右侧的第二项是消耗在进给运动中的功率，它占总功率5%左右，可以略往不计，于是

Pm=FzVc×10-3
按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。
PE≥ Pm/ηm
式中 ：ηm—机床的传动效率，一般取为0.75～0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。

3、单位切削功率Ps

单位切削功率Ps是指单位时间内切除单位体积金属Zw所消耗的功率。



四、切削力的变化规律

实践证实，切削力的影响因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、刀具材料刀具磨损状态和切削液等。

1、工件材料

（1）硬度

或强度进步，剪切屈服强度τs增大，切削力增大。
（2）塑性或韧性进步，切屑不易折断，切屑与前刀面摩擦增大，切削力增大。

2、切削用量

（1）背吃刀量（切削深度）ap、进给量增大，切削层面积增大，变形抗力和摩擦力增大，切削力增大。

由于背吃刀量ap对切削力的影响比进给量对切削力的影响大( 通常XFz=1,YFz=0.75-0.9），所以在实践中，当需切除一定量的金属层时，为了进步生产率，采用大进给切削比大切深切削较省力又省功率。





（2）切削速度vc (图2.20）

1）加工塑性金属时，切削速度Vc对切削力的影响规律如同对切削变形影响一样，它们都是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的。（以车削45钢为例，见下图）




2）切削脆性金属时，由于变形和摩擦均较小，故切削速度Vc改变时切削力变化不大。

3、刀具几何角度

（1）前角：前角增大，变形减小，切削力减小。
（2）主偏角：主偏角Kr在30°-60°范围内增大，由切削厚度hD的影响起主要作用，使主切削力Fz减小；主偏角Kr在60°-90°范围内增大，刀尖处圆弧和副前角的影响更为突出，故主切削力Fz增大。
一般地，Kr=60°-75°,所以主偏角Kr增大，主切削力Fz增大。(图2.22）
Kr增大，使Fy减小、Fx增大。



实践应用，在车削轴类零件，尤其是细长轴，为了减小切深抗力Fy的作用，往往采用较大的主偏角κr>600的车刀切削。
(3)刃倾角λs：λs对Fz影响较小，但对Fx、Fy影响较大。 λs 由正向负转变，则Fx减小、Fy增大。

实践应用，从切削力观点分析，切削时不宜选用过大的负刃倾角λs。特别是在工艺系统刚度较差的情况下，往往因负刃倾角λs增大了切深抗力Fy的作用而产生振动。

4、其它因素

（1）刀具棱面：应选较小宽度,使Fy减小。
（2）刀具圆弧半径：增大，切削变形、摩擦增大，切削力增大。
（3）刀具磨损：后刀面磨损增大，刀具变钝，与工件挤压、摩擦增大，切削力增大。