機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ) 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，切削力是一個(gè)非常重在切削加工中，切削力是一個(gè)非常重要的參數(shù)，切削熱、刀具磨損等物理現(xiàn)象要的參數(shù)，切削熱、刀具磨損等物理現(xiàn)象都與切削力有關(guān)，切削力還是設(shè)計(jì)和使用都與切削力有關(guān)，切削力還是設(shè)計(jì)和使用機(jī)床、刀具、夾具的重要依據(jù)。機(jī)床、刀具、夾具的重要依據(jù)。 一、切削力、切削合力與分力、切削功率一、切削力、切削合力與分力、切削功率 n1.1.切削力切削力n 切削時(shí)，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需切削時(shí)，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力稱為切削力。切削力來(lái)源于以下兩個(gè)方面：的力稱為切削力。切削力來(lái)源于以下兩個(gè)方面：n1)1)克服切削層材料和工件表克服切削

2、層材料和工件表面層材料對(duì)彈性交形、塑性面層材料對(duì)彈性交形、塑性變形的抗力變形的抗力; ;n2)2)克服刀具與切屑、刀具克服刀具與切屑、刀具 與工件表面間摩擦阻力與工件表面間摩擦阻力 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上述各力的總和形成作用在刀具切削部位上的合上述各力的總和形成作用在刀具切削部位上的合力力F F。為了便于測(cè)量和應(yīng)用可將。為了便于測(cè)量和應(yīng)用可將F F分解為分解為FcFc、FpFp和和FfFf三個(gè)互相垂直的分力。三個(gè)互相垂直的分力。nFcFc垂直于基面，與切削速度垂直于基面，與切削速度VcVc的方的方向一致，稱為切削力向一致，稱為切削力( (也稱切向力、也

3、稱切向力、主切削力主切削力) )。FcFc是計(jì)算切削功率和設(shè)是計(jì)算切削功率和設(shè)計(jì)機(jī)床的主要參數(shù)。計(jì)機(jī)床的主要參數(shù)。 nFpFp平行于基面平行于基面, ,并與進(jìn)給方向并與進(jìn)給方向( (即工件軸線方向即工件軸線方向) )相相垂直，稱為背向力垂直，稱為背向力( (也稱切深抗力也稱切深抗力, ,徑向力徑向力) )。FpFp會(huì)會(huì)使機(jī)床加工系統(tǒng)使機(jī)床加工系統(tǒng)( (含機(jī)床、刀具和工件含機(jī)床、刀具和工件) )產(chǎn)生變形，產(chǎn)生變形，對(duì)加工精度的影響較大。對(duì)加工精度的影響較大。nFfFf平行于基面，并與進(jìn)給方向平平行于基面，并與進(jìn)給方向平行，稱為進(jìn)給力行，稱為進(jìn)給力( (也稱軸向力也稱軸向力) )。FfFf是設(shè)計(jì)機(jī)

4、床進(jìn)給機(jī)構(gòu)或校核其是設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)或校核其強(qiáng)度的主要參數(shù)。強(qiáng)度的主要參數(shù)。n在上述三個(gè)分力中在上述三個(gè)分力中,Fc,Fc值最大；值最大；nFpFp約為約為(0.15(0.150.7) Fc0.7) Fc；nFfFf約為約為(0.1(0.10.6)Fc0.6)Fc。n3.3.切削功率切削功率n消耗在切削過(guò)程中的功率稱為切削功率，用消耗在切削過(guò)程中的功率稱為切削功率，用Pc(kwPc(kw) )表示。表示。因因?yàn)樵跒樵贔pFp方向位移極小，可忽略不計(jì)，所以可以近似認(rèn)為方向位移極小，可忽略不計(jì)，所以可以近似認(rèn)為FpFp不不作功，不消耗功率，切削功率為作功，不消耗功率，切削功率為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上式中括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)是上式中括號(hào)內(nèi)第二項(xiàng)是F Ff f消耗的功率，與第一項(xiàng)相比很小消耗的功率，與第一項(xiàng)相比很小( (一一般小于般小于1 1) )，可忽略不計(jì)。因此，可以認(rèn)為，可忽略不計(jì)。因此，可以認(rèn)為n根據(jù)切削功率選擇機(jī)床電動(dòng)機(jī)時(shí)，還要考慮機(jī)床的傳動(dòng)效率。根據(jù)切削功率選擇機(jī)床電動(dòng)機(jī)時(shí)，還要考慮機(jī)床的傳動(dòng)效率。機(jī)床電動(dòng)機(jī)的功率機(jī)床電動(dòng)機(jī)的功率P PE E應(yīng)為：應(yīng)為： 式中式中 m m機(jī)床傳動(dòng)效率，一般取為機(jī)床傳動(dòng)效率，一般取為0.750.750.850.85。 n4.4.單位切削力的概念單位切削力的概念 n單位切削面積上的切削力稱為單位切削力，用單位切

6、削面積上的切削力稱為單位切削力，用Kc(NKc(Nmm2)mm2)表示表示: :hD切削厚度切削厚度bD切削寬度切削寬度二、切削力的測(cè)量及切削力經(jīng)驗(yàn)公式二、切削力的測(cè)量及切削力經(jīng)驗(yàn)公式 用測(cè)力儀測(cè)出切削力，再通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，可求得用測(cè)力儀測(cè)出切削力，再通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，可求得計(jì)算切削力的計(jì)算切削力的經(jīng)驗(yàn)公式。經(jīng)驗(yàn)公式。在生產(chǎn)實(shí)際中，一般都用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)在生產(chǎn)實(shí)際中，一般都用經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)計(jì)算切削力。計(jì)算切削力。 n1.1.切削力的測(cè)量切削力的測(cè)量n目前常用的測(cè)力儀有電阻式測(cè)力儀和壓電式測(cè)力儀。目前常用的測(cè)力儀有電阻式測(cè)力儀和壓電式測(cè)力儀。n圖示為切削力測(cè)量系統(tǒng)。測(cè)力儀圖示為切削力測(cè)量系統(tǒng)。

7、測(cè)力儀輸出的模擬信號(hào)經(jīng)輸出的模擬信號(hào)經(jīng)A AD D轉(zhuǎn)換成數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)字信號(hào)后輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后即可求得切測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后即可求得切削力經(jīng)驗(yàn)公式。在自動(dòng)化生產(chǎn)中，削力經(jīng)驗(yàn)公式。在自動(dòng)化生產(chǎn)中，還可以用測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得的切削力還可以用測(cè)力系統(tǒng)測(cè)得的切削力信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化切削過(guò)程。信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)控和優(yōu)化切削過(guò)程。 2 2切削力經(jīng)驗(yàn)公式切削力經(jīng)驗(yàn)公式n生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用比較廣泛的切削力經(jīng)驗(yàn)公式為：生產(chǎn)實(shí)際中應(yīng)用比較廣泛的切削力經(jīng)驗(yàn)公式為：三、影響切削力的因素三、影響切削力的因素n1.1.工件材料的影響工件材料的影響n（1 1）被加工材料的）被加工材料的強(qiáng)度愈高，硬

8、度愈大強(qiáng)度愈高，硬度愈大，切削時(shí)產(chǎn)生的變形阻力愈，切削時(shí)產(chǎn)生的變形阻力愈大，大，切削力就大切削力就大。n（2 2）材料在加工過(guò)程中硬化系數(shù)大材料在加工過(guò)程中硬化系數(shù)大，加工硬化能力大時(shí)，即使較小，加工硬化能力大時(shí)，即使較小的變形也會(huì)引起硬度的大大提高，從而的變形也會(huì)引起硬度的大大提高，從而使切削力增大。使切削力增大。 n（3 3）材料的化學(xué)成份及其含量影響材料的物理機(jī)械性能，從而影響材料的化學(xué)成份及其含量影響材料的物理機(jī)械性能，從而影響切削力的大小。切削力的大小。如碳鋼中的含碳量愈高，其強(qiáng)度和硬度愈高；銅、鋁如碳鋼中的含碳量愈高，其強(qiáng)度和硬度愈高；銅、鋁等金屬?gòu)?qiáng)度低，塑性較大，但變形時(shí)的加工硬

9、化小，因而切削力也較等金屬?gòu)?qiáng)度低，塑性較大，但變形時(shí)的加工硬化小，因而切削力也較低。低。n （4 4）加工鑄鐵及其它脆性材料時(shí)，切削層的塑性變形小，加工硬化加工鑄鐵及其它脆性材料時(shí)，切削層的塑性變形小，加工硬化小。小。切削脆性材料時(shí)形成崩碎切屑，且集中在刀尖，切屑與前刀面的切削脆性材料時(shí)形成崩碎切屑，且集中在刀尖，切屑與前刀面的接觸面積小，摩擦力也小，因此切削力比切鋼時(shí)小。接觸面積小，摩擦力也小，因此切削力比切鋼時(shí)小。n（5 5）同一材料在不同熱處理狀態(tài)下，其金相組織不同也會(huì)影響切削同一材料在不同熱處理狀態(tài)下，其金相組織不同也會(huì)影響切削力的大小。力的大小。如鋼在正火、調(diào)質(zhì)、淬火狀態(tài)下的硬度不同

10、，因此切削時(shí)如鋼在正火、調(diào)質(zhì)、淬火狀態(tài)下的硬度不同，因此切削時(shí)的切削力也不同。的切削力也不同。 2. 2. 切削用量對(duì)切削力的影響切削用量對(duì)切削力的影響 （1 1）切削深度）切削深度a ap p和進(jìn)給量和進(jìn)給量f f對(duì)切削力的影響，是通過(guò)切削對(duì)切削力的影響，是通過(guò)切削面積面積A AD D的影響而達(dá)到的。的影響而達(dá)到的。當(dāng)切削深度和進(jìn)給量增大都會(huì)使切削當(dāng)切削深度和進(jìn)給量增大都會(huì)使切削面積面積A AD D增大增大(A(AD D=a=ap pf f) )，從而使變形力和摩擦力增大，切削力則隨，從而使變形力和摩擦力增大，切削力則隨之增大。但之增大。但a ap p和和f f兩者對(duì)切削力的影響大小不同。兩

11、者對(duì)切削力的影響大小不同。 在用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具加工金屬時(shí)，切削深度在用高速鋼或硬質(zhì)合金刀具加工金屬時(shí)，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 進(jìn)給量進(jìn)給量 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增大增大時(shí)變形系數(shù)減小，摩擦系數(shù)也降低，這又會(huì)使切削力減小。上述分析可知，時(shí)變形系數(shù)減小，摩擦系數(shù)也降低，這又會(huì)使切削力減小。上述分析可知，加大進(jìn)給量比加大切削深度消耗

12、的能量更少。加大進(jìn)給量比加大切削深度消耗的能量更少。 指數(shù)指數(shù)ap 的指數(shù)為的指數(shù)為1f 的指數(shù)小于的指數(shù)小于1（2 2）切削速度對(duì)切削力的影響。）切削速度對(duì)切削力的影響。 用實(shí)驗(yàn)方法可知切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律不是呈單調(diào)用實(shí)驗(yàn)方法可知切削速度對(duì)切削力的影響規(guī)律不是呈單調(diào)的曲線，而是隨切削速度不同而變化的。的曲線，而是隨切削速度不同而變化的。 在用在用YTl5YTl5硬質(zhì)合金車刀加工硬質(zhì)合金車刀加工4545鋼時(shí)，鋼時(shí)，當(dāng)當(dāng)v50mv50mV50mminmin時(shí)，切削力隨之時(shí)，切削力隨之減小。減小。這是因?yàn)榍邢魉俣仍龈吆螅@是因?yàn)榍邢魉俣仍龈吆螅Σ料禂?shù)摩擦系數(shù)減小，剪切角減小，剪切角增大，增

13、大，變形系數(shù)減小，從而使切削力減小變形系數(shù)減小，從而使切削力減小。另一方面，切削速度另一方面，切削速度v v增高，切削溫增高，切削溫度也增高，使被加工金屬的強(qiáng)度和度也增高，使被加工金屬的強(qiáng)度和硬度降低，也會(huì)導(dǎo)致切削力的降低。硬度降低，也會(huì)導(dǎo)致切削力的降低。 加工鑄鐵時(shí)，切削速度加工鑄鐵時(shí)，切削速度v v對(duì)切削力的影響不大。因?yàn)榧庸?duì)切削力的影響不大。因?yàn)榧庸よT鐵時(shí)鑄鐵時(shí)形成崩碎切屑，其塑性變形小，切屑對(duì)前刀面的摩擦力形成崩碎切屑，其塑性變形小，切屑對(duì)前刀面的摩擦力小，所以對(duì)切削力的影響不大。小，所以對(duì)切削力的影響不大。3.3.刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響刀具幾何參數(shù)對(duì)切削力的影響 刀具幾何參數(shù)中

14、對(duì)切削力影響最大的是前角刀具幾何參數(shù)中對(duì)切削力影響最大的是前角o o，其次是主偏角，其次是主偏角KrKr、以及與前角有關(guān)的、以及與前角有關(guān)的負(fù)倒棱負(fù)倒棱和與主偏角有關(guān)的刀尖圓弧半徑和與主偏角有關(guān)的刀尖圓弧半徑r r，和刃傾角，和刃傾角s s。 （1 1）前角對(duì)切削力的影響）前角對(duì)切削力的影響 在加工鋼時(shí)，在加工鋼時(shí)，前角增大，切削力減小。因?yàn)榍敖窃龃髸r(shí)剪切角前角增大，切削力減小。因?yàn)榍敖窃龃髸r(shí)剪切角隨之增大，金屬塑性變形減小，變形系數(shù)隨之增大，金屬塑性變形減小，變形系數(shù)減小，沿前刀面的摩減小，沿前刀面的摩擦力也減小，因此切削力降低。擦力也減小，因此切削力降低。 加工脆性金屬加工脆性金屬( (如

15、鑄鐵、青銅時(shí)等如鑄鐵、青銅時(shí)等) )時(shí)，由于切屑變形和加工時(shí)，由于切屑變形和加工硬化很小，所以前角對(duì)切削力的影響不顯著。硬化很小，所以前角對(duì)切削力的影響不顯著。（2 2）主偏角）主偏角KrKr對(duì)切削力的影響對(duì)切削力的影響 主偏角主偏角KrKr對(duì)三個(gè)切削分力對(duì)三個(gè)切削分力FzFz、FyFy、FxFx的影響程度不同。的影響程度不同。從實(shí)驗(yàn)曲線圖中看出：從實(shí)驗(yàn)曲線圖中看出： a. a.主偏角增大對(duì)主偏角增大對(duì)FcFc的影響一般不超過(guò)的影響一般不超過(guò)1010。 隨主偏角的改變，切削厚度與切削刃曲線部分長(zhǎng)度的變化b.b.主偏角主偏角KrKr的變化對(duì)的變化對(duì)F Fp p和和F Ff f的影響的影響 Fp=

16、Fn cosKr； Ff=Fn sinKr； 22fpnFFF式中(3)(3)刃傾角刃傾角ss對(duì)切削力的影響對(duì)切削力的影響 當(dāng)當(dāng)ss變化時(shí)，會(huì)改變合力變化時(shí)，會(huì)改變合力F F的方向，從而影響的方向，從而影響FpFp和和F Ff f分力的分力的大小。大小。 （4 4）負(fù)倒棱對(duì)切削力的影響）負(fù)倒棱對(duì)切削力的影響 前刀面上的負(fù)倒棱前刀面上的負(fù)倒棱b b11，對(duì)切削力有一定的影響，在正前角相同時(shí)，對(duì)，對(duì)切削力有一定的影響，在正前角相同時(shí)，對(duì)有負(fù)倒棱的車刀，有負(fù)倒棱的車刀，由于切削時(shí)的切屑變形比無(wú)負(fù)倒棱的大，所以切削力有由于切削時(shí)的切屑變形比無(wú)負(fù)倒棱的大，所以切削力有所提高，所提高，無(wú)論加工鋼或鑄鐵都是這樣。無(wú)論加工鋼或鑄鐵都是這樣。（5 5） 刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑r r對(duì)切削力的影響對(duì)切削力的影響 r r增大相當(dāng)于是增大相當(dāng)于是KrKr減小時(shí)減小時(shí)對(duì)切削力的影響。對(duì)切削力的影響。n4.4.刀具磨損刀具磨損n后刀面磨損增大時(shí)，后刀向上的法向力和后刀面磨損增大時(shí)，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使用以冷卻作用為主的切削液使用以冷卻作用為主的切削液( (如水溶液如水溶液) )