§ 2.4 切削力与切削功率

1、 分析和计算分析和计算切削力切削力，是计算，是计算功率消耗功率消耗，进行，进行机床机床、刀具刀具、夹具夹具设计设计，制定，制定合理合理的的切削用量切削用量，优化刀具参数优化刀具参数的重要的重要依据依据。在自动化生。在自动化生产中，还可通过切削力来产中，还可通过切削力来监控切削过程监控切削过程和和刀具工作状态刀具工作状态，如刀具折断、，如刀具折断、磨损、破损等。磨损、破损等。切削力和切削功率的切削力和切削功率的概念（重点）概念（重点）切削力的测量切削力的测量切削力的经验公式和切削力切削力的经验公式和切削力估算估算（重点（重点）本节内容：本节内容：影响切削力的因素（影响切削力的因素（重点重点）2.

2、4.12.4.1切削力和切削功率的概念切削力和切削功率的概念l 切削力切削力n 定义定义 金属金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切屑所需的力，称为切削力。称为切削力。n 来源来源p 克服被加工材料弹性变形的抗力；克服被加工材料弹性变形的抗力；p 克服被加工材料塑性变形的抗力；克服被加工材料塑性变形的抗力；p 克服切屑与前面的摩擦力和刀具克服切屑与前面的摩擦力和刀具后面与过渡表面和已加工表面之后面与过渡表面和已加工表面之间的摩擦力。间的摩擦力。n 切削合力及其分解切削合力及其分解 作用在刀具上作用在刀具上的合力的合力

3、Fr（国标为（国标为F）可分解成三个相互垂直的）可分解成三个相互垂直的Fx（国标称国标称为为Ff）、）、Fy（国标称为国标称为Fp）和）和Fz（国标称为国标称为Fc）三个分力。）三个分力。rFcFFpFf pFfFf pFf pfv切削切削力的分解力的分解F 切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff进给抗力22222yxzNzrFFFFFF1） Fz（Fc ）主切削力主切削力（切向力），方向与过渡表面相切并与基面垂直。是（切向力），方向与过渡表面相切并与基面垂直。是计算车刀强度、设计机床主轴系统、确定机床功率所必需的计算车刀强度、设计机床主轴系统、确定机床功率所必需的。在车削时：在车削时：2）Fx

4、（Ff ）进给力进给力（轴向力），处于基面内与工件轴向平行并与进给方向（轴向力），处于基面内与工件轴向平行并与进给方向相反。是设计进给机构，计算车刀进给功率所必需的相反。是设计进给机构，计算车刀进给功率所必需的。2）3）Fy（Fp ）切深抗力切深抗力（背向力，径向力或吃刀力），处于基面内与工件（背向力，径向力或吃刀力），处于基面内与工件轴向垂直。是计算工件挠度、机床零件和车刀强度的依据。工件在切削过程中产轴向垂直。是计算工件挠度、机床零件和车刀强度的依据。工件在切削过程中产生的振动往往与它相关。生的振动往往与它相关。切削切削合力合力： 随随车刀材料车刀材料、车刀几何参数车刀几何参数、切削用量切

5、削用量、工件材料工件材料和和车刀磨损情况车刀磨损情况的不同，的不同，三个分力三个分力之间的比例之间的比例可在可在较大范围内变化较大范围内变化。l 切削功率切削功率 消耗消耗在切削过程中的在切削过程中的功率称为功率称为Pm（ Pc ）。）。3wxczc101000fnFvFP式中，式中，Fz主切削力（主切削力（N）；）；vc切削速度（切削速度（m/s）；）；Fx进给力（进给力（N）；）；nw工件转速（工件转速（r/s）；）；f进给量（进给量（mm/s）。）。上式等号右侧第二项，是消耗在进给运动中的功率，它相对于上式等号右侧第二项，是消耗在进给运动中的功率，它相对于Fz所消耗的功所消耗的功率很小，

6、一般为率很小，一般为12%，因此可忽略不计，所以，因此可忽略不计，所以 ， 计算计算Pc是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选是用于核算加工成本和计算能量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床的主电动机功率择机床的主电动机功率PE。考虑到机床的传动效率。考虑到机床的传动效率（一般取值（一般取值0.750.85） 它它为为Fz和和Fz所消耗的功率之和（所消耗的功率之和（Fy方向没有位移，所以不消耗功率）。方向没有位移，所以不消耗功率）。3czc10vFPPPcE2.4.2 2.4.2 切削力切削力的测量的测量对于在某种对于在某种具体的切削具体的切削条件下，条件下，切削力究竟有多

7、大？切削力究竟有多大？实际的金属切削过程实际的金属切削过程非常复杂、影响因素很多非常复杂、影响因素很多一些假设一些假设现有理论现有理论公式公式（用于定性分析）（用于定性分析） 存在缺点存在缺点 计算与实计算与实验不能很验不能很好吻合好吻合所以，实际中，切削力的大小一般用由实验结果建立起来的所以，实际中，切削力的大小一般用由实验结果建立起来的经验公式经验公式来计算。来计算。若需要较准确的知道某种切削条件下的切削力，就要进行实际测量。若需要较准确的知道某种切削条件下的切削力，就要进行实际测量。测量手段：测量手段： 测定机床功率，计算切削力。测定机床功率，计算切削力。功率表测功率表测P PE E,

8、,然后算出然后算出PcPc。只是。只是粗略估算，不够精确。粗略估算，不够精确。 用测力仪测量切削力。用测力仪测量切削力。2.4.32.4.3切削力的经验公式和切削力估算切削力的经验公式和切削力估算切削力切削力实验实验数据数据大量积累！大量积累！经验公式经验公式 车削车削 孔加工孔加工 铣削铣削 指数公式指数公式 按单位切按单位切削力进行削力进行计算的公计算的公式式数学数学分析分析计算计算机处机处理理l 指数公式指数公式n 计算计算切削力的指数公式切削力的指数公式yyFyFyFyxxFxFxFxzzFzFzFzFnyxyFyFnyxpFxFnyxpFzKvfaCFKvfaCFKvfaCFyxzF

9、FFxxx、背吃刀量（切削深度）的指数背吃刀量（切削深度）的指数与工件、刀具材料及切削条件有关与工件、刀具材料及切削条件有关yxzFFFCCC、yxzFFFyyy、进给量的指数进给量的指数yxzFFFnnn、切削速度的指数切削速度的指数yxzFFFKKK、实际加工条件与公式要求不符时各种因素对切实际加工条件与公式要求不符时各种因素对切削分力的修正系数之积削分力的修正系数之积查切查切削用削用量手量手册册车削力公式中的系数和指数车削力公式中的系数和指数n 切削力计算举例：切削力计算举例：GPa637. 0bmm4pa0s10045rm/s7 . 1cvmm/r4 . 0f 用YT15硬质合金车刀外

10、圆纵车加工 的结构钢，车刀几何参数为： 、 、 。切削用量为： 、 、 。查前表，由于所给条件与公式要求的相同，因此1fpcFFFKKK切削功率：kW5 . 4107 . 126633cccvFP其余系数、指数如下：N114817 . 14 . 04561N98017 . 14 . 04572N266317 . 14 . 0414334 . 06 . 00 . 13 . 06 . 09 . 015. 075. 00 . 1ffFfFfFfppFpFpFpccFcFcFcFncyxpFfFncyxpFpFncyxpFcKvfaCFKvfaCFKvfaCFn 按单位切削力计算切削力和按单位切削力计

11、算切削力和切削功率切削功率 单位切削力单位切削力kc是指单位切削面积上的切削力：是指单位切削面积上的切削力：wczpzczcaaFfaFAFk式中：式中：kc单位切削力（单位切削力（N/mm2）Ac切削面积（切削面积（mm2）ap背吃刀量（背吃刀量（mm）f进给量（进给量（mm/r）ac切削厚度（切削厚度（mm）aw切削宽度（切削宽度（mm）若单位切削力已知，则可由上式求出切削力若单位切削力已知，则可由上式求出切削力Fz。 单位切削功率：单位切削功率：单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率称为单位切削功率单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率称为单位切削功率PskW/(mm3s-1)。zc

12、sQPP 式中式中：Qz单位时间内的金属切削量（单位时间内的金属切削量（mm3/s）faQpz1000 Qs切削功率（切削功率（kW）331010fvakvFPpczs由上述三个公式，得由上述三个公式，得6310100010cppcskfafvakP通过实验求得通过实验求得kc后，即可由上述公式求出后，即可由上述公式求出Ps。2.4.4 2.4.4 影响切削力的因素影响切削力的因素凡影响切削过程变形和摩擦的因素均影响切削力：凡影响切削过程变形和摩擦的因素均影响切削力： 切削用量切削用量 工件材料工件材料 刀具几何参数刀具几何参数 其他因素其他因素l 切削用量切削用量n 背吃刀背吃刀量量ap与进

13、给量与进给量fyyFyFyFyxxFxFxFxzzFzFzFzFnyxyFyFnyxpFxFnyxpFzKvfaCFKvfaCFKvfaCFf不变，不变， apAc成正比成正比， ap的的 指数约等于指数约等于1，因而切削力因而切削力成正比成正比增加增加;ap不变不变，fAc成正比成正比， f 的的 指数小于指数小于1，因而切削力因而切削力增加但与增加但与f 不不成正比。成正比。 如果如果从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。从切削力和切削功率来考虑，加大进给量比加大切削深度有利。 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 在在积

14、屑瘤减小阶段积屑瘤减小阶段 v 变形程度变形程度，F 在在无积屑瘤阶段无积屑瘤阶段 随随v ， F , v中速后，温度升高，中速后，温度升高，摩擦系数摩擦系数变形程度变形程度 F n 切削切削速度速度vc c 速度速度v 对对F 的影响在无积屑的影响在无积屑瘤阶段瘤阶段 v 变形程度变形程度切削力减小切削力减小加工脆性金属时，因变形和摩擦均较小，加工脆性金属时，因变形和摩擦均较小，故切削速度故切削速度对切削力对切削力影响不大。影响不大。l 工件材料工件材料 工件工件材料是通过材料的材料是通过材料的剪切屈服强度剪切屈服强度s、塑性变形程度与刀具间的摩擦等条、塑性变形程度与刀具间的摩擦等条件影响切

15、削力的。件影响切削力的。n 工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形减小，但由于剪切屈服强度工件材料的硬度和强度越高，虽然切削变形减小，但由于剪切屈服强度s越越高，产生的切削力越大。如与高，产生的切削力越大。如与4545钢比较，加工钢比较，加工6060钢的切削力钢的切削力FcFc增大了增大了4%4%，加，加工工3535钢的切削力钢的切削力FcFc减小了减小了13%13%。n 工件材料的塑性和韧性越高，切削变形越大，切屑与刀具间的摩擦增加，故工件材料的塑性和韧性越高，切削变形越大，切屑与刀具间的摩擦增加，故切削力越大。如，不锈钢切削力越大。如，不锈钢1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti的延伸率

16、是的延伸率是4545钢的钢的4 4倍，所以切削时变倍，所以切削时变形大，切屑不易折断，加工硬化严重，产生的切削力形大，切屑不易折断，加工硬化严重，产生的切削力FcFc较加工较加工4545钢大钢大25%25%。n 切削铸铁的变形小、摩擦小，故产生的切削力小。如，灰铸铁切削铸铁的变形小、摩擦小，故产生的切削力小。如，灰铸铁HT200HT200与与4545钢钢的硬度较接近，但在切削灰铸铁时切削力的硬度较接近，但在切削灰铸铁时切削力FcFc减小减小40%40%。n 热处理对切削力的影响是通过改变材料的硬度来施加的。热处理对切削力的影响是通过改变材料的硬度来施加的。l 刀具几何参数影响刀具几何参数影响n

17、 前角前角0 加工塑性材料时，加工塑性材料时，0 变形程度变形程度F 加工脆性材料时，切削变形很小，加工脆性材料时，切削变形很小， 0对对 F 影响不影响不显著。显著。n 刃倾角刃倾角s 刃刃倾角的变化对倾角的变化对Fc影响不大；影响不大； 刃刃倾角的变化对倾角的变化对Fp、 Ff影响较大；影响较大；Fp随随s增大而减小，增大而减小，Ff随随s增大而增大。增大而增大。当刃倾角由正值向负值变化时，背向力当刃倾角由正值向负值变化时，背向力FP逐渐增大，逐渐增大，因此工件弯曲变形增大，机床振动也增大。因此工件弯曲变形增大，机床振动也增大。n 主偏角主偏角 主偏角主偏角r 对主切削力影响对主切削力影响

18、不大不大 对对吃刀抗力和进给抗力影响显著（吃刀抗力和进给抗力影响显著（ r Fp，Ff）Fp FD cosr Ff FD sinr主偏角主偏角r改变了改变了Fp、 Ff的分配的分配比例。比例。 由于主由于主偏角偏角r=6075能减小切削力能减小切削力Fp、 Ff，因此，生产中，因此，生产中主偏角主偏角r=75车刀被广车刀被广泛使用。泛使用。 n 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径r （1）r对对Fc影响很小影响很小 （2）Fp随随 r增大而增大而增大，增大， Ff随随 r增增大而减小大而减小r增大增大相当于相当于r减小的影响减小的影响l 其他因素其他因素n 刀具磨损刀具磨损 刀具刀具的切削刃及后刀面产生磨损后，会使切削时摩擦和挤压加剧，故使切的切削刃及后刀面产生磨损后，会使切削时摩擦和挤压加剧，故使切削力削力Fc和和Fp增大。增大。 n 切削液切削液 切削切削液润滑作用越好液润滑作用越好，切削力，切削力减小越显著，低速时更突出。减小越显著，低速时更突出。n 刀刀具材料具材料 各种各种