第四章切削力

1、4.1 4.1 切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率切削力切削力 切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材切削加工时刀具刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力。料发生变形成为切屑所需的力。 一、一、 3 3个变形区产生的弹、塑性个变形区产生的弹、塑性变形抗力。即变形抗力。即工件材料工件材料被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力。被切过程中所发生的弹性变形和塑性变形的抗力。 切屑、工件与刀具间切屑、工件与刀具间摩擦力。即摩擦力。即切屑对刀具前刀面切屑对刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和已加工表面之间的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面和

2、已加工表面之间的摩擦力。的摩擦力。切削合力切削合力 F Fx x = F = FN Nsinsin F Fy y = F = FN Ncoscos切削分力切削分力主切削力主切削力F Fz z 切于过渡表面并与基面垂直切于过渡表面并与基面垂直 ( (切削力或切向力切削力或切向力) )进给抗力进给抗力FxFx 处于基面内并与工件轴线平行处于基面内并与工件轴线平行 ( (进给力或轴向力进给力或轴向力) )切深抗力切深抗力FyFy 处于基面内并与工件轴线垂直处于基面内并与工件轴线垂直 ( (背向力、径向力、吃刀力背向力、径向力、吃刀力) ) 二、二、22222rxyzNzFFFFFFrFzFrFyFN

3、FxFNFNfv切削力的分解Fr切削合力Fz主切削力Fy吃刀抗力Fx进给抗力 消耗在切削过程中的功率称为消耗在切削过程中的功率称为切削功率切削功率m m。是。是F Fz z、F Fx x所所消耗的功率之和。消耗的功率之和。F Fy y方向没有位移，不消耗功率。所以方向没有位移，不消耗功率。所以 3wczm101000fnFvFPx式中式中: : n nw w工件转速工件转速(r/s)(r/s)。 因因F Fx x相对于相对于F Fz z所消耗的功率来说一般很小，可略去不计。所消耗的功率来说一般很小，可略去不计。 因而因而 Pm=Fzvc10-3 测定机床功率及计算切削力测定机床功率及计算切削力

4、 P Pm m=P=PE Em m 用测力仪（机械、液压和电气测力仪）测量切削力用测力仪（机械、液压和电气测力仪）测量切削力 多采用多采用电阻应变片式测力仪，压电式测力仪电阻应变片式测力仪，压电式测力仪采用单片机微机进行切削力数据采集和处理采用单片机微机进行切削力数据采集和处理4.2 4.2 切削力的测量及切削力的计算机辅助测试切削力的测量及切削力的计算机辅助测试 式中式中: : F Fz z、FyFy、FxFx: :分别为主切削力、切深抗力、进给抗力；分别为主切削力、切深抗力、进给抗力； C CFzFz , C, CFyFy , C, CFxFx : :决定于被加工材料和切削条件的有关系数；

5、决定于被加工材料和切削条件的有关系数； xFzxFz、yFzyFz、nFznFz、xFyxFy、yFyyFy、nFynFy、xFxxFx、 yFxyFx、 nFxnFx: :分别为分别为三个分力公式中，背吃刀量三个分力公式中，背吃刀量a ap p、进给量、进给量f f和切削速度和切削速度v vc c的指数；的指数； K KFzFz , K, KFyFy , K, KFxFx : :考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因素影响的修正系数。素影响的修正系数。4.3 4.3 切削力的指数公式和切削力的预报及估算切削力的指数公式和切削力的预报及估算xxFxFx

6、FxyyFyFyFyzzFzFzFzFncyxpFxFncyxpFyFncyxpFzKvfaCFKvfaCFKvfaCF 切除单位切削层面积的主切削力切除单位切削层面积的主切削力cwzpzczaaFfaFAFp通过实验求得通过实验求得p p后，后， 则可通过上式求得主切削力则可通过上式求得主切削力F Fz z。 wmsZPP 式中式中: : Z Zw w单位时间内的金属切除量（单位时间内的金属切除量（mmmm3 3s s-1-1）。）。 pcfavZ1000w整理后得整理后得 6s10 pP 单位时间内切除单位体积的金属所消耗的功率称为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

7、位切削功率PsPs。通过实验求得通过实验求得p p后，反过来可以求得后，反过来可以求得P Pm m，然后再计算，然后再计算F Fz z。在设计机床选择电机功率在设计机床选择电机功率P PE E时，应按下式计算时，应按下式计算 mmPPE式中式中 m m 机床传动效率，通常机床传动效率，通常= 0.75= 0.750.85 0.85 4.4 4.4 影响切削力的因素影响切削力的因素 切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、工件表面的摩擦，因此凡是影响切削过程中材料的变形工件表面的摩擦，因此凡是影响切削过程中材料的变形及摩擦的因素都影响切削力。及

8、摩擦的因素都影响切削力。 影响因素主要为：影响因素主要为：工件材料；切削用量；刀具几何工件材料；切削用量；刀具几何参数；其他因素。参数；其他因素。 由由 可知，可知， 被被加工材料的抗剪变形、加工材料的抗剪变形、 切削面积愈大，切削面积愈大， 剪切角、剪切角、 前前角愈小，角愈小， 则切削力愈大。则切削力愈大。 具体分析如下：具体分析如下： )-cos(sin)-cos(sinowcocraaAF 工件材料是通过材料的工件材料是通过材料的剪切屈服强度剪切屈服强度s s、塑性变形、塑性变形、切屑与前刀面间摩擦系数切屑与前刀面间摩擦系数等条件影响切削力的。等条件影响切削力的。 工件材料强度、硬度愈

9、高，材料的剪切屈服强度工件材料强度、硬度愈高，材料的剪切屈服强度s s越高大越高大, ,切削力越大。材料的制造和热处理状态不同，得切削力越大。材料的制造和热处理状态不同，得到的硬度也不同，切削力随着硬度提高而增大。到的硬度也不同，切削力随着硬度提高而增大。 还受加工硬化程度的影响还受加工硬化程度的影响。强度高强度高加工硬化倾向大加工硬化倾向大切削力大切削力大 工件材料的工件材料的塑性或韧性越高塑性或韧性越高，切屑越不易折断，使，切屑越不易折断，使切屑与前刀面间摩擦增加，故切屑与前刀面间摩擦增加，故切削力增大切削力增大。例如，不锈。例如，不锈钢钢1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti的硬度接近

10、的硬度接近4545钢，钢， 但延伸率是但延伸率是4545钢的钢的4 4倍，所以同样条件下产生的切削力较倍，所以同样条件下产生的切削力较4545钢增大钢增大2525。 在切削铸铁等脆性材料，由于塑性变形很小，在切削铸铁等脆性材料，由于塑性变形很小， 崩碎崩碎切屑与前刀面的摩擦小，故切削力小。切屑与前刀面的摩擦小，故切削力小。 背吃刀量与切削力近似成正比；背吃刀量与切削力近似成正比；进给量增加，切削力增加，但不成正比；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切削速度对切削力影响复杂1 1、 背吃刀量背吃刀量a ap p、进给量、进给量f f a ap p、f f增大增大，切削宽

11、度，切削宽度a aw w、切削厚度、切削厚度a ac c增大，切削面积增大，切削面积A Ac c增增大，抗力和摩擦力增加，大，抗力和摩擦力增加， 则切削力增大，但影响程度不一。则切削力增大，但影响程度不一。因刀刃因刀刃钝圆半径钝圆半径r r的关系，刃口处的变形大，的关系，刃口处的变形大，a ap p增大时增大时( (如图如图 (a)(a)所示所示) )，该处变形成比例增大；，该处变形成比例增大；f f增大时增大时( (如图如图(b)(b)所示所示) )，该，该处变形比例基本不变，而处变形比例基本不变，而a ac c变大，变形减小。所以增加变大，变形减小。所以增加a ap p时切时切削力的增大较

12、削力的增大较f f的增大影响明显。一般切削力实验公式中的增大影响明显。一般切削力实验公式中a ap p的的指数接近于指数接近于1 1；f f的指数接近于的指数接近于0.750.75也可说明这一点。也可说明这一点。 可见，在同样切削面积下，采用大的可见，在同样切削面积下，采用大的f f较采用大的较采用大的a ap p省力。省力。 图图 ap、f对切削力的影响对切削力的影响(a) ap; (b)f 2 2、 切削速度切削速度v vc c 切削塑性金属时，切削塑性金属时，v vc c对切削力的影响如同对切削变形影响的对切削力的影响如同对切削变形影响的规律，是由积屑瘤与摩擦的作用所造成的。当规律，是由

13、积屑瘤与摩擦的作用所造成的。当v vc c35 m/min35 m/min35 m/min时，时，v vc c大，切削温度高，大，切削温度高，减小，增大，减小，增大，则则减小减小，致使切削力减小。，致使切削力减小。加工铸铁时曲线如图加工铸铁时曲线如图4 41212（P69P69） v v对切削力影响不大。对切削力影响不大。 5 19 28 35 55 100 130 切削速度 vc（m/min） 981784588主切削力Fz（N）切削速度对切削力的影响1 1、 前角前角o o 前角前角0 0 增大，切削力减小增大，切削力减小加工钢料时，由式加工钢料时，由式可知，可知，o o增大，增大，减小，

14、减小，则切削力减小；加工铸铁等脆性材料时，因变形和加工硬化小，则切削力减小；加工铸铁等脆性材料时，因变形和加工硬化小，o o对力的影响不显著。对力的影响不显著。)(4o前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fz0 Fy0 Fx 负倒棱负倒棱为沿主切削刃磨出负前角和宽度为为沿主切削刃磨出负前角和宽度为b br1r1 的窄棱面，的窄棱面，即即第一前面第一前面。 前刀面上的负倒棱前刀面上的负倒棱 ( (如图所示如图所示) )有利于增强刀刃强度，有利于增强刀刃强度，但也增加了切屑变形程度，所以使切削力增大。但也增加了切屑变形程度，所以使切削力增大。 2 2、 负倒棱负倒棱负倒棱是通过其宽度对进给负

15、倒棱是通过其宽度对进给量之比来影响切削力的。量之比来影响切削力的。b br1r1/f/f增大时，切削力增大。增大时，切削力增大。到一定值后趋于稳定，临界到一定值后趋于稳定，临界值取决于刀屑接触长度。值取决于刀屑接触长度。当大于接触长度时，前刀面当大于接触长度时，前刀面上的正前角不起作用。上的正前角不起作用。3 3、主偏角、主偏角r rr r的变化将改变切削层形状和分力的变化将改变切削层形状和分力F Fx x、F Fy y的比值的比值( (如图如图所示所示) )。 图图 r r对切削面积和分力的影响对切削面积和分力的影响(a) 改变切削层形状改变切削层形状; (b）影响分力比值）影响分力比值 r

16、 r对对F Fz z的影响规律：在的影响规律：在a ap p、f f相同的情况下，相同的情况下，r r增大，增大，a ac c增大，变形减小，增大，变形减小，F Fz z减小；但当减小；但当r r增至增至60607575之间时，之间时，曲线上出现了转折，曲线上出现了转折， F Fz z逐渐增大。这是因为：逐渐增大。这是因为：r r增大使刀尖增大使刀尖圆弧部分成比例增大圆弧部分成比例增大( (如图所示如图所示) )，切屑向圆弧中心排挤量增加，切屑向圆弧中心排挤量增加，加剧了变形；圆弧加剧了变形；圆弧部分的切削厚度部分的切削厚度a ac c是变化的，且比直线刃的是变化的，且比直线刃的小。小。 故变

17、形力大些。故变形力大些。 r r与与F Fx x、F Fy y的关系，由图可得的关系，由图可得 Fx=FNsinrFy=FN cosr 其影响规律见图。其影响规律见图。F Fx x随随r r增大而增大，增大而增大，F Fy y随随r r增大而减增大而减小。长径比超过小。长径比超过1010的细长轴，刚性差，加工时为避免振动，的细长轴，刚性差，加工时为避免振动， 提高加工精度，宜用大提高加工精度，宜用大r r，如常用的，如常用的r r 9393的偏刀。的偏刀。图图 r r对切削力的影响对切削力的影响 图图 r r与刀刃曲线部分的关系与刀刃曲线部分的关系(a) r小小; (b) r大大 当当a ap

18、 p、 f f、r r不变时，不变时， r r增大，将使曲线部分各点的增大，将使曲线部分各点的a ac c、r r减小。减小。 r r增大对增大对F Fx x、F Fy y要比对要比对F Fz z的影响大。的影响大。所以当工艺系统的刚性较差时，所以当工艺系统的刚性较差时， 宜用小宜用小r r。刀尖圆弧半径对切削力的影响与刀尖圆弧半径对切削力的影响与 r r/ / a ap p有关。有关。4 4、刀尖圆弧半径、刀尖圆弧半径rr。图图 r对切削力的影响对切削力的影响 5 5、刃倾角、刃倾角ss。 实验证明，实验证明，s s对对F Fz z的影响不大，但对的影响不大，但对F Fx x、 F Fy y

19、的影响较大。的影响较大。s s增大，背吃刀力增大，背吃刀力F Fy y方向的前角方向的前角p p增大，增大，F Fy y减小；而进给抗减小；而进给抗力力F Fx x方向的前角方向的前角f f减小，则减小，则F Fx x增大。增大。 图图 s对切削力的影响对切削力的影响 前角前角0 0 ，切削力，切削力 负倒棱负倒棱b br1r1 ，切削力，切削力主偏角主偏角r r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（抗力影响显著（ r r F Fy y，F Fx x） 与主偏角相似，与主偏角相似，刃倾角刃倾角s s对主切削力影响不大，对对主切削力影响不大，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（ s s F Fy y，F Fx x） 刀尖圆弧半径刀尖圆弧半径 r r 对主切削力影响不大，对吃刀抗力对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗力影响显著（和进给抗力影响显著（ r r F Fy y，F Fx x） ； 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切削刀具材料与被加工材料间的摩擦系数影响切削力的变化。力的变化。如硬质合金的如硬质合金的值随钴含量的增多和碳化钛含量值随钴含量的增