金属切削原理与刀具：04 第三章 第二节 切削力

1、本节主要内容：一、切削力的来源、切削合力及其分力二、单位切削力与切削功率三、切削力的计算方法四、影响切削力的主要因素第二节 切削力第三章 金属切削过程的基本规律一、切削力的来源、切削合力及其分力切削力的来源切削力金属切削时，刀具切除工件上切削层金属，使之成为切屑，所需要的力。来源于： 克服工件材料弹性变形的力 克服工件材料塑性变形的力 克服刀屑、刀工接触面上的摩擦力。2一、切削力的来源、切削合力及其分力切削合力与分力3一、切削力的来源、切削合力及其分力切削分力与分力合力Fr可分解成三个分力：1)Fc主切削力或切向力主运动方向上的分力。切于过渡表面并垂直基面。是计算切削功率的主要力，也是设计机床

2、零件和计算刀具强度的重要依据。4一、切削力的来源、切削合力及其分力切削分力与分力2) Fp切深抗力、背向力或径向力垂直于工作平面上的分力（是在基面内并垂直工件轴线的分力）。使工件产生弯曲变形并可能引起振动。影响加工精度、表面粗糙度。5一、切削力的来源、切削合力及其分力切削分力与分力3)Ff进给力（走刀抗力）或轴向力。进给运动方向上的分力（在基面内并与刀杆轴线垂直的分力）。是设计进给机构和计算进给功率的依据。 6注意，Fc、Fp、Ff之间比例关系随刀具材料、几何参数、工件材料及刀具磨损状态不同在较大范围内变化。一、切削力的来源、切削合力及其分力切削合力与分力7二、单位切削力与切削功率单位切削力单

3、位切削力：切削单位切削层面积所产生的作用力（单位 N/mm2）。 若已知单位切削力、被吃刀量和进给，则切削力Fc （单位 N）为 8二、单位切削力与切削功率背向力Fp不做功，进给力Ff所做功率小于主切削力Fc所做功率，仅占1%-2%，因此一般略去不计。因此，切削功率Pc是指主运动消耗的功率（单位为kW），即 式中 Fc切削力（N）；vc切削速度（m/s）。切削功率9二、单位切削力与切削功率由切削功率Pc可求得机床电机功率PE，即： 式中 c机床传动效率，一般为c =0.750.9。切削功率10三、切削力的计算方法测量机床功率计算切削力试验测量切削力利用经验公式计算切削力利用FEM分析计算切削力

4、理论公式（计算与预报）11三、切削力的计算方法测量机床功率计算切削力利用功率表直测量机床电机在切削过程中消耗的功率 PE，根据机床传动效率 c 算出切削功率 Pc，然后求得切削力的大小。该方法较粗糙，误差大。式中c机床传动效率, 一般为c =0.750.9, vc切削速度（m/s） 。12三、切削力的计算方法试验测量切削力电阻应变片测力仪测量切削力压电晶体测力仪测量切削力这两种测力仪都可以测出Fc、Ff、Fp （Fz、Fx、Fy）三个分力，精度较高。13三、切削力的计算方法试验测量切削力电阻应变片测力仪：是在测力传感器上粘贴电阻应变片。14三、切削力的计算方法试验测量切削力压电晶体测力仪：石英

5、晶体受力的作用产生压电效应，使变形的石英晶体产生电荷，电荷量的多少与受力大小成正比。1516三、切削力的计算方法利用经验公式计算切削力通过大量实验，将测力仪测得的切削力数据，用数学方法进行处理，得到切削力的实验公式。17三、切削力的计算方法利用经验公式计算切削力Fc、Fp、Ff 各切削分力，单位为N;CFc、CFp、CFf公式中的系数，根据加工条件由实验确定；xF、yF、nF切削用量分别对三个分力的影响程度系数；KFc、KFp、KFf实际切削条件与经验公式不符时的修正系数。通常采用切削力的指数公式，如下式： 18三、切削力的计算方法利用FEM分析计算切削力19三、切削力的计算方法利用FEM分析

6、计算切削力20三、切削力的计算方法利用FEM分析计算切削力21三、切削力的计算方法利用FEM分析计算切削力22三、切削力的计算方法利用FEM分析计算切削力23四、影响切削力的主要因素工件材料切削用量刀具几何参数刀具材料切削液刀具磨损机床和装夹24四、影响切削力的主要因素工件材料 工件材料物理力学性能、化学成分、热处理状态和切削前材料的加工状态都影响切削力的大小。工件材料强度、硬度愈大、切削力愈大。工件材料化学成份不同，如含碳量多少，是否含有合金元素等，切削力不同。热处理状态不同，硬度不同，切削力也不同（淬火、调质、正火）。材料硬化指数不同如不锈钢硬化指数大，切削力大，铜、铝硬化指数小，铸铁及脆

7、性材料硬化指数小，切削力就小。25四、影响切削力的主要因素切削用量背吃刀量 ap 和进给量 f当 ap 和 f 增加时，切削面积增加，切削变形抗力增大，因而切削力都增加。ap 增加一倍时，切削层厚度 hD 不变，切削层宽度bD增大一倍，刀具负荷增大一倍，而变形系数不变，所以切削力成倍增加；f 增加一倍时， hD 增大一倍， hD 增大时变形系数减小，有使切削力降低的趋势。因此，切削力不成倍增加。26四、影响切削力的主要因素切削用量切削速度 v切削速度对切削力的影响规律与对切屑变形的影响基本相同。切削塑性金属时，在积屑瘤区，由于产生积屑瘤现象，影响刀具实际前角大小，从而影响变形，影响了切削力。在

8、无积屑瘤时，随v 的增加而切削力减小。切削脆性金属时，v 增加，切削力减小，但变化不大。主要是由于产生崩碎切屑，刀屑接触面摩擦力很小所致。27四、影响切削力的主要因素切削用量5 19 28 35 55 100 130 切削速度 v（m/min） 981784588主切削力Fc（N）切削速度对切削力的影响（塑性材料）28四、影响切削力的主要因素刀具方面前角切塑性金属时，Fc 随前角增大而降低。原因：前角增大切屑流出阻力减小 增大 减小 Fc 降低。加工脆性材料时，前角对Fc的影响不明显。 前角对0切削力的影响前角0切削力F0 - Fc0 Fp0 Ff29四、影响切削力的主要因素刀具方面负倒棱在锋

9、利的切削刃上磨出负倒棱，可以提高刃区强度，从而提高刀具使用寿命。但负倒棱会使得切削力增大。通过负倒棱宽度 b1 与刀-屑接触长度 lf 之比来影响切削力。30负倒棱 b1lf 时，切屑沿负倒棱而不是前刀面流出，相当于负前角切削。切屑与车刀前刀面的接触长度b1 lf31四、影响切削力的主要因素刀具方面主偏角通过切削层厚度 hD和刀尖圆弧曲线长度的变化来影响变形，从而影响切削力。主偏角对切削力的影响32主偏角主偏角对切削力的影响r对Fc影响较小，影响程度不超过10%，r在6070之间时，Fc最小。r对Fp、 Ff影响较大，Fp FD cosr ；Ff FD sinrFp随r 增大而减小，Ff随r 增大而增大33刀具方面刀尖圆弧半径r一般情况下，r 对切削力影响较小。r 增大相当于r 减小的影响。r hD Fc r Fp , Ff 34实验证明，s 在（-40+40）内变化，Fc无什么变化。但s 变化引起切削合力方向变化，随s增大，Fp Ff 。四、影响切削力的主要因素刀具方面 刃倾角s35四、影响切削力的主要因素刀具材料切削液刀具磨损机床和装夹与工件材料之间的亲和性影响其间的摩擦，进而影响切削力 ；按立方氮化硼、陶瓷、涂层、硬质合金、高速钢