金屬切削原理第四章切削力

1、2021-12-101第一節(jié)第一節(jié) 切削力的來源、切削合力及其分解、切削功率切削力的來源、切削合力及其分解、切削功率第二節(jié)第二節(jié) 切削力的測量及切削力的計算切削力的測量及切削力的計算第四節(jié)第四節(jié) 影響切削力的因素影響切削力的因素第三節(jié)第三節(jié) 切削力的指數(shù)公式和切削力的預(yù)報及估算切削力的指數(shù)公式和切削力的預(yù)報及估算第五節(jié)第五節(jié) 切削力的理論研究切削力的理論研究2021-12-102切削時作用在刀具上的力，由下列兩個方面組成：切削時作用在刀具上的力，由下列兩個方面組成： 變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的彈性變形抗力和塑性變形抗力變形區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的彈性變形抗力和塑性變形抗力 切屑、工件與刀具間的摩擦力。切屑、工件與刀具間

2、的摩擦力。直角自由切削切削力直角自由切削切削力的合力及其分力的合力及其分力 作用在前刀面的彈、作用在前刀面的彈、塑性變形抗力塑性變形抗力F Fnyny作用在前刀面作用在前刀面的摩擦力的摩擦力F Ff fy y合力合力F Fr r作用在后刀面的彈、作用在后刀面的彈、塑性變形抗力塑性變形抗力F Fnana作用在后刀面的作用在后刀面的摩擦力摩擦力F Ff fa a一、切削力的來源一、切削力的來源2021-12-103非自由切削非自由切削合力及其分力合力及其分力在銑削平面時，上述分力亦稱為：在銑削平面時，上述分力亦稱為：Fz切切向力、向力、Fy徑向力、徑向力、Fx軸向力。軸向力。為了便于分析切削力的作

3、用和測量、計算切削力的大小為了便于分析切削力的作用和測量、計算切削力的大小, ,通常通常將合力將合力FrFr在按主運動速度方向、切深方向、進給方向作的空間在按主運動速度方向、切深方向、進給方向作的空間直角坐標(biāo)軸直角坐標(biāo)軸z z、y y、x x上分解成三個分力，它們是：上分解成三個分力，它們是： 主切削力主切削力Fz 切向力切向力 主運動切削速度方向的分力主運動切削速度方向的分力切深抗力切深抗力Fy 徑向力徑向力 切深方向的分力切深方向的分力進給抗力進給抗力Fx 軸向力軸向力進給方向的分力進給方向的分力2021-12-104rFcFFpFf pFfFf pFf pfv切削力的分解切削力的分解F

4、切削合力Fc主切削力Fp吃刀抗力Ff進給抗力切削力的分解切削力的分解 2021-12-105（c c）非自由切削）非自由切削由圖可知，合力與各分力間關(guān)系為：由圖可知，合力與各分力間關(guān)系為：其中，其中，F(xiàn) Fy yF Fx.yx.ycoscosk kr r； F Fx x= =F Fx.yx.ysinsink kr r式中式中 F Fxyxy合力在合力在FrFr基面上的分力?；嫔系姆至?。 22222xyzxyzrFFFFFF切削力的分解切削力的分解 2021-12-106(1)(1)單位切削力單位切削力 單位切削力單位切削力p p是指切除單位切削層面積所產(chǎn)生的主切削力，可是指切除單位切削層面積

5、所產(chǎn)生的主切削力，可用下式表示：用下式表示：表明，單位切削力表明，單位切削力p p與進給量與進給量f f有關(guān)，它隨著進給量有關(guān)，它隨著進給量f f增加而減小。增加而減小。單位切削力單位切削力p p不受背吃刀量不受背吃刀量a aspsp的影響，這是因為背吃刀量改變后，的影響，這是因為背吃刀量改變后，切削力切削力F Fz z與切削層面積與切削層面積A AD D以相同的比例隨著變化。而進給量以相同的比例隨著變化。而進給量f f增增大，切削層面積大，切削層面積A AD D隨之增大，而切削力隨之增大，而切削力F Fz z增大不多。增大不多。 利用單位切削力利用單位切削力p p來計算主切削力來計算主切削力

6、F Fz z較為簡易直觀。較為簡易直觀。21/mmNfCfafaCAFpZFzzFzFzyFspyxspFDZ 三、切削功率三、切削功率2021-12-107（2 2）切削功率）切削功率 切削功率切削功率P Pm m是指車削時在切削區(qū)域內(nèi)消耗的功率，通常計是指車削時在切削區(qū)域內(nèi)消耗的功率，通常計算的是主運動所消耗的功率。算的是主運動所消耗的功率。式中式中 F Fz z主切削力（主切削力（N N）; ; v vc c主運動切削速度。主運動切削速度。 機床電動機所需功率機床電動機所需功率P PE E應(yīng)為：應(yīng)為： P PE EP Pm m/ kW/ kW式中式中 機床傳動效率機床傳動效率kWvFPc

7、zm601032021-12-108（3 3）單位切削功率）單位切削功率單位切削功率單位切削功率P Ps s是指單位時間內(nèi)切除金屬體積是指單位時間內(nèi)切除金屬體積Z Zw w所消耗的功率。所消耗的功率。 P Ps s=P=Pm/m/Z Zw kW/w kW/（ mmmm3 3s s-1 -1） 單位時間內(nèi)切除金屬量單位時間內(nèi)切除金屬量Z Zw w Z Zw w=1000=1000v vc ca aspspf f （ mmmm3 3/s/s）另外可導(dǎo)出另外可導(dǎo)出P Pm m， P Ps s之間的關(guān)系式：之間的關(guān)系式：)/(101010001363smmkWpvfavfapZPPcspcspwms2

8、021-12-109 測定機床功率及計算切削力測定機床功率及計算切削力 P Pm m=P=PE Em m 用測力儀（機械、液壓和電氣測力儀）測量切削力用測力儀（機械、液壓和電氣測力儀）測量切削力 多采用多采用電阻應(yīng)變片式測力儀，壓電式測力儀電阻應(yīng)變片式測力儀，壓電式測力儀采用單片機微機進行切削力數(shù)據(jù)采集和處理采用單片機微機進行切削力數(shù)據(jù)采集和處理第二節(jié)第二節(jié) 切削力的測量及切削力的計算機輔助測試切削力的測量及切削力的計算機輔助測試p 電阻應(yīng)變片測力儀測量電阻應(yīng)變片測力儀測量切削力切削力p 壓電晶體測力儀測量壓電晶體測力儀測量切削力切削力p 切削力的測量切削力的測量p 切削力的測量切削力的測量2

9、021-12-1014 式中式中: : F Fz z、FyFy、FxFx: :分別為主切削力、切深抗力、進給抗力；分別為主切削力、切深抗力、進給抗力； C CFz Fz , C, CFy Fy , C, CFxFx : :決定于被加工材料和切削條件的有關(guān)系數(shù)；決定于被加工材料和切削條件的有關(guān)系數(shù)； xFzxFz、yFzyFz、nFznFz、xFyxFy、yFyyFy、nFynFy、xFxxFx、 yFxyFx、 nFxnFx: :分別為三分別為三個分力公式中，背吃刀量個分力公式中，背吃刀量a ap p、進給量、進給量f f和切削速度和切削速度v vc c的指數(shù)；的指數(shù)； K KFz Fz ,

10、K, KFy Fy , K, KFxFx : :考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因考慮切削速度、刀具幾何參數(shù)、刀具磨損等因素影響的修正系數(shù)。素影響的修正系數(shù)。第三節(jié)第三節(jié) 切削力的指數(shù)公式和切削力的預(yù)報及估算切削力的指數(shù)公式和切削力的預(yù)報及估算xxFxFxFxyyFyFyFyzzFzFzFzFncyxpFxFncyxpFyFncyxpFzKvfaCFKvfaCFKvfaCF2021-12-1015 切除單位切削層面積的主切削力切除單位切削層面積的主切削力cwzpzczaaFfaFAFp通過實驗求得通過實驗求得p p后，后， 則可通過上式求得主切削力則可通過上式求得主切削力F Fz z。

11、2021-12-1016wmsZPP 式中式中: : Z Zw w單位時間內(nèi)的金屬切除量（單位時間內(nèi)的金屬切除量（mmmm3 3s s-1-1）。）。 pcfavZ1000w整理后得整理后得 6s10 pP 單位時間內(nèi)切除單位體積的金屬所消耗的功率稱為單單位時間內(nèi)切除單位體積的金屬所消耗的功率稱為單位切削功率位切削功率PsPs。通過實驗求得通過實驗求得p p后，反過來可以求得后，反過來可以求得P Pm m，然后再計算，然后再計算F Fz z。2021-12-1017在設(shè)計機床選擇電機功率在設(shè)計機床選擇電機功率P PE E時，應(yīng)按下式計算時，應(yīng)按下式計算 mmPPE式中式中 m m 機床傳動效率

12、，通常機床傳動效率，通常= 0.75= 0.750.85 0.85 2021-12-1018第四節(jié)第四節(jié) 影響切削力的因素影響切削力的因素 切削力來源于工件材料的彈塑性變形及刀具與切屑、切削力來源于工件材料的彈塑性變形及刀具與切屑、工件表面的摩擦，因此凡是影響切削過程中材料的變形及工件表面的摩擦，因此凡是影響切削過程中材料的變形及摩擦的因素都影響切削力。摩擦的因素都影響切削力。 影響因素主要為：影響因素主要為：工件材料；切削用量；刀具幾何工件材料；切削用量；刀具幾何參數(shù)；其他因素。參數(shù)；其他因素。 由由 可知，可知， 被被加工材料的抗剪變形、加工材料的抗剪變形、 切削面積愈大，切削面積愈大，

13、剪切角、剪切角、 前角前角愈小，愈小， 則切削力愈大。則切削力愈大。 具體分析如下：具體分析如下： )-cos(sin)-cos(sinowcocraaAF2021-12-1019 工件材料是通過材料的工件材料是通過材料的剪切屈服強度剪切屈服強度s s、塑性變形、塑性變形、切屑與前刀面間摩擦系數(shù)切屑與前刀面間摩擦系數(shù)等條件影響切削力的。等條件影響切削力的。 工件材料強度、硬度愈高，材料的剪切屈服強度工件材料強度、硬度愈高，材料的剪切屈服強度s s越高大越高大, ,切削力越大。材料的制造和熱處理狀態(tài)不同，得切削力越大。材料的制造和熱處理狀態(tài)不同，得到的硬度也不同，切削力隨著硬度提高而增大。到的硬

14、度也不同，切削力隨著硬度提高而增大。 還受加工硬化程度的影響還受加工硬化程度的影響。強度高強度高加工硬化傾向大加工硬化傾向大切削力大切削力大2021-12-1020 工件材料的工件材料的塑性或韌性越高塑性或韌性越高，切屑越不易折斷，使，切屑越不易折斷，使切屑與前刀面間摩擦增加，故切屑與前刀面間摩擦增加，故切削力增大切削力增大。例如，不銹。例如，不銹鋼鋼1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti的硬度接近的硬度接近4545鋼，鋼， 但延伸率是但延伸率是4545鋼的鋼的4 4倍，所以同樣條件下產(chǎn)生的切削力較倍，所以同樣條件下產(chǎn)生的切削力較4545鋼增大鋼增大2525。 在切削鑄鐵等脆性材料，由于塑性

15、變形很小，在切削鑄鐵等脆性材料，由于塑性變形很小， 崩碎崩碎切屑與前刀面的摩擦小，故切削力小。切屑與前刀面的摩擦小，故切削力小。 2021-12-1021背吃刀量與切削力近似成正比；背吃刀量與切削力近似成正比；進給量增加，切削力增加，但不成正比；進給量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度對切削力影響復(fù)雜切削速度對切削力影響復(fù)雜2021-12-10221 1、 背吃刀量背吃刀量a ap p、進給量、進給量f f a ap p、f f增大增大，切削寬度，切削寬度a aw w、切削厚度、切削厚度a ac c增大，切削面積增大，切削面積A Ac c增增大，抗力和摩擦力增加，大，抗力和摩擦力增加， 則

16、切削力增大，但影響程度不一。則切削力增大，但影響程度不一。因刀刃因刀刃鈍圓半徑鈍圓半徑r r的關(guān)系，刃口處的變形大，的關(guān)系，刃口處的變形大，a ap p增大時增大時( (如圖如圖 (a)(a)所示所示) )，該處變形成比例增大；，該處變形成比例增大；f f增大時增大時( (如圖如圖(b)(b)所示所示) )，該，該處變形比例基本不變，而處變形比例基本不變，而a ac c變大，變形減小。所以增加變大，變形減小。所以增加a ap p時切時切削力的增大較削力的增大較f f的增大影響明顯。一般切削力實驗公式中的增大影響明顯。一般切削力實驗公式中a ap p的的指數(shù)接近于指數(shù)接近于1 1；f f的指數(shù)接

17、近于的指數(shù)接近于0.750.75也可說明這一點。也可說明這一點。 可見，在同樣切削面積下，采用大的可見，在同樣切削面積下，采用大的f f較采用大的較采用大的a ap p省力。省力。 2021-12-1023圖圖 ap、f對切削力的影響對切削力的影響(a) ap; (b)f 2021-12-10242 2、 切削速度切削速度v vc c 切削塑性金屬時，切削塑性金屬時，v vc c對切削力的影響如同對切削變形影響的對切削力的影響如同對切削變形影響的規(guī)律，是由積屑瘤與摩擦的作用所造成的。當(dāng)規(guī)律，是由積屑瘤與摩擦的作用所造成的。當(dāng)v vc c35 m/min35 m/min35 m/min時，時，v

18、 vc c大，切削溫度高，大，切削溫度高，減小，增大，減小，增大，則則減小減小，致使切削力減小。，致使切削力減小。加工鑄鐵時曲線如圖加工鑄鐵時曲線如圖4 41212（P69P69） v v對切削力影響不大。對切削力影響不大。 2021-12-10255 19 28 35 55 100 130 切削速度 vc（m/min） 981784588主切削力Fz（N）切削速度對切削力的影響2021-12-10261 1、 前角前角o o 前角前角0 0 增大，切削力減小增大，切削力減小加工鋼料時，由式加工鋼料時，由式可知，可知，o o增大，增大，減小，減小，則切削力減??；加工鑄鐵等脆性材料時，因變形和加

19、工硬化小，則切削力減小；加工鑄鐵等脆性材料時，因變形和加工硬化小，o o對力的影響不顯著。對力的影響不顯著。)(4o前角對0切削力的影響前角0切削力F0 - Fz0 Fy0 Fx2021-12-1027 負(fù)倒棱負(fù)倒棱為沿主切削刃磨出負(fù)前角和寬度為為沿主切削刃磨出負(fù)前角和寬度為b br1r1 的窄棱面，的窄棱面，即即第一前面第一前面。 前刀面上的負(fù)倒棱前刀面上的負(fù)倒棱 ( (如圖所示如圖所示) )有利于增強刀刃強度，有利于增強刀刃強度，但也增加了切屑變形程度，所以使切削力增大。但也增加了切屑變形程度，所以使切削力增大。 2 2、 負(fù)倒棱負(fù)倒棱負(fù)倒棱是通過其寬度對進給負(fù)倒棱是通過其寬度對進給量之比

20、來影響切削力的。量之比來影響切削力的。b br1r1/f/f增大時，切削力增大。增大時，切削力增大。到一定值后趨于穩(wěn)定，臨界到一定值后趨于穩(wěn)定，臨界值取決于刀屑接觸長度。值取決于刀屑接觸長度。當(dāng)大于接觸長度時，前刀面當(dāng)大于接觸長度時，前刀面上的正前角不起作用。上的正前角不起作用。2021-12-10283 3、主偏角、主偏角r rr r的變化將改變切削層形狀和分力的變化將改變切削層形狀和分力F Fx x、F Fy y的比值的比值( (如圖如圖所示所示) )。 圖圖 r r對切削面積和分力的影響對切削面積和分力的影響(a)改變切削層形狀改變切削層形狀; (b）影響分力比值）影響分力比值 2021

21、-12-1029r r對對F Fz z的影響規(guī)律：在的影響規(guī)律：在a ap p、f f相同的情況下，相同的情況下，r r增大，增大，a ac c增大，變形減小，增大，變形減小，F(xiàn) Fz z減??；但當(dāng)減??；但當(dāng)r r增至增至60607575之間時，之間時，曲線上出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折，曲線上出現(xiàn)了轉(zhuǎn)折， F Fz z逐漸增大。這是因為：逐漸增大。這是因為：r r增大使刀尖增大使刀尖圓弧部分成比例增大圓弧部分成比例增大( (如圖所示如圖所示) )，切屑向圓弧中心排擠量增加，切屑向圓弧中心排擠量增加，加劇了變形；圓弧加劇了變形；圓弧部分的切削厚度部分的切削厚度a ac c是變化的，且比直線刃的是變化的，且比直線

22、刃的小。小。 故變形力大些。故變形力大些。 r r與與F Fx x、F Fy y的關(guān)系，由圖可得的關(guān)系，由圖可得 Fx=FNsinrFy=FN cosr 2021-12-1030其影響規(guī)律見圖。其影響規(guī)律見圖。F Fx x隨隨r r增大而增大，增大而增大，F(xiàn) Fy y隨隨r r增大而減小。增大而減小。長徑比超過長徑比超過1010的細(xì)長軸，剛性差，加工時為避免振動，的細(xì)長軸，剛性差，加工時為避免振動， 提高提高加工精度，宜用大加工精度，宜用大r r，如常用的，如常用的r r 9393的偏刀。的偏刀。圖圖 r r對切削力的影響對切削力的影響 2021-12-1031圖圖 r r與刀刃曲線部分的關(guān)系

23、與刀刃曲線部分的關(guān)系(a) r小小; (b) r大大 當(dāng)當(dāng)a ap p、 f f、r r不變時，不變時， r r增大，將使曲線部分各點的增大，將使曲線部分各點的a ac c、r r減小。減小。 r r增大對增大對F Fx x、F Fy y要比對要比對F Fz z的影響大。的影響大。所以當(dāng)工藝系統(tǒng)的剛性較差時，所以當(dāng)工藝系統(tǒng)的剛性較差時， 宜用小宜用小r r。刀尖圓弧半徑對切削力的影響與刀尖圓弧半徑對切削力的影響與 r r/ / a ap p有關(guān)。有關(guān)。4 4、刀尖圓弧半徑、刀尖圓弧半徑rr。2021-12-1032圖圖 r對切削力的影響對切削力的影響 2021-12-10335 5、刃傾角、刃

24、傾角ss。 實驗證明，實驗證明，s s對對F Fz z的影響不大，但對的影響不大，但對F Fx x、 F Fy y的影響較大。的影響較大。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(xiàn) Fy y減??；而進給抗減?。欢M給抗力力F Fx x方向的前角方向的前角f f減小，則減小，則F Fx x增大。增大。 2021-12-1034圖圖 s對切削力的影響對切削力的影響 2021-12-1035 前角前角0 0 ，切削力，切削力 負(fù)倒棱負(fù)倒棱b br1r1 ，切削力，切削力主偏角主偏角r r 對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（力影響顯著（ r r F Fy y，F(xiàn) Fx x） 與主偏角相似，與主偏角相似，刃傾角刃傾角s s對主切削力影響不大，對對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（吃刀抗力和進給抗力影響顯著（ s s F Fy y，F(xiàn) Fx x） 刀尖圓弧半徑刀尖圓弧半徑 r r 對主切削力影響不大，對吃刀抗力對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（和進給抗力影響顯著（ r r F Fy y，F(xiàn) Fx x） ；2021-12-1036 刀具材料：刀具