第四章切削力

1、4.1 4.1 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，切削功率切削力切削力 切削加工時刀具刀具切入工件，使被加工材切削加工時刀具刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形成為切屑所需的力。料發(fā)生變形成為切屑所需的力。 一、一、 3 3個變形區(qū)產生的彈、塑性個變形區(qū)產生的彈、塑性變形抗力。即變形抗力。即工件材料工件材料被切過程中所發(fā)生的彈性變形和塑性變形的抗力。被切過程中所發(fā)生的彈性變形和塑性變形的抗力。 切屑、工件與刀具間切屑、工件與刀具間摩擦力。即摩擦力。即切屑對刀具前刀面切屑對刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面和已加工表面之間的摩擦力和刀具后刀面對過渡表面和

2、已加工表面之間的摩擦力。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 切于過渡表面并與基面垂直切于過渡表面并與基面垂直 ( (切削力或切向力切削力或切向力) )進給抗力進給抗力FxFx 處于基面內并與工件軸線平行處于基面內并與工件軸線平行 ( (進給力或軸向力進給力或軸向力) )切深抗力切深抗力FyFy 處于基面內并與工件軸線垂直處于基面內并與工件軸線垂直 ( (背向力、徑向力、吃刀力背向力、徑向力、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進給抗力 消耗在切削過程中的功率稱為消耗在切削過程中的功率稱為切削功率切削功率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方向沒有位移，不消耗功率。所以方向沒有位移，不消耗功率。所以 3wczm101000fnFvFPx式中式中: : n nw w工件轉速工件轉速(r/s)(r/s)。 因因F Fx x相對于相對于F Fz z所消耗的功率來說一般很小，可略去不計。所消耗的功率來說一般很小，可略去不計。 因而因而 Pm=Fzvc10-3 測定機床功率及計算切削力測定機床功率及計算切削力

4、 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變片式測力儀，壓電式測力儀電阻應變片式測力儀，壓電式測力儀采用單片機微機進行切削力數據采集和處理采用單片機微機進行切削力數據采集和處理4.2 4.2 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 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 CFzFz , C, CFyFy , C, CFxFx : :決定于被加工材料和切削條件的有關系數；

5、決定于被加工材料和切削條件的有關系數； xFzxFz、yFzyFz、nFznFz、xFyxFy、yFyyFy、nFynFy、xFxxFx、 yFxyFx、 nFxnFx: :分別為分別為三個分力公式中，背吃刀量三個分力公式中，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；的指數； K KFzFz , K, KFyFy , K, KFxFx : :考慮切削速度、刀具幾何參數、刀具磨損等因考慮切削速度、刀具幾何參數、刀具磨損等因素影響的修正系數。素影響的修正系數。4.3 4.3 切削力的指數公式和切削力的預報及估算切削力的指數公式和切削力的預報及估算xxFxFx

6、FxyyFyFyFyzzFzFzFzFncyxpFxFncyxpFyFncyxpFzKvfaCFKvfaCFKvfaCF 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。 wmsZPP 式中式中: : Z Zw w單位時間內的金屬切除量（單位時間內的金屬切除量（mmmm3 3s s-1-1）。）。 pcfavZ1000w整理后得整理后得 6s10 pP 單位時間內切除單位體積的金屬所消耗的功率稱為單位時間內切除單位體積的金屬所消耗的功率稱為單位切削功率單

7、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。在設計機床選擇電機功率在設計機床選擇電機功率P PE E時，應按下式計算時，應按下式計算 mmPPE式中式中 m m 機床傳動效率，通常機床傳動效率，通常= 0.75= 0.750.85 0.85 4.4 4.4 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。及

8、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；其他因素。參數；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， 剪切角、剪切角、 前前角愈小，角愈小， 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(sinowcocraaAF 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切屑與前刀面間摩擦系數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

9、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 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

10、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，所以同樣條件下產生的切削力較倍，所以同樣條件下產生的切削力較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。 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雜切削速度對切削力影響復雜1 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

11、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的關系，刃口處的變形大，的關系，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

12、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的的指數接近于指數接近于1 1；f f的指數接近于的指數接近于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。 圖圖 ap、f對切削力的影響對切削力的影響(a) ap; (b)f 2 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。當規(guī)律，是由

13、積屑瘤與摩擦的作用所造成的。當v vc c35 m/min35 m/min35 m/min時，時，v 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。 5 19 28 35 55 100 130 切削速度 vc（m/min） 981784588主切削力Fz（N）切削速度對切削力的影響1 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，

14、減小，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，則切削力減??；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 Fx 負倒棱負倒棱為沿主切削刃磨出負前角和寬度為為沿主切削刃磨出負前角和寬度為b br1r1 的窄棱面，的窄棱面，即即第一前面第一前面。 前刀面上的負倒棱前刀面上的負倒棱 ( (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、 負倒棱負倒棱負倒棱是通過其寬度對進給負

15、倒棱是通過其寬度對進給量之比來影響切削力的。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。當大于接觸長度時，前刀面當大于接觸長度時，前刀面上的正前角不起作用。上的正前角不起作用。3 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 r

16、 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??；但當減??；但當r r增至增至60607575之間時，之間時，曲線上出現(xiàn)了轉折，曲線上出現(xiàn)了轉折， 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，且比直線刃的小。小。 故變

17、形力大些。故變形力大些。 r r與與F Fx x、F Fy y的關系，由圖可得的關系，由圖可得 Fx=FNsinrFy=FN cosr 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增大而減增大而減小。長徑比超過小。長徑比超過1010的細長軸，剛性差，加工時為避免振動，的細長軸，剛性差，加工時為避免振動， 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。圖圖 r r對切削力的影響對切削力的影響 圖圖 r r與刀刃曲線部分的關系與刀刃曲線部分的關系(a) r小小; (b) r大大 當當a ap

18、 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。所以當工藝系統(tǒng)的剛性較差時，所以當工藝系統(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。有關。4 4、刀尖圓弧半徑、刀尖圓弧半徑rr。圖圖 r對切削力的影響對切削力的影響 5 5、刃傾角、刃傾角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

19、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??；而進給抗減小；而進給抗力力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。 圖圖 s對切削力的影響對切削力的影響 前角前角0 0 ，切削力，切削力 負倒棱負倒棱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，對吃刀抗力和進給對主切削力影響不大，對吃刀抗力和進給抗力影響顯著（抗力影響顯著（ 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） ； 刀具材料：刀具材料：刀具材料與被加工材料間的摩擦系數影響切削刀具材料與被加工材料間的摩擦系數影響切削力的變化。力的變化。如硬質合金的如硬質合金的值隨鈷含量的增多和碳化鈦含量值隨鈷含量的增