第四章切削力

1、4.1 4.1 切削力的來(lái)源，切削合力及其分解，切削功率切削力的來(lái)源，切削合力及其分解，切削功率切削力切削力 切削加工時(shí)刀具刀具切入工件，使被加工材切削加工時(shí)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(gè)變形區(qū)產(chǎn)生的彈、塑性個(gè)變形區(qū)產(chǎn)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(guò)程中所發(fā)生的彈性變形和塑性變形的抗力。被切過(guò)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(duì)刀具前刀面切屑對(duì)刀具前刀面的摩擦力和刀具后刀面對(duì)過(guò)渡表面和已加工表面之間的摩擦力和刀具后刀面對(duì)過(guò)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(guò)渡表面并與基面垂直切于過(guò)渡表面并與基面垂直 ( (切削力或切向力切削力或切向力) )進(jìn)給抗力進(jìn)給抗力FxFx 處于基面內(nèi)并與工件軸線平行處于基面內(nèi)并與工件軸線平行 ( (進(jìn)給力或軸向力進(jìn)給力或軸向力) )切深抗力切深抗力FyFy 處于基面內(nèi)并與工件軸線垂直處于基面內(nèi)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(jìn)給抗力 消耗在切削過(guò)程中的功率稱為消耗在切削過(guò)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(méi)有位移，不消耗功率。所以方向沒(méi)有位移，不消耗功率。所以 3wczm101000fnFvFPx式中式中: : n nw w工件轉(zhuǎn)速工件轉(zhuǎn)速(r/s)(r/s)。 因因F Fx x相對(duì)于相對(duì)于F Fz z所消耗的功率來(lái)說(shuō)一般很小，可略去不計(jì)。所消耗的功率來(lái)說(shuō)一般很小，可略去不計(jì)。 因而因而 Pm=Fzvc10-3 測(cè)定機(jī)床功率及計(jì)算切削力測(cè)定機(jī)床功率及計(jì)算切削力

4、 P Pm m=P=PE Em m 用測(cè)力儀（機(jī)械、液壓和電氣測(cè)力儀）測(cè)量切削力用測(cè)力儀（機(jī)械、液壓和電氣測(cè)力儀）測(cè)量切削力 多采用多采用電阻應(yīng)變片式測(cè)力儀，壓電式測(cè)力儀電阻應(yīng)變片式測(cè)力儀，壓電式測(cè)力儀采用單片機(jī)微機(jī)進(jìn)行切削力數(shù)據(jù)采集和處理采用單片機(jī)微機(jī)進(jìn)行切削力數(shù)據(jù)采集和處理4.2 4.2 切削力的測(cè)量及切削力的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試切削力的測(cè)量及切削力的計(jì)算機(jī)輔助測(cè)試 式中式中: : F Fz z、FyFy、FxFx: :分別為主切削力、切深抗力、進(jìn)給抗力；分別為主切削力、切深抗力、進(jìn)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(guān)系數(shù)；

5、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: :分別為分別為三個(gè)分力公式中，背吃刀量三個(gè)分力公式中，背吃刀量a ap p、進(jìn)給量、進(jìn)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 KFzFz , K, KFyFy , 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)。4.3 4.3 切削力的指數(shù)公式和切削力的預(yù)報(bào)及估算切削力的指數(shù)公式和切削力的預(yù)報(bào)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(guò)實(shí)驗(yàn)求得通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得p p后，后， 則可通過(guò)上式求得主切削力則可通過(guò)上式求得主切削力F Fz z。 wmsZPP 式中式中: : Z Zw w單位時(shí)間內(nèi)的金屬切除量（單位時(shí)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(shí)間內(nèi)切除單位體積的金屬所消耗的功率稱為單位時(shí)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單

7、位切削功率PsPs。通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得通過(guò)實(shí)驗(yàn)求得p p后，反過(guò)來(lái)可以求得后，反過(guò)來(lái)可以求得P Pm m，然后再計(jì)算，然后再計(jì)算F Fz z。在設(shè)計(jì)機(jī)床選擇電機(jī)功率在設(shè)計(jì)機(jī)床選擇電機(jī)功率P PE E時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算時(shí)，應(yīng)按下式計(jì)算 mmPPE式中式中 m m 機(jī)床傳動(dòng)效率，通常機(jī)床傳動(dòng)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(lái)源于工件材料的彈塑性變形及刀具與切屑、切削力來(lái)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(guò)程中材料的變形工件表面的摩擦，因此凡是影響切削過(guò)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(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， 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(guò)材料的工件材料是通過(guò)材料的剪切屈服強(qiáng)度剪切屈服強(qiáng)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(qiáng)度、硬度愈

9、高，材料的剪切屈服強(qiáng)度工件材料強(qiáng)度、硬度愈高，材料的剪切屈服強(qiáng)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(qiáng)度高強(qiáng)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(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(jìn)給量增加，切削力增加，但不成正比；進(jìn)給量增加，切削力增加，但不成正比；切削速度對(duì)切削力影響復(fù)雜切削速度對(duì)切削力影響復(fù)雜1 1、 背吃刀量背吃刀量a ap p、進(jìn)給量、進(jìn)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(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(shí)增大時(shí)( (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(shí)增大時(shí)( (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(shí)切時(shí)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(shí)驗(yàn)公式中的增大影響明顯。一般切削力實(shí)驗(yàn)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)接近于的指數(shù)接近于0.750.75也可說(shuō)明這一點(diǎn)。也可說(shuō)明這一點(diǎn)。 可見(jiàn)，在同樣切削面積下，采用大的可見(jiàn)，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(duì)切削力的影響對(duì)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(shí)，切削塑性金屬時(shí)，v vc c對(duì)切削力的影響如同對(duì)切削變形影響的對(duì)切削力的影響如同對(duì)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

13、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(shí)，時(shí)，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(shí)曲線如圖加工鑄鐵時(shí)曲線如圖4 41212（P69P69） v v對(duì)切削力影響不大。對(duì)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(duì)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(shí)，由式加工鋼料時(shí)，由式可知，可知，o o增大，增大，減小，

14、減小，則切削力減??；加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，因變形和加工硬化小，則切削力減小；加工鑄鐵等脆性材料時(shí)，因變形和加工硬化小，o o對(duì)力的影響不顯著。對(duì)力的影響不顯著。)(4o前角對(duì)0切削力的影響前角0切削力F0 - Fz0 Fy0 Fx 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(qiáng)刀刃強(qiáng)度，有利于增強(qiáng)刀刃強(qiáng)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(guò)其寬度對(duì)進(jìn)給負(fù)

15、倒棱是通過(guò)其寬度對(duì)進(jìn)給量之比來(lái)影響切削力的。量之比來(lái)影響切削力的。b br1r1/f/f增大時(shí)，切削力增大。增大時(shí)，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(zhǎng)度。值取決于刀屑接觸長(zhǎng)度。當(dāng)大于接觸長(zhǎng)度時(shí)，前刀面當(dāng)大于接觸長(zhǎng)度時(shí)，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(duì)切削面積和分力的影響對(duì)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(duì)對(duì)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?。坏?dāng)r r增至增至60607575之間時(shí)，之間時(shí)，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?yàn)椋褐饾u增大。這是因?yàn)椋簉 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(guān)系，由圖可得的關(guān)系，由圖可得 Fx=FNsinrFy=FN cosr 其影響規(guī)律見(jiàn)圖。其影響規(guī)律見(jiàn)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(zhǎng)徑比超過(guò)小。長(zhǎng)徑比超過(guò)1010的細(xì)長(zhǎng)軸，剛性差，加工時(shí)為避免振動(dòng)，的細(xì)長(zhǎng)軸，剛性差，加工時(shí)為避免振動(dòng)， 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(duì)切削力的影響對(duì)切削力的影響 圖圖 r r與刀刃曲線部分的關(guān)系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

18、 p、 f f、r r不變時(shí)，不變時(shí)， r r增大，將使曲線部分各點(diǎn)的增大，將使曲線部分各點(diǎn)的a ac c、r r減小。減小。 r r增大對(duì)增大對(duì)F Fx x、F Fy y要比對(duì)要比對(duì)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(shí)，所以當(dāng)工藝系統(tǒng)的剛性較差時(shí)， 宜用小宜用小r r。刀尖圓弧半徑對(duì)切削力的影響與刀尖圓弧半徑對(duì)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。圖圖 r對(duì)切削力的影響對(duì)切削力的影響 5 5、刃傾角、刃傾角ss。 實(shí)驗(yàn)證明，實(shí)驗(yàn)證明，s s對(duì)對(duì)F Fz z的影響不大，但對(duì)的影響不大，但對(duì)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?。欢M(jìn)給抗減??；而進(jìn)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(duì)切削力的影響對(duì)切削力的影響 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(duì)主切削力影響不大，對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給對(duì)主切削力影響不大，對(duì)吃刀抗力和進(jìn)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(duì)主切削力影響不大，對(duì)對(duì)主切削力影響不大，對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給抗力影響顯著（吃刀抗力和進(jìn)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(duì)主切削力影響不大，對(duì)吃刀抗力對(duì)主切削力影響不大，對(duì)吃刀抗力和進(jìn)給抗力影響顯著（和進(jìn)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(shù)影響切削刀具材料與被加工材料間的摩擦系數(shù)影響切削力的變化。力的變化。如硬質(zhì)合金的如硬質(zhì)合金的值隨鈷含量的增多和碳化鈦含量值隨鈷含量的增