切削力分析及影响因素

1）总切削力的分解、计算和切削功率

在切削过程中，刀具切入工件，使切削层变为切屑并沿前面流出，同时获得已加工表面。这不仅需要使工件材料产生剪切变形的作用力，还需要克服发生在刀具前、后面上的内摩擦阻力。因此，切削过程中的力是分散在第Ⅰ、第Ⅱ和第Ⅲ变形区内的，为便于研究，将这些分散的力集中起来，这就是总切削力F。总切削力是计算切削功率，设计和选用机床、夹具、刀具的必要依据。

（1）总切削力的分解

图2.27为车削外圆时，刀具作用在工件上的总切削力的分解示意图。随着加工条件的不同，总切削力F的方向和数值都是变化的。为了应用和测量的方便，常将总切削力F分解在与机床主运动和进给运动方向相一致的三个互相垂直的方向上，形成三个分力。

图2.27　总切削力的分解

①切削力Fc——总切削力F在主运动方向上的分力。由于Fc是主要做功的力，所以也称为主切削力或切向力，是计算刀具强度、设计机床零件及校验机床功率的主要参数。

②背向力Fp——总切削力F在垂直于工作平面方向上的分力。由于Fp指向工件轴心，所以也称为径向力，它能使工件变形或产生切削振动，故对加工精度及已加工表面质量影响较大，是计算工艺系统的刚度及变形量的主要参数。

③进给力Ff——总切削力F在进给运动方向上的分力。由于Ff的指向与工件轴线的方向一致，所以也称为轴向力，是计算机床走刀机构强度及校验机床进给功率的主要参数。

由图2.27可知，总切削力F先分解为Fc和FD，然后再将FD分解为Fp和Ff，因此

如果不考虑副切削刃的切削作用及其他造成流屑方向改变的因素的影响，总切削F就在刀具的正交平面内，如图2.27（a）所示，故有

一般情况下，主切削力Fc最大，Fp和Ff小一些。随着刀具几何参数、刃磨质量、磨损情况和切削用量的不同，Fp和Ff相对于Fc的比值在很大的范围内变化。

（2）切削力计算

切削力计算指消耗在切削过程中的功率。总切削力所做的功实际上是第一变形区内的剪切功和第二、第三变形区内的摩擦功的总和。

通过大量实验，用测力仪测得各向分力后，通过数据处理，可得切削力的经验公式。生产中切削力的经验公式分两类：一是指数公式；一是按单位切削力计算的公式。

①计算切削力的指数公式：

式中　，，——与工件材料、刀具有关的影响系数，其大小与试验条件有关；

　　　，，——背吃刀量ap对切削各分力的影响指数；

　　　yFc，，——进给量f对切削各分力的影响指数；

　　　，，——切削速度vc对切削各分力的影响指数；

　　　，，——实验条件与计算条件不同时的修正系数。

具体切削环境下的上述经验公式中的指数或系数参见相关的《机械加工工艺手册》。

对于最常见的外圆车削、镗孔等，=1，=0.75，=0，这是一组最典型的值。不仅用于计算切削力，还可用于分析切削中的一些现象。

②单位切削力的计算公式：

用单位切削力p来计算主切削力是一种更简便的形式。单位切削力是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。用p表示为

(www.xing528.com)

（3）切削功率计算

切削功率指消耗在切削过程中的功率。如前所述，总切削力所做的功实际上是第一变形区内的剪切功和第二、第三变形区内的摩擦功的总和，也就是各切削分力所作功的总和。外圆车削中，Fc方向的运动速度是切削速度vc；Fp方向的运动速度为零，即Fp不做功；Ff方向的运动速度是进给速度vf，由于Ff小于Fc，vf又比vc小得多，Ff所做的功仅占1%~2%，因此，一般切削功率Pc仅根据Fc和vc来计算，即

式中　Pc——切削功率，kW；

　　　Fc——切削力，N；

　　　vc——切削速度，m/min。

根据切削功率选择电动机时，还要考虑机床的传动效率，故机床电动机的功率PE为

式中　PE——机床电动机功率，kW；

　　　ηc——机床传动效率，一般取0.75~0.85。

2）影响切削力的主要因素

（1）工件材料的影响

工件材料的强度硬度越高，切削力越大；工件材料的塑性或冲击韧度越大，变形抗力和摩擦力越大，切削力也越大。切削脆性材料时，由于塑性变形小，蹦碎切屑与前刀面的摩擦小，所以切削力小。

（2）切削用量的影响

①背吃刀量：背吃刀量asp增大，切削力也增大，asp增大1倍时，Fc增大约1倍。其主要原因是asp增大1倍时，切削层厚度hD不变，而切削层宽度bD增大1倍，切削刃上的切削载荷随之增大1倍，即第Ⅰ、Ⅱ变形区的变形和摩擦按比例增大，所以导致切削力Fc增大约1倍。

②进给量：进给量f增大，切削力Fc也增大。f增大1倍时，Fc仅增大75%左右。其主要原因是f增大1倍时，切削层宽度bD不变，而切削层厚度hD增大1倍，切削变形减少，使第Ⅰ、Ⅱ变形区的变形和摩擦不能按比例增长，所以使切削力只能增大75%左右。

③切削速度：切削一般钢材时，切削速度vc对切削力Fc的影响呈波浪形，如图2.28所示。切削铸铁等脆性材料时，因塑性变形小，切削速度vc对切削力Fc无明显影响。

图2.28　切削速度对切削力影响

（3）刀具几何参数的影响

①前角：前角γo增大，若后角αo不变，楔角βo减小，则刀具锋利，切削变形减小，使切削力下降。加工塑性大的材料，增大前角，切削力下降明显；加工脆性的材料，增大前角，切削力下降不显著。

②主偏角：切削一般钢材时，当主偏角κr<60°时，随着κr的增大，切削力Fc减小；当κr=60°~75°时，Fc减小至最小；当κr>75°时，随着κr的增大，Fc增大。

在切削铸铁等脆性材料时，主偏角对切削力的影响很小，可忽略。背向力Fp随κr增大而减小；进给力Ff随κr增大而增大。

③刃倾角：刃倾角λs对切削力Fc的影响较小，而对背向力Fp和进给力Ff影响较大，如图2.29所示。

④刀尖圆弧半径：刀尖圆弧半径rε增大，刀尖圆弧部分参加切削的长度增大。因此切削变形增大，切削力增大。另外，刀尖圆弧部分各点的κr角不同，其平均角度值小于主切削刃直线部分的κr值，使背向力Fp增大，进给力Ff减小。因此当工艺系统刚性较差时，应选用小的圆弧半径，以避免振动。

（4）切削液的影响

切削液具有冷却、润滑、清洁、防锈的作用。选用润滑性能好的切削液，可以减小刀具前刀面与切屑、刀具后刀面与工件之间的摩擦，从而降低切削力。矿物油、植物油、极压切削油都有良好的润滑性能。

图2.29　刃倾角对切削力的影响