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切削力与切削功率
切削力及其分解、切削功率
（1） 切削力产生与切削力分解 切削加工时，刀具作用下，被切削层金属、切屑和工件已加工表面金属都要产生弹性变形和塑性变形，这些变形所产生抗力分别作用前刀面和后刀面上：同时，切屑沿前刀面流出，刀具与工件之间有相对运动，还有摩擦力作用刀面和后刀面上。这些作用刀具上合力就是总切削力F，简称切削力。
F受很多因素影响，，其大小和方向都是不固定。便于分析切削力作用和测量切削力大小，常常将总切削力F分解为如图1-9所示三个互相垂直切削分力：
1)切削力Fc是总切削力主运动方向上分力。，它垂直与基面，是切削力中最大一个切削分力。其所消耗功率占总功率95%~99%。它是计算机床动力，校核刀具、夹具强度与刚度主要依据之一。
2) 背向力Fp是总切削力切削深度方向上分力。它基面内，与进给运动方向垂直。
图1-9 切削力分解
此力作用机床一夹具一工件一刀具系统刚度最弱方向上，容易引起振动与加工误差，它是设计和校验系统刚度和精度基本参数。
3) 进给力Ff是总切削力进给运动方向上分力。它基面内，与进给运动方向一致。Ff作用机床进给机构上，是计算和校验机床进给系统动力、强度及刚度主要依据之一。
由图1-9可知，总切削力F与三个切削分力之间关系为
 （1-1）（2） 切削功率 消耗切削过程中功率称为切削功率pm。切削功率为切削力Fc和进给力Ff所消耗功率之和，因背向力Fp没有位移，不消耗功率。切削功率（W）为
 （1-2）式中：Fc—切削力（N）
υc—切削速度（m/s）
Ff—进给力（N）
υf—进给速度（mm/s）。
一般情况下，Ff所消耗功率（约占pm1%~2%）远小于Fc所消耗功率，，式（1-2）可简化为
 （1-3）按上式求Pm后，如要计算机床电动机功率PE，还应将Pm除以机床传动效率ηm（一般取ηm=0.75~0.85），即
 (1-4)2.切削分力经验公式
目前，生产中计算切削分力经验公式可分为两类：一类是按单位切削力进行计算。
（1） 计算切削力指数公式 用指数公式计算切削力是生产实际中或广泛作用，其形式为
 (1-5)式中CFc、CFP、CFf—决定于被加工材料和切削条件系数：
xFC、yFC、nFC、xFp、yEP、nFP、
xFf、yFf、nFf、—分别为三个分力公式中切削深度ap、进给量f和切削速度υc指数：
kFC、kFP、kFf、—分别为三个分力计算式中，当实际加工条件与求经验公式时条件不符时，各种因素对切削分力修正系数积。
设kMF、KyOF、kKRF、kλSF、 kR∈F、kTF分别为被加工材料力学性能，刀具前角、主偏角、刃倾角、刀尖圆弧半径、耐用度改变时对切削分力修正系数，并以kF表示kFC、kFP、kFf，则
KF=kMF、KyOF、kKRF、kλSF、 kR∈F、kTF （1-6）
式（1-5）中各系数、指数数值，以及式（1-6）中各种切削条件下修正系数数值可本书有关章节中查。
（2） 用单位切削力计算切削力和功率 单位切削力p是单位切削层公称横截面积（m2）上切削力（N）， (1-7)：
 (1-8)
式中 Fc—切削为（N）:
AD—切削层公称横截面积（m2）:
bD—切削层公称宽度（mm）：
hD—切削层公称厚度（mm）：
ap—切削深度（mm）：
f—进给量（mm/r）。
单位切削功率pc是单位时间内切除单位体积材料所需切削功率（W/(m3/s)).
 (1-9) 式中 Q—材料切除率（m3/s）：
υc—切削速度（m/s）：
pc—切削功率（W）：
 （1-10） 将Q、Pc、代入式（1-9）
，知道了单位切削力p，就可由式（1-8）计算出切削力FC，并用式（1-10）计算出切削功率pc。
单位切削力具体数值可有关文献中查到。表1-1是硬质合金外圆车刀车削几种常用材料单位切削力和单位切削功率。
表1-1硬质合金外圆车刀切削常用金属材料时单位切削力与单位切削功率
注：1、切削各种钢，用YT15刀片：切削不锈钢、各种铸铁与铜、铝，用YG8或YG6刀片：用YW2刀片。
2、不加切削液。
表1-2 影响切削力因素
影响切削力因素（见表1-2）
切削力测量
测量切削分力方法有两类：一类是间接测量法，例如把应变片贴滚动轴承外环上、用为移计测量主轴或刀架变形量、测量驱动电动机耗电功率或转差率、测量静压轴承压力等，利用这些方法便可间接测量切削力大小：另一类是直接测量法，主利用各种测力仪来进行测量。常用测量仪是应变片式和压电式两种，其工作原理是利用切削力作用测力仪弹性元件上所产生变形，或作用压电晶体上产生电荷转换后，来测量各切削分力。
（1） 电阻应变片式测力仪这种测量仪具有灵敏高度，量程范围大，既可用语静态、也可用于动态测量，以及测量精度较高等特点。
测量仪常用电阻软件叫做电阻应变片。将若干电阻应变片紧贴测量仪弹性元件发生变形，使应变片电阻值改变，破坏了电桥平衡，有与切削力大小相应电流输出，经放大、标定后就可读出三向切削力之值。
图1-10 八角环车削测力仪及应变片布置
（2） 压电式测力仪这是一种灵敏度高，刚度大，自振频率高，线性度和抗相互干扰都较好且无惯性高精度测力仪，特别适用于测量动态力及瞬时力。其缺点是易受湿度影响，连续测量稳定或变化不大力时，会产生因电荷泄漏而引起零点漂移，影响测量精度。压电测力仪工作原理是利用石英晶体或压电陶瓷压电效应。受力时，她们表面将产生电荷，电荷多少与所施加压力成正比而与压电晶体大小无关。用电荷放大器转换成相应电压参数，可测出力大小（见图1-11a）。
将几个石英元件按次序机械排列一起，就可构成多向力传感器（见图1-11b）。加传感器上力作用石英片上，石英晶体切割方向选择不同，各受力方向上灵敏度不同，故能分别测出各个切割分力。
图1-11 压电式传感器
a) 但向测力传感器及测力系统 b）三向测力传感器
1—压电传感器 2—电荷放大器 3—峰值电压表 4—阴极射线示波器 5—光线示波器 6—聚四氟套 7—晶片 8—盖 9—电子束焊缝 10—基座
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