简介
在切削加工中，切削力是一个非常重要的参数，切削热、刀具磨损等物理现象都与切削力有关，切削力还是设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。
一、切削力、切削合力与分力、切削功率
1．切削力
切削时，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力称为切削力。切削力来源于以下两个方面（图2-25）：
图2-25 切削力的来源图2-25 切削力的来源
|
1）克服切削层材料和工件表面层材料对弹性变形、塑性变形的抗力。
2）克服刀具与切屑、刀具与工件表面间摩擦阻力所需的力。
2．切削合力及分解
上述各力的总和形成作用在车刀上的合力。为了便于测量和应用，可将分解为 、 和 三个互相垂直的分力。图2-26所示为车削时切削合力分解情况，其中：
图2-26 切削合力和分力
|
垂直于基面，与切削速度 的方向一致，称为切削力（也称切向力、主切削力）。 是计算切削功率和设计机床的主要参数。
平行于基面，并与进给方向（即工件轴线方向）相垂直，称为背向力（也称切深抗力、径向力）。车外圆时， 虽不作功，但 会使机床加工系统（含机床、刀具和工件）变形，产生加工误差，对工件加工精度的影响极大。
平行于基面，并与进给方向平行，称为进给力（也称轴向力）。 是设计机床进给机构或校核其强度的主要参数。
在上述三个分力中， 值最大， 约为 ， 约为 。
由图2-26可知：
 （2-15）
3．切削功率
消耗在切削过程中的功率称为切削功率，用 表示。因为在 方向位移极小，可忽略不计，所以可以近似认为 不作功，不消耗功率，切削功率为 和 作功所消耗的功率之和。
 （2-16）
式中 ——切削力（N）；
——切削速度（m/s）；
——进给力（N）；
 ——工件转速（r/s）；
 ——进给量（mm/r）。
式（2-16）中括号内第二项是 消耗的功率，与第一项相比很小（一般小于1%），可忽略不计。因此，可以认为
（2-17）
根据切削功率选择机床电动机时，还要考虑机床的传动效率。机床电动机的功率 应为
≥ （2-18）
式中 ——机床传动效率，一般取为0.75~0.85。
4．单位切削力的概念
单位切削面积上的切削力称为单位切削力，用 表示：
（2-19）
式中 ——切削力（N）；
——切削面积（mm2）。
若已知单位切削力 ，即可通过式（2-19）计算切削力 。
二、切削力的测量及切削力经验公式 用测力仪测出切削力，再通过对实验数据的处理，可求得计算切削力的经验公式。在生产实际中，一般都用经验公式来计算切削力。
1．切削力的测量
目前常用的测力仪有电阻式测力仪和压电式测力仪。图2-27所示为切削力测量系统。测力仪输出的模拟信号经A/D转换成数字信号后输入计算机，计算机对测试数据进行处理后即可求得切削力经验公式。在自动化生产中，还可以用测力系统测得的切削力信号实时监控和优化切削过程。
图2-27 切削力测量系统
|
2．切削力经验公式
生产实际中应用比较广泛的切削力经验公式为
（2-20）
式中 、 、 ——取决于被加工材料和切削条件的切削力系数；
、 、 、 、 、 、 、 、 ——分别为三个分力公式中，背吃刀量 、进给量 和切削速度 的指数；
、 、 ——当实际加工条件与建立经验公式的试验条件不相符时，各种影响因素对各切削分力的修正系数的乘积。各修正系数的值可查阅参考文献[32]或有关机械加工工艺手册。
表2-3列出了在不同工况条件下进行车削试验经数据处理得到的上述有关系数和指数。
表2-3 车削力公式中的系数和指数
加工材料
| 刀
具
材
料
| 加工形式
| 公 式 中 的 系 数 及 指 数
| 主切削力
| 背向力
| 进给力
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
| 结构钢及铸钢
| 硬质
合金
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 2795
| 1.0
| 0.75
| -0.15
| 1940
| 0.9
| 0.6
| -0.3
| 2880
| 1.0
| 0.5
| -0.4
| 切槽及切断
| 3600
| 0.72
| 0.8
| 0
| 1390
| 0.73
| 0.67
| 0
| —
| —
| —
| —
| 高
速
钢
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 1770
| 1.0
| 0.75
| 0
| 1100
| 0.9
| 0.75
| 0
| 590
| 1.2
| 0.65
| 0
| 切槽及切断
| 2160
| 1.0
| 1.0
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| 成形车削
| 1855
| 1.0
| 0.75
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| 不锈钢
| 硬质
合金
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 2000
| 1.0
| 0.75
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| 灰铸铁
| 硬质
合金
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 900
| 1.0
| 0.75
| 0
| 530
| 0.9
| 0.75
| 0
| 450
| 1.0
| 0.4
| 0
| 高
速
钢
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 1120
| 1.0
| 0.75
| 0
| 1165
| 0.9
| 0.75
| 0
| 500
| 1.2
| 0.65
| 0
| 切槽及切断
| 1550
| 1.0
| 1.0
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
|
| 可锻铸铁
| 硬质
合金
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 795
| 1.0
| 0.75
| 0
| 420
| 0.9
| 0.75
| 0
| 375
| 1.0
| 0.4
| 0
| 高
速
钢
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 980
| 1.0
| 0.75
| 0
| 865
| 0.9
| 0.75
| 0
| 390
| 1.2
| 0.65
| 0
| 切槽及切断
| 1375
| 1.0
| 1.0
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| 中等硬度不均质铜合金
| 高
速
钢
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 540
| 1.0
| 0.66
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| 切槽及切断
| 735
| 1.0
| 1.0
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| 铝及铝硅合金
| 高
速
钢
| 外圆纵车、横车及镗孔
| 390
| 1.0
| 0.75
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| 切槽及切断
| 490
| 1.0
| 1.0
| 0
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
| —
|
注： 刀具切削部分几何参数：硬合金金车刀 、 、
高速钢车刀 、 、刀尖圆弧半径
[例2-1] 在CA6140型车床上粗车 的圆柱面。已知工件材料为45钢， ；刀具材料牌号为YT15；刀具切削部分几何参数： ， ， ， ， ， ，刀尖圆弧半径 ；切削用量： ， ， 。试求三向切削分力 、 、 及切削功率 。
解 由表（2-3）查得
加工条件中的刀具前角 和主偏角 与表（2-3）的实验条件不符，计算时需进行修正。由文献[32]查得前角 的修正系数分别为 ， ， ；主偏角 的修正系数分别为 ， ， ；其余加工条件与表（2-3）试验条件相同，相应的各项修正系数值均为1。
由公式（2-20）和（2-17）得：
三、影响切削力的因素
1．工件材料的影响
工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。切削脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦都比较小，故其切削力相对较小。
2．切削用量的影响
（1）背吃刀量 和进给量 和 增大，都会使切削力增大，但两者的影响程度不同。 增大时，变形系数 不变，切削力成正比增大； 增大时， 有所下降，故切削力不成正比增大。在车削力的经验公式中， 的指数 近似等于1， 的指数 小于1。在切削层面积相同的条件下，采用大的进给量 比采用大的背吃刀量 切削力要小些。
（2）切削速度 切削塑性材料时，在无积屑瘤产生的切削速度范围内（参见图2-20Ⅰ、Ⅳ），随着 的增大，切削力减小；这是因为 增大时，切削温度升高，摩擦系数 减小，从而使 减小，切削力下降。在产生积屑瘤的情况下，刀具的实际前角是随积屑瘤的成长与脱落变化的。在积屑瘤增长期（参见图2-20Ⅱ区）， 增大，积屑瘤高度增大，实际前角增大， 减小，切削力下降；在积屑瘤消退期（参见图2-20Ⅲ区）， 增大，积屑瘤减小，实际前角变小， 增大，切削力上升。图2-28为加工塑性金属得到的实验曲线，在该图给定的切削条件下，产生积屑瘤的区域为 ＜ ＜ ，在这个区域内切削力随 变化呈凹谷形。
图2-28 切削速度对切削力的影响
工件材料：45钢（正火），187HBS；刀具：外圆车刀，材料为YT15；
刀具几何参数：γo=18°，αo=6°～8°，αoˊ=4°～6°，κr=75°，
κrˊ=10°～12°，λs=0°，bγ1=0，rε=0.2mm；
切削用量：ap=3mm，f=0.25mm/r
|
切削铸铁等脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小， 对切削力没有显著影响。
3．刀具几何参数的影响
（1）前角 增大， 减小，切削力下降。切削塑性材料时， 对切削力的影响较大；切削脆性材料时，由于切削变形很小， 对切削力的影响不显著。
（2）主偏角 由图2-26可知，主偏角 增大，背向力 减小，进给力 增大。
（3）刃倾角 改变刃倾角将影响切屑在前刀面上的流动方向，从而使切削合力的方向发生变化。增大 ， 减小， 增大。 在 范围内变化时， 基本不变。
（4）负倒棱 为了提高刀尖部位强度、改善散热条件，常在主切削刃上磨出一个带有负前角 的棱台，其宽度为 ，如图2-29所示。负倒棱对切削力的影响与负倒棱面在切屑形成过程中所起作用的大小有关。当负倒棱宽度 小于切屑与前刀面接触长度 时，如图2-29b所示，切屑除与倒棱接触外，主要还与前刀面接触，切削力虽有所增大，但增大的幅度不大。当 ＞ 时，切屑只与负倒棱面接触，相当于用负前角为 的车刀进行切削，与不设负倒棱相比，切削力将显著增大。
图2-29 负倒棱车刀
|
4．刀具磨损
后刀面磨损增大时，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力增大。
1． 切削液
使用以冷却作用为主的切削液（如水溶液）对切削力影响不大，使用润滑作用强的切削液（如切削油）可使切削力减小。
2． 刀具材料
刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小，导致切削力变化。在其它切削条件完全相同的条件下，用陶瓷刀切削比用硬质合金刀具切削的切削力小，用高速钢刀具进行切削的切削力最大。
|
