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1、第四節(jié) 切削力與切削功率 在切削過程中，切削力決定著切削熱的產(chǎn)生，并影響刀具磨損和已加工表 面質(zhì)量。在生產(chǎn)中，切削力又是計算切削功率，設(shè)計和使用機床、刀具、夾具 的必要依據(jù)。切削熱和由它產(chǎn)生的切削溫度，直接影響刀具的磨損和使用壽命， 并影響工件的加工精度和表面質(zhì)量。 一、切削力的來源，切削合力及其分解 (一） 切削力的來源 研究切削力，對進(jìn)一步弄清切削機理， 對計算功率消耗，對刀具、機床、夾具的設(shè) 計，對制定合理的切削用量，優(yōu)化刀具幾何 參數(shù)等，都具有非常重要的意義。金屬切削 時，刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生變形 并成為切屑所需的力，稱為 切削力 。切削力 來源
2、于三個方面： (如圖 1所示 ) 1、克服被加工材料對彈性變形的抗力； 2、克服被加工材料對塑性變形的抗力； 3、克服切屑對前刀面的摩擦力和刀具后刀 面對過渡表面與已加工表面之間的摩擦力。 圖 1 切削力的來源 （二）切削合力及其分解 它們的合力 Fr 作用在前刀面上近 切削刃處。為了便 于分析切削力的作 用和測量、計算切 削力的大小，通常 將合力 Fr，在按主 運動速度方向、切 深方向和進(jìn)給方向 作的空間直角坐標(biāo) 軸 z、 y、 x上分解 成三個為相互垂直 的 Fz、 Fy和 Fx三個 分力。 (圖 2) 1、主切削力 Fz（ 切向力） ：主運動切削速度方向的分力。
3、 Fz是最大的一個分力，它消耗了切削總功率的 95%左右，是設(shè) 計與使用刀具的主要依據(jù)，并用于驗算機床、夾具主要零部件的強 度和剛度以及機床電動機功率。 圖 2 2、切深抗力 Fy（徑向力）：切深方向的分力。 Fy不消耗功 率，但在機床 一工件一夾具 一刀具所組成 的工藝系統(tǒng)剛 性不足時，是 造成振動的主 要因素。 3、進(jìn)給抗力 Fx： 進(jìn)給方向 的分力。 (圖 3) Fx消耗了總功率 5%左右，它是驗算機床進(jìn)給系統(tǒng)主要零、部件強 度和剛性的依據(jù)。 注： 在銑削平面對，上述分力亦稱為： Fr 切向力、 Fy 徑 向力、 Fx 軸向力。 圖 3 根據(jù)實驗， Kr=45， s=0和
4、 o=15時， Fz、 Fx和 Fy之間有以下近 似關(guān)系： Fy=（ 0.40.5)Fz ， Fx=（ 0.30.4)Fz 由此可得： F=（ 1.121.18)Fz 隨車刀材料、車刀幾何參數(shù)、切削用量、工件材料和車刀磨損 情況的不同， Fx、 Fy、 Fz之間的比例可在較大范圍內(nèi)變化。 二、切削功率 切削功率應(yīng)是各切削分力功率之和。由于 Fy方向的運動速度為 零，所以不做功。 Fx消耗的功率所占比例很小，約為總功率的 1% 5%，通常忽略不計。故切削功率 Pc（單位 KW）為 Pc=FzVc 10-3 其中： Pc 切削功率（ K
5、W）； Fz 切削力（ N）； Vc 切削速度（ m/s）； 按上式求得切削功率后，如要計算機床電動機的功率（ PE）以便選 擇機床電動機時，還應(yīng)考慮到機床傳動效率。 按上式求得切削功率后，如要計算機床電動機的功率（ PE） 以便選擇機床電動機時，還應(yīng)考慮到機床傳動效率。 PE Pc/m 式中 ： m 機床的傳動效率，一般取為 0.75 0.85，大值適用于 新機床，小值適用于舊機床。 三、單位切削力 是指切除單位切削層面積所產(chǎn)生的主切削力?？捎?Kc表示 (N/mm2) Kc=Fc/AD
6、 式中 AD 切削層公稱橫截面積（ mm2)， AD= apf; Fc 主切削力（ N）。 如果已知單位切削力 Kc，可利用下式計算主切削力： Fc = Kc *AD= Kc* ap*f 四、切削力測量與經(jīng)驗公式 生產(chǎn)、實驗中經(jīng)常遇到切削力的計算。目前 切削力的理論計 算公式 只能供定性分析用。因為切削力 Fz計算公式是在忽略了溫 溫度、正應(yīng)力、第 變形區(qū)變形與摩擦力等條件下推導(dǎo)出來的， 故不能用于計算。而求切削力較簡單又實用的方法是 利用測力儀 直接測出 或 通過實驗后整理成的實驗公式 求得。 1、用測力儀測量切削力 測力儀的測量原理是利用
7、切削力作用在測力儀的彈性元件上 所產(chǎn)生的變形，或作用在壓電晶體上產(chǎn)生的電荷經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，讀 出 Fz、 Fx、 Fy的值。在自動化生產(chǎn)中，還可利用測力傳感裝置產(chǎn) 生的信號優(yōu)化和監(jiān)控切削過程。 按測力儀的工作原理可以分為機械、液壓和電氣測力儀。目前 常用的是 電阻應(yīng)變片式測力儀 。 圖 4 測力系統(tǒng)方框示意圖 1、傳感器 2、電橋電路 3、應(yīng)變儀 4、記錄儀 傳感器是一個在彈性體上粘貼著電阻應(yīng)變片的轉(zhuǎn)換元件，通過 它使切削力的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化。將電阻應(yīng)變片連接成電橋 電路，當(dāng)應(yīng)變片的電阻值變化時，則電橋不平衡，產(chǎn)生了電流或 電壓訊號輸出，該訊號經(jīng)應(yīng)變儀放大，并由計錄儀顯
8、示出來。 通過標(biāo)定就能作出電量與切削力之間的關(guān)系圖表。在測力時根 據(jù)記錄的電量，可以從標(biāo)定圖表上查出對應(yīng)的切削力數(shù)值。 2、切削力的經(jīng)驗公式 圖 5 直桿式測力原理 目前，人 們已經(jīng)積累 了大量的切 削力實驗數(shù) 據(jù)，對于一 般加工方法， 如車削、孔 加工和銑削 等已建立起 了可直接利 用的經(jīng)驗公 式。 測力實驗的方法有 單因素法 和 多因素法 ，通常采用單因素法。 即固定其它實驗條件，在切削時分別改變背吃刀量 ap和進(jìn)給量 f， 并從測力儀上讀出對應(yīng)切削力數(shù)值，然后經(jīng)過數(shù)據(jù)整理求出它們 之間的函數(shù)關(guān)系式。 通過切削力實驗建立的車削力實驗公式，其一般形式為： 注意
9、： 切削力實驗公式是在特定的實驗條件下求出來的。在 計算切削力時，如果切削條件與實驗條件不符，需乘一個 修 正系數(shù) KF，它是包括了許多因素的修正系數(shù)乘積。 修正系數(shù) 也是用實驗方法求出。 五、影響切削力的因素 實踐證明，切削力的影響因素很多，主要有工件材料、切削用 量、刀具幾何參數(shù)、刀具材料刀具磨損狀態(tài)和切削液等。 1、工件材料 （ 1）硬度或強度提高，剪切屈服強度 s增大，切削力增大。 （ 2）塑性或韌性提高，切屑不易折斷，切屑與前刀面摩擦增大， 切削力增大。 2、切削用量 （ 1）背吃刀量（切削深度） ap、進(jìn)給量 增大，切削層面積增 大，變形抗力和摩擦力增大，
10、切削力增大。 由于背吃刀量 ap對切削力的影響比進(jìn)給量對切削力的影響大 ( 通常 XFz=1,YFz=0.75-0.9），所以 在實踐中，當(dāng)需切除一定量的 金屬層時，為了提高生產(chǎn)率，采用大進(jìn)給切削比大切深切削較省 力又省功率 。 （ 2）切削速度 vc 1）加工塑性金屬時 ，切削速度 Vc對切削力的影響規(guī)律如同對切 削變形影響一樣，它們都是通過積屑瘤與摩擦的作用造成的。 （以車削 45鋼為例，見圖 6） 圖 5 切削速度 vc對切 削力 Fc的影響規(guī)律 2）切削脆性 金屬時 ，因為 變形和摩擦均 較小，故切削 速度 Vc改變時 切削力變化不 大。 3、刀具幾何角度 主偏
11、角 Kr對切 削力的影響 （ 1）前角： 前角 增大，變形減小， 切削力減小。 （ 2）主偏角 Kr ： 主偏角 Kr在 300-600 范圍內(nèi)增大，由切 削厚度 hD的影響起 主要作用，使主切 削力 Fz減小；主偏 角 Kr在 600-900范圍 內(nèi)增大，刀尖處圓弧和副前角的影響更為突出，故主切削力 Fz增大。 一般地， Kr=600-750,所以主偏角 Kr增大，主切削力 Fz增大 。 Kr增大，使 Fy減小、 Fx增大 。 實踐應(yīng)用 ，在車削軸類零件，尤其是細(xì)長軸，為了減小切深抗 力 Fy的作用，往往采用較大的主偏角 r600的車刀切削。 (3)刃傾角 s： s對
12、Fz影響較小，但對 Fx、 Fy影響較大。 s 由正 向負(fù)轉(zhuǎn)變，則 Fx減小、 Fy增大。 （ 4）負(fù)倒棱： 在鋒利的切削刃上磨出負(fù)倒棱，可以提高刃區(qū)的強 度，從而提高刀具使用壽命，但使切削變形加大，切削力增加。負(fù) 倒棱是通過它的寬度 br與進(jìn)給量的比值（ br/f）來影響切削力的。 4、其它因素 （ 1）刀具圓弧半徑：增大，切削變形、摩擦增大，切削力增大。 （ 2）刀具磨損：后刀面磨損增大，刀具變鈍，與工件擠壓、摩 擦增大，切削力增大。 （ 3）切削液的影響：以冷卻作用為主的水溶液對切削力影響較 小，而潤滑作用強的切削油能夠顯著地降低切削力。這是因為它可 以減小摩擦力，甚至還能減小金屬的塑性變形。 （ 4） 刀具材料的影響：刀具材料不是影響切削力的主要因素。 但由于不同的刀具材料之間的摩擦系數(shù)不同，因此對切削力也有一 定的影響。
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