金属切削原理 4第四章 切削力

金属切削原理与刀具Principle of Metal Cutting and Cutting Tools
第四章切削力
4.1 切削力的来源、切削合力及分力、切削功率4.2 切削力的测量及切削力的计算机辅助测试4.3 切削力的指数（实验）公式
4.4 影响切削力的因素
4.1 切削力的来源、切削合力及分力、切削功率
一、切削力的来源
切削过程中，刀具施加于工件使工件材料产生变形，并使多余材料变为切屑所需的力，称为切削力。

★3个变形区产生的弹、塑性变形抗力★切屑、工件与刀具间摩擦力
图4-1 切削力的来源
二、切削合力及其分解
通常将合力Fr分解为相互垂直的三个分力：切削力F z 、进给力F x 、背向力Fy
切削分力的作用-Fz （F c ）
主切削力(切向
分力)：切于过
渡表面并与基面
垂直，Fz使车
刀产生弯矩，是
计算车刀强度，
设计机床零件，
确定机床功率的
依据。

切削分力的作用-Fy（F p）
切深抗力、或背向
力、径向力、吃刀力
Fy：处于基面内并与
工件轴线垂直的力，
使工件产生弯曲，用
来确定与加工精度有
关的工件挠度，计算
机床零件和车刀强
度。

切削过程中产生
振动的力。

影响加工精度，是计
算系统刚度的依据。

切削分力的作用-Fx （F f）
刀力Fx：处于基面内
并与工件轴线平行与
走刀方向相反的力，
作用在进给机构上，
是计算进给机构强
度、计算车刀进给功
率的依据。

Fx、Fy 和Fz 的比较
Fz :Fy :Fx= 1: ( 0.4～0.5 ) : ( 0.3 ～0.4 )
Fr= ( Fz2 +Fy2 +Fx2 )0.5
Fr= ( 1.12 ～1.18 ) Fz
随车刀材料、几何参数、切削用量、工件材料和车刀磨损等情况不同，Fx、Fy和Fz之间的比例变化较大。

三、切削功率
测定机床功率，计算切削力
用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率P E 后，计算出切削功率Pm。

这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确。

当要求精确知道切削力的
大小时，通常采用测力仪直接测量用测力仪测量切削力。

4.2 切削力的测量及切削力的计算机辅助测试
应变式、压电式
式中：C Fz 、C Fy 、C Fx :系数
x Fz 、y Fz 、n Fz 等:对应指数，表示对切削力的影响程度
系数、指数查表4-1
K Fz 、K Fy 、K Fx 实际条件与所求得经验公式的条件不
符时修正系数，查表4-2、4-3、4-4，下式计算：
x x x x x y
y
y
y y
n x n
n F y x p F F y
x p F z
F y x p
F z K v f a C
F K
v f a
C
F K v
f
a C F F F F F F F z
z
F z F z
F z ⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅=一、计算切削力的指数公式
第四章切削力
4.3 切削力的指数（实验）公式
Fz
Fz Fz s Fz Fz Fz F K K K K K K K br1r m ⋅⋅⋅⋅⋅=ελγκ计算切削功率
负倒棱
不同材料，单位切削力不同。

即使同一种材料，切削用量不同，刀具几何参数不同，单位切削力也不同。

修正系数
9切削力的大小计算有理论公式和实验公式。

理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力。

9常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算；另一类是按单位切削力进行计算。

9在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力。

不同的加工方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手册中查得。

车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表4-1。

9若已知单位切削力p ，即可求得单位切削功率p。

表4-5为
s
硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削功率。

实际切削条件与表中不符时, 须引入修正系数修正。

9实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册。

二、指数公式的建立
切削力实验方法
1)单因素法：改变一个因素而使其他因素保持不
变，测出切削力；
2)多因素法：同时改变多个因素，测出切削力。

数据处理方法
1)图解法，有误差
2)最小二乘法，精确
1）指数公式的建立示例-图解法
切削力指数公式
z
z
F z
F z
F
y x
p F z K f a C F ⋅⋅⋅=(1)确定试验条件
(2) 固定f ，测量a p 与Fz 关系(3) 确定Fz 与a p 的关系
(4) 固定a p ，测量f 与Fz 关系(5) 确定Fz 与f 的关系(6) 求系数C Fz
(7) 修正系数的获得
z
F z
F y x f
a C F ⋅⋅⋅=
z
F z
F y x f
a C
F ⋅⋅⋅=
(6) 求系数C Fz
当f=f 0=0.3mm/r
C Fz ·a p ·(0.3) 0.84=600 ·a p
C Fz =600/(0.3)0.84≈1648
当a p ＝3mm 时
C Fz ·(3)1 ·f 0.84=4900 ·f 0.84
C Fz =4900/3=1640
C Fz =(1648+1640)/2 ≈1640 得经验公式Fz=1640 ·ap ·f 0.84
z
z
F z
F z
F y x p F z
K
f
a
C
F ⋅⋅⋅=
(7) 修正系数的获得
经验公式是在一定条件下获得的，条件改变计算力肯定有误差，必须修正
z
z
F z
F z
F y
x
p F z
K
f
a
C
F ⋅⋅⋅=Fz
Fz Fz s Fz Fz Fz F K K K K K K K O r z br1r m ⋅⋅⋅⋅⋅=ελγκ负倒棱
2）最小二乘法，精确
第四章切削力
4.4 影响切削力的因素
1. 工件材料
2. 切削用量
3. 刀具几何参数
4. 刀具材料
5. 切削液
6. 刀具磨损
一、工件材料
影响较大的因素主要是工件材料的强度、硬度和塑性
强度硬度↑⇒τs ↑⇒Fr ↑
强度硬度相同，塑性↑⇒μ↑⇒Fr ↑
（3）切削速度V
BUE ↑⇒r oe ⇒F ↓
↓⇒F ↑
μ↓，ф↑，ξ↓，T ↑⇒F ↓
A
B A ：BUE （积屑瘤）最大切削速度υ
切削速度υ
（4）切削用量对切削力F的影响比较
a p>f>v
从降低切削力出发，选用大的v和f比a p有利
三、刀具几何参数
↑→切削变形↓
1. 前角的影响：塑性材料，γ
o
→切削力↓
脆性材料，切屑变形和加工硬化小，对切削力影响不大。

图4-14 负倒棱对切削力的影响2. 负倒棱的影响：
负倒棱参数大大提高了正前角刀具的刃口强度，但同时也增加了负倒棱前角(负前角)参加切削的比例，负前角的绝对值↑→切削变形程度↑→切削力↑。

3. 主偏角的影响：
图4－17主偏角对切削力的影响刀尖圆弧半径r
ε
图4-21 主偏角不同时Fx 、Fy 力的分解
（a ）K 小（b ）K 大F y =F xy cosK r F x =F xy SinK r
K r ↑→F y ↓, F x ↑
4. 刃倾角的影响：
λs ↓→F
y ↑, F
x
↓, F
z
基本不变
5. 刀尖圆弧半径r
ε
刀尖圆弧半径r
ε
↑→切削刃圆弧部分的长度↑→切削变形↑→
切削力↑。

此外r
ε
增大，整个主切削刃上各点主偏角的平均值
减小，从而使F
y 增大、F
x
减小。

本章小结
1.切削力分解
2.切削力指数（经验）公式建立
3.切削力计算
4.影响切削力的因素：工件材料、切削用
量、刀具几何参数、刀具材料、切削
液、刀具磨损
本章习题：P80：3, 4, 6。