金属切削原理第四章切削力
《金属切削原理与刀具》知识点总结
《金属切削原理与刀具》知识点总结第一章金属切削原理金属切削原理是金属切削工艺的基础，本章主要介绍了金属切削的基本原理，包括金属切削过程、刀具与被切削材料接触形式、切削能量与热力学原理、切削硬度与切削力的关系等。
第二章刀具材料与结构刀具材料与结构对切削加工的质量和效率有重要影响，本章主要介绍了刀具材料的选择与评价，以及刀具的结构与分类。
刀具材料的选择包括一般刀具材料、质子刀具材料和陶瓷刀具材料等。
第三章切削力分析与测定切削力是切削加工过程中的重要参数，正确定量和测定切削力对于提高切削加工的效率和质量至关重要。
本章主要介绍了切削力的分析与计算方法，以及切削力的测定方法，包括间隙力法、应力传感器法、功率法和应力波法等。
第四章刨削刨削是一种通过切削工具的多齿切削运动将金属材料切割成所需形状和尺寸的加工方法。
本章主要介绍刨削的工艺流程、刨削用刀具和切削参数的选择，以及刨削的切削力分析与测定方法。
第五章车削车削是一种利用车床刀具进行切削的加工方法，广泛应用于金属加工领域。
本章主要介绍了车削的工艺流程、车削刀具的选择和切削参数的确定，以及车削的主要工艺规律和效果评定方法。
第六章铣削铣削是一种通过旋转刀具进行切削的加工方法，广泛应用于金属加工和模具制造等领域。
本章主要介绍了铣削的工艺流程、铣削刀具的选择和切削参数的确定，以及铣削中的刀具磨损与刀具寿命评价方法。
第七章钻削钻削是一种利用钻头进行切削的加工方法，广泛应用于孔加工和螺纹加工等领域。
本章主要介绍了钻削的工艺流程、钻头的选择和切削参数的确定，以及钻削中的刀具磨损与刀具寿命评价方法。
第八章线切割线切割是一种利用细金属丝进行切削的加工方法，主要用于金属板材的切割。
本章主要介绍了线切割的工艺流程、线切割刀具的选择和切削参数的确定，以及线切割中的切削质量评价方法和切削速度对切割效果的影响。
此外，本书还包括金属切削中的润滑与冷却、数控机床中的刀具管理、切削机床中的刀具装夹等内容，为读者提供了全面的金属切削工艺和刀具知识。
金属切削屑理
金属切削原理定义金属切削的过程是工件和刀具相互作用的过程。
刀具要从工件上切去一部分金属，并在保证高生产率和低成本的前提下，使工件得到符合技朮要求的形状、尺寸精度、和表面质量﹔为了实现这一切削过程必须具备以下三个条件：（1）工件与刀具要有相对运动即切削运动﹔（2）刀具材料必须具备一定的切削性能﹔（3）刀具必须具备适当的几何参数。
即切削角度等。
第一章 第一节 切削运动与切削用量 一、切削运动外圆切削和平面刨削是金属切削加工中常见的加工方法。
现以它们为例来分析工件与刀具的切削运动。
图1-1表示外圆切削时的情况，工件旋转，车刀连续纵向进给，于是形成工件的外圆柱表面。
图1-2表示的是在牛头刨床上刨平面的情况，刀具作直线往复运动，工件作间歇的直线进给运动。
圖1-1外圓車削的切削運動与加工表面圖1-2平面刨削的切削運動与加工表面在其它各种切削加工方法中,刀具或工件同样必须完成一定的切削运动.通常切削运动按其所起的作用可分为以下两种:1.主运动 使工件与刀具产生相对运动以进行切削的最基本的运动.称为主运动.这个运动的速度最高,消耗的功率最大.2.进给运动 使主运动能够继续切除工件上多余的金属,以便形成工件表面所需的运动,称为进给运动. 二.切削用量所谓切削用量是切削速度、进给量和背吃刀量三者的总称。
它们分别定义如下：1. 切削速度v 它是切削加工时，刀刃上选定点相对于工件的主运动的速度。
刀刃上各点的切削速度可能是不同的。
当主运动为旋转运动时，刀具或工件最大直径处的切削速度由下式确定：m i n )//(1000m s m dnV 或π=式中 d —完成主运动的刀具或工件的最大直径（mm ） n —主运动的转速（r/s 或r/min ）2.进给量f 它是工件或刀具的主运动每转或每一行程时，工件或刀具在进给运动方向上的相对位移量。
例如外圆车削时的进给量f 是工件每转一转时车刀相对于工件在进给运动方向上的位移量，其单位为mm/r;又如在牛头刨床上刨削时的进给量f 是刨刀每往复一次，工件在进给方向上相对刨刀的位移量，其单位为mm/双行程。
金属切削刀具第4-5章王老师课件
压电（晶体）传感器 9/52
第4章 切削力
• 4.2 切削力的测量及经验公式
– 4.2.3 切削力经验公式的建立
• 在生产实际中需要知道切削力的具体数值时，不可能每种情况都 进行测量而需要有一种在各种切削条件下都能对切削力进行估算 的通用公式。 • 切削力的经验公式是利用测力仪测得的切削力数据，经图解法、 线性回归法进行处理后所得到的。 • 回归分析（regression analysis)是确定两种或两种以上变量间相互 依赖的定量关系的一种统计分析方法。 • 按照自变量和因变量之间的关系类型，可分为线性回归分析和非 线性回归分析。
vf
vc
此式可用于求机床电机功率
PE
c
机床总传动效率
5/52
Pc
第4章 切削力
• 4.1.4 单位切削力
切削力的大小可采用测力仪测量，也可用经验公式计算出来。 单位切削力是指单位切削面积的切削力。
Fc kc ( N / mm2 ) AD
AD : 切削层公称横截面积 AD hDbD fa p hD : 切削厚度 bD : 切削宽度
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第4章 切削力
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第4章 切削力
– 4.3.3 其他因素
• 刀具材料
主要通过摩擦系数影响切削力。 在各类刀具材料中，摩擦系数是按金刚石、陶瓷、硬质合金、高速钢的顺序加 大的。
• 后刀面磨损程度
• 前刀面刃磨质量
• 使用切削液
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第4章 切削力
28/52
第4章 切削力
31/51
第5章 切削热与切削温度
Fc s hDbD s hDbD (1.4h C)
ap 和 f 的增大都导致切削力增大，但两者的影响程度不同。 ap增加1倍，切削宽度增加1倍， ap 对变形系数没有影响，切削 力增大1倍。 f的增加对切削力的影响有正反两方面：f 增加1倍，切削厚度也 增加1倍，切削力也应增大1倍； f 增加将使变形系数减小，切削 力又会减小。综合上述两反面的影响，随着f的增加，切削力不会 成正 比增大。
第四章 切削力 金属切削原理第2版华中科技大学出版社
－10° 0°
10°
15°
20°
30°
45号钢 灰铸铁
Kγ0Fz
Kγ0Fy Kγ0Fx Kγ0Fz Kγ0Fy Kγ0Fx
1.28 1.18 1.05 1.00 0.89 0.85
1.41 1.23 1.08 1.00 0.79 0.73 2.15 1.70 1.24 1.00 0.50 0.30 1.37 1.21 1.05 1.00 0.95 0.84 1.47 1.30 1.09 1.00 0.95 0.85 2.44 1.83 1.22 1.00 0.73 0.37
负倒棱－提高切削力 通过其宽度br1和进给量f的比值来影响切削力。
lf－切屑沿前刀面流出时与前刀面的接触长度。 切钢： lf＝（4～5）f；切铸铁： lf＝（2～3）f
（2）主偏角
Kr
加工细长轴？
Kr 900
主偏角kr在30°～60°范围内增大，由切削厚度ac的影响 起主要作用，促使主切削Fz减小；
2.80
45°
1.05 1.60 0.80 1.00 1.80 1.80
60°
1.00 1.25 0.90 1.00 1.17 1.17
75°
1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00
90°
1.05 0.85 1.15 1.00 0.70 0.70
（3）刀尖圆弧半径 r
Kr、ap、f一定的情况下，rε↑： Fc变化不大； 曲线刃上各点的处的Kr ↓ ，Fp ↑ 、Ff↓
Fp—会造成工件变形或引起振动，影响加工精度和已加 工表面质量。
Ff—作用在进给机构上，在设计进给机构或校核其强度 时用到它。
3. 切削功率
切削功率Pm是指车削时在切削区域内消耗的功率，通
金属加工切削力
Fp
F
sin
o
AD sin o sin cos o
2．切削力经验公式
➢切削力的经验公式的建立 切削力的经验公式是通过
测力实验——数据归纳分析——模型化处 理的过程 （线性回归法）得到的。
F C a c
Fc
xFc p
f
yFc
F C a p
Fp
xFp p
f
yFp
F C a f
F
f
xFf p
Fc 2795 31.0 0.56 0.75 106 .80.15 0.95 0.94N 2406 N
Fp 1940 30.9 0.560.6 106.80.3 0.85 0.77N 594N
Ff 2880 31.0 0.560.5 106.80.4 0.851.11N 942N
4900 CFc 0.3 1633
取平均值得
16331650
CFc
2
1640
Fc 1640ap f 0.84
表2-3 车削力公式中的系数和指数
切削力经验公式
F C
a f v K xFc
y Fc n Fc
c
Fc p
c
Fc
F
C
a f v K xFp
y Fp n FP
p
Fp p
c
Fp
F f
C a x Ff Ff p
（2）f-Fc的关系
在同样的条件下，如果背吃刀 量ap=3mm，依次改变进给量f，将 测得的数据标在双对数坐标上，则
得到的f-Fc的关系图同样是一组直 线，表明Fc与f成指数关系
Fc Cff 0.84 即 log Fc log C f yFc log f
金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究
金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究随着工业技术的快速发展，金属切削加工在各个领域中都扮演着重要的角色。
而在金属切削加工过程中，切削力效果的研究对于提高切削加工的效率和质量具有重要的影响。
本文将以金属切削原理中切削力效果的仿真模拟研究为题，探讨金属切削过程中切削力的影响因素以及仿真模拟的方法。
首先，我们需要了解金属切削加工中切削力的概念和作用。
切削力是指在金属切削过程中刀具对工件产生的力。
它是通过与工件表面接触形成的摩擦力和切削力的合力，用于克服金属材料的强度和硬度，从而将金属材料切削成预定形状和尺寸的零件。
切削力直接影响着切削加工的效率、切削工具的寿命以及加工表面质量等方面。
在金属切削过程中，切削力的大小和方向受到多种因素的影响。
首先是刀具的几何形状和刀具材料的选择。
刀具的刃角、刃宽以及刀具材料的硬度和耐磨性等因素都会直接影响切削力的大小。
其次是被切削材料的性质。
材料的硬度、塑性和热导率等特性都会对切削力产生影响。
此外，切削速度、进给量和切削深度等工艺参数也会对切削力产生影响。
因此，研究这些影响因素对切削力的影响是非常必要的。
为了研究金属切削过程中切削力效果，研究人员常常采用仿真模拟的方法。
仿真模拟可以通过建立切削力的数学模型和计算机模拟技术，准确预测切削过程中的切削力大小和方向，并分析各种影响因素对切削力的影响。
其中，有限元法是一种常用的仿真模拟方法。
有限元法是一种数值计算方法，广泛应用于工程领域中的结构力学和材料力学问题。
在金属切削过程中，有限元法可以通过将切削区域划分成许多小块，建立小块上的切削力模型，并通过求解数学方程组来计算切削力的大小和方向。
通过调整模型中的参数，如刀具几何形状、工件材料特性、切削速度等，可以得到不同情况下的切削力效果。
此外，还可以使用商业仿真软件来进行金属切削过程中切削力效果的仿真模拟研究。
这些软件通过提供各种切削过程的模型和计算工具，能够更加方便地进行切削力的预测和分析。
第四章切削力
切削过程中，切削层金属之所以会产生变形，主要 在于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。
切削力不仅使切削层金属产生变形、消耗了功，产 生了切削热，使刀具磨损变钝，影响已加工表面质量和 生产效率。同时，切削力也是机床电动机功率选择、机 床主运动和进给运动机构设计的主要依据。切削力的大 小，可以作为衡量工件和刀具材料的切削加工性指标之 一，也可以作为切削加工过程适应控制的可控因素。
按上式求得切削功率后，如要计算机床电机的功率以便 选择机床电机时,还应除以机床的传动效率，即:
PE
Pm
m
式中： m ——机床总传动效率，一般取0.75～0.85，
新机床用大值，旧机床用小值。
切削力的大小，可采用测力仪进行测量，也可通过
经验公式或理论分析公式进行计算。
第二节、切削力的测量
一、测定机床功率及计算切削力
而最小二乘法的指导思想是求一条直线方程：使
实验所测各点到该直线的误差平方和为最小。即
必须使：
n
[ yi (b X FZ X i )]2 最小
i 1
式中：ε为误差值的平方和，满足ε最小的条件
是：
b
0
X
FZ
0
三．关于切削力的预报和估算 通过微型计算机来进行即按上述通过试验求指数公式的方
➢切削速度继续在20～50m/min范围内增加，积屑瘤逐渐
化学成分会影响材料的物理力学性能，从而影响切削力的
大小，如碳钢中含碳量的多少，是否含有合金元素都会影响钢 材的强度和硬度，影响切削力。此外，在正常钢中增加了含硫 量或添加了铅等金属元素的易削钢，在钢中存在的这些杂质引 起结构成份间的应力集中，容易形成挤裂切屑，其切削力约比 正常钢减小20％-30％。
第四章 切削力
式中
CFc , CFp , CFf —— 与工件、刀具材料有关系数；
xFc , xFp , xFf —— 切削深度ap 对切削力影响指数；
yFc , yFp , yFf —— 进给量 f 对切削力影响指数； KFc , KFp , KFf —— 考虑切削速度、刀具几何参数、 刀具磨损等因素影响的修正系数。
Pc＝Fc vC
式中 vC──主运动的切削速度。
计算切削功率Pc是为了核算加工成本和计算能 量消耗，并在设计机床时根据它来选择机床电机功率。 机床电机的功率PE可按下式计算:
PE P / c c
式中 ηc──机床传动效率，一般取ηc＝0.75～0.85。
4.单位切削功率
“单位时间内切下单位体积金属所需的 功率”
背吃刀量asp ↑ 进给量f↑
AD ↑
变形抗力 ↑ 摩擦力
↑ 切削力
丽水学院机械系
二、影响切削力的因素
标准切削试验：刀具材料P10，工件材料45钢 σ b = 650 Mpa，车刀几何参数为o =10°、
r = 45°、ls =0°。
FC CFC
1.0 f 0.75 v -0.15 K aSP C FC
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谢
谢！
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刀刃锋利↑
变形抗力↓
切削力↓
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二、影响切削力的因素
3）刀具几何参数对切削力的影响。 a） 前角o对切削力的影响;
图1-25 前角对切削力的影响 asp = 4 mm f = 0.25 mm / r
丽水学院机械系
二、影响切削力的因素
3）刀具几何参数对切削力的影响 b） 主偏角r 对切削力的影响
二、影响切削力的因素
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图 λ s对切削力的影响
◆ 前角γ0 ↑ ，切削力↓
◆ 负倒棱br1 ↑ ，切削力↑ ◆主偏角κr 对主切削力影响不大，对吃刀抗力和进给抗 力影响显著（ κr ↑—— Fy↓，Fx↑） ◆ 与主偏角相似，刃倾角 λ s 对主切削力影响不大，对 吃刀抗力和进给抗力影响显著（ λ s ↑ —— F y ↓， Fx↑）
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切削力大
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工件材料的塑性或韧性越高，切屑越不易折断，使 切屑与前刀面间摩擦增加，故切削力增大。例如，不锈 1Cr18Ni9Ti的硬度接近 45钢， 但延伸率是 45钢的 4 倍，所以同样条件下产生的切削力较45钢增大25％。 在切削铸铁等脆性材料，由于塑性变形很小， 崩碎 切屑与前刀面的摩擦小，故切削力小。
（c）非自由切削
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三、切削功率
(1)单位切削力 单位切削力p是指切除单位切削层面积所产生的主切削力，可 用下式表示： y x
FZ p AD
C Fz asp
Fz
f
Fz
asp f
C Fz
f
1 y FZ
N / m m2
表明，单位切削力p与进给量f有关，它随着进给量f增加而减小。 单位切削力p不受背吃刀量asp的影响，这是因为背吃刀量改变后， 切削力Fz与切削层面积AD以相同的比例随着变化。而进给量f增 大，切削层面积AD随之增大，而切削力Fz增大不多。 利用单位切削力p来计算主切削力Fz较为简易直观。
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图 rε 与刀刃曲线部分的关系 (a) rε 小; (b) rε 大
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图 rε 对切削力的影响
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5、刃倾角λs。
实验证明，λs对Fz的影响不大，但对Fx、 Fy的影响较大。
λ s 增大，背吃刀力 F y 方向的前角 γ p 增大， F y 减小；而进给抗
力Fx方向的前角γf减小，则Fx增大。
7
（3）单位切削功率 单位切削功率Ps是指单位时间内切除金属体积Zw所消耗的功率。
Ps=Pm/Zw
kW/（ mm3· s-1）
单位时间内切除金属量Zw
Zw=1000vc· asp· f （ mm3/s）
另外可导出Pm， Ps之间的关系式：
p asp f vc Pm Ps 103 p 106 kW /(mm3 s 1 ) Z w 1000asp f vc
第四章 切削力
第一节 第二节 切削力的来源、切削合力及其分解、切削功率 切削力的测量及切削力的计算
第三节
第四节 第五节
切削力的指数公式和切削力的预报及估算
影响切削力的因素 切削力的理论研究
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1
第一节 切削力的来源、切削合力及其分解、切 削功率
一、切削力的来源
切削时作用在刀具上的力，由下列两个方面组成： ① 变形区内产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力 ② 切屑、工件与刀具间的摩擦力。
切削力的测量
切削力的测量
第三节
切削力的指数公式和切削力的预报及估算
v K Fz x Fy y Fy n Fy Fy C Fy a p f vc K Fy x Fx y Fx nFx Fx C Fx a p f vc K Fx
y Fz nFz c
一、切削力指数公式 x Fz Fz C Fz a p f
圆弧部分成比例增大 (如图所示)，切屑向圆弧中心排挤量增加， 加剧了变形；圆弧部分的切削厚度 ac 是变化的，且比直线刃的 小。 故变形力大些。
κr与Fx、Fy的关系，由图可得
Fx=FNsinκ
r r
Fy=FN cosκ
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其影响规律见图。Fx随κr增大而增大，Fy随κr增大而减小。 长径比超过 10 的细长轴，刚性差，加工时为避免振动， 提高
式中:
Fz、Fy、Fx:分别为主切削力、切深抗力、进给抗力； CFz , CFy , CFx :决定于被加工材料和切削条件的有关系数； xFz、yFz、nFz、xFy、yFy、nFy、xFx、 yFx、 nFx:分别为三 个分力公式中，背吃刀量ap、进给量f和切削速度vc的指数； KFz , KFy , KFx :考虑切削速度、刀具几何参数、刀具磨损等因
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二、切削用量
◆背吃刀量与切削力近似成正比； ◆进给量增加，切削力增加，但不成正比； ◆切削速度对切削力影响复杂
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1、 背吃刀量ap、进给量f
a p 、 f 增大，切削宽度 a w 、切削厚度 a c 增大，切削面积 A c 增
大，抗力和摩擦力增加， 则切削力增大，但影响程度不一。 因刀刃钝圆半径 rβ 的关系，刃口处的变形大， a p 增大时 ( 如图 (a)所示)，该处变形成比例增大；f增大时(如图(b)所示)，该 处变形比例基本不变，而ac变大，变形减小。所以增加ap时切 削力的增大较 f 的增大影响明显。一般切削力实验公式中 a p 的 指数接近于1；f的指数接近于0.75也可说明这一点。 可见，在同样切削面积下，采用大的f较采用大的ap省力。
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第二节 切削力的测量及切削力的计算机辅助测试
• 测定机床功率及计算切削力 Pm=PEηm • 用测力仪（机械、液压和电气测力仪）测量切削力 多采用电阻应变片式测力仪，压电式测力仪 采用单片机微机进行切削力数据采集和处理
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电阻应变片测力仪测量切削力
压电晶体测力仪测量切削力
进给抗力Fx ——轴向力
进给方向的分力 切深抗力Fy ——径向力 切深方向的分力 主切削力Fz ——切向力 主运动切削速度方向的分力 非自由切削合力及其分力
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在铣削平面时，上述分力亦称为：Fz－切 向力、Fy－径向力、Fx－轴向力。
3
切削力的分解
v
Fc
Ff · p f 吃刀抗力 Fp
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（2）切削功率 切削功率Pm是指车削时在切削区域内消耗的功率，通常计 算的是主运动所消耗的功率。
Fz vc 10 Pm kW 60
式中 Fz－主切削力（N）;
3
vc－主运动切削速度。
机床电动机所需功率PE应为：
PE≧Pm/η kW
式中η——机床传动效率
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三、 刀具几何参数
1、 前角γo
◆ 前角γ0 增大，切削力减小
π 加工钢料时，由式 ( o )可知， γ o 增大， ξ 减小， 4 则切削力减小；加工铸铁等脆性材料时，因变形和加工硬化小，
切削力F
γo对力的影响不显著。
γ0 - Fz
γ0 – Fy γ0 – Fx 前角γ0
图4－25。
◆ 切削液：有润滑作用，可减小摩擦，使切削力降低 ； ◆ 后刀面磨损：刀具的磨损量加大时， 使切削力增大，对 吃刀抗力Fp的影响最为显著 。
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第五节 切削力的理论研究
剪切角()理论 (从固体力学出发)
式中: Zw——单位时间内的金属切除量（mm3· s-1）。
Z w 1000 vc fa p
整理后得
Ps p 10
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通过实验求得p后，反过来可以求得Pm，然后再计算Fz。
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四、 机床电机功率
在设计机床选择电机功率PE时，应按下式计算
PE
m
Pm
式中
ηm —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
◆ 刀尖圆弧半径 rε 对主切削力影响不大，对吃刀抗力 和进给抗力影响显著（ rε ↑ —— Fy↑，Fx↓） ；
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四、其它
◆ 刀具材料：刀具材料与被加工材料间的摩擦系数影响切削
力的变化。如硬质合金的μ值随钴含量的增多和碳化钛含量 的减少而提高，故使用含钴量多的硬质合金刀片，切削力将 增大； YT 类硬质合金的摩擦系数较高速钢小，可使 F z 下降 5 ％～ 10 ％，而 YG 类硬质合金则基本与高速钢相同，陶瓷刀片 导热性小，在较高的温度下工作时因摩擦降低， 切削力减小
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第四节
影响切削力的因素
切削力来源于工件材料的弹塑性变形及刀具与切屑、 工件表面的摩擦，因此凡是影响切削过程中材料的变形 及摩擦的因素都影响切削力。 影响因素主要为：工件材料；切削用量；刀具几何 参数；其他因素。
Ac ac aw Fr sincos( - o ) sincos( - o )
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3、主偏角κr
κr的变化将改变切削层形状和分力Fx、Fy的比值(如图所示)。
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图 κ r对切削面积和分力的影响 (a)改变切削层形状; (b）影响分力比值
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κr 对Fz 的影响规律：在ap 、f相同的情况下，κr 增大，ac 增大，变形减小，Fz减小；但当κr增至60°～75° 之间时， 曲线上出现了转折， F z 逐渐增大。这是因为： κ r 增大使刀尖
加工精度，宜用大κr，如常用的κr ＝93°的偏刀。
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图 κr对切削力的影响
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4、刀尖圆弧半径rε。
当ap、 f、κr不变时， rε增大，将使曲线部分各点的 ac、κr减小。 rε增大对Fx、Fy要比对Fz的影响大。 所以当工艺系统的刚性较差时， 宜用小rε。 刀尖圆弧半径对切削力的影响与 rε/ ap有关。
由 可知， 被 加工材料的抗剪变形、 切削面积愈大， 剪切角、 前角 愈小， 则切削力愈大。 具体分析如下：