影响刀具切削力的因素
影响刀具切削力的因素
影响刀具切削力的因素刀具切削力是指在加工过程中，刀具对工件的切削力大小。
刀具切削力的大小直接关系到刀具的负荷大小和切削过程的稳定性，因此，了解并控制刀具切削力是刀具设计和使用的重要环节。
刀具切削力受到以下几个因素的影响：1.材料性质：被加工材料的硬度、韧性等物理性质对切削力产生明显影响。
硬材料会增加切削力的大小，提高刀具磨损和破损的风险。
材料的韧性越高，切削力则越大。
2.切削速度：切削速度是指单位时间内刀具在工件上切削的长度。
切削速度越高，切削力一般会增加。
高速切削时，切削力容易引起振动和刀具的自激振动，对刀具稳定性造成不利影响。
3.刀具形状：刀具形状对切削力起到重要的影响。
常见的切削工具有刀片、铣刀等，不同的切削工具形状决定了其接触面积和切削力的大小。
切削刃角和刃尖圆角也会影响切削力，刀具刃角越大、刀尖越圆，切削力越小。
4.切削深度：切削深度是指切削刀具每次进给的厚度。
切削深度越大，切削力越大。
切削深度增大时，会导致刀具负荷增大，切削稳定性下降。
5.切削液：切削液的作用主要有降低切削温度、润滑减摩和冷却刀具等。
适当的切削液可以减小切削力。
6.切削机床刚度：切削机床的刚度对切削力有重要影响。
切削机床刚度越大，切削力越小。
7.切削方式：切削方式包括自由切削和弹性切削。
自由切削时，切屑容易堆积，导致切削力增大，而弹性切削时，切削力相对较小。
以上是影响刀具切削力的主要因素，这些因素相互作用，并且因切削条件的不同而产生不同影响。
了解这些因素对切削力的影响，对刀具的设计和使用以及工件的切削加工都有重要指导作用。
因此，在实际的切削加工过程中需要根据不同材料和机床的特性，合理调整切削参数和刀具结构，以减小切削力，提高切削工作效率。
同时，结合切削液的使用和刀具冷却等辅助措施，可以进一步改善切削过程中刀具的寿命和加工质量。
切削用量三要素对切削力的影响规律
切削用量三要素对切削力的影响规律
切削用量是切削加工中的重要参数，它由三个基本要素构成，分别是切
削速度、进给量和切削深度。
这三个要素对切削力的影响规律是我们进行切
削加工时必须了解和掌握的。
切削速度是指在单位时间内切削刀具与工件表面之间的相对运动速度。
切削速度的加快会导致切削力的增加。
当切削速度较低时，切削力主要由切
削刀具切削工件的材料引起的，逐渐过渡到切削速度较高时，切削力主要由
刀具与工件之间的摩擦引起的。
因此，提高切削速度会增加摩擦力，导致切
削力的增加。
进给量是指切削刀具在单位时间内对工件的移动距离。
增加进给量会导
致切削力的增加。
当进给量较小时，切削力主要由切削刃进给到工件产生的，逐渐过渡到进给量较大时，摩擦力对切削力的贡献逐渐增大。
因此，增加进
给量会增加摩擦力和切削刃的接触力，进而导致切削力的增加。
切削深度是指切削刀具每次进给时切削的工件材料厚度。
增加切削深度
会导致切削力的增加。
当切削深度较浅时，切削力主要由切削刃与工件之间
的摩擦引起的，随着切削深度的增加，刀具切削工件的材料引起的切削力逐
渐增加。
因此，增加切削深度会增加切削力。
切削用量三要素对切削力的影响规律是：提高切削速度、增加进给量和
增加切削深度都会导致切削力的增加。
在切削加工中，我们需要根据具体情
况合理调整切削用量，以降低切削力，提高切削效率和加工质量。
金属切削刀具切削力
图 ap、f (a) ap ; (b)f
2、 切削速度vc
切削塑性金属时，vc对切削力的影响如同对切削变形影响的 规律，是由积屑瘤与摩擦的作用所造成的。当vc<35 m/min 时，由于积屑瘤的产生和消失，使γoe增大或减小，导致切削 力的变化；当vc>35 m/min时，vc大，切削温度高，μ减小， 增大，则ξ减小，致使切削力减小。
Zw 1000 vc fa p
整理后得
Ps p 10 6
通过实验求得p后，反过来可以求得Pm，然后再计算Fz。
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
Pm
m
式中 ηm —— 机床传动效率，通常η= 0.75～0.85
4.4 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。
由
Fr
Ac sincos(
-o)
acaw sincos(
-o)
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：
一、工件材料
工件材料是通过材料的剪切屈服强度τs、塑性变形、
切屑与前刀面间摩擦系数μ等条件影响切削力的。
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。
图 rε
(a) rε小;
(b) rε大
机械加工中的切削力与加工力学分析
机械加工中的切削力与加工力学分析机械加工是一种常见的制造工艺，利用机床对原材料进行切削、磨削、钻孔等操作，将其加工成所需形状和尺寸的工件。
在机械加工过程中，切削力和加工力学是两个重要的参数，对加工质量和机床性能具有重要影响。
一、切削力的定义和影响因素切削力是指在刀具与工件接触面上的力，它是机械加工中最主要的力之一。
切削力的大小与刀具、工件、切削速度、进给量等因素密切相关。
1. 刀具形状和材料：切削力与刀具形状和材料有密切关系。
一般来说，刃口越尖锐的刀具，切削时所受的力越大。
此外，刀具的材料和硬度也会影响切削力的大小。
2. 工件材料和硬度：不同的工件材料具有不同的切削性能。
通常来说，材料越硬的工件，切削时所需的力越大。
3. 切削速度：切削速度是指刀具与工件相对运动的速度。
切削速度的增加会导致切削力的增大，但当速度超过一定范围后，切削力增加的趋势开始减缓。
4. 进给量：进给量是指单位时间内切削刀具所移动的距离。
进给量的增加会导致切削力的增大。
二、加工力学的分析方法加工力学是研究机械加工过程中力学关系的学科，可以通过力学分析来预测和优化机械加工过程。
1. 经验公式法：经验公式法是一种常用的切削力计算方法。
它通过实验和经验总结，建立了切削力与切削条件、材料性质之间的关系，从而快速估计切削力的大小。
2. 力学模型法：力学模型法是一种精确的切削力计算方法。
通过对机械加工过程进行详细的力学分析，可以建立起精确的切削力模型，从而准确预测和分析切削力的大小和变化规律。
3. 有限元法：有限元法是一种计算机辅助的力学分析方法。
通过将机械加工过程离散为许多小的力学单元，然后对每个单元进行力学计算，最后整合得到整个加工过程的力学信息，包括切削力。
三、切削力的调控和优化切削力的大小直接关系到机械加工过程的质量和效率。
为了提高加工效果和延长刀具寿命，需要合理控制和优化切削力。
1. 选择合适的刀具：合适的刀具形状和材料可以减小切削力，并提高加工效果。
切 削 力
➢ （4）刀尖圆弧半径——刀尖圆弧半径增大，刀刃上参加切削的曲线
部分越长，平均切削厚度减小，切削变形增大，使切削力增大。
前角与刃倾角对切削力的影响
主偏角对切削力的影响
➢ 通常工件材料的强度和硬度越高，剪切屈服强度越高，
产生的切削力也越大。
➢ 在强度和硬度相近的材料中，其塑性和韧性越高，切削
变形系数越大，切屑与刀具间摩擦增加，故切削力越大；
加工硬化严重的材料，切削力也越大。
➢ 切削铸铁等脆性材料时，切削层的塑性变形很小、摩擦
小，加工硬化小，故产生的切削力也小。
3.刀具几何参数的影响
切向力是设计机床主轴、齿轮和计算主运 动功率的主要依据；它决定刀杆、刀片的尺寸； 它是设计夹具和选择切削用量的重要依据。
背向力是作用在吃刀方向上的切削分力，不 消耗切削功率。
纵车外圆时，如果加工工艺系统刚性不足， 背向力是影响加工工件精度、引起切削振动的主 要原因。
轴向力是作用在进给方向上的切削分力，消 耗总功率的 1％～5％。
各 参 数 对 切 削 力 影 响 的 修 正 系 数 值
1.6 切削力计算举例
切 削 力 计 算 例
2 解 题 步 骤
金属切削加工
2．切力的分解
切向力（主切削 力）——在主运动 方向上的分力； 背向力（径向力或 切深抗力）——在 垂直于工作表面上 的分力； 进给力（轴向力 力）——在进给运 动方向上的分力。
1.2 分力 的作用
1．切向力（主切削力）
2．背向力（径向力）
3．轴向力（进给抗力）
铣削加工中的切削力
铣削加工中的切削力铣削加工是机械制造领域中常见的加工方式之一，而铣削加工中的切削力则是影响加工质量的重要因素之一。
本文将从切削力的概念、影响切削力的因素、切削力的测量和切削力的控制等方面进行分析。
一、切削力的概念切削力指铣刀在加工过程中对工件作用的力。
在铣削加工中，切削力的大小会影响工件的表面质量、加工精度和刀具的使用寿命等方面。
切削力的大小受到多种因素的影响，如切削条件、材料力学性质、铣刀几何参数和铣刀的运动状态等。
二、影响切削力的因素1.切削参数切削参数包括切削速度、进给速度和切削深度。
在相同切削条件下，当切削速度增加或进给速度增加，切削力也会增加。
而当切削深度增加时，切削力的变化则较为复杂，通常会出现先增加后减小的趋势。
2.材料力学性质材料力学性质对切削力的影响很大，如硬度、切削性和韧性等。
当切削硬度增加时，切削力也会增加。
而当材料的切削性和韧性提高时，切削力则会减小。
3.铣刀几何参数铣刀的几何参数对切削力的影响也很大。
如铣刀的齿数、刃角和刃磨度等参数均会对切削力产生影响。
当铣刀齿数增加时，每个齿的切削深度和切削速度就会减小，因此切削力也会减小。
而当刃角增大时，切削力则会增大。
4.铣刀的运动状态铣刀的运动状态也会对切削力产生影响。
如切削液的使用和冷却剂的使用等均可以影响铣刀的运动状态，从而影响切削力的大小。
三、切削力的测量在铣削加工中，测量切削力对于保证加工质量和刀具的使用寿命有着重要作用。
目前常用的切削力测量方法有间隙传感器法、压电传感器法和片式传感器法等。
间隙传感器法是指将铣刀的副切口设置成斜向切口，然后在铣削过程中测量副切口的间隙变化来计算切削力大小。
这种方法需要将铣刀进行加工和改造，因此应用较少。
压电传感器法是指将压电传感器安装在夹具上并接收由工件产生的力来计算切削力的大小。
这种方法不需要对铣刀进行改造，测量精度较高，但会受到振动干扰的影响。
片式传感器法是指将张力传感器安装在夹具上，测量夹具或工件受力的大小来计算切削力的大小。
影响切削力和切削温度的因素
切削力及其影响因素
yF f nF f
f
Ff p
c
Ff
（2）切削层单位面积切削力经验公式
切削层单位面积切削力p是指切除单位切削 层面积所产生的主切削力，其计算公式为：
p Fc Fc Fc AD ap f hDbD
由上式可得，主切削力Fc的计算公式：
Fc pap f phDbD
上页式中，p是指f＝0.3mm/r时的单位切削力， 硬质合金外圆车刀车削常用金属的单位切削力如 下表所示。
2．切削用量
（1）背吃刀量ap和进给量f
背吃刀量ap和进给量f通过对切削宽度bD和切 削厚度hD的影响而影响切削力Fr，如下图所示。
如上页左图所示，背吃刀量ap增大，切削宽 度bD增大，切削面积AD和切屑与前刀面的接触面 积按比例增大。由于进给量f不变，所以单位切削
力p不变。因此，当背吃刀量ap增大一倍时，主切 削力Fc成比例增大，背向力Fp和进给力Ff也近似 成比例增大。
机械制造技术
切削力及其影响因素
一、切削力
切削力是指金属切削时，刀具切入工件使被 加工材料发生变形并成为切屑所需的力。
1．切削力的来源
切削力的来源主要有以下两方面： ① 克服被加工材料对弹性变形和塑性变形的抗 力。 ② 克服刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力所 需的力。 这些力的合力形成了作用在刀具上的切削力Fr。
Pc Fcvc 10 3
三、影响切削力的因素
1．工件材料
工件材料的硬度、强度越高，剪切屈服强度越 大，切削力Fr越大。
硬度、强度相近的材料，塑性或韧性越好，切 屑越不易折断，切屑与前刀面的摩擦越加，切削力 Fr越大。
切削铸铁等脆性材料时，由于塑性变形小，崩 碎切屑与前刀面摩擦小，切削力Fr较小。
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1. 工件材料的力学性能 2.切削用量
（1）切削速度
材料强度越高，塑性越 小，则变形系数越小，切削 变形减小（下面图）。
切削速度是通过积屑瘤的生长消失过程影响切削变形大小的。 在积屑瘤增长的速度范围内 , 因积屑瘤导致实际工作前角增加、
剪切角φ 增大、变形系数减小。 在积屑瘤消失的速度范围内，实际工作前角不断减小、变形系 数ξ 不断上升至最大值，此时积屑瘤完全消失。 （图） 在无积屑瘤的切削速度范围，切削速度愈高，变形系数愈小。 切削铸铁等脆性金属时, 一般不产生积屑瘤。随着切削速度增 大，变形系数逐渐地减小。
b. 切削速度 加工塑性材料时,如下图所示 加工脆性材料时,因塑性变形小,摩擦小,所以影响小.
（三）刀具几何参数对切削力的影响（具体分析见后面的 各页PPT）
1、 前角： γο↑ → Fz↓
2、负倒棱： (负倒棱/进给量) bγ/f ↑ → F↑ 3、主偏角 ： κγ↑→Fy/Fz↓,Fx/Fz↑ 4 、刃倾角 ：λs变化→合力F的方向,λs↓→Fy↑,Fx↓,Fz基本不变
• 1）主偏角kr对切削力Fc的影响较小，影响程度 不超过10%。主偏角kr在60°～75°之间时，切 削力Fc最小。因为还要考虑刀尖圆弧的影响 • 2）主偏角kr对背向力Fp和进给力Ff的影响较大。
• 式中：FD--切削合力F在基面内的分力。 • 可见Fp随kr的增大而减小，Ff则随kr的增大而 增大。
高的强度和硬度,所以切削这种类型的材料时,切削温度比切削其他材料要高得多。
(4)脆性金属的抗拉强度和延伸率都较小,切削过程中切削区的塑性变形很小,切屑 呈崩碎状或脆性带状,与前刀面的摩擦也较小,所以产生的切削热较少,切削温度一
般比切削钢料时低,同切削45钢相比较,切削灰铸铁HT20-40时的切削温度大约低
κr↑→°C↑
主偏角Κr减小时，使切削宽度aw增大， 切削厚度ac减小，故切削温度下降。 要分析切削温度与切削厚度的关系公式 见课本87面，公式（5-20）
3）负倒棱对切削温度的影响
负倒棱bγ1在(0-2)f范围内变化，刀尖圆弧半径re在0-1.5mm范围
内变化，基本上不影响切削温度。 产热增加：因为负倒棱宽度及刀尖圆弧半径的增大，会使塑性变 形区的塑性变形增大， 散热增加：但另一方面这两者都能使刀具的散热条件有所改善， 传出的热量也有所增加，两者趋于平衡，所以对切削温度影响很 小。
3）刀尖圆弧半径对切削力的影响
• 刀尖圆弧半径re增大，使切削刃曲线部 分的长度和切削宽度增大，但切削厚度减 薄，各点的kr减小。所以re增大相当于kr减 小时对切削力的影响。
（4）刃倾角对切削力影响
• 1）刃倾角λs在很大范围（-40°～+40°） 内变化时对切削力Fc没有什么影响。 • 2）刃倾角λs对Fp和Ff影响较大，随着λs 的增大，Fp减小，而Ff增大。
• 其主要原因在于，αp增大一倍时，切削厚度hD 不变，而切削宽度bD 则增大一倍，切削刃上的切削负荷也随之增大一倍，即变形力和摩擦成 倍增加，最终导致了切削力以成倍增加；f增大一倍时，切削宽度bD不 变，只是切削厚度hD增大一倍，平均变形减小，故切削力增加不到一倍。
a.切削深度和进给量
ap的指数xFc≈1，而
4、工件材料对切削温度的影响
(1)工件材料的硬度和强度越高,切削时所消耗的功就越多产生的切削热也多。 (2)合金结构钢的强度普遍高于45钢,而导热系数有一般均低于45钢.所以切削合金
结构时的切削温度一般均高于切削45钢时的切削温度。
(3)不锈钢1cr18Ni9Ti和高温合金GH131不但导热系数低,而且在高温下仍能保持较
图
工件材料强度对变形系数的影响
图
切削速度对变形系数的影响
（2）进给量
当进给量f增大时，切削层厚度hD增 大，切屑的平均变形减小，变形系 数ξ减小(图)。
3.刀具几何参数
（1）前角γ0 前角增大，剪切角φ 增大，而 剪切角越大，则变形系数ξ 减 小。 变形系数与前角之间的关系如 图所示。
(2)刀尖圆弧半径rε 刀尖圆弧半径越大，变形系 数ξ越大，切削变形越大。 （图）
四.切削温度对工件、刀具和切削过程的影响 1.切削温度对工件材料强度和切削力的影响： 不大。
原因:
1)高速切削，变形速度很高，材料强度增加，同 时，切削温度增加，将使材料强度降低，两者综 合，影响不大；
2)切削温度是在切削变形过程中产生的，因此对 剪切面上的应力应变状态来不及产生很大的影响， 只对切屑底层的剪切强度产生影响。
（5）负倒棱对切削力的影响
• 在前刀面上磨出的负倒棱br的宽度与进 给量f之比增大，切削力随之增大。 • 但当切削钢 ， 或切削灰铸铁 时， 切削力趋于稳定，接近于负前角刀具的切 削状态。
(四)刀具材料的影响
• 主要是刀具材料与工件材料的摩擦系数的 影响 • 通常按CBN，陶瓷，涂层硬质合金，高速钢 的顺序切削力依次增大。 • 硬质合金中，按Co增加和TiC减小，摩擦增 加
5、刀尖圆弧半径 ： rε 对 Fy,Fx 影响较大,对Fz影响较小.
（1）前角对切削力的影响 所有刀具角度中，影响最大
• 1）加工塑性材料时，前角γ0增大，变形 系数减小，因此切削力降低； • 2）加工脆性材料（加铸铁、青铜）时， 由于切屑变形很小，所以前角对切削力的 影响不显著。
（2）主偏角对切削力的影响
学成分）
d) 同一种材料热处理状态不同,切削力也不相同。
e) 有色金属的强度低,虽塑性较大,但加工硬化倾向小,所以切
削力较小。
f) 铸铁等脆性材料,塑性小,加工硬化小,形成的是崩碎切屑,
接触小,摩擦力小,所以切削力较小。
• (二)切削用量的影响（重点） • 进给量、背吃刀量增大，二者都会使切削力增大，而实际上 背吃刀量对切削力的影响要比进给量大。
4.利用切削温度自动控制进给量。
各种刀具材料切削不同的工件材料都有一个
最佳切削温度范围。因此，可利用切削温度
来控制机床的转速或进给量，保持切削温度
在最佳范围内，以提高生产率及工件表面质
量。
1）切削速度
切削速度对切削温度有显著的影响,V↑→°C↑
2）进给量
进给量对切削温度有影响,f↑→°C↑
3）切削深度 切削深度对切削温度影响很小.
因此为了有效地控制切削温度以提高度更为有利。
2、刀具几何参数对切削温度的影响 1）前角对切削温度的影响 初期：γο↑→°C↓锋利 后期：γο↑→°C↑散热 2）主偏角对切削温度的影响
(五)切削液的影响
• 切削液具有润滑作用，使得切削力降低。
水容液(冷却为主)影响很小,切削油(润滑为主) 影响较大.
(六)刀具后刀面磨损的影响
• 刀具后刀面磨损带宽愈大，切削力愈大。
• VB对背向力Fp影响最显著。 • 前刀面磨损 • 前后刀面同时磨损
二切削温度
【概念】 指前刀面与切屑接触区内的平均温度。 它由切削热的产生和传出的平衡条件所决定，产生的热 越多，传出的热越慢，切削温度越高，反之，切削温度 越低。 【结论】 凡是增大切削力和切削功率的因素都会使切削温度上升； 有利于切削热传出的因素都会使切削温度降低。
2.对刀具材料的影响：提高切削温度，可提高硬质
合金韧性，不易崩刃，降低磨损；各类刀具材料
在切削各种工件材料时，都有一个最佳切削温度
范围。 3.对工件尺寸精度的影响：主要是工件受热膨胀所 致。
刀杆受热膨胀，切削时实际切削深度增加使直径
减小。
工件受热变长，但因夹固在机床上不能自由伸长
而发生弯曲，车削后工件中部直径变化。
3.在剪切区域中，垂直剪切面方向上的温度梯度很大。
4.在切屑靠近前刀面的一层(简称底层)上温度梯度很 大，离前刀面0.1-0.2mm，温度就可能下降一半。 5.后刀面的接触长度较小，因此温度的升降是在极短 时间内完成的。因此产生热冲击。
6.工件材料塑性越大，则前刀面上的接触长度愈大， 切削温度的分布也就较均匀些；反之，工件材料的脆性愈 大，则最高温度所在的点离刀刃愈近。 7.工件材料的导热系数愈低，则刀具的前、后刀面的 温度愈高。比如切削钛合金。
20%-30%。
5.刀具磨损的影响
刀具磨损越大，切削温度越高 切削速度越大，磨损加剧，温度越大
6.切削液的影响
切削液对切削温度的影响，与切削液的导热性 能、比热、流量、浇注方式以及本身的温度有 很大的关系。从导热性能来看，油类切削液不 如乳化液，乳化液不如水基切削液。
1.剪切面上各点温度几乎相同。 2.前刀面和后刀面上的最高温度都不在刀刃上，而是在离 刀刃有一定距离的地方。原因是摩擦热传递
图
切削厚度与变形系数的关系
图
前角对变形系数的影响
图 刀尖圆弧半径对变形系数的影响
第四节 影响切削力的因素（重点）
• • • • • • 1 2 3 4 5 6 工件材料的影响 切削用量的影响 刀具几何参数的影响 刀具材料的影响 切削液的影响 刀具后刀面磨损的影响
(一)工件材料对切削力的影响 a) 被加工工件材料的强度、硬度越高，则τs越大，虽然变形系 数ξ 有所减小，但总起来切削力还是增大的。 b) 如材料的强度、硬度相同，则塑性（延伸率δ ）、韧性 （冲击值α k）越大，切削力越大。 （加工硬化） c) 在同样热处理状态下,切削合金钢的切削力比碳素钢大。（化
f 的指数yFc=0.75～0.9。 即当ap加大一倍时，Fc约 增大一倍； 而 f 加大一倍时，Fc
只增大68～86%。
• 切削速度对切削力的影响：切削塑性金属时， 在vc<50m/min时，由于积屑瘤的产生与消失， 使刀具前角增大或减小，引起变形系数的变 化，导致了切削力的变化；当vc>50m/min， 切削温度升高，使平均摩擦系数下降，切削 力也随之下降。