金属刀具第4章.doc

第4章 切削力
切削力是切削层金属产生变形的主要因素，在使切削层金属产生变形的同时，切削力消耗了功率，不但使刀具变钝失去切削能力，而且使加工表面质量变差，影响了生产效率。此外，切削力也是选取机床电动机功率、设计机床主运动和进给运动机构的主要依据。因此，研究影响切削力的因素和计算切削力的方法对生产实际有着十分重要的意义。
4.1 切削力的来源
金属切削时，刀具切入工件使切削层金属转变成切屑所需要的力称为切削力。
如图4-1所示，在刀具作用下，切削层金属、切屑和工件已加工表面都要发生弹性形变和塑性形变，刀具作用于切屑上的力有法向力和切向力，在剪切面上作用有法向力和剪切力。如忽略后刀面施加的力，则此两对力的合力应该互相平衡，即

法向力即为克服切削层金属的塑性变形和弹性变形所施加的正压力，切向力即为克服刀具前刀面上的摩擦力。
在实际加工过程中，后刀面施加的力也是不能忽略的，即后刀面上也有对已加工表面的法向力和摩擦力，如图4-2所示。

图4-1 切屑上的作用力 图4-2 刀具的切削力
4.2 总切削力、分力和切削功率
4.2.1 总切削力、分力
以外圆车削为例，如图4-3所示为外圆车削时力的分解，刀具的前刀面和后刀面上都有作用力，它们的合力即为切削合力，切削合力的大小和方向是变化的，很难测量。为简化分析，将该切削合力按空间直角坐标系分解为三个相互垂直的切削分力，即切削力、背向力和进给力。

图4-3 外圆车削时力的分解
1.切削力
切削力Fc作用于切削平面内，即切削刃上选定点的切削速度方向上，消耗机床的主要功率，是计算切削功率，选取机床电动机功率和设计机床主传动机构的依据。
2.背向力
背向力Fp作用于基面内，与吃刀方向一致，它能使工件产生变形，是校验机床主轴在水平面内刚度及相应零部件强度的依据。
3.进给力
进给力又称为轴向力，是进给方向的分力。进给力Ff处于基面内，并与工件轴线平行，与走刀方向相反，是设计、验算进给系统主要零、部件强度和刚度以及计算刀具进给功率的依据。切削合力与切削力、背向力、进给力的关系如下
（4-1）
式中，为作用于基面内的背向力和进给力的合力（N）。
由图4-3可知，与的关系以及Ff与的关系如下
（4-2）
（4-3）
由于不同刀具的情况复杂多样，一般在计算进给力及背向力时取经验值，即
（4-4）
（4-5）
4.2.2 切削功率
切削过程中，各分离消耗功率的总和称为切削功率，用符号表示。车削时，由于和消耗的功率很小，可忽略不计，因而主运动消耗的功率即为总的切削功率，即
（4-6）
用式（4-6）可确定机床电动机功率为
（4-7）
式中，为机床传动效率，一般=0.75～0.85，其中大值用于新机床，小值用于旧机床。
4.3 切削力的测量和实验公式
4.3.1 切削力的测量
切削力的大小可采用间接测量法和直接测量法来测量。
1.间接测量法——电功率法
间接测量法通过测量机床电动机电功率，再用式（4-6）和式（4-7）可间接计算出切削力的方法。但此方法测量较粗略，要较精确测量，常使用专门用于测切削力的仪器，即测力仪。
2.直接测量法——测力仪法
测力仪按其工作原理可分为机械式测力仪、液压式测力仪和电测式测力仪。其中，电测式测力仪又可分为电阻应变式测力仪、电磁式测力仪、电感式测力仪、电容式测力仪及压电式测力仪。通常应用较多的是电阻应变式测力仪和压电式测力仪。
1）电阻应变式测力仪
如图4-4所示，在电阻应变式测力仪的弹性元件上黏贴具有一定电阻值的电阻应变片。如图4-5（a）所示，将电阻应变片连接成电桥。电桥各臂的电阻分别为R1、R2、R3、R4。若R1R4＝R2R3，则电桥平衡，此时B、D两点间电位差为零，电流表中无电流通过。当切削抗力作用在刀具上时，电阻应变片将随弹性元件发生弹性变形，从而改变了黏贴其上的电阻应变片的电阻值。如图4-5 (b)所示，R1的电阻值将因被拉长而增大，R2的电阻值将因受压缩而减小。这样一来，原来平衡的电桥就将失去平衡，B、D两点间就产生了电位差，电流表中则有电流通过。为了使这种电信号足以使测力仪显示并记录下来，常用电阻应变式测力仪加以放大，其显示或记录下来的数值与作用在刀具上的切削抗力的大小成正比。如果事先已标定出切削抗力与所输出电信号间的关系曲线，实际测力时，就可根据记录下来的电信号的大小折算出切削抗力的数值。

（a）电阻应变片发生弹性形变 （b）电桥电路
图4-4 电阻应变片 图4-5 弹性元件上的电阻应变片
2）压电式测力仪
压电式测力仪是利用某些非金属材料(如石英晶体、压电陶瓷等)的压电效应来进行测量的，即当非金属材料受力时其表面将产生电荷，电荷的多少仅与所施加外力的大小成正比。用电荷放大器将电荷转换成相应的电压参数就可侧出力的大小。如图4-6所示为压电式测力仪的原理图。
切削抗力通过小球1及金属片2传递给压电晶体3。两个压电晶体间有电极4，由切削抗力产生的负电荷集中在电极4上。其中负电荷由有绝缘层的导体5传出，正电荷由金属片2或压电式测力仪接地传出。导体5输出的负电荷通过电荷放大器放大后用记录仪器记录下来。按事先制定的标定曲线图即可查出切削抗力的数值。如在测力仪的三个方向都安装有压电传感器，就可测出这三个方向的切削分力。

图4-6 压电式测力仪的原理图
1—小球； 2—金属片； 3—压电晶体； 4—电极； 5—导体
这种测力仪的灵敏度、刚度和动态特性均优于其他测力仪，但在湿度影响下由于电荷易泄漏而影响了其测量精度。此外，这种测力仪还存在制造精度要求高和价格较贵的缺点。
4.3.2 切削力实验公式
1.切削力实验公式的建立
切削力实验公式是指切削力的指数公式，此公式是通过切削实验建立起来的。切削实验的方法很多，有单因素法、多因素法及正交设计法，其数据处理方法有图解法、线性回归法及计算机数据采集处理法。下面通过介绍较简单的单因素—图解法，来说明切削力实验公式的建立过程。
例如，对45钢进行单因素的外圆车削实验时，保持影响切削力的诸因素不变，只改变背吃刀量 (或进给量)，分别得到一组相对应的切削分力、和的数值。然后将所得数值画在双对数坐标纸上，即得到一条近似直线，如图4-7所示。其方程式为
Y=a+bX （4-8）
式中，；；a为直线的截距，，为与背吃刀量相关的一个参数；b为直线的斜率，。

图4-7 图解法
直线的截距和斜率均可用直尺量出或计算得出，即

（4-9）
同理可得
（4-10）
式中，为与进给量相关的一个参数。
由式（4-9）和式（4-10）可得
（4-11）
式中，为切削力的影响系数，与工件材料、切削条件有关，可由实验得出或查表得出； 为背吃刀量对切削力的影响指数；为进给量对切削力的影响指数。
2.切削力的计算
实际生产中，常用指数公式来计算切削力，即
（4-12）
（4-13）
（4-14）
式中，、、为工件材料和切削条件对切削力的影响系数；、、为背吃刀量对切削力的影响指数；、、，进给量对切削力的影响指数；、、为切削速度对切削力的影响指数；、、为当与实验公式中切削条件不同时，各种因素对切削力影响的修正系数的乘积。
4.单位切削力
单位切削力是指切削单位切削层横截面积所产生的切削力，用符号表示，单位为N/mm2，其计算公式为
（4-15）
通常切削力实验公式中=1。若已知单位切削力，则切削力可由下式求得
（4-16）
4.4 影响切削力的主要因素
切削过程中，很多因素都对切削力产生不同程度的影响，归纳起来主要是工件材料、切削用量和刀具几何参数三个方面的影响，此外，还有刀具材料、后刀面磨损、刀具刃磨质量及切削液等方面的影响。
4.4.1 工件材料的影响
工件材料强（硬）度增高．即工件材料的剪切屈服强度增大，切削力呈正比例增大，但随着工件材料强（硬）度增高，摩擦系数降低，摩擦角减小，剪切角增大，切屑变形系数减小，使得切削力又有所减小。综合上述的两种影响，切削力仍然增大，但不是呈正比例增大。
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，因此，切削力越大。当切削脆性材料时，切削层的塑性变形很小，摩擦小，加工硬化小，因此，产生的切削力也小。
4.4.2 切削用量
1.背吃刀量和进给量的影响
背吃刀量和进给量f的大小决定切削面积的大小。在式（4-15）中，背吃刀量的指数≈1。而进给量的指数0.7～0.85。因此，背吃刀量和进给量f的增加均会使切削力增大，但两者的影响程度不同：当背吃刀量增加一倍时，切削力呈正比增加一倍；当进给量f增加一倍时，切削力不呈正比例增加。
进给量f的增加对切削力的影响有正反两方面：一方面进给量f增加一倍，切削层厚度增加一倍，从切削力实验公式可看出。切削力也增加一倍；另一方面进给量f的增加将使切削变形系数减小，此时切削力也会随之减小。
综合上述两种影响，随着进给量f的增加，切削力不会呈正比例增加。这也可从切削力实验公式进给量f的指数0.7～0.85中得到证实，即随着进给量f的增加，切削力只能增加70％～85％。
2.切削速度的影响
切削塑性金属时，切削速度vc对切削力的影响如同对切削变形影响的规律，即是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的，如图4-9所示。
当vc<30 m/min时，由于积屑瘤的产生和消失，使前角增大或减小，导致切削力的变化；当vc>30 m/min时，随着切削速度vc的增大，切削温度提高，摩擦系数减小，剪切角增大，切屑变形系数减小，切削力减小，工件材料的剪切屈服强度下降，直接使得工件材料和切削条件对切削力的影响系数减小。

图4-9 YT15外圆车刀切削45钢时的-曲线
4.4.3 刀具几何参数
1.前角的影响
在刀具几何参数各项中，前角对切削力的影响最大。前角越大，切削层的变形越小，故切削力越小，但对于切削不同的材料，前角的变化对切削力的影响并不相同。切削塑性金属时，前角变化1°，切削力将改变1.5%左右，金属的塑性越大，改变的幅度越大。例如，当切削45钢时，前角增加1°，切削力减小1%；当切削紫铜时，前角增加1°，切削力减少2%～3%；当切削铅黄铜时，前角增加1°，切削力减小0.4%。此外，前角减小，工件材料和切削条件对切削力的影响系数减小，切削力减小，因此，随着前角增加，切削力较显著减小。
如图4-10所示为车削45钢时，前角对三向切削力的影响规律曲线。不难看出，前角增加对、的影响要比对的影响要大。
2.主偏角的影响
主偏角对影响不大，当主偏角=60°～75°时，出现最小值。主偏角主要通过切削层厚度的变化影响切削力。主偏角对、的影响比大。主偏角增大，减小，而增大。
3.刃倾角的影响
刃倾角的改变引起合力的方向的改变，从而影响、，实验证明：对影响不大，而对、的影响较大。增大，使减小较多，使有所增大。

图4-10 前角对三向切削力的影响规律曲线
4.4.4 其他因素
1.刀具材料
刀具材料主要通过摩擦系数影响切削力。在刀具材料中，摩擦系数是按金刚石、陶瓷、硬质合金、高速钢的顺序增大的。因此，金刚石刀具的切削力最小，高速钢刀具的切削力最大。
2.后刀面磨损
后刀面磨损越大，切削力越大。
3.刀具刃磨质量
刀具的前后刀面刃磨质量越好，切削力越小。
4.切削液
使用润滑性能好的切削液，切削力小。
4.5 技能训练——车削力实验公式的建立及其使用
1.实训要求
（1）认识车削力的形成过程。
（2）掌握总车削力及分力的概念。
（3）掌握车削力的测量方法。
（4）能够建立车削力实验公式。
2实训设备
45钢、YTl5外圆车刀、电阻应变式测力仪、CA6140机床。
3.实训步骤
（1）运用YTl5外圆车刀车削45钢，用电阻应变式测力仪测量平均切削力，并填写切削力测量数据表，见表4-1。
表4-1 切削力测量数据表
实
验
条
件
工件材料

刀具
结构
材料
规格

切削用量
工件直径/mm
主轴转速/（r/min）
切削速度/（m/min）

切
削
力
测
量
值
切削深度/mm
进给量/（mm/r）
主切削力/N
4
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

3
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

2
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

1
0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.1

并根据表4-1内数据在网格纸上以作为纵坐标，分别以、作为横坐标，连接以上各数据点，绘制-关系图与-关系图。
（2）取=0.3 mm/r，在-关系图内，在＝1 mm坐标上找出截距。
（3）画直角三角形，用直尺量出两个直角边长分别为a1和b1，其斜率为。
（4）由以上数据根据式（4-9）和式（4-10）分别计算当＝1 mm时，和的值。
（5）取＝3 mm，在-关系图内，在=1 mm/r坐标上找出截距。
（6）画直角三角形用直尺量出两个直角边长分别为a2和b2，其斜率
（7）由以上数据根据式（4-9）和式（4-10）分别计算当＝3 mm时，和的值。
（8）取平均值，可得在表4-1内实验条件下的车削力实验公式。
（9）利用所得车削力实验公式，在表4-1实验条件内任意选取切削深度及进给量，测量车削力的大小并验证车削力实验公式的正确性。
本 章 小 结
本章主要阐述了切削力及其影响因素，凡是影响切削变形的因素都要影响切削力。工件材料强度越大、硬度越高、或变形越大、切削力愈大。切削层横截面积愈大．则切削力愈大。本章还介绍了目前广泛采用的计算切削力的经验公式、指数公式。
习 题 4
4-1 简述切削力的来源。
4-2 以外圆车削为例说明切削合力、分力的分布情况及切削功率。
4-3 说明切削功率的计算方法。
4-4 切削力的测量方法有哪些？
4-5 切削力实验公式是如何通过实验得到的？
4-6 简述工件材料对切削力的影响。
4-7 简述切削用量对切削力的影响。
4-8 简述刀具几何参数对切削力的影响。

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