切削力

切削力是金屬切削過程中重要的物理現象之一，他直接影響著工件質量、刀具壽命、機床動力消耗。他是設計機床、刀具、夾具不可缺少的要素之一。學習和掌握切削力的知識和規律，是很有意義的。切削加工時，工件材料抵抗刀具切削所產生的阻力，稱為切削力。切削力的分解根據生產實際需要及測量方便，通常將總切削力F分解為三個互相垂直的分力，即：主切削力、背向力、進給力。切削力的大小數值，可以用儀器測量的方法獲得，也可以用公式計算出來。

來源 研究切削力，對進一步弄清切削機理，對計算功率消耗，對刀具、機床、夾具的設計，對制定合理的切削用量，優化刀具幾何參數等，都具有非常重要的意義。金屬切削時，刀具切入工件，使被加工材料發生變形並成為切屑所需的力，稱為切削力。切削力來源於三個方面： 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。

各力的總和形成作用在刀具上的合力Fr（國標為F）。為了實際應用，Fr可分解為相互垂直的Fx（國標為Ff）、Fy（國標為Fp）和Fz（國標為Fc）三個分力。在車削時：

Fz——主切削力或切向力。它切於過渡表面並與基面垂直。Fz是計算車刀強度，設計機床零件，確定機床功率所必需的。

Fx——進給抗力、軸向力或走刀力。它是處於基面內並與工件軸線平行與走刀方向相反的力。

Fx是設計進給（走刀）機構，計算車刀進給功率所必需的。

Fy——切深抗力、或背向力、徑向力、吃刀力。它是處於基面內並與工件軸線垂直的力。Fy用來確定與工件加工精度有關的工件撓度，計算機床零件和車刀強度。它與工件在切削過程中產生的振動有關。

切削功率 1、單位切削力 單位切削力p是指切除單位切削層面積所產生的主切削力，可用下式表示：

單位切削力p可查手冊，利用單位切削力P來計算主切削力Fz較為簡易直觀。

2、切削功率Pm

消耗在切削過程中的功率稱為切削功率Pm(國標為Po)。切削功率為力Fz和Fx所消耗的功率之和，因Fy方向沒有位移，所以不消耗功率。於是

其中：Pm—切削功率（KW）；

Fz—切削力（N）；

Vc—切削速度（m/s）；

Fx—進給力（N）；

nw—工件轉速（r/s）；

f—進給量（mm/s）。

式中等號右側的第二項是消耗在進給運動中的功率，它相對於F所消耗的功率來說，一般很小（<1%～2%），可以略去不計，於是

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，還應考慮到機床傳動效率。

式中：ηm—機床的傳動效率，一般取為0.75～0.85，大值適用於新機床，小值適用於舊機床。

3、單位切削功率

單位切削功率Ps是指單位時間內切除單位體積金屬Zw所消耗的功率。

在生產實際中，切削力的大小一般採用由實驗結果建立起來的經驗公式計算。在需要較為準確地知道某種切削條件下的切削力時，還需進行實際測量。隨著測試手段的現代化，切削力的測量方法有了很大的發展，在很多場合下已經能很精確地測量切削力。切削力的測量成了研究切削力的行之有效的手段。目前採用的切削力測量手段主要有：

1、測定機床功率，計算切削力

用功率表測出機床電機在切削過程中所消耗的功率PE后，可按下式計算出切削功率Pm

Pm=Peηm

在切削速度Vc為已知的情況下，利用Pm即可求出切削力F。這種方法只能粗略估算切削力的大小，不夠精確。當要求精確知道切削力的大小時，通常採用測力儀直接測量。

2、用測力儀測量切削力

測力儀的測量原理是利用切削力作用在測力儀的彈性元件上所產生的變形，或作用在壓電晶體上產生的電荷經過轉換后，讀出Fz、Fx、Fy的值。在自動化生產中，還可利用測力感測裝置產生的信號優化和監控切削過程。

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變片式測力儀。

目前，人們已經積累了大量的切削力實驗數據，對於一般加工方法，如車削、孔加工和銑削等已建立起了可直接利用的經驗公式。

測力實驗的方法有單因素法和多因素法，通常採用單因素法。即固定其它實驗條件，在切削時分別改變背吃刀量ap和進給量f，並從測力儀上讀出對應切削力數值，然後經過數據整理求出它們之間的函數關係式。

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：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，需乘一個修正係數KF，它是包括了許多因素的修正係數乘積。修正係數也是用實驗方法求出。

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、刀具材料刀具磨損狀態和切削液等。

1、工件材料

（1）硬度或強度提高，剪切屈服強度τs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、進給量增大，切削層面積增大，變形抗力和摩擦力增大，切削力增大。

由於背吃刀量ap對切削力的影響比進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，當需切除一定量的金屬層時，為了提高生產率，採用大進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，見下圖）

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

（1）前角：前角增大，變形減小，切削力減小。

（2）主偏角：主偏角Kr在300-600範圍內增大，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範圍內增大，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。

實踐應用，在車削軸類零件，尤其是細長軸，為了減小切深抗力Fy的作用，往往採用較大的主偏角κr>600的車刀切削。

(3)刃傾角λs：λs對Fz影響較小，但對Fx、Fy影響較大。 λs 由正向負轉變，則Fx減小、Fy增大。實踐應用，從切削力觀點分析，切削時不宜選用過大的負刃傾角λs。特別是在工藝系統剛度較差的情況下，往往因負刃傾角λs增大了切深抗力Fy的作用而產生振動。 4、其它因素（1）刀具棱面：應選較小寬度，使Fy減小。 （2）刀具圓弧半徑：增大，切削變形、摩擦增大，切削力增大。 （3）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。