金屬切削中的切削力分析與影響因素研究

王謙

摘 要：研究與分析金屬切削中的切削力對(duì)降低刀具磨損、提高加工質(zhì)量有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文對(duì)切削力的構(gòu)成與分解、切削力的計(jì)算及影響切削力的因素等做了深入的研究和分析。

關(guān)鍵詞：金屬切削；切削力；分析；影響因素

切削過(guò)程中由工件作用在刀具上的切削抗力，稱為切削力。切削力的來(lái)源主要有兩個(gè)：一是切削層金屬、切屑和工件表面層金屬受到擠壓發(fā)生彈性、塑性變形而產(chǎn)生的抗力；二是刀具與切屑、工件表面間的摩擦阻力。研究與分析金屬切削中的切削力對(duì)改善加工條件、提高加工質(zhì)量有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、切削力的構(gòu)成與分解

車外圓時(shí)，刀具受到的總切削力的分解及它在各個(gè)方向上的受力如圖1所示，其他類型的刀具在切削時(shí)的受力都可以看做是這個(gè)受力模型的翻轉(zhuǎn)變換。

圖1 切削力的構(gòu)成與分解

由圖中可知，合力與各分力之間的關(guān)系為：

Fp=Fpf cos kr

Ff=Fpf sin kr

式中：Fpf——合力Fr在基面上的分力。

刀具受到的總切削力是一個(gè)空間力，為便于分析、測(cè)量和計(jì)算，以滿足設(shè)計(jì)機(jī)床和工藝分析的需要，常將總切削力分解為三個(gè)互相垂直的分力。

1.主切削力Fc 。垂直于基面，是總切削力在主運(yùn)動(dòng)方向上的正投影，也稱切向力。它是最大的一個(gè)分力，約占總切削力的80%-90%，它消耗的功率約占車削總功率的90%以上。Fc使刀片受壓，刀桿受彎曲。Fc是計(jì)算機(jī)床功率和設(shè)計(jì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的主要依據(jù)，也是計(jì)算刀具、夾具強(qiáng)度和夾具夾緊力的依據(jù)，同時(shí)也是選擇刀具幾何角度和切削用量的主要依據(jù)。Fc過(guò)大時(shí)，可能會(huì)使刀具崩刃或使機(jī)床發(fā)生“悶車”現(xiàn)象。

2.進(jìn)給力Ff 。在基面內(nèi)，是總切削力在進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向上的正投影，也稱軸向力。Ff一般只消耗總功率的1%-5%，它是設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)的零件強(qiáng)度的依據(jù)。在設(shè)計(jì)液壓或氣動(dòng)的夾具時(shí)也應(yīng)考慮Ff對(duì)工件夾緊的影響。

3.背向力Fp 。在基面內(nèi)，是總切削力在垂直于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向上的正投影，也稱徑向力。因切削時(shí)在此方向上的運(yùn)動(dòng)速度為零，所以Fp不做功，但Fp易使刀架移位。而Fp給工件的反作用力Fp，作用在工件上，易使工件彎曲變形，剛性較差的工件，變形更為明顯。這不僅影響尺寸精度和形狀精度，還會(huì)引起振動(dòng)，增大表面粗糙度值。Fp是設(shè)計(jì)機(jī)床主軸、選用軸承和校驗(yàn)機(jī)床剛度的主要依據(jù)之一。

二、 切削力的計(jì)算

各切削分力可用測(cè)力儀直接測(cè)出，也可經(jīng)查表用經(jīng)驗(yàn)公式近似計(jì)算。下面介紹查表計(jì)算法。

如果已知單位切削力Fd，則主切削力Fc可用下面公式計(jì)算：

Fc=Fd AD=Fd ap f N（Fd單位為N/mm2）

Fd與工件材料、熱處理方法、硬度等因素有關(guān)，其數(shù)值可從金屬切削手冊(cè)中查出，由此可計(jì)算出Fc；在不同的切削條件下，F(xiàn)f、Fp相對(duì)于Fc的比值可在很大范圍內(nèi)變化，一般，F(xiàn)f =（0.1-0.6）Fc；

Fp=（0.15-0.7） Fc。通常可根據(jù)實(shí)際切削條件，在資料中查出相應(yīng)的比值大小和修正系數(shù)，即可由此計(jì)算出Ff和Fp。

三、影響切削力的因素

1.工件材料。材料的強(qiáng)度、硬度越高，變形抗力越大，切削力也越大。若材料的強(qiáng)度、硬度相近，塑性、韌性大的，因切削變形較大，消耗的功率增多，故切削力較大。例如，不銹鋼1Cr18Ni9Ti的硬度、強(qiáng)度與正火的45鋼基本相同，但其塑性和韌性較高，所以切削力比切削正火45鋼增大25%。

2.切削用量。當(dāng)ap和f增大時(shí)，切削層面積增大，被切除的金屬量增多，切削力明顯增大。但兩者影響程度不同。

當(dāng)背吃刀量ap增加一倍時(shí)，切削寬度bD增加一倍，由于切削變形在寬度方向上的分布是均勻的，而切削厚度不變，因此總的變形量增加一倍，故切削力增加一倍；當(dāng)進(jìn)給量f增加一倍時(shí)，切削厚度hD增加一倍，由于切削變形在厚度方向上的分布是不均勻的，切削厚度增加的部分，變形量逐漸減少，因此總的變形量不是成倍增加，故切削力不是成倍增加，只增加約68%-86%。

可見(jiàn)，若要提高切削效率，從切削力和切削功率方面來(lái)考慮，增加進(jìn)給量f比增加背吃刀量ap有利，因?yàn)檫@樣既提高了效率又降低了單位切削力。切削速度Vc對(duì)切削力影響不大，一般不予考慮。

3.刀具角度。前角：在刀具角度中，前角對(duì)切削力影響最大。前角增大，切削變形減小，切屑流出也順利，金屬對(duì)刀具前面的擠壓力和摩擦力都降低，因此切削力降低。切削塑性大的材料時(shí)，增大前角可使切削力降低得更多。

主偏角：改變主偏角會(huì)改變Fp和Ff的大小。主偏角增加，則Fp減少而Ff增大。因此車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，常采用90°主偏角的車刀，以減少工件的彎曲變形和振動(dòng)。

改變主偏角對(duì)主切削力Fc的影響甚小。一般當(dāng)主偏角在60°-75°范圍時(shí)，主切削力Fc最小。

刃傾角：改變?nèi)袃A角會(huì)改變Fp和Ff的大小。當(dāng)刃傾角由正值向負(fù)值變化時(shí)， Fp增大， Ff減小。通常刃傾角每減1°， Fp增加2%-3%。因此切削時(shí)若選用過(guò)大的負(fù)刃傾角會(huì)使吃刀抗力Fp過(guò)大。改變?nèi)袃A角對(duì)主切削力Fc的影響甚小。

刀尖圓弧半徑：改變刀尖圓弧半徑對(duì)Fp和Ff影響較大，而對(duì)主切削力Fc的影響甚小。刀尖圓弧半徑增大，會(huì)使Fp和Ff都增大。若刀尖圓弧半徑過(guò)大，易引起振動(dòng)。

4.其他因素。刀具材料：刀具材料不同，刀具與工件之間的摩擦系數(shù)不同，因此切削力也不同。在同樣的切削條件下，陶瓷刀具的切削力最小，高速鋼刀具的切削力最大。

刀具磨損：刀具的磨損，會(huì)加劇后面與工件間的摩擦，增大切削力。

切削液：使用切削液能減少刀具與工件間的摩擦，從而減少切削力。

四、 結(jié)語(yǔ)

切削力是金屬切削過(guò)程中主要的物理現(xiàn)象之一，它直接影響到刀具的磨損、切削熱的產(chǎn)生以及加工的質(zhì)量，而且切削力還是在設(shè)計(jì)刀具、夾具、機(jī)床等時(shí)的一個(gè)必考慮因素，尤其是隨著自動(dòng)化加工的發(fā)展，切削力經(jīng)常作為對(duì)切削過(guò)程進(jìn)行自適應(yīng)控制的一個(gè)重要參數(shù)。因此，研究與改善切削力對(duì)生產(chǎn)加工有重要的實(shí)際意義。

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