1金属切削原理与刀具Principle of Metal Cutting and Cutting ToolsPrinciple of Metal Cutting and Cutting Tools第四章 切削力第四章 切削力2第四章 切削力第四章 切削力4.1 切削力的来源、切削合力及分力、切削功率切削力的来源、切削合力及分力、切削功率4.2 切削力的测量及切削力的计算机辅助测试切削力的测量及切削力的计算机辅助测试4.3 切削力的指数（实验）公式切削力的指数（实验）公式4.4 影响切削力的因素影响切削力的因素34.1 切削力的来源、切削合力及分力、切削功率切削力的来源、切削合力及分力、切削功率一、 切削力的来源一、 切削力的来源第四章 切削力第四章 切削力切削过程中，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★★ 3个变形区产生的弹、塑性变形抗力 ★★ 切屑、工件与刀具间摩擦力4图图4-1 切削力的来源切削力的来源5二、切削合力及其分解二、切削合力及其分解通常将合力Fr分解为相互垂直的三个分力：切削力 Fz 、进给力 Fx 、背向力 Fy图图4-2 切削力的分解切削力的分解6切削分力的作用-Fz （Fc ）?主切削力(切向 分力)：切于过 渡表面并与基面 垂直， Fz使车 刀产生弯矩，是 计算车刀强度， 设计机床零件， 确定机床功率的 依据。
7切削分力的作用-Fy（Fp ）?切深抗力、或背向 力、径向力、吃刀力 Fy：处于基面内并与 工件轴线垂直的力， 使工件产生弯曲，用 来确定与加工精度有 关的工件挠度，计算 机床零件和车刀强 度切削过程中产生 振动的力 影响加工精度，是计 算系统刚度的依据8进给力、轴向力或走 刀力Fx：处于基面内 并与工件轴线平行与 走刀方向相反的力， 作用在进给机构上， 是计算进给机构强 度、计算车刀进给功 率的依据切削分力的作用-Fx （Ff ）9Fx、、Fy 和和Fz 的比较的比较Fz : Fy : Fx = 1: ( 0.4～0.5 ) : ( 0.3 ～0.4 ) Fr = ( Fz2 + Fy2 + Fx2 )0.5 Fr = ( 1.12 ～ 1.18 ) Fz随车刀材料、几何参数、切削用量、工件材料和车刀磨损等情况不同，Fx、Fy 和Fz之间的比例变化较大10三、切削功率三、切削功率?切削功率是各切削分力功率的总和，车削过程中?第二项忽略不计式中：Fz，Fx：N；v：m/s；nw：r/s； f：mm/r ?机床电机功率：()kWfnFvFPx zm3w101000−×⎟ ⎠⎞⎜⎝⎛⋅⋅+⋅=()kWvFPzm310−×⋅≈mm EηPP ≥书上速度 单位错书上速度 单位错11测定机床功率，计算切削力测定机床功率，计算切削力用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率P用功率表测出机床电机在切削过程中所消耗的功率PE E后，计算出切削功率Pm。
这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确当要求精确知道切削力的大小时，通常采用测力仪直接测量用测力仪测量切削力后，计算出切削功率Pm这种方法只能粗略估算切削力的大小，不够精确当要求精确知道切削力的大小时，通常采用测力仪直接测量用测力仪测量切削力124.2 切削力的测量及切削力的计算机辅助测试切削力的测量及切削力的计算机辅助测试应变式、压电式应变式、压电式131415式中：CFz、 CFy、 CFx:系数xFz、 yFz、 nFz等:对应指数，表示对切削力的影响程度 系数、指数查表4-1 KFz、 KFy、 KFx实际条件与所求得经验公式的条件不 符时修正系数，查表4-2、4-3、4-4，下式计算：xxxxxyyyyynxnnF yxpFFyxpFzF yxpFzKvfaCFKvfaCFKvfaCFFFFFFFzzFzFzFz⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅⋅=一、 计算切削力的指数公式一、 计算切削力的指数公式第四章 切削力第四章 切削力4.3 切削力的指数切削力的指数（实验）（实验）公式公式FzFzFzsFzFzFzFKKKKKKK Orzbr1rm⋅⋅⋅⋅⋅=ελγκ计算切 削功率计算切 削功率负倒棱负倒棱1617181920按单位切削力计算按单位切削力计算单位切削功率（表（表4-5）） 1) 单位切削力p：指单位切削面积上的切削力。
2) 单位切削功率Ps：单位时间内切除单位体积的 金属所消耗的功率) smm/(kw10pZpp)kw(10Zp)kw(10vfpa10vPs)/mm(f1000vaZ) smm/(kwZpp)(N/mmaafaAp36-wm s6- w3- p3 m3 pw3wm s2wcpc⋅×==××=×=×=≈⋅====−单位切削功率切削功率单位时间内金属切除量单位切削功率单位切削力zzzzFFFF21不同材料，单位切削力不同即使同一种材料，切削用量不 同，刀具几何参数不同，单位切削力也不同不同材料，单位切削力不同即使同一种材料，切削用量不 同，刀具几何参数不同，单位切削力也不同修正系数修正系数22?切削力的大小计算有理论公式和切削力的大小计算有理论公式和实验公式实验公式理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力理论公式通常供定性分析用，一般使用实验公式计算切削力 ?常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算；另一类是按单位切削力进行计算常用的实验公式分为两类：一类是用指数公式计算；另一类是按单位切削力进行计算 ?在金属切削中广泛应用在金属切削中广泛应用指数公式计算切削力指数公式计算切削力。
不同的加工方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手 册中查得车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表不同的加工方式和加工条件下，切削力计算的指数公式可在切削用量手 册中查得车削时的切削分力及切削功率的指数公式见表4-1 ?若已知单位切削力若已知单位切削力p ，即可求得单位切削功率，即可求得单位切削功率ps表4-5为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削 功率实际切削条件与表中不符时为硬质合金外圆车刀切削常用金属时的单位切削力和单位切削 功率实际切削条件与表中不符时, 须引入修正系数修正须引入修正系数修正 ?实际应用工作中，切削力的计算可实际应用工作中，切削力的计算可查阅有关手册查阅有关手册23?切削力实验方法 1) 单因素法：改变一个因素而使其他因素保持不 变，测出切削力； 2) 多因素法：同时改变多个因素，测出切削力数据处理方法 1)图解法图解法，有误差 2) 最小二乘法，精确二、 指数公式的建立二、 指数公式的建立241）指数公式的建立示例）指数公式的建立示例-图解法图解法 切削力指数公式zzFzFzF yxpFzKfaCF⋅⋅⋅=(1) 确定试验条件 (2) 固定f，测量ap与Fz关系 (3) 确定Fz与ap的关系 (4) 固定ap，测量f与Fz关系 (5) 确定 Fz与f的关系 (6) 求系数CFz (7) 修正系数的获得25(1) 确定试验条件确定试验条件校准测力仪，选定工件材料、刀具材料、刀具几 何参数、切削速度等实验条件9638081 切削速度切削速度v m/min 转速转速n r/min工件直径工件直径dwmm切削 用量切削 用量0.20º15º75º5º7º15º4K16 YT15 外圆外圆刀尖 圆弧 半径刀尖 圆弧 半径刃 倾 角刃 倾 角副 偏 角副 偏 角主 偏 角主 偏 角副 后 角副 后 角后 角后 角前 角前 角规 格规 格材 料材 料结构结构刀 具刀 具45钢（正火）钢（正火） HB187 工件 材料工件 材料实 验 条 件实 验 条 件26(2) 固定固定f，测量，测量ap与与Fz关系关系固定f=fo=0.3，改变ap(ap=1,2,3,4)，测出并记录不同ap 对应的切削力Fz，在双对数坐标图上绘出lgFz=F(ap)关 系图f = fo= 0.3ap(mm)1234Fz (N)627.81130.11757.92385.7lgFz2.7978213.0531173.2449943.37761627(3) 确定确定Fz与与ap的关系的关系lgFz=F(ap)关系图100100010000110ap(mm)Fz(N)100100010000110ap(mm)Fz(N)600算截距算截距，ap＝1，Fz＝600N量斜率量斜率得得Fz=600*ap11lg3lg600lg2000lg≈−−=KzFzzFzFzxpzF yxpFzaCFKfaCF⋅=⋅⋅⋅=f28(4) 固定固定ap，测量，测量f与与Fz关系关系固定ap=apo=3，改变f(f=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5)，测出并记录不同 f对应的切削力Fz，在双对数坐标图上绘出lgFz=F(f)关系 图。
ap= apo= 3f(mm)0.10.20.30.40.5Fz (N)627.81255.61757.9219.742762.5lgFz2.79783.09883.2452.3423.44129(5) 确定确定 FZ与与f的关系的关系lgFz=F(f)关系图1001000100000.11f(mm/r)Fz(N)4900算截距算截距，f＝1，Fz＝4900N量斜率量斜率得得Fz=4900*f0.8485. 01 . 0lg1lg 700lg4900lg≈−−=KzFzzFzFzyzF yxpFzfCFKfaCF⋅=⋅⋅⋅=ap30(6) 求系数求系数CFz?当f=f0=0.3mm/r?CFz·ap·(0.3) 0.84=600 · ap?CFz=600/(0.3)0.84≈1648?当ap＝3mm时?CFz ·(3)1 · f0.84=4900 · f0.84?CFz=4900/3=1640 ?CFz=(1648+1640)/2 ≈1640 ?得经验公式Fz=1640 · ap · f0.84zzFzFzF yxpFzKfaCF⋅⋅⋅=31(7) 修正系数的获得修正系数的获得?经验公式是在一定条件下获得的，条件 改变计算力肯定有误差，必须修正zzFzFzF yxpFzKfaCF⋅⋅⋅=FzFzFzsFzFzFzFKKKKKKK Orzbr1rm⋅⋅⋅⋅⋅=ελγκ负倒棱负倒棱322）最小二乘法，精确334.4 影响切削力的因素影响切削力的因素1. 工件材料工件材料2. 切削用量切削用量3. 刀具几何参数刀具几何参数4. 刀具材料刀具材料5. 切削液切削液6. 刀具磨损刀具磨损第四章 切削力第四章 切削力34一、 工件材料一、 工件材料?影响较大的因素主要是工件材料的强 度、硬度和塑性?强度硬度↑⇒τs ↑ ⇒ Fr ↑?强度硬度相同，塑性↑ ⇒ μ ↑ ⇒ Fr ↑35二、 切削用量二、 切削用量(1) 背吃刀量apap↑1倍⇒ Ac ↑1倍⇒ac’(严重变形部分)比例不变⇒Fr ↑1倍ap 2apfac’ac36(2) 进给量ff ↑1倍⇒ Ac ↑1倍⇒ac’(严重变形部分)比例↓⇒Fr ↑68-86%ap2fac’2acf37（3）切削速度V38BUE↑ ⇒↑ ⇒roe ↑ ⇒↑ ⇒F ↓ ↓BUE↓ ⇒↓ ⇒roe ↓ ⇒↓ ⇒F ↑ ↑μ ↓ ， ф ↑， ξ↓，μ ↓ ， ф ↑， ξ↓， T ↑ ⇒↑ ⇒F ↓ ↓ABA：：BUE（积屑瘤）最大（积屑瘤）最大B：：BUE消失消失切削速度υ切削速度υ39?切削速度在切削速度在5～～20m/min区域内增加时，积屑瘤高度逐 渐增加，切削力减小；区域内增加时，积屑瘤高度逐 渐增加，切削力减小；?切削速度继续在切削速度继续在20～～35m/min范围内增加，积屑瘤逐渐 消失，切削力增加；范围内增加，积屑瘤逐渐 消失，切削力增加；?在切削速度大于在切削速度大于35m/min时，由于切削温度上升，摩擦 系数减小，切削力下降。
一般切削速度超过时，由于切削温度上升，摩擦 系数减小，切削力下降一般切削速度超过90m/m。