切削力计算的经验公式

通过试验的方法，测出各种影响因素变化时的切削力数据，加以处理得到的反映各因素与切削力关系的表达式，称为切削力计算的经验公式。在实际中使用切削力的经验公式有两种：一是指数公式，二是单位切削力。

　　1 ．指数公式

　　主切削力  

　　背向力  

　　进给力  

　　式中 F_c ————主切削力（ N）；

　　F_p ———— 背向力（ N）；

　　F_f ———— 进给力（ N）；

　　C_fc 、 C_fp 、 C_ff ———— 系数，可查表 2-1；

　　x_fc 、 y_fc、 n_fc、 x_fp、 y_fp、 n_fp、 x_ff、 y_ff、 n_ff ------ 指数，可查表 2-1。

　　K_Fc 、 K_Fp 、 K_Ff ---- 修正系数，可查表 2-5，表 2-6。

　　2 ．单位切削力

　　单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用 kc表示，见表 2-2。

　　kc=Fc/A d=Fc/(a p·f)=F c/(b d·h d) (2-7)

　　式中 A_D -------切削面积（ mm 2）；

　　a_p ------- 背吃刀量（ mm）；

　　f - ------- 进给量（ mm/r）；

　　h_d -------- 切削厚度（ mm ）；

　　b_d -------- 切削宽度（ mm）。

　　已知单位切削力 k_c ,求主切削力 F_c

　　F_c=k_c·a_p·f=k_c·h_d·b_d (2-8)

　　式 2-8中的 k c是指 f = 0.3mm/r 时的单位切削力，当实际进给量 f大于或小于 0.3mm /r时，需乘以修正系数 K_fkc，见表 2-3。

表 2-3 进给量?对单位切削力或单位切削功率的修正系数 K_fkc， K_fps

切削力的来源、切削分力

金属切削时，切削层及其加工表面上产生弹性和塑性变形；同时工件与刀具之间的相对运动存在着摩擦力。如图 2-15所示，作用在刀具上的力有两部分组成：

1. 作用在前、后刀面上的变形抗力 F_nγ 和 F_nα ;

　　2. 作用在前、后刀面上的摩擦力F_fγ 和 F_fα 。

这些力的合力 F称为切削合力，也称为总切削力。总切削力 F可沿 x,y,z方向分解为三个互相垂直的分力 Fc、 Fp、 Ff，如图 2-16所示。 主切削力 Fc 总切削力 F在主运动方向上的分力；背向力 Fp 总切削力 F在垂直于假定工作平面方向上的分力；进给力 Ff 总切削力在进给运动方向上的分力。

　　车削时各分力的实用意义如下：

　　主切削力 F c 作用于主运动方向，是计算机床主运动机构强度与刀杆、刀片强度及设计机床夹具、选择切削用量等的主要依据，也是消耗功率最多的切削力。

　　背向力 F p 纵车外圆时，背向力 F p不消耗功率，但它作用在工艺系统刚性最差的方向上，易使工件在水平面内变形，影响工件精度，并易引起振动。 F p是校验机床刚度的必要依据。

　　进给力 F f 作用在机床的进给机构上，是校验进给机构强度的主要依据。

影响切削力的主要因素

　1. 工件材料的影响

　　工件材料的物理机械性能、加工硬化能力、化学成分和热处理状态，都对切削力产生影响。

　　由表 2-2可以看出，工件材料的硬度愈高，则切削力愈大。工件材料虽然硬度、强度较低，但塑性、韧性大，加工硬化能力大，其切削力仍很大。如 1Cr18Ni9Ti 等不锈钢。　

　　从上述分析可知， a p和 f对切削面积的影响相同，但对单位切削力的影响不同。 a p 增加时单位切削力不变， f增加时，单位切削力减小，当切削面积 A d相等时，为了减小切削力，可以选择大的进给量 f，小的背吃刀量 a p，即采用窄而厚的切屑断面形状。图 2-18为车削 45钢时， a p与 f对切削力影响的实验曲线。

　　切削速度 v c对切削力的影响呈波浪形变化，如图 2-19所示。由切削变形一节所述可知，切削速度 v c小于 50m /min的范围内，随着速度的增加，积屑瘤由小变大又变小，切削力则随之由大变小又变大。速度 v c继续增高，切削温度上升，切削力又下降，但变化较小。如 v c从 50m /min增加至 500m /min时，切削力减少约 10％。生产中的高速切削技术就可减小切削力，提高切削效率。

　　3. 刀具几何参数的影响

(1) 前角的影响

　　在刀具几何参数中前角对切削力的影响最大。如图 2-20所示。前角愈大，

　　切屑易于从前刀面流出，切削变形小，从而使切削力下降，但前角γ₀对三个切削分力的影响是不同的。同时，工件材料不同，前角的影响也不同，对塑性较大的材料，如紫铜、铝合金等，切削时塑性变形大，前角的影响较显著；而对脆性材料，如铸铁、脆黄铜等，前角的影响就较小。

　　（ 2）主偏角的影响

　　如图 2-21所示为主偏角κ_r对三个切削分力的影响。从图中看出主偏角对主切削力的影响不大，当 k_r=60⁰～ 75⁰时，主切削力最小。但主偏角对 F_p、 F_f 的影响较大。随着主偏角的增加，进给力 F_f增加，而背向力 F_p减小。当κ_r =90⁰，理论上背向力 F_p=0，实际上由于有刀尖圆弧半径 r_ε和副切削刃参与切削，即使κ_r =90⁰， F_p还是存在的。在车削刚性较差的细长轴时，应选用较大的主偏角，就是为了减小 F_p的影响。表 2-4所示为 F_p/F_c、 F_f/F_c的比值。

表 2-4 切削钢和铸铁时 F_P/F_C， F_F／F_C比值

　　（ 3 ）刃倾角的影响

　　图 2 — 22 所示为刃倾角对三个切削分力的影响。从图可见，刃倾角 λs 对主切削力 Fc 的影响很小，但对进给力 F_f 和背向力 Fp 的影响较大。当 λs 从正值变为负值， F_p 将增加， F_f 将减小。所以车削刚性较差的工件时，一般不取负的刃倾角。

　　（ 4 ）刀尖圆弧半径

　　刀尖圆弧半径大小将影响切削刃上的圆弧部分长度和影响平均主偏角 κ_rB 。如图 2 — 23 所示。在切削深度 a_p, 进给量 f 和主偏角 κ_r 一定的情况下，增大刀尖

　　圆弧半径 r_ε ，刀刃曲线部分长度增大，切削刃平均主偏角减小，使切屑断面形状中 b_D增长， h_D 减小，成为薄而宽的切屑，从而使切削变形增加，所以切削力也增加，其中 Fp 明显增加， F_f 降低。因此在工艺系统刚性较差时，应选用较小的刀尖圆弧半径。

4 ．其它影响因素

　　刀具材料不同时，切屑与刀具间的摩擦状态也不同，从而影响切削力。如用 YT 硬质合金刀具切削钢料比用高速钢刀具切削， F c 约降低 5 ～ 10% 。

　　使用适宜的切削液可降低切削力。刀具后刀面磨损大 , 切削力也增加。刀具具有负倒棱时 , 切削变形增大，切削力也增大。

车刀切削力计算举例

例  用 YT15 硬质合金车刀纵车 σ b =0.588GP a 的热轧钢外圆 , 切削速度 v c=100m/min, 背吃刀量 a p= 4mm, 进给量 f = 0.3mm/r 。车刀几何参数 γ 0 =10 ° 、

κ r =75 ° 、 λ s = -10 ° 、 r ε = 0.5mm, 求切削分力 F c、 F P、 F f 。

　　解： 根据式（ 2-4）、式（ 2-5）、式（ 2-6）及表 2-1得切削力公式：

　　　　F c=9.81×270×4×0.3 0.75×100 -0.15K fc

　　　　F p=9.81×199×4 0.9× 0.3 0.6×100 -0.3K fp

　　　　F f=9.81×294×4× 0.3 0.5×10 -0.4K ff

　　切削力修正系数 K fc 、 K fp 、 K ff是各种因素对切削力的修正系数的乘积。如由表 ,由表 2-5、表 2-6查得：

　　　　(　查高速钢代入 )

　　于是得：

　　　　K_Fc = 0.7537； 　 K_Fp = 0.5509 ； 　K_Ff = 0.7822

　　代入上式切削力计算公式得

　　F_c = 1620(N) 　　F_P = 456.7(N) 　　F_f = 783.32(N)

切削温度及其主要影响因素

切削温度是切削过程中的又一基本物理现象。切削温度的变化，能改变工件材料的性能，影响积屑瘤的产生和消失，以及影响已加工表面质量。因此认识它的变化规律，具有重要的实用意义。

　　（一）切削热的产生与传出

　　如图 2 — 24 所示，在三个变形区中 ，因变形和磨擦所作的功绝大部分都转化成热能。

　　切削区域产生的热能通过切屑、工件、刀具和周围介质传出。切削热传出时由于切削方式的不同，工件和刀具热传导系数的不同等，各传导媒体传出的比例也不同。表 2 — 7 为切削热在车削和钻削时各传热媒体切削热传出的比例。

　　（二）切削温度的分布

　切削温度一般指切削区域的平均温度。切削温度的分布指切削区域各点温度的分布（即温度场）。图 2 -25a 为切削钢时所测得的正交平面内的温度分布； b 是车削不同材料时，前、后刀面上温度分布情况。从图中可以看出：

　　（ 2 ）进给量 f f 对切削温度的影响比 a p 大。进给量 f 增加，产生的热量增加。虽然 f 增加使 切削厚度 h D 增加，切屑的热容量增大，切屑能带走较多的热量，但由于切削宽度 b D 不变，刀具散热面积未按比例增加，刀具的散热条件未得到改善，所以切削温度会升高。

　　由以上分析可知，为控制切削温度，应采用宽而薄的切削层剖面形状有利。

　　（ 3 ）切削速度 v c v c 对切削温度的影响最大。切削速度增加，变形功与摩擦转变的热量急剧增多，虽然切屑带走的热量也相应增多，然而刀具传热的能力无什么变化，切削温度显著提高。

　　因此切削用量三要素中，控制切削速度 v c 是控制切削温度最有效的措施。图 2-27 所示是 v c 、 f 、 a p 对切削温度的影响。

　　3. 刀具几何参数的影响

　　（ 1 ）前角 γ 0 γ 0 增大，切削刃锋利，切屑变形小，前刀面摩擦减小，产生的热量减小，所以切削温度随 γ 0 增大而降低。但前角过大时，由于刀具楔角变小，刀具散热体积减少，切削温度反而会提高。图 2-28 所示为前角与切削温度的关系。

　（ 2 ）主偏角κ r κ r 减小，在 a p 不变的条件下主切削刃工作长度增加，散热面积增加，因此切削温度下降。图 2-29 所示为主偏角与切削温度的关系。

　　（ 3 ）刀尖圆弧半径 r ε r ε 增大，平均主偏角减小，切削宽度 b d增加，散热面积增加，切削温度降低。

　　4. 其它影响因素

　　选择合适的冷却液能带走大量的切削热，从而降低切削温度。从导热性能看水溶液的冷却性能最好，切削油最差。切削液本身温度愈低，降低切削温度的效果愈明显。