金属切削中的切削力分析与影响因素研究.docx

金属切削中的切削力分析与影响因素研究 王谦摘 要：研究与分析金属切削中的切削力对降低刀具磨损、提高加工质量有重要的现实意义本文对切削力的构成与分解、切削力的计算及影响切削力的因素等做了深入的研究和分析关键词：金属切削；切削力；分析；影响因素切削过程中由工件作用在刀具上的切削抗力，称为切削力切削力的来源主要有两个：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属受到挤压发生弹性、塑性变形而产生的抗力；二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力研究与分析金属切削中的切削力对改善加工条件、提高加工质量有重要的现实意义一、切削力的构成与分解车外圆时，刀具受到的总切削力的分解及它在各个方向上的受力如图1所示，其他类型的刀具在切削时的受力都可以看做是这个受力模型的翻转变换图1 切削力的构成与分解由图中可知，合力与各分力之间的关系为：Fp=Fpf cos krFf=Fpf sin kr式中：Fpf——合力Fr在基面上的分力刀具受到的总切削力是一个空间力，为便于分析、测量和计算，以满足设计机床和工艺分析的需要，常将总切削力分解为三个互相垂直的分力1.主切削力Fc 垂直于基面，是总切削力在主运动方向上的正投影，也称切向力。

它是最大的一个分力，约占总切削力的80%-90%，它消耗的功率约占车削总功率的90%以上Fc使刀片受压，刀杆受弯曲Fc是计算机床功率和设计主传动系统的主要依据，也是计算刀具、夹具强度和夹具夹紧力的依据，同时也是选择刀具几何角度和切削用量的主要依据Fc过大时，可能会使刀具崩刃或使机床发生“闷车”现象2.进给力Ff 在基面内，是总切削力在进给运动的方向上的正投影，也称轴向力Ff一般只消耗总功率的1%-5%，它是设计和计算机床的进给系统的零件强度的依据在设计液压或气动的夹具时也应考虑Ff对工件夹紧的影响3.背向力Fp 在基面内，是总切削力在垂直于进给运动的方向上的正投影，也称径向力因切削时在此方向上的运动速度为零，所以Fp不做功，但Fp易使刀架移位而Fp给工件的反作用力Fp，作用在工件上，易使工件弯曲变形，刚性较差的工件，变形更为明显这不仅影响尺寸精度和形状精度，还会引起振动，增大表面粗糙度值Fp是设计机床主轴、选用轴承和校验机床刚度的主要依据之一二、 切削力的计算各切削分力可用测力仪直接测出，也可经查表用经验公式近似计算下面介绍查表计算法如果已知单位切削力Fd，则主切削力Fc可用下面公式计算：Fc=Fd AD=Fd ap f N（Fd单位为N/mm2）Fd与工件材料、热处理方法、硬度等因素有关，其数值可从金属切削手册中查出，由此可计算出Fc；在不同的切削条件下，Ff、Fp相对于Fc的比值可在很大范围内变化，一般，Ff =（0.1-0.6）Fc；Fp=（0.15-0.7） Fc。

通常可根据实际切削条件，在资料中查出相应的比值大小和修正系数，即可由此计算出Ff和Fp三、影响切削力的因素1.工件材料材料的强度、硬度越高，变形抗力越大，切削力也越大若材料的强度、硬度相近，塑性、韧性大的，因切削变形较大，消耗的功率增多，故切削力较大例如，不锈钢1Cr18Ni9Ti的硬度、强度与正火的45钢基本相同，但其塑性和韧性较高，所以切削力比切削正火45钢增大25%2.切削用量当ap和f增大时，切削层面积增大，被切除的金属量增多，切削力明显增大但两者影响程度不同当背吃刀量ap增加一倍时，切削宽度bD增加一倍，由于切削变形在宽度方向上的分布是均匀的，而切削厚度不变，因此总的变形量增加一倍，故切削力增加一倍；当进给量f增加一倍时，切削厚度hD增加一倍，由于切削变形在厚度方向上的分布是不均匀的，切削厚度增加的部分，变形量逐渐减少，因此总的变形量不是成倍增加，故切削力不是成倍增加，只增加约68%-86%可见，若要提高切削效率，從切削力和切削功率方面来考虑，增加进给量f比增加背吃刀量ap有利，因为这样既提高了效率又降低了单位切削力切削速度Vc对切削力影响不大，一般不予考虑3.刀具角度前角：在刀具角度中，前角对切削力影响最大。

前角增大，切削变形减小，切屑流出也顺利，金属对刀具前面的挤压力和摩擦力都降低，因此切削力降低切削塑性大的材料时，增大前角可使切削力降低得更多主偏角：改变主偏角会改变Fp和Ff的大小主偏角增加，则Fp减少而Ff增大因此车削细长轴时，常采用90主偏角的车刀，以减少工件的弯曲变形和振动改变主偏角对主切削力Fc的影响甚小一般当主偏角在60-75范围时，主切削力Fc最小刃倾角：改变刃倾角会改变Fp和Ff的大小当刃倾角由正值向负值变化时， Fp增大， Ff减小通常刃倾角每减1， Fp增加2%-3%因此切削时若选用过大的负刃倾角会使吃刀抗力Fp过大改变刃倾角对主切削力Fc的影响甚小刀尖圆弧半径：改变刀尖圆弧半径对Fp和Ff影响较大，而对主切削力Fc的影响甚小刀尖圆弧半径增大，会使Fp和Ff都增大若刀尖圆弧半径过大，易引起振动4.其他因素刀具材料：刀具材料不同，刀具与工件之间的摩擦系数不同，因此切削力也不同在同样的切削条件下，陶瓷刀具的切削力最小，高速钢刀具的切削力最大刀具磨损：刀具的磨损，会加剧后面与工件间的摩擦，增大切削力切削液：使用切削液能减少刀具与工件间的摩擦，从而减少切削力四、 结语切削力是金属切削过程中主要的物理现象之一，它直接影响到刀具的磨损、切削热的产生以及加工的质量，而且切削力还是在设计刀具、夹具、机床等时的一个必考虑因素，尤其是随着自动化加工的发展，切削力经常作为对切削过程进行自适应控制的一个重要参数。

因此，研究与改善切削力对生产加工有重要的实际意义参考文献：[1] 杨广勇，王育民.金属切削原理与刀具[M].北京：北京理工大学出版社.1994：8.[2] 刘战强，艾兴.高速铣削中切削力的研究[J].中国机械工程，2003，14（9）：734-736. -全文完-。