切削力与切削功率

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1、第四节切削力与切削功率在切削过程中，切削力决定着切削热的产生，并影响刀具磨损和已加工表面质量。在生产中，切削力又是计算切削功率，设计和使用机床、刀具、夹具的必要依据。切削热和由它产生的切削温度，直接影响刀具的磨损和使用寿命，并影响工件的加工精度和表面质量。一、切削力的来源，切削合力及其分解(一）切削力的来源研究切削力，对进一步弄清切削机理，对计算功率消耗，对刀具、机床、夹具的设计，对制定合理的切削用量，优化刀具几何参数等，都具有非常重要的意义。金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形并成为切

2、屑所需的力，称为切削力。切削力来源于三个方面：(如图1所示)1、克服被加工材料对弹性变形的抗力；2、克服被加工材料对塑性变形的抗力；3、克服切屑对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对过渡表面与已加工表面之间的摩擦力。图1切削力的来源（二）切削合力及其分解它们的合力Fr作用在前刀面上近切削刃处。为了便于分析切削力的作用和测量、计算切削力的大小，通常将合力Fr，在按主运动速度方向、切深方向和进给方向作的空间直角坐标轴z、y、x上分解成三个为相互垂直的Fz、Fy和Fx三个分力。(图2)1、主切削力Fz（切向力）

3、：主运动切削速度方向的分力。Fz是最大的一个分力，它消耗了切削总功率的95%左右，是设计与使用刀具的主要依据，并用于验算机床、夹具主要零部件的强度和刚度以及机床电动机功率。图22、切深抗力Fy（径向力）：切深方向的分力。Fy不消耗功率，但在机床一工件一夹具一刀具所组成的工艺系统刚性不足时，是造成振动的主要因素。3、进给抗力Fx：进给方向的分力。(图3)Fx消耗了总功率5%左右，它是验算机床进给系统主要零、部件强度和刚性的依据。注：在铣削平面对，上述分力亦称为：Fr——切向力、Fy——径向力、Fx—

4、—轴向力。图3根据实验，Kr=45º，λs=0º和γo=15º时，Fz、Fx和Fy之间有以下近似关系：Fy=（0.4~0.5)Fz，Fx=（0.3~0.4)Fz由此可得：Fγ=（1.12~1.18)Fz随车刀材料、车刀几何参数、切削用量、工件材料和车刀磨损情况的不同，Fx、Fy、Fz之间的比例可在较大范围内变化。二、切削功率切削功率应是各切削分力功率之和。由于Fy方向的运动速度为零，所以不做功。Fx消耗的功率所占比例很小，约为总功率的1%~5%，通常忽略不计。故切削功率Pc（单位KW）为Pc=Fz

5、Vc×10-3其中：Pc—切削功率（KW）；Fz—切削力（N）；Vc—切削速度（m/s）；按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。按上式求得切削功率后，如要计算机床电动机的功率（PE）以便选择机床电动机时，还应考虑到机床传动效率。PE≥Pc/ηm式中：ηm—机床的传动效率，一般取为0.75～0.85，大值适用于新机床，小值适用于旧机床。三、单位切削力是指切除单位切削层面积所产生的主切削力。可用Kc表示(N/mm2)Kc=Fc/AD式中AD

6、——切削层公称横截面积（mm2)，AD=apf;Fc——主切削力（N）。如果已知单位切削力Kc，可利用下式计算主切削力：Fc=Kc*AD=Kc*ap*f四、切削力测量与经验公式生产、实验中经常遇到切削力的计算。目前切削力的理论计算公式只能供定性分析用。因为切削力Fz计算公式是在忽略了温温度、正应力、第Ⅲ变形区变形与摩擦力等条件下推导出来的，故不能用于计算。而求切削力较简单又实用的方法是利用测力仪直接测出或通过实验后整理成的实验公式求得。1、用测力仪测量切削力测力仪的测量原理是利用切削力作用在测力仪

7、的弹性元件上所产生的变形，或作用在压电晶体上产生的电荷经过转换后，读出Fz、Fx、Fy的值。在自动化生产中，还可利用测力传感装置产生的信号优化和监控切削过程。按测力仪的工作原理可以分为机械、液压和电气测力仪。目前常用的是电阻应变片式测力仪。图4测力系统方框示意图1、传感器2、电桥电路3、应变仪4、记录仪传感器是一个在弹性体上粘贴着电阻应变片的转换元件，通过它使切削力的变化转换成电量的变化。将电阻应变片连接成电桥电路，当应变片的电阻值变化时，则电桥不平衡，产生了电流或电压讯号输出，该讯号经应变仪放大

8、，并由计录仪显示出来。通过标定就能作出电量与切削力之间的关系图表。在测力时根据记录的电量，可以从标定图表上查出对应的切削力数值。2、切削力的经验公式图5直杆式测力原理目前，人们已经积累了大量的切削力实验数据，对于一般加工方法，如车削、孔加工和铣削等已建立起了可直接利用的经验公式。测力实验的方法有单因素法和多因素法，通常采用单因素法。即固定其它实验条件，在切削时分别改变背吃刀量ap和进给量f，并从测力仪上读出对应切削力数值，然后经过数据整理求出它们之间的函数关系式。   通过切削力