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降低刀具磨損、提高加工質(zhì)量有重要的現(xiàn)實意義。本文對切削力的構(gòu)成與分解、切削力的計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。切削力的來源主要有兩個：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改善加工條件、提高加工質(zhì)量有重要的現(xiàn)實意義。

一、切削力的構(gòu)成與分解

車外圓時，刀具受到的總切削力的分解及它在各個方向上的受力如圖1所示，其他類型的刀具在切削時的受力都可以看做是這個受力模型的翻轉(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空間力，為便于分析、測量和計算，以滿足設(shè)計機床和工藝分析的需要，常將總切削力分解為三個互相垂直的分力。

1.主切削力Fc 。垂直于基面，是總切削力在主運動方向上的正投影，也稱切向力。它是最大的一個分力，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是計算機床功率和設(shè)計主傳動系統(tǒng)的主要依據(jù)，也是計算刀具、夾具強度和夾具夾緊力的依據(jù)，同時也是選擇刀具幾何角度和切削用量的主要依據(jù)。Fc過大時，可能會使刀具崩刃或使機床發(fā)生“悶車”現(xiàn)象。

2.進給力Ff 。在基面內(nèi)，是總切削力在進給運動的方向上的正投影，也稱軸向力。Ff一般只消耗總功率的1%-5%，它是設(shè)計和計算機床的進給系統(tǒng)的零件強度的依據(jù)。在設(shè)計液壓或氣動的夾具時也應(yīng)考慮Ff對工件夾緊的影響。

3.背向力Fp 。在基面內(nèi)，是總切削力在垂直于進給運動的方向上的正投影，也稱徑向力。因切削時在此方向上的運動速度為零，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，還會引起振動，增大表面粗糙度值。Fp是設(shè)計機床主軸、選用軸承和校驗機床剛度的主要依據(jù)之一。

二、 切削力的計算

各切削分力可用測力儀直接測出，也可經(jīng)查表用經(jīng)驗公式近似計算。下面介紹查表計算法。

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中查出，由此可計算出Fc；在不同的切削條件下，F(xiàn)f、Fp相對于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?？筛鶕?jù)實際切削條件，在資料中查出相應(yīng)的比值大小和修正系數(shù)，即可由此計算出Ff和Fp。

三、影響切削力的因素

1.工件材料。材料的強度、硬度越高，變形抗力越大，切削力也越大。若材料的強度、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，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，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)進給量f增加一倍時，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，若要提高切削效率，從切削力和切削功率方面來考慮，增加進給量f比增加背吃刀量ap有利，因為這樣既提高了效率又降低了單位切削力。切削速度Vc對切削力影響不大，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，增大前角可使切削力降低得更多。

主偏角：改變主偏角會改變Fp和Ff的大小。主偏角增加，則Fp減少而Ff增大。因此車削細長軸時，常采用90°主偏角的車刀，以減少工件的彎曲變形和振動。

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

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

刀尖圓弧半徑：改變刀尖圓弧半徑對Fp和Ff影響較大，而對主切削力Fc的影響甚小。刀尖圓弧半徑增大，會使Fp和Ff都增大。若刀尖圓弧半徑過大，易引起振動。

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

切削力是金屬切削過程中主要的物理現(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)計刀具、夾具、機床等時的一個必考慮因素，尤其是隨著自動化加工的發(fā)展，切削力經(jīng)常作為對切削過程進行自適應(yīng)控制的一個重要參數(shù)。因此，研究與改善切削力對生產(chǎn)加工有重要的實際意義。

參考文獻：

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