金属切削原理及刀具第4章课件.ppt

1、第第4 4章章 切削力切削力4.1 4.1 切削力的来源切削力的来源14.2 4.2 总切削力、分力和切削功率总切削力、分力和切削功率24.3 4.3 切削力的测量和实验公式切削力的测量和实验公式 34.4 4.4 影响切屑力的主要因素影响切屑力的主要因素 44.1 4.1 切削力的来源切削力的来源 金属切削时，刀具切入工件使切削层金属转变成切屑所需要的力称金属切削时，刀具切入工件使切削层金属转变成切屑所需要的力称为切削力。为切削力。如图所示，刀具作用于切屑上的力有法向力和切向力，在剪切面上如图所示，刀具作用于切屑上的力有法向力和切向力，在剪切面上作用有法向力和剪切力。作用有法向力和剪切力。刀

2、具在切屑上与剪切面上的作用力刀具在切屑上与剪切面上的作用力 在实际加工过程中，后刀面施加的力也是不能忽略的，即后刀面上在实际加工过程中，后刀面施加的力也是不能忽略的，即后刀面上也有对已加工表面的法向力和摩擦力，如图所示。也有对已加工表面的法向力和摩擦力，如图所示。刀具的切削力刀具的切削力4.2 4.2 总切削力、分力和切削功率总切削力、分力和切削功率 外圆车削时力的分解外圆车削时力的分解4.2.1 4.2.1 总切削力、分力总切削力、分力 以外圆车削为例，如图以外圆车削为例，如图所示为外圆车削时力的分解，所示为外圆车削时力的分解，刀具的前刀面和后刀面上都刀具的前刀面和后刀面上都有作用力，它们的

3、合力即为有作用力，它们的合力即为切削合力，切削合力的大小切削合力，切削合力的大小和方向是变化的，很难测量。和方向是变化的，很难测量。为简化分析，将该切削合力为简化分析，将该切削合力按空间直角坐标系分解为三按空间直角坐标系分解为三个相互垂直的切削分力，即个相互垂直的切削分力，即切削力、背向力和进给力。切削力、背向力和进给力。切削力切削力切削力切削力Fc作用于切削平作用于切削平面内，即切削刃上选定面内，即切削刃上选定点的切削速度方向上，点的切削速度方向上，消耗机床的主要功率，消耗机床的主要功率，是计算切削功率，选取是计算切削功率，选取机床电动机功率和设计机床电动机功率和设计机床主传动机构的依据机床

4、主传动机构的依据背向力背向力背向力背向力Fp作用于基面作用于基面 内，与吃刀方向一致，内，与吃刀方向一致，它能使工件产生变形，它能使工件产生变形，是校验机床主轴在水平是校验机床主轴在水平面内刚度及相应零部件面内刚度及相应零部件强度的依据。强度的依据。进给力进给力进给力又称为轴向力，进给力又称为轴向力，是进给方向的分力。是进给方向的分力。切削合力与切削力、背向力、进给力的关系如下切削合力与切削力、背向力、进给力的关系如下 （4-14-1）式中，为作用于基面内的背向力和进给力的合力（式中，为作用于基面内的背向力和进给力的合力（N N）。）。由图由图4-34-3可知，与的关系以及可知，与的关系以及F

5、 Ff f与的关系如下与的关系如下 （4-24-2）（4-34-3）由于不同刀具的情况复杂多样，一般在计算进给力及背向力时取经验值，即由于不同刀具的情况复杂多样，一般在计算进给力及背向力时取经验值，即 （4-44-4）2D2c2f2p2cFFFFFFpDrcosFFfDrsinFFcp)7.015.0(FFcf)6.01.0(FF（4-54-5）4.2.2 4.2.2 切削功率切削功率 切削过程中，各分离消耗功率的总和称为切削功率，用符号表示。切削过程中，各分离消耗功率的总和称为切削功率，用符号表示。车削时，由于和消耗的功率很小，可忽略不计，因而主运动消耗的功率车削时，由于和消耗的功率很小，可

6、忽略不计，因而主运动消耗的功率即为总的切削功率，即即为总的切削功率，即 （4-64-6）用式（用式（4-64-6）可确定机床电动机功率为）可确定机床电动机功率为 （4-74-7）式中，为机床传动效率，一般取值为式中，为机床传动效率，一般取值为0.750.750.850.85，其中大值用于新，其中大值用于新机床，小值用于旧机床。机床，小值用于旧机床。3ccc1060F vPcEcPP4.3 4.3 切削力的测量和实验公式切削力的测量和实验公式 4.3.1 4.3.1 切削力的测量切削力的测量1.1.间接测量法间接测量法电功率法电功率法此方法测量较粗略，此方法测量较粗略，要较精确测量，常使要较精确

7、测量，常使用专门用于测切削力用专门用于测切削力的仪器，即测力仪。的仪器，即测力仪。切削力的测量切削力的测量2.2.直接测量法直接测量法测力仪法测力仪法测力仪按其工作原理测力仪按其工作原理可分为机械式测力仪、可分为机械式测力仪、液压式测力仪和电测液压式测力仪和电测式测力仪。式测力仪。1 1）电阻应变式测力仪）电阻应变式测力仪电阻应变片电阻应变片 2 2）压电式测力仪）压电式测力仪 压电式测力仪是利用某些非金属材料压电式测力仪是利用某些非金属材料(如石英晶体、压电陶瓷等如石英晶体、压电陶瓷等)的的压电效应来进行测量的，即当非金属材料受力时其表面将产生电荷，电压电效应来进行测量的，即当非金属材料受力

8、时其表面将产生电荷，电荷的多少仅与所施加外力的大小成正比。用电荷放大器将电荷转换成相荷的多少仅与所施加外力的大小成正比。用电荷放大器将电荷转换成相应的电压参数就可侧出力的大小。如图所示为压电式测力仪的原理图。应的电压参数就可侧出力的大小。如图所示为压电式测力仪的原理图。（a a）电阻应变片发生弹性形变）电阻应变片发生弹性形变 （b b）电桥电路）电桥电路弹性元件上的电阻应变片弹性元件上的电阻应变片压电式测力仪的原理图压电式测力仪的原理图11小球；小球；22金属片；金属片；33压电晶体；压电晶体；44电极；电极；55导体导体2 2）压电式测力仪）压电式测力仪 压电式测力仪是利用某些非金属材料压电

9、式测力仪是利用某些非金属材料(如石英晶体、压电陶瓷如石英晶体、压电陶瓷)的压电效应来进行测量的，即当非金属材料受力时其表面将产生电的压电效应来进行测量的，即当非金属材料受力时其表面将产生电荷，电荷的多少仅与所施加外力的大小呈正比。用电荷放大器将电荷，电荷的多少仅与所施加外力的大小呈正比。用电荷放大器将电荷转换成相应的电压参数就可测出切削力的大小。荷转换成相应的电压参数就可测出切削力的大小。4.3.2 4.3.2 切削力的实验公式切削力的实验公式 1.1.切削力实验公式的建立切削力实验公式的建立 切削力实验公式是指切削力的指数公式，此公式是通过切削实验切削力实验公式是指切削力的指数公式，此公式是

10、通过切削实验建立起来的。切削实验的方法很多，有单因素法、多因素法及正交设建立起来的。切削实验的方法很多，有单因素法、多因素法及正交设计法，其数据处理方法有图解法、线性回归法及计算机数据采集处理计法，其数据处理方法有图解法、线性回归法及计算机数据采集处理法。下面通过介绍较简单的单因素法。下面通过介绍较简单的单因素图解法，来说明切削力实验公式图解法，来说明切削力实验公式的建立过程。的建立过程。例如，对例如，对4545钢进行单因素的外圆车削实验时，保持影响切削力的诸因钢进行单因素的外圆车削实验时，保持影响切削力的诸因素不变，只改变背吃刀量素不变，只改变背吃刀量a ap p(或进给量或进给量f)f)，

11、分别得到一组相对应的切削分，分别得到一组相对应的切削分力力F Fc c、F Fp p和和F Ff f的数值。然后将所得数值画在双对数坐标纸上，即得到一条的数值。然后将所得数值画在双对数坐标纸上，即得到一条近似直线，如图近似直线，如图4-74-7所示。其方程式为所示。其方程式为 y=a+bx y=a+bx （4-84-8）式中，式中，x=lg ax=lg ap p；y=lg Fy=lg Fc c；a a为直线的截距，为直线的截距，a=lg Caa=lg Cap p，CaCap p为与背吃刀为与背吃刀量相关的一个参数；量相关的一个参数；b b为直线的斜率，为直线的斜率，b=xFb=xFc c=ta

12、n=tan，xFxFc c为背吃刀量对切为背吃刀量对切削力的影响指数。削力的影响指数。直线的截距直线的截距lg Calg Cap p和斜率和斜率tan tan 均可用直尺量出或计算得出，即均可用直尺量出或计算得出，即 lg Flg Fc c=lg Ca=lg Cap p+xF+xFc clg alg ap p F Fc c=Ca=Cap pa a p p x xFc Fc（4-94-9）同理可得同理可得 F Fc c=C=Cf ff fy yF Fc c （4-104-10）式中，式中，C Cf f为与进给量相关的一个参数；为与进给量相关的一个参数；yFyFc c为进给量对切削力的影响指数。为

13、进给量对切削力的影响指数。由式（由式（4-94-9）和式（）和式（4-104-10）可得）可得 Fc=CFFc=CFc ca ap px xF Fc cf fyFcyFc （4-114-11）图解法图解法积。力影响的修正系数的乘削件不同时各种因素对切为与试验公式中切削条、数；影响指为切削速度对切削力的、；量对切削力的印象指数为进给、影响指数；为背吃刀量对切削力的、对切削力的影响系数；为工件材料和切削条件、式中，：公式来计算切削力，即实际生产中，常用指数切削力的计算fpcfpfpfpfpcfffffpppppccccczzzyyyxxxaaa.2xpfxppxpcFFFFFFFFFFFFFFFF

14、zcyFFzcyFFzcyFKKKCCCKvfCFKvfCFKvfCFcccFFFFFFFFF。为切削层横截面积，式中，可有下式求得：，则切削力若已知单位切削力通常。其计算公式为：表示，单位为生的切削力，用符号位切削层横截面积所产单位切削力是指切削单单位切削力fa.1xffafamm/.3pccccy-1pyxpc2cccccccDDDFFFAAAFFCCNFFF4.4 4.4 影响切削力的主要因素影响切削力的主要因素4.4.1 4.4.1 工件材料的影响工件材料的影响 工件材料强（硬）度增高即工件材料的剪切屈服强度增大，工件材料强（硬）度增高即工件材料的剪切屈服强度增大，切削力呈正比例增大，

15、但随着工件材料强（硬）度增高，摩擦系数切削力呈正比例增大，但随着工件材料强（硬）度增高，摩擦系数降低，摩擦角减小，剪切角增大，切屑变形系数减小，使得切削力降低，摩擦角减小，剪切角增大，切屑变形系数减小，使得切削力又有所减小。综合上述的两种影响，切削力仍然增大，但不是呈正又有所减小。综合上述的两种影响，切削力仍然增大，但不是呈正比例增大。比例增大。在强度和硬度相近的材料中，其塑性和韧性越高，切削变形系在强度和硬度相近的材料中，其塑性和韧性越高，切削变形系数越大，因此，切削力越大。当切削脆性材料时，切削层的塑性变数越大，因此，切削力越大。当切削脆性材料时，切削层的塑性变形很小，摩擦小，加工硬化小，

16、因此，产生的切削力也小。形很小，摩擦小，加工硬化小，因此，产生的切削力也小。4.4.2 4.4.2 刀具几何参数的影响刀具几何参数的影响 1.1.前角的影响前角的影响 在刀具几何参数各项中，前角对切削力的影响最大。前角越大，在刀具几何参数各项中，前角对切削力的影响最大。前角越大，切削层的变形越小，故切削力越小，但对于切削不同的材料，前角的切削层的变形越小，故切削力越小，但对于切削不同的材料，前角的变化对切削力的影响并不相同。切削塑性金属时，前角变化变化对切削力的影响并不相同。切削塑性金属时，前角变化1 1，切，切削力将改变削力将改变1.5%1.5%左右，金属的塑性越大，改变的幅度越大。例如，当

17、左右，金属的塑性越大，改变的幅度越大。例如，当切削切削4545钢时，前角增加钢时，前角增加1 1，切削力减小，切削力减小1%1%；当切削紫铜时，前角增；当切削紫铜时，前角增加加1 1，切削力减少，切削力减少2%2%3%3%；当切削铅黄铜时，前角增加；当切削铅黄铜时，前角增加1 1，切削力，切削力减小减小0.4%0.4%。此外，前角减小，工件材料和切削条件对切削力的影响系。此外，前角减小，工件材料和切削条件对切削力的影响系数减小，切削力减小，因此，随着前角增加，切削力较显著减小。数减小，切削力减小，因此，随着前角增加，切削力较显著减小。2.2.主偏角的影响主偏角的影响主偏角主偏角r r对切削力对

18、切削力F Fc c影响不大，当影响不大，当主偏角主偏角r r=60=607575时，切削力时，切削力F Fc c出现最小值。主偏角出现最小值。主偏角r r主要通过主要通过切削层厚度的变化影响切削力切削层厚度的变化影响切削力F Fc c。主偏角主偏角r r对对F Fp p、F Ff f的影响要比对的影响要比对F Fc c的影响大。主偏角的影响大。主偏角r r增大，增大，F Fp p减小，减小，而而F Ff f增大。增大。前角前角o o对切削分力的影响规律曲线对切削分力的影响规律曲线3.3.刃倾角的影响刃倾角的影响刃倾角刃倾角s s的改变引起总切削力的改变引起总切削力F F的方向改变，从而影响的方

19、向改变，从而影响F Fp p、F Ff f。实验证明，实验证明，s s对对F Fc c影响不大，而影响不大，而对对F Fp p、F Ff f的影响较大。的影响较大。s s增大，增大，使使F Fp p减小较多，使减小较多，使FfFf有所增大。有所增大。4.4.3 4.4.3 切削用量的影响切削用量的影响 1.1.切削速度的影响切削速度的影响 切削塑性金属时，切削速度切削塑性金属时，切削速度v vc c对切削力的影响如同对切削变形影响对切削力的影响如同对切削变形影响的规律，即是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的，如图所示。的规律，即是通过积屑瘤与摩擦的作用造成的，如图所示。YT15YT15外圆车刀车削外

20、圆车刀车削4545钢时的切削速度与切削力的关系曲线钢时的切削速度与切削力的关系曲线2.2.背吃刀量和进给量的影响背吃刀量和进给量的影响 背吃刀量和进给量背吃刀量和进给量f f的大小决定切削面积的大小。在式（的大小决定切削面积的大小。在式（4-154-15）中，背吃刀量的指数中，背吃刀量的指数11。而进给量的指数。而进给量的指数0.70.70.850.85。因此，背吃刀。因此，背吃刀量和进给量量和进给量f f的增加均会使切削力增大，但两者的影响程度不同：当的增加均会使切削力增大，但两者的影响程度不同：当背吃刀量增加一倍时，切削力呈正比增加一倍；当进给量背吃刀量增加一倍时，切削力呈正比增加一倍；当

21、进给量f f增加一倍增加一倍时，切削力不呈正比例增加。时，切削力不呈正比例增加。进给量进给量f f的增加对切削力的影响有正反两方面：一方面进给量的增加对切削力的影响有正反两方面：一方面进给量f f增增加一倍，切削层厚度增加一倍，从切削力实验公式可看出。切削力也加一倍，切削层厚度增加一倍，从切削力实验公式可看出。切削力也增加一倍；另一方面进给量增加一倍；另一方面进给量f f的增加将使切削变形系数减小，此时切的增加将使切削变形系数减小，此时切削力也会随之减小。削力也会随之减小。综合上述两种影响，随着进给量综合上述两种影响，随着进给量f f的增加，切削力不会呈正比例的增加，切削力不会呈正比例增加。这

22、也可从切削力实验公式进给量增加。这也可从切削力实验公式进给量f f的指数的指数0.70.70.850.85中得到证实，中得到证实，即随着进给量即随着进给量f f的增加，切削力只能增加的增加，切削力只能增加70708585。1.1.刀具材料的影响刀具材料的影响 刀具材料主要通过摩擦系数影响切削力。在刀具材料中，摩擦系数刀具材料主要通过摩擦系数影响切削力。在刀具材料中，摩擦系数是按金刚石、陶瓷、硬质合金、高速钢的顺序增大的。因此，金刚石刀是按金刚石、陶瓷、硬质合金、高速钢的顺序增大的。因此，金刚石刀具的切削力最小，高速钢刀具的切削力最大。具的切削力最小，高速钢刀具的切削力最大。2.2.后刀面磨损的影响后刀面磨损的影响 后刀面磨损越大，切削力越大。后刀面磨损越大，切削力越大。3.3.刀具刃磨质量的影响刀具刃磨质量的影响 刀具的前后刀面刃磨质量越好，切削力越小。刀具的前后刀面刃磨质量越好，切削力越小。4.4.切削液的影响切削液的影响 使用润滑性能好的切削液，切削力小。使用润滑性能好的切削液，切削力小。4.4.4 4.4.4 其他因素其他因素