【数控刀具选用指南5】金属切削过程中的切削力
编者按
切削层金属之所以会产生变形，主要是刀具给予力作用的结果，这个力称为切削力。切削力是金属切削过程中的重要物理现象。
（本篇选自《数控刀具选用指南》第一章第一节（三）切削力）
1. 切削力的来源 金属切削时，刀具切入工件，使被加工材料发生变形成为切屑所需的力，称为切削力。在刀具的作用下，切削层金属、切屑和工件表面层金属都要产生弹性变形、塑性变形以及切削过程中的摩擦作用。切削力来源于三个方面（见图1-18）：
（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）克服切屑对刀具前刀面的摩擦力Ff和刀具后刀面对过渡表面、已加工表面之间的摩擦力Ffd。
图1-18 切削力的来源
2. 切削力的合成及分解 图1-19所示为外圆纵车时的切削力分解示意图。如果不考虑副切削刃的切削作用以及其他造成流屑方向改变因素的影响，合力F就在刀具的正交平面内。为了便于测量和应用，可以将合力F分解为三个互相垂直的分力：主切削力Fz、径向力Fy和轴向力Fx（见表1-3）。
图1-19 切削合力及分力
表1-3 切削合力的分解
由图1-19可知，合力F先分解为Fz和Fxy，Fxy再分解为Fy和Fx。因此
Fy、Fx与Fxy的关系为：
一般情况下，主切削力Fz最大，Fy和Fx小一些。随着刀具几何参数、刃磨质量、磨损情况和切削用量的不同，Fy、Fx相对于Fz的比值在很大的范围内变化：
Fy=（0.15~0.7）Fz
Fx=（0.1~0.6）Fz
3. 切削力的经验公式与净功率 利用测力仪测出切削力，再将实验数据加以适当处理，可以得到切削力的经验公式。切削力的经验公式是以背吃刀量ap、进给量f为变量的幂函数。
净功率的计算式为：
式中 f——进给量，单位为mm/r；
pc——特定切削力，可查表（见表1-4、图1-20），单位为N/mm²。
表1-4 pc参考值
注：资料来源于《山特维克可乐满手册样本资料》。
图1-20 各类材料Pc值范围
4. 计算切削力的其他方法 利用单位切削力计算主切削力：单位切削力指单位切削面积上的切削力，如以p表示单位切削力，且单位切削力已知，则主切削力为：
式中 p——单位切削力，单位为N/mm²；
bD——切削宽度，单位为mm；
hD——切削厚度，单位为mm；
ap——背吃刀量，单位为mm；
f——进给量，单位为mm/r。
5. 影响切削力的主要因素 切削过程中，很多因素都会对切削力产生不同程度的影响，归纳起来主要有工件材料、切削用量、刀具几何参数、后刀面磨损等几个方面。这些因素对切削力影响的规律如图1-21、图1-22和图1-23所示。
图1-21 几何参数对切削力的影响
a）前角的影响 b）主偏角的影响
c）刃倾角的影响 d）刀尖圆弧半径的影响
图1-22 切削速度对切削力的影响
图1-23 后刀面磨损对切削力的影响
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