第四章切削力
4．1 必备知识和考试要点
4．1．1 切削力的来源，切削合力及其分解，切削功率
1．了解切削力的来源。
2．掌握切削力的合成与分解方法，明确切削力各分力的作用。
3．掌握根据已知条件计算切削功率并确定机床电动机功率的方法。
4．1．2 切削力的测量及切削力的计算机辅助测试
1．了解测量切削力的主要方法。
2．了解电阻应变片式测力仪的工作原理。
3．了解切削力的计算机辅助测试方法。
4．1．3 切削力的指数公式和切削力的预报及估算
1．熟悉切削力的指数公式及公式中各符号的意义。
2，掌握根据切削力计算公式计算单位切削力及单位切削功率的方法。
3．熟练掌握切削力经验公式的建立过程。
4．1．4 影响切削力的因素
1．掌握被加工工件材料对切削力影响的要点。
2．掌握切削用量对切削力影响的要点。
3．能够正确分析背吃刀量、进给量对切削力影响程度不同的原因。
4．能够正确分析切削速度对切削力影响产生的驼峰曲线关系的原因。
5．掌握刀具前角对切削力影响的要点。
6．正确分析主偏角对各切削分力影响程度不同的原因。
7．掌握刀具材料对切削力影响的要点。
8．掌握切削液对切削力影响的要点。
9．掌握刀具磨损对切削力影响的要点。
4．1．5 其它
1．了解切削力的理论公式建立。
2．了解切削力理论公式的不足。
4．2 典型范例和答题技巧
[例4．1] 车削时切削合力F r为什么常分为三个相互垂直的分力?说明这三个分力的作用。
[分析]作用在切削刃上的切削力是沿空间的某一方向，根据切削运动，可以将合力分解成沿各运动方向的分力。
车削是按主运动(切削速度)方向、进给运动(进给量)方向、切深运动(背吃刀量)方向进行分解，三个方向的分力在车削时是互相垂直的。
同时，车床完成上述三个方向运动的各运动机构也将以各分力为设计、计算的依据参数。
而钻削加工是把切削力分解成轴向力和扭矩，同样也是为了便于设计、计算机床功率、运动机构强度等问题。
[答案] 切削合力方向为空间的某一方向，与切削运动中的三个运动方向均不重合，切削力是设计、计算机床功率、校验运动机构强度、合理选择切削用量、提高工件加工精度的一个重要参数或影响因素。
所以按照车削的实际情况，将切削力沿车削时的三个运动方向分解成三个力(见例图4．1)。
车削时的切削运动为：主运动(切削速度)、进给运动(进给量)、切深运动(背吃刀量)。
三个运动方向在车削时是互相垂直的，所以车削时将切削力分解成沿三个运动方向、互相垂直的分力。
各分力的名称、定义及作用为：
F t(新国标为F c)——切削力或切向力。
它切于加工表面并与基面垂直。
F x是计算车刀
强度、设计机床零件、确定机床功率所必需的基本参数。
F x(新国标为F f)——进给力或走刀力。
它是处于基面内并与工件轴线平行，与走刀方
向相反的力。
F x是设计计算车刀进给机构所必需的参数。
F y(国标为F p)——切深力或背向力、径向力、吃刀力。
它是处于基面内并与工件轴线
垂直的力。
F y用来确定与工件加工精度有关的工件挠度，是计算机床零件和车刀强度所必需的参数，也是导致工件在切削过程中振动的力。
[例4．2] 结合切屑的形成分析切削力的来源。
[分析]切屑是被切削的切削层经过剪切滑移面流经刀具的前刀面而成的。
在这一过程中，金属切削层的变形可分成三个变形区，切削力的产生也便是在这三个变形区内产生的金属变形抗力及摩擦抗力。
所以分析切削力的来源，就是分析切削层转变成切屑时的变形。
[答案] 在金属切削层转变为切屑这——过程中，金属切削层存在三个变形区。
在第一变形区中产生剪切滑移变形；在第二变形区中产生挤压、摩擦变形；在第三变形区中产生挤压、摩擦变形。
所以切削力的来源即为(见例图4．2)作用在前刀面上的弹、塑性变形抗力和摩擦力，作用在后刀面上的弹、塑性变形抗力和摩擦力。
[例4．3] 试分析在加工塑性工件材料时，切削用量是如何影响切削力的?
[分析]切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量。
分析时要分别以每个因素的影响来分析。
这是因为各因素对切削力的影响规律是不同的。
切削速度v c对切削力的影响可从两部分来分析：一部分为积屑瘤生成阶段，通过实际前角γoe来分析；一部分为无积屑瘤阶段，通过摩擦系数卢来分析。
背吃刀量αp进给量f对切削力的影响：一是f、αp通过切削面积A c(A c=o，／)对切削力的影响；二是αp、f通过对变形系数ϕ(A h)对切削力的影响。
[答案] 切削用量包括三要素：v c、f、αp。
(1)v c对切削力(F z)的影响呈驼峰曲线如例4．3图所示。
当v c较低时，I区内随着v c的增加，F z将减小，主要是因为此区生长积屑瘤，积屑瘤由小到最大，使实际前角γoe由小到最大，
F z↓；Ⅱ区为积屑瘤由最大到消失区，即γoe，随v c的增加而变小，故F z↓；III区为无瘤区，v c↑，τs↓，或工件来不及变形，即ϕ↓，所以此区v c↑—F z↓。
(2) f对切削力F x的影响。
一方面根据公式αc=f sinκr，得f↑—αc↑
但另一方面根据
μ↓—β↓—φ↑—ϕ↓—F z↑
综合结果为f↑—F z↑，但不成正比。
从公式F z=C Fz αp X Fz f Y Fz可看出，YY Fz
=0．7～0．8。
’
(3) αp对F z的影响。
αp↑一F z↑且成正比，在指数公式中X Fz=1．0。
注：可以用F x或F c表示主切削力，答题中应一致。
[例4．4] 从机床功率的角度考虑是选择大的进给量好，还是选择大的背吃刀量(切削深度)好，为什么?
[答案] 从机床功率的角度考虑，应在保证切削效率的情况下尽量减少机床消耗的功率。
在切削速度一定的情况下，机床的切削功率主要取决于切削时产生的切削力(P m= F z·v c)，所以应优先选用大的进给量。
因为在进给量／和背吃刀量两参数中，对切削力F x影响最大的是背吃刀量。
[例4．5] 刀具前角γo主偏角κr，是如何影响切削力的?
[分析]刀具前刀面是切屑流经的表面。
切屑在流经前刀面时要产生摩擦、挤压变形。
切屑的变形影响切削力的大小。
根据φ=π/4－β+γo可定性分析刀具前角对切屑变形及对切削力的影响。
主偏角对切削合力的影响很小，它主要影响基面内的两个分力F y、F x(F y=F N cosκr ,
F x=F N sinκr)。
[答案] 前角对切削力的影响。
在刀具的几何参数中，前角γo对切削力的影响最大。
当加工钢时，切削力随前角的增大而减小。
这是因为当前角增大时，剪切角φ增大，金属塑性变形减小，变形系数ϕ(A h)减小，从而使切削力减小。
前角对切削力的影响程度随切削速度的增大而减小。
当切削速度较高时，随着前角的减小，虽然切削力也要增大，但比低速时增大的程度小。
这是因为高速时的切削温度增高，使摩擦、加工硬化程度和塑性变形都减小。
实践证明，当加工脆性金属(如铸铁、青铜等)时，由于切屑变形和加工硬化很小，所以前角对切削力钓影响不显著。
主偏角对主切削力F z的影响是随着主偏角的增加，F z先减小后增加。
当切削面积不变时，主偏角增大，切削厚度也随之增大，切屑变厚，切削层的变形减小，因而主切削力也随主偏角κr的增大而减小。
但当主偏角过大时，由于刀尖圆弧半径rε随着主偏角的增大，刀刃曲线部分的长度也将随之增大，刀刃的不自由切削段是变化的，且都比直线切削刃的切削厚度小，所以变形力增加。
同时，主偏角增大，副刃前角γo9则随之减小的长度加大。
而刀刃曲线部分各点的切削厚度小，也增大了副刃上的切削力，使F z增加(见例图4．4)。
由例图4．5可知F y=F N cosκr，F x=F N sinκr
可见F y随κr的增大而减小，而F x则随κr的增大而增大。
式中。
