1、切削用量對切削力的影響比較（陜西理工學院 機械工程學院 ） 摘 要：通過分析切削力單因素實驗，探討切削用量對切削力的影響規律；同時討論刀具幾何參數對切削力的影響，得出一般結論；進而對比說明精密切削切削力的特殊規律。 關鍵詞：切削變形；切削力；刀具；精密切削；規律1. 引言 金屬機械加工過程中，產生的切削力直接影響工件的粗糙度和加工精度，同時也是確定切削用量的基本參數。所以掌握切削用量對切削力的影響規律也顯得重要。本文從一般切削和精密切削兩個方面對切削用量對切削力的影響規律做初步探討。2.金屬切削加工機理金屬切削加工是機械制造業中最基本的加工方法之一。金屬切削加工是指在金屬切削機床上使用金屬切削

2、刀具從工件表面上切除多余金屬，從而獲得在形狀、尺寸精度及表面質量等方面都符合預定要求的加工。2.1切削加工原理利用刀具與工件之間的相對運動，在材料表面產生剪切變形、摩擦擠壓和滑移變形，進而形成切屑。2.2切削變形根據金屬切削實驗中切削層的變形，如圖1-2，可以將切削刃作用部位的切削層劃分為3個變形區。第變形區：剪切滑移區。該變形區包括三個過程，分別是切削層彈性變形、塑性變形、成為切屑。第變形區：前刀面擠壓摩擦區。該變形區的金屬層受到高溫高壓作用， 使靠近刀具前面處的金屬纖維化。 第變形區：后刀面擠壓摩擦區。 該變形區造成工件表層金屬纖維化與 圖1-2 切削層的變形區加工硬化，并產生殘余應力。

3、3.切削力切削力是指切削過程中作用在刀具或工件上的力，它是工件材料抵抗刀具切削所產生的阻力。3.1切削力來源 根據切削變形的不同，切削過程中刀具會受到三種力的作用，即： （1）克服切削層彈性變形的抗力 （2）克服切削層塑性變形的抗力 （3）克服切屑對刀具前面、工件對刀具后面的摩擦力3.2切削力的合成與分解 圖2 - 2 切削力合力和分力圖2-2為車削外圓時切削力的合力與分力示意圖。圖中字母分別表示： 、作用在車刀前刀面的正壓力、摩擦力 、作用在車刀后刀面的正壓力、摩擦力 、N1與、與的合力 與的合力，即總切削力一般地，為了研究方便，將總切削力F按實際運動效果分為以下三個分力：切削力垂直于水平面

4、，與切削速度的方向一致，且該分力最大。徑向切削力在基面內，與進給方向垂直，沿切削深度方向，不做功，但能使工件變形或造成振動。軸向切削力在基面內，與進給方向平行。由圖2-2可知，合力與各分力之間的關系為：其中： 。式中：合力在基面上的分力。3.3切削力的測定實驗單因素實驗法 在切削過程中，影響切削力的因素很多，主要有工件材料、切削用量、刀具幾何參數等。單因素實驗法就是只改變一個因素，固定其它因素不變，進行試驗；如此測得多組數據。最后綜合考慮實驗數據，得出包含多個可變因素的切削力實驗公式。以下是我搜集的部分實驗數據處理后的關系曲線，如圖2-3-1。從曲線中，可以得出結論：（1）背吃刀量增大，切削力

5、 增大 （2）進給量f增大，切削力增大 （3）不同的切削速度范圍，切削力變化不同 （4）與和f與成某種函數關系 圖2-3-1 切削三要素對切削力的影響曲線為了了解、f、v與可能成的函數關系，我們搜集了切削力單因素實驗的部分原始數據，如下表所示。根據表中數據，利用MATLAB編程可作出對應的散點圖和曲線圖，如圖2-3-2所示。觀察曲線圖，猜測、f、v與可能成指數函數關系或一次函數關系。表1-1 f=0.2mm，v=100m/min實驗f(mm)v(m/min)(mm)(kN)10.21000.50.02321.00.04331.50.06342.00.08252.50.10163.00.1197

6、3.50.137表1-2 =1mm，v=100m/min實驗(mm)v(m/min)f(mm)(kN)111000.10.34620.20.56230.30.74640.40.91250.51.06760.61.21270.71.351表1-3 =1mm，f=100mm實驗(mm)f(mm)V(m/min)(kN)110.2250.0612500.0553750.05241000.04951250.04861500.04671750.045 圖3-2-2 實驗散點圖和曲線圖數據分析：（以與為例）假設與成指數函數關系，即： 為了便于計算，對上式兩邊同時取對數，可得：對比一次函數y=kx+b，lg

7、與lg成一次函數關系。同理： 為了驗證假設，依據式，我先對原始數據取對數，再在對數坐標系中分別作出、f、v與的散點圖和曲線圖；為了驗證該曲線為一次函數，分別在曲線上各取四點，兩兩求斜率，若對應斜率之差的絕對值近似為0（在誤差允許范圍內），則可認為該曲線為一次函數；然后取斜率的平均值為最終斜率，再代值求出截距，寫出表達式；最后求反函數分別寫出、f、v與的關系式。按照上述思路，編寫MATLAB語言程序（附1），運行結果如下： 圖3-3-3 實驗對數坐標圖K = 0.9353 0.9236 0.9149 0.9246 0.6987 0.7015 0.7052 0.7018 -0.1150 -0.19

8、27 -0.1152 -0.1410 h = -3.1408 0.5512 -2.3426 H =0.0432 1.7353 0.0961 其中，K矩陣元素表示斜率，行分別表示、和的值，最后一列為斜率的平均值。 h矩陣元素分別表示截距、和的值。 H矩陣元素分別表示系數、和的值。 根據運行結果代值，分別寫出函數關系表達式如下： 式表明，在、f和v只有一個因素改變時，切削力Fz都與該可變因素成指數函數關系。當綜合考慮三個可變因素時，可得出：。式中，K為綜合系數。類似的，可分別求出、f、v和、的關系表達式。4.切削用量對切削力的影響一般性結論：（1）背吃刀量與切削力近似成正比; （2）進給量增加，切

9、削力增加，但不成正比； （3）切削速度對切削力影響較復雜(與切削溫度的變化和積屑瘤的產生和消失有關)。在無積屑瘤的切削速度范圍內，隨著切削速度的增大，切削力減小。5.刀具幾何參數對切削力的影響 圖4-1 刀具幾何參數與切削力的關系曲線一般性結論：（1）前角對切削力的影響最大。加工塑性材料時，增大前角，切削力降低；加工脆性材料時，由于切屑變形很小，前角對切削力影響的顯著。（2） 主偏角對切削力影響較小，但對徑向力和軸向力影響較大。徑向力隨著主偏角的增大而減小，軸向力隨著主偏角的增大而增大。（3） 刃傾角在很大范圍內變化時對切削力影響不大，但對徑向力和軸向力影響較大，隨著刃傾角的增大，徑向力減小，

10、軸向力增大。6.精密切削加工切削用量對切削力的影響精密切削過程中，就本質而言，切屑的變形與一般切削相同，所以其切削力的來源也相同。但是，由于精密切削采用的是微量切屑方法，與一般切削不同，所以可變因素對二者的影響就不同，也就是說可變因素對精密切削切削力的影響具有獨特規律。6.1進給量和背吃刀量的影響為了探討精密切削切削力的獨有規律，搜集部分實驗數據，如下表：表6-1進給量對切削力的影響（HSS刀）切削力（N）進給量f/(mm/r)0.010.020.040.100.2060100350570900240280410580700表6-2進給量對切削力的影響（金剛石刀）切削力（N）進給量f/(mm/

11、r)0.010.020.040.100.2020026048090010304050120170200表6-3切削深度對切削力的影響（HSS刀）切削力（N）切削深度（mm）0.0020.0040.0080.0160.03280150370520670250270330370390表6-4切削深度對切削力的影響（金剛石刀）切削力（N）切削深度（mm）0.0030.0060.010.020.031001702604505002030507090 以上數據的曲線圖如圖5-1所示。從曲線中可以清楚地看出，精密切削采用HSS車刀（或硬質合金車刀）時，當進給量或背吃刀量小于一定值時，均有成立。而采用金剛石

12、刀時，。這和一般切削總是大于是不同的。另外，在精密切削時，進給量對切削力的影響大于切削深度的影響。這和一般切削恰恰相反。為了解釋以上兩條特殊規律，我查閱了相關資料文獻，得知：a.規律取決于切削用量（、）同刀具刃口半徑的比值。 b.規律與精密切削通常采用大于的切削方式有關。 圖5-1精密切削切削用量與切削力的關系曲線6.2切削速度的影響如圖5-2所示（考慮積屑瘤的影響），低速時切削力隨切削速度增加而急劇下降。到200300m/min后，切削力基本保持不變，這規律和積屑瘤高度隨切削速度的變化規律 一致。即積屑瘤高時切削力大，積屑瘤小時切削力也小，這和一般切削規律正好相反。 圖5-2超精切削時的切削

13、力7.一般切削與精密切削切削力的對比類型與的比值、f對切削力的影響一般切削總是大于1的影響大于f精密切削可以小于1（當切削用量同刃口半徑之比達到一定數值時）f的影響大于 參考文獻 1 王貴成. 精密與特種加工M. 2013年. 第1版. 2 周利平. 現代切削刀具M. 重慶大學出版社. 2013年. 第1版. 3 何寧. 機械制造技術基礎M. 高等教育出版社. 4 卞化梅, 牛小鐵. 基于MATLAB的切削力測量實驗數據處理分析J. 煤礦機械. 第29卷第2期. 2008年2月 5 李曉舟, 于化東. 微切削加工中切削力的理論與實驗J. 長春理工大學機械工程學報. 2008年2月 6 吳立新. 減小切削力有效途徑的探討J. 工程技術. 2008年2月 7 王洪祥, 孫濤,