机械材料切削加工中的切削力浅探

唐亚林

摘要：切削加工是一种应用最广泛的加工工艺，在机械制造业中占有举足轻重的地位。而在切削加工的过程中，切削力又是极其重要的因素，它不仅会影响工件的加工精度，还会影响工艺系统强度和刚度等重要力学性能，进而影响整个加工过程的安全可靠性。为了加深对切削力的认识，从概念、来源和影响因素3个方面对它进行探讨和分析，以期推进其研究发展。

关键词： 切削加工;切削力;机械制造

中图分类号：TH162          文献标识码：A

切削加工产生的切削力直接影响着切削热的产生，并进一步影响着刀具的磨损、使用寿命，影响工件的加工精度和已加工表面质量。在切削化工过程中，切削力又是计算切削功率、设计和使用机床、刀具、夹具的重要依据。因此，研究切削力的作用机制不仅有助于深入了解切削加工的过程，而且有助于实际生产的进行[1]。

1 切削力的种类

1.1 含义

切削力是指在切削过程中刀具和工件同时作用的一对相互作用力。通俗地讲，它也可以说是在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力。

1.2 分类

1.2.1 主切削力

主切削力是切削合力分解而来的切向力，是切削合力在主运动方向上的正投影。它是切削合力最大的一个分力，甚至可以近似地代替总切削力，消耗功率一般在95%左右，是切削加工过程中校核刀具和夹具的强度刚度、校验和设计机床主运动机构，以及校验和选择机床功率所必需的力[2]。

1.2.2 进给力

进给力是切削合力分解而来的轴向力，是切削合力在进给运动方向上的正投影。它在切削合力中所占比例一般较小，消耗约5%的总功率，是设计机床走刀机构强度和计算车刀进给功率所必需的力。

1.2.3 背向力

背向力是切削合力分解而来的径向力，是切削合力在垂直于工作平面上的分力，一般不会消耗功率，因此也可以忽略，但在刚性很差的薄壁件中需要考虑它的作用。它可以确定工件挠度和计算机床零件强度，但也会使工件在切削过程中产生弹性弯曲、引起振动，从而影响加工过程的正常进行[3-4]。

2 切削力的来源

切削力的来源主要有两个方面：一是切削层金属、切屑和工件表面层金属的弹性变形、塑性变形所产生的抗力;二是刀具与切屑、工件表面间的摩擦阻力[5]。

3 影响的因素

3.1 工件材料

工件材料在加工过程中发生的塑性变形的程度和材料的屈服强度会影响切削力的大小。

工件材料的强度、硬度越高，切削力越大。切削力与工件材料的塑性和韧性成正相关关系。

3.2 切削用量

3.2.1 背吃刀量ap和进给量f

ap和f增大时，都会增大切削层面积，增大材料的弹塑性变形总量及切屑与刀具的摩擦力，从而增大切削力，但两者的影响程度有差异。当背吃刀量增大时，变形系数不变，切削力成正比增大;当进给量增大时，变形系数有所下降，切削力就不会成正比增大[5]。而且在计算切削力的经验公式中，ap的指数xFc近似等于1，f的指数yFc小于1，也可以看出背吃刀量对切削力的影响更大。

3.2.2 切削速度

切削塑性材料时，在没有积屑瘤产生的切削速度范围内，切削力和切削速度之间成负相关关系。这是因为切削温度会随着切削速度的增大而升高，温度升高使刀具与切屑、工件表面间的摩擦减小，从而使切削力下降。在有积屑瘤产生的情况下，刀具的实际前角的变化情况与积屑瘤的成长与脱落有关。在积屑瘤增长期，切削速度增大，积屑瘤体积会增大，使得刀具的实际前角增大，从而使变形系数减小，切削力下降;在积屑瘤消退期，切削速度增大，积屑瘤体积会减小，使得刀具的实际前角减小，从而使变形系数增大，切削力上升。

切削脆性材料时，被切材料的塑性变形及它与前刀面的摩擦均比较小，所以切削速度对切削力没有显著影响[5]。

3.3 刀具几何参数

3.3.1 前角γo

前角增大，变形系数会减小，切削力下降。前角增大对主切削力、进给力和背向力的减小程度不同，其中进给力减小程度最大，主切削力减小程度最小。对于不同材料，前角的影响程度也不同。切削塑性材料时，切削变形较大，前角对切削力影响也较大;切削脆性材料时，由于切削变形很小，前角对切削力的影响并不显著[5]。

3.3.2 主偏角Kr

3.3.2.1 对主切削力的影响

当主偏角增大时，切屑层的厚度会增加，使得切屑的平均变形减小，从而使主切削力减小。但是在主偏角增大时，刀具上圆弧刀尖所占的工作比例增大，从而加剧切屑变形及切屑间的相互挤压，使得主切削力增大。此外，副前角又随主偏角的增大而减小，这也会使主切削力增大。

主偏角在不同角度的范围内变化时，切屑厚度和刀尖处圆弧及副前角对切削力的影響程度不同。切屑厚度起主要作用的角度范围是30°～60°，而刀尖处圆弧及副前角起主要作用的角度范围是60°～90°。然而在一般情况下，主偏角大部分为60°～75°，所以在一般情况下主偏角增大时，主切削力会增大。

3.3.2.2 对进给力和背向力的影响

主偏角变化对进给力和背向力的影响，是切削合力的分力推力FD的作用方向改变造成的。推力FD可以分解为进给力和背向力，两者的夹角为主偏角，当主偏角增大时，会使背向力减小，进给力增大。

3.3.3 刃倾角λs

刃倾角会影响切屑在前刀面上的流动方向，进而影响切削合力的方向。刃倾角对主切削力的影响很小，在-45°～10度范围内变化时，主切削力几乎不变，但刃倾角对背向力和进给力却十分显著。

当刃倾角的绝对值增大时，刀具法剖面中刃口圆弧半径会减小，使刀刃更锋利，切削变形小，所以对主切削力影响小。

当刃倾角从正值向负值变化时，改变了切削合力F及切削合力的分力FD的作用方向，使得背向力增大，进给力减小，从而影响工艺系统的稳定性。所以在切削工件时，尤其是在工艺系统刚性较差的情况下，不宜采用过大的负刃倾角。

3.3.4 刀尖圆弧半径

刀尖圆弧半径越大，圆弧刀刃参与工作比例越多，使切屑变形和摩擦越大，切削力就越大。例如，由于圆弧刀刃上主偏角是变化的，所以刀尖圆弧半径增大使参加工作刀刃的主偏角的平均值减小，从而使背向力增大。

3.3.5 刀具棱面参数

刀具棱面参数：前刀面上倒棱宽度br1和前角γo1。

当负倒棱宽度br1与进给量f之比（br1/f）增大时，切削力会随之增大，但当切削钢（br1/f）≥5或切削灰铸铁（br1/f）≥3时，切削力会趋于稳定。

刀具负倒棱宽度在一定范围内增大时，切削力在3个方向上的分力均会出现先变大后变小最后又变大的趋势，其中，径向切削力变化最显著。当负倒棱宽度达到一定值后继续增大，3个方向上的切削力将逐渐保持稳定。

刀具棱面提高了刀具强度，但也增大了挤压和摩擦的作用。在切削加工时，一般选择较小的br1并且使br1/f小于0.5为宜。

3.4 刀具磨损

切削时，刀具的前面和后面分别与切屑和工件相接触，由于前、后刀面上的接触应力很大，接触面的温度也很高，因此在刀具前、后面上发生磨损。前刀面上会形成月牙洼磨损，使得切削力增大。切削力并不随月牙洼磨损的增加而持续增加，在月牙洼磨损的初期，切削力随月牙洼磨损的增加而增加，此后，切削力将出现下降趋势。后刀面的磨损形式是后角等于零的磨损棱带，当后刀面磨损增大时，刀刃变钝，后刀面上的法向力和摩擦力都增大，故切削力也会增大。

3.5 切削液

在切屑形成的过程中发生了严重的塑性变形和剧烈的摩擦，由此产生很大的切削力和很高的切削温度，使得金属切削中的润滑呈边界润滑状态。在这种状态下，从外部供给的切削液通过切屑与前刀面之间的微小间隙渗透到切削区，在刀具与切屑、工件的接触面上形成吸附薄膜，即润滑油膜。润滑油膜可以减小切削中的变形和摩擦，从而降低切削力，且在较低的切削速度下，切削液的润滑作用更为显著。

3.6 刀具材料

刀具材料与工件材料间的摩擦系数影响摩擦力的大小，从而导致切削力发生变化。不同材质的刀具针对同一工件，在同样的切削条件下，工件和刀具间产生的切削力的大小不同，其中高速工具钢刀具的切削力最大，陶瓷刀的切削力最小。

4 结语

综上所述，从切削力的概念、分类、特点、来源和影响因素等方面深入分析了切削力，这不仅进一步加深了对切削力的认识，还对实际的切削加工过程中刀具和工件材料的选择、刀具的几何参数的设计及加工时注意事项等各方面提供了帮助，让机械加工制造更精确、更方便、更快捷。

参考文献

[1] 景岗.车削时刀具磨损对切削力的影响[J].云南工业大学学报，1991，7（1）：23-30.

[2] 賈晓鸣，张秀玲.切削液对切削力的影响[J].润滑与密封，1999（4）：29-51.

[3] 夏锡全，王其东，杨海东.PCBN刀具负倒棱宽度对切削力影响分析[J].工具技术，2017，51（10）：34-36.

[4] 李宝灵，刘旭红，高中庸.切削参数对切削力影响的实验分析[J].装备制造技术，2007（4）：1-2，8.

[5] 陈朴.机械制造技术基础[M].重庆：重庆大学出版社，2012.