1.3 切削力和切削功率的计算

1.3.1 切削力的来源与分解

金属切削时，工件材料抵抗刀具切削时所产生的阻力称为切削力。这种力与刀具作用在工件上的力大小相等，方向相反。切削力来源于两个方面，一是三个变形区内金属产生的弹性变形抗力和塑性变形抗力；二是切屑与前面、工件与刀具后面之间的摩擦阻力。切削力是一个空间力，其方向和大小受多种因素影响而不易确定，为了便于分析切削力的作用和测量、计算其大小，便于生产应用，一般把总切削力F分解为三个互相垂直的切削分力F_c、F_p和F_f。车削外圆时力的分解如图1-14所示。

图1-14 切削力分解

a）刀具对工件的力的分解 b）工件对刀具的力的分解

（1）切向力F_c又称主切削力，是总切削力在主运动方向上的正投影（分力），单位为N。它与主运动方向一致，垂直于基面，是三个切削分力中最大的。切向力作用在工件上，并通过卡盘传递到机床主轴箱，是计算机床切削功率，校核刀具、夹具强度与刚度的依据。

（2）背向力F_p又称径向力，是总切削力在垂直于工作平面上的分力，单位为N。由于在背向力方向上没有相对运动，所以背向力不消耗切削功率，但它作用在工件和机床刚性最差的方向上，易使工件在水平面内变形，影响工件精度，并易引起振动。背向力是校验机床刚度的主要依据。

（3）进给力F_f又称轴向力，是总切削力在进给运动方向上的正投影（分力），单位为N。进给力作用在机床的进给机构上，是校验机床进给机构强度和刚度的主要依据。总切削力在基面的投影用F_D表示，是F_p和F_f的合力。总切削力和各分力的关系为

1.3.2 单位切削力和切削功率

单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，用p表示，单位为N/mm²。可按下式计算：

切削功率是在切削过程中消耗的功率，等于总切削力的三个分力消耗的功率总和，用P_c表示，单位为kW。由于F_f消耗的功率所占比例很小，约为1%～1.5%，故通常略去不计。F_p方向的运动速度为零，不消耗功率，所以切削功率为

根据切削功率选择机床电动机功率时，还应考虑到机床的传动效率。机床电动机功率为

式中 P_E——机床电动机功率（kW）；

η——机床的传动效率，一般为0.75～0.85。

1.3.3 影响切削力的主要因素

1.工件材料

工件材料的强度、硬度越高，材料的剪切屈服强度越高，切削力越大。工件材料的塑性、韧性好，加工硬化的程度高，由于变形严重，故切削力也增大。此外，工件的热处理状态、金相组织不同，也会影响切削力的大小。通常情况下，韧性材料主要以强度，脆性材料主要以硬度来判别其对切削力的影响。

2.切削用量

（1）背吃刀量a_p与进给量f的影响当a_p或f加大时，切削层的公称横截面积增大，变形抗力和摩擦阻力增加，因而切削力随之加大。

（2）切削速度v_c的影响在低速切削范围内，随着切削速度的增加，积屑瘤逐渐长大，刀具实际前角逐渐增大，切削变形减小，使切削力逐渐减小。在中速切削范围内，随着切削速度的增加，积屑瘤逐渐减小并消失，使切削力逐渐增至最大。在高速切削阶段，由于切削温度升高，摩擦力逐渐减小，使切削力得到稳定的降低。

3.刀具几何角度

前角γ_o加大，切削层易从刀具前面流出，使切削变形减小，因此切削力下降。此外，工件材料不同，前角的影响也不同，对塑性大的材料（如纯铜、铝合金等），切削时塑性变形大，前角的影响较显著；而对脆性材料（如灰铸铁、脆黄铜等），因切削时塑性变形很小，故前角的变化对切削力影响较小。

刃倾角λ_s对主切削力的影响较小，对进给力F_f和背向力F_p的影响较大。当λ_s逐渐由正值变为负值时，F_f增大，F_p减小。

4.其他影响因素

刀具材料不同时，影响切屑与刀具间的摩擦状态，从而影响切削力。在相同切削条件下，使切削力依次减小的刀具是立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬质合金刀具和高速钢刀具。

切削液有润滑作用，使用合适的切削液可降低切削力。

由以上分析可知，影响切削变形和摩擦的因素都影响切削力的大小，凡是使切削变形增大、摩擦增大的因素均可使切削力增大。