1.3 切削力和切削功率的計算

1.3.1 切削力的來源與分解

金屬切削時，工件材料抵抗刀具切削時所產生的阻力稱為切削力。這種力與刀具作用在工件上的力大小相等，方向相反。切削力來源于兩個方面，一是三個變形區內金屬產生的彈性變形抗力和塑性變形抗力；二是切屑與前面、工件與刀具后面之間的摩擦阻力。切削力是一個空間力，其方向和大小受多種因素影響而不易確定，為了便于分析切削力的作用和測量、計算其大小，便于生產應用，一般把總切削力F分解為三個互相垂直的切削分力F_c、F_p和F_f。車削外圓時力的分解如圖1-14所示。

圖1-14 切削力分解

a）刀具對工件的力的分解 b）工件對刀具的力的分解

（1）切向力F_c又稱主切削力，是總切削力在主運動方向上的正投影（分力），單位為N。它與主運動方向一致，垂直于基面，是三個切削分力中最大的。切向力作用在工件上，并通過卡盤傳遞到機床主軸箱，是計算機床切削功率，校核刀具、夾具強度與剛度的依據。

（2）背向力F_p又稱徑向力，是總切削力在垂直于工作平面上的分力，單位為N。由于在背向力方向上沒有相對運動，所以背向力不消耗切削功率，但它作用在工件和機床剛性最差的方向上，易使工件在水平面內變形，影響工件精度，并易引起振動。背向力是校驗機床剛度的主要依據。

（3）進給力F_f又稱軸向力，是總切削力在進給運動方向上的正投影（分力），單位為N。進給力作用在機床的進給機構上，是校驗機床進給機構強度和剛度的主要依據。總切削力在基面的投影用F_D表示，是F_p和F_f的合力。總切削力和各分力的關系為

1.3.2 單位切削力和切削功率

單位切削力是指單位切削面積上的主切削力，用p表示，單位為N/mm²。可按下式計算：

切削功率是在切削過程中消耗的功率，等于總切削力的三個分力消耗的功率總和，用P_c表示，單位為kW。由于F_f消耗的功率所占比例很小，約為1%～1.5%，故通常略去不計。F_p方向的運動速度為零，不消耗功率，所以切削功率為

根據切削功率選擇機床電動機功率時，還應考慮到機床的傳動效率。機床電動機功率為

式中 P_E——機床電動機功率（kW）；

η——機床的傳動效率，一般為0.75～0.85。

1.3.3 影響切削力的主要因素

1.工件材料

工件材料的強度、硬度越高，材料的剪切屈服強度越高，切削力越大。工件材料的塑性、韌性好，加工硬化的程度高，由于變形嚴重，故切削力也增大。此外，工件的熱處理狀態、金相組織不同，也會影響切削力的大小。通常情況下，韌性材料主要以強度，脆性材料主要以硬度來判別其對切削力的影響。

2.切削用量

（1）背吃刀量a_p與進給量f的影響當a_p或f加大時，切削層的公稱橫截面積增大，變形抗力和摩擦阻力增加，因而切削力隨之加大。

（2）切削速度v_c的影響在低速切削范圍內，隨著切削速度的增加，積屑瘤逐漸長大，刀具實際前角逐漸增大，切削變形減小，使切削力逐漸減小。在中速切削范圍內，隨著切削速度的增加，積屑瘤逐漸減小并消失，使切削力逐漸增至最大。在高速切削階段，由于切削溫度升高，摩擦力逐漸減小，使切削力得到穩定的降低。

3.刀具幾何角度

前角γ_o加大，切削層易從刀具前面流出，使切削變形減小，因此切削力下降。此外，工件材料不同，前角的影響也不同，對塑性大的材料（如純銅、鋁合金等），切削時塑性變形大，前角的影響較顯著；而對脆性材料（如灰鑄鐵、脆黃銅等），因切削時塑性變形很小，故前角的變化對切削力影響較小。

刃傾角λ_s對主切削力的影響較小，對進給力F_f和背向力F_p的影響較大。當λ_s逐漸由正值變為負值時，F_f增大，F_p減小。

4.其他影響因素

刀具材料不同時，影響切屑與刀具間的摩擦狀態，從而影響切削力。在相同切削條件下，使切削力依次減小的刀具是立方氮化硼刀具、陶瓷刀具、硬質合金刀具和高速鋼刀具。

切削液有潤滑作用，使用合適的切削液可降低切削力。

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