切削力及切削热影响因素研究

摘要：概述切削力和切削热的定义及其对机具的影响，详细分析车削加工中形成切削力与切削热的主要原因，掌握其变化规律，为减少实际生产过程中的动能消耗和刀具损耗提供理论参考。

关键词：切削力；切削热；车削加工；影响因素

中图分类号：TG501 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）01-0089-02

车削过程中，车刀、工件都会发热；当吃刀量过大时，机床卡具、工件和工具易发生强烈震动。这些现象是由切削过程中的切削力和切削热产生的，因此探讨切削力和切削热的概念及影响因素意义重大。

1 切削力的概念

切削工件时，机床动力使刀具与工件产生相对运动，工件上被切削的金属层在其变形时有一个阻力作用在刀具上，即切削力。切削力主要由切削过程中的切屑变形产生。另外，刀具与工件表面摩擦也是形成切削力的原因。

切削时，作用在刀具上的总切削力是一个复杂的空间力。它的作用实际上可分为垂直向下的主切削力和水平方向上的轴向力。

1.1 主切削力

主切削力的方向垂直向下，占总切削力的85%～90%。由于主切削力直接影响机床动力的消耗，因此通常称其为切削力。

主切削力对刀具的作用是将刀头向下压，当主切削力过大时，可能使刀具崩刃或折断；主切削力的反作用力使工件切下切屑，当切削用量过大时，形成切屑所需要的主切削力超过机床动力，就会发生“闷车”现象。

1.2 轴向力

轴向力又称走刀抗力，该力在水平面内的方向与走刀方向相反。

轴向力对刀具的作用是把车刀推向机床尾座，使车刀偏斜，所以车刀在刀架上要安装牢固；轴向力的反作用力对工件的作用，使其发生轴向窜动，所以工件需装夹牢固，否则车削时会在轴向力的作用下飞出，甚至造成安全事故。

1.3 径向力

径向力又称吃刀抗力，该力在水平面内的方向垂直走刀方向，并与吃刀方向相反。

径向力对刀具的作用是将车刀推离工件表面，是造成车刀在车削中“让刀”的主要原因；径向力的反作用力能把工件顶弯（一般在车削细长工件时较明显），是车削中产生振动的主要原因。

2 切削热的概念

切削过程中会产生一定的热量，这个热量被称为切削热。切削热直接影响刀具的耐用度，当切削超过刀具的红硬性限度时，车刀切削部位的材料在切削热的作用下，会因软化而迅速磨损。当切削热过大时，甚至会造成工件表面“烧蓝”退火或热变形，从而影响产品质量。

切削热的来源主要有以下3方面：1） 切削过程中，工件表面被切材料层发生变形，分子间发生强烈的内摩擦产生热量；2） 切屑沿车刀前面流出时，切屑与车刀前面发生摩擦产生热量；3） 工件与车刀后面发生摩擦产生热量。

车刀前面与切屑之间的摩擦，以及车刀后面与工件之间的摩擦统称为外摩擦。由试验可知，内摩擦所产生的热量约为外摩擦产生热量的6倍，因此切削热主要是由切屑变形产生的。切屑变形是切削力的主要来源，也就是说，切削热是由切削力引起的，有切削力必然有切削热。

在实际切削过程中，切削力的大小不易掌握，而切削热却能直接感觉到，因此一般用切削热来判断切削力的大小。切削热越大，则切屑力越大。例如，车削钢件时可以从切屑颜色来判断切削力大小。如果切屑呈银白色，则切削热不大，切屑力也不大；如果切屑呈紫黑色，则切削热很大，切削力也很大。

车削过程中产生的切削热分布情况大体上是：切屑占75%，刀具占20%，工件占4%。在车刀上，由于灼热的切屑沿着车刀前面流出，故车刀前面的温度较后面高。

3 影响切削力和切削热的因素

3.1 工件材料的影响

工件材料的机械强度对切削力和切削热有很大的影响。工件材料愈硬、机械强度愈高，则车削时的切削力愈大，切削热亦愈大；车削较软、机械强度较低的材料，则切削力和切削热均较小。

3.2 前角的影响

增大车刀的前角，车刀锋利，减小切屑的变形，从而减小了切屑力。同时，由于切屑变形时内摩擦减小，切削热也相应减小。

3.3 切削用量的影响

由于切削用量三要素对切削力和切削热的影响不同，因此分别讨论吃刀深度、走刀量和切削速度对切削力和切削热的影响。

3.3.1 切削横断面积的影响 车削时，切削横断面积愈大，则切削力、切削热愈大，但是吃刀深度与走刀量对切削力和切削热影响的程度不同。试验证明，在一般情况下，当吃刀深度增大1倍时，切削力也随之增大1倍，而切削热却增大7%；当走刀量增大1倍时，切削力随之增大68%，而切削热增加18%。因此，从切削力的角度看，在不改变切削横断面积时，采取增大走刀量、相应减小吃刀深度的方法，可减小切削力；而从切削热角度看，采取增大吃刀深度、相应减小走刀量的方法，可以减小切削热。

3.3.2 切削速度的影响 切削热来源于切削变形的内摩擦和切屑与车刀前面、工件、车刀后面之间的外摩擦。所以切削速度增大，外摩擦也随之增大。由于极高的切削速度使切屑来不及进行充分地变形就被切离，因此，切削热并不按照与切削速度成正比例的关系增大。试验证明，在一般情况下，切削速度增大1倍，切削热仅增大30%左右。

切削速度对切削力的影响是不规则的，提高切削速度可以减小切削力，也可能增大切削力，这与切削过程中刀瘤的形成及消失有直接关系。

刀瘤的存在实际上增大了车刀的前角和后角，因而减小了切削力。切削速度影响刀瘤的存在和消失，因此切削速度对切削力的影响随着刀瘤的变化而变化。

切削速度很低时，车刀无刀瘤存在，因此切削力很大。随着切削速度的提高，切削力相应减小。这是因为此时刀瘤逐渐增大，使车刀前角相应增大，从而减小了切削力。当切削速度继续增大至50 m/min时，由于刀瘤开始消失，车刀前角又逐渐恢复到原来的数值，故切削力又有所增大。但是，当切削速度再度提高时，切屑和车刀前面接触的一层表皮开始微熔，起了特殊的润滑作用，导致切削力再次降低。

3.3.3 主偏角的影响 改变主偏角可使车刀在水平面内的切削力分解为径向力和轴向力的情况发生变化。当减小主偏角时，径向力增大，轴向力减小；当增大主偏角时，径向力减小，轴向力增大。

径向力在切削中，可能将细长工件顶弯，引起振动，影响工件表面光洁度和尺寸精确度，因此一般车刀均采用较大的主偏角（45度～90度）。当主偏角增大时，车刀的刀尖角相应减小，从而降低了车刀的强度和耐用度。相反，减小主偏角，刀尖角相应增大，并减小了切削厚度使切屑变薄；增大切削宽度，使刀刃参加工作的长度增加，因而改善了车刀的散热条件，使切削力有所降低。

3.3.4 冷却润滑液的影响 在车削过程中使用充分的冷却润滑液，不仅能够大幅降低切削区域的温度，而且能够在刀具与工件表面之间形成一层润滑油膜，从而减少刀具与工件之间的摩擦。另外，活跃的冷却润滑液分子渗透到工件表面被切材料发生滑移层的分子之间，离间了被切材料层分子间的结合力，从而减小了切屑变形时的内摩擦。因此，车削过程中使用冷却润滑液要比“干车”所产生的切削热小得多，并减小了切削力。

4 结语

在实际工作中，减小切削力和切削热最有效的方法是：在车刀强度允许的条件下，尽可能选取较大的前角，并及时刃磨，以保证车刀锋利；用充足的冷却润滑液降低切削区域的温度，也可达到提高车刀耐用度的目的。

参考文献

[1] 高东强，黎忠炎，毛志云，刘洋.高速斜角切削过程的热-力耦合分析与研究[J].制造技术与机床， 2010（9）：49-52.

[2] 臧小俊，徐锋，张柳.铣削加工中切削参数对切削力的影响[J].电子机械工程，2011（3）：47-49.

[3] 张家梁，李蓓智，庞静珠.刀具磨损过程中的切削力特征研究[J].制造技术与机床， 2010（5）：111-113.

Abstract： The article presents the definition of cutting force and cutting heat and its influence to machinery. It analyzes the main formation reasons of cutting force and cutting heat in turnery processing in details. It is beneficial to control the variation rule， and provides theoretical reference for reducing kinetic energy consumption and knives dissipation in the process of production in practice.

Key words： cutting force； cutting heat； turnery processing； influence factors