影响CNC铣床切削力效率的关键因素

在CNC铣床切削金属时，刀具切入工件使工件材料变形为切屑所需的力称为切削力。切削力是计算切削功率、设计刀具/机床/夹具、制定切削参数的重要依据。自动化生产中，切削力也可用于监控切削过程和刀具工作状态。

CNC铣床切削力与切削功率

1. CNC铣床切削力来源

切削力来源：一是切屑形成过程中弹性变形和塑性变形产生的阻力；二是切屑与刀具前刀面、工件与刀具后刀面间的摩擦阻力。

2. 切削力与分解

切削总力F为空间力。为便于测量计算，满足机床、夹具、刀具设计和工艺分析需要，常将F分解为三个相互垂直的分力Fc、Fp、Ff。

(1) 主切削力Fc是总切削力F在主运动方向的投影，方向垂直于基面。Fc是计算床功率、刀具强度、夹具设计和选择切削参数的重要依据。Fc可用经验公式或单位切削力kc计算（单位N/mm）：Fc=kcAD=kchDbD=kcapf。

(2) 背力Fp是总切削力F垂直于进给方向的分力。它是影响工件变形和引起系统振动的主要因素。

(3) 进给力Ff是总切削力F在进给运动方向的分力。它是设计校核机床进给机构和床进给功率的主要依据。

切削力总力F分解为Fc和FD，FD再分解为Fp和Ff，关系式：Ff=FDsinkr；Fp=FDcoskr。

3. CNC铣床切削功率

切削功率指切削过程中切削力消耗的功率，记作Pm，单位kW。车外圆时，为主切削力Fc和进给力Ff功耗之和。因Ff功耗极小（仅1%-5%），一般可忽略Ff，且Fp不做功，得公式Pm=Fcυc×10，其中Fc为主切削力(N)；υc为切削速度(m/s)。

考虑机床传动效率，由切削功率Pm可得机床电机功率PE，即PE≥Pm/η，η为机床传动效率，一般0.75-0.85。

影响CNC铣床切削力的主要因素

1. 工件材料的影响

工件材料强度硬度越高，虽切削变形略减，但总切削力仍增大。强度硬度相近材料中，塑性大、与刀具摩擦系数大者切削力增大；脆性材料因塑性变形小、切屑与刀具前刀面摩擦小，切削力较小。

2. 切削用量的影响

(1) 后切深ap和进给量f

f和ap增大，切削面积增大，主切削力增大，但影响程度不同。车削时ap加倍，主切削力约加倍；f加倍，主切削力仅增68%-86%。故考虑主切削力和切削功率时，增大进给量比增大后切深更有利。

(2) 切削速度υc

用YT15硬质合金车刀加工45钢（ap=4mm, f=0.3mm/r）时切削速度对切削力影响曲线。切削塑性金属时，在积屑瘤区，积屑瘤增长增大实际前角、减小切屑变形、降低切削力；反之积屑瘤减小则切削力增大。无积屑瘤时，υc增大导致切削温度升高、前刀面摩擦减小、变形减小、切削力减小。故生产常用高速切削提高生产率。切削脆性金属时，υc增大切削力略减小。

3. 刀具几何参数的影响

(1) 前角

前角对切削力影响最大。切削塑性金属时，增大前角可减小被切材料挤压变形和摩擦、利于排屑、降低总切削力；切削脆性金属时，前角影响不明显。

(2) 负倒棱

锋利切削刃磨负倒棱可增强刃口强度、延长刀具寿命，但此时被切金属变形增大，切削力增大。

(3) 主偏角

主偏角影响切削力主要通过改变切削厚度和刀尖圆弧长度影响变形，从而影响切削力。主偏角对主切削力Fc影响小，但对背力Fp和进给力Ff比例影响显著。F'D为工件对刀具的反作用力。因F'p=F'Dcoskr，F'f=F'Dsinkr，增大主偏角kr会增大进给力F'f、减小背力F'p。车细长工件时，可选较大主偏角以减小或防止工件弯曲变形。

4. 其他因素影响

刀具与工件材料间摩擦

同一切削条件下，高速钢刀具切削力最大，硬质合金次之，陶瓷刀具最小。切削中使用切削液可降低切削力，切削液润滑性能越高，降低切削力越显著。刀具后刀面磨损越严重，摩擦越大，切削力越大。