CNC铣床切削力效率降低因素深度解析

CNC铣床金属切削时，刀具切入工件使材料变形为切屑所需力称为切削力。切削力是计算切削功率、设计刀具机床夹具、制定切削参数重要依据。自动化生产中也可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. 切削力来源

一方面来自切屑形成过程弹塑性变形阻力；另一方面来自切屑与刀具前刀面摩擦阻力、工件与后刀面摩擦阻力。

2. 切削力分解

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工艺分析需求，常分解为三个相互垂直分力Fc、Fp、Ff。

(1) 主切削力Fc为总切削力F在主运动方向投影，方向垂直基面。Fc是计算床功率、刀具强度、夹具设计、选切削参数重要依据。可用经验公式或单位切削力kc(N/mm)计算：Fc=kcAD=kchDbD=kcapf。

(2) 后向力Fp为总切削力F垂直进给方向分力。是影响工件变形引起系统振动主要因素。

(3) 进给力Ff为总切削力F在进给运动方向分力。是设计校核机床进给机构和床进给功率主要依据。

切削力总力F分解为Fc和FD，FD再分解为Fp和Ff，关系：Ff=FDsinκr；Fp=FDcosκr。

3. CNC铣床切削功率

切削功率指切削过程中切削力消耗功率，符号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功耗占比小(仅1%~5%)，一般忽略Ff功耗，Fp不做功，得公式Pm=Fc×υc×10⁻³，Fc主切削力(N)；υc切削速度(m/s)。

考虑机床传动效率η，得机床电机功率PE≥Pm/η，η一般0.75~0.85。

影响CNC铣床切削力主要因素

1. 工件材料影响

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、与刀具摩擦因子大则切削力大；脆性材料因塑性变形小、切屑与前刀面摩擦小，切削力小。

2. 切削用量影响

(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，Fc约加倍；f加倍，Fc仅增68%~86%。故考虑主切削力和功率时，增大进给量比增大后切深更有利。

(2) 切削速度υc。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，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；反之积屑瘤减小增大切削力。无积屑瘤时，υc增大切削温度升高前刀面摩擦减小变形减小切削力降低。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，增大前角减小挤压变形摩擦、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。锋利刃口磨负倒棱可增加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。主偏角通过改变切削厚度和刀尖圆弧长度影响变形进而影响切削力。对主切削力Fc影响小，但显著影响后向力Fp和进给力Ff比值。F'D为工件对刀具反推力。因F'p=F'Dcosκr，F'f=F'Dsinκr，增大主偏角κr会增大进给力F'f、减小后向力F'p。车细长轴工件时可选较大主偏角减小或防止工件弯曲变形。

4. 其他因素：刀具与工件材料摩擦

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，润滑性能越好降低越显著。刀具后刀面磨损越严重，摩擦越剧烈，切削力越大。