低生产效率对CNC铣床切削力的影响分析

用CNC铣床切削金属时，刀具切入工件将材料变形为切屑，此过程产生的力称为切削力。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。自动生产中也可通过切削力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

一方面源于切屑形成过程中的弹性变形和塑性变形阻力；另一方面是切屑与刀具前刀面、工件与刀具后刀面间的摩擦阻力。

2. 切削力及其分解

切削总力F为空间力。为便于测量计算及满足机床/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量：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。可用经验公式或单位切削力Kc（单位：N/mm²）计算：Fc = Kc·ad = Kc·hd·bd = Kc·ap·f。

(2) 径向力Fp是总切削力F垂直于进给方向的分量。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在进给方向f上的分量。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F分解为Fc和Fd，Fd再分解为Fp和Ff，关系式：Ff = Fd·sinκr，Fp = Fd·cosκr。

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，用Pm表示，单位kW。车外圆时，为主切削力Fc和进给力Ff消耗功率之和。因Ff消耗功率占比小（仅1%~5%），一般忽略Ff功率，Fp不做功，故Pm = Fc·υc。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η，可由切削功率Pm计算机床电机功率Pe：Pe ≥ Pm/η。η一般取0.75~0.85。

影响CNC铣床切削力的主要因素

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。同等加工强度硬度材料中，塑性大者与刀具摩擦系数大，切削力增大；加工脆性材料时，因塑性变形小、切屑与前刀面摩擦小，切削力较小。

2. 切削参数影响

(1) 后吃刀量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加倍；f加倍，Fc仅增68%~86%。故考虑主切削力和切削功率时，增加进给量优于增加后吃刀量。

切削速度υc的影响。以YT15硬质合金车刀加工45钢（ap=4mm, f=0.3mm/r）为例。切削塑性金属时，在切屑瘤区，切屑瘤增长增大实际前角，减小切屑变形和切削力；反之切屑瘤减少则增大切削力。无切屑瘤时，随υc增加，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增加切削力略减小。

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。在锋利切削刃磨负倒棱可提高刃口强度和刀具寿命，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，从而影响切削力。主偏角对Fc影响小，但对Fp和Ff比例影响明显。F'd为工件对刀具的反作用力。因F'p=F'd·cosκr，F'f=F'd·sinκr，增大主偏角κr会增大进给力F'f、减小径向力F'p。车细长轴工件可选较大主偏角减小或防止弯曲变形。

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，其次硬质合金、陶瓷刀具。使用切削液可减小切削力，润滑性能越好减小越显著。摩擦越大，刀具磨损越严重。