切削力及切削熱影響因素研究

郝磊　文化紅

摘要：概述切削力和切削熱的定義及其對機具的影響，詳細分析車削加工中形成切削力與切削熱的主要原因，掌握其變化規律，為減少實際生產過程中的動能消耗和刀具損耗提供理論參考。

關鍵詞：切削力；切削熱；車削加工；影響因素

中圖分類號：TG501 文獻標識碼：A 文章編號：1674-1161（2015）01-0089-02

車削過程中，車刀、工件都會發熱；當吃刀量過大時，機床卡具、工件和工具易發生強烈震動。這些現象是由切削過程中的切削力和切削熱產生的，因此探討切削力和切削熱的概念及影響因素意義重大。

1 切削力的概念

切削工件時，機床動力使刀具與工件產生相對運動，工件上被切削的金屬層在其變形時有一個阻力作用在刀具上，即切削力。切削力主要由切削過程中的切屑變形產生。另外，刀具與工件表面摩擦也是形成切削力的原因。

切削時，作用在刀具上的總切削力是一個復雜的空間力。它的作用實際上可分為垂直向下的主切削力和水平方向上的軸向力。

1.1 主切削力

主切削力的方向垂直向下，占總切削力的85%～90%。由于主切削力直接影響機床動力的消耗，因此通常稱其為切削力。

主切削力對刀具的作用是將刀頭向下壓，當主切削力過大時，可能使刀具崩刃或折斷；主切削力的反作用力使工件切下切屑，當切削用量過大時，形成切屑所需要的主切削力超過機床動力，就會發生“悶車”現象。

1.2 軸向力

軸向力又稱走刀抗力，該力在水平面內的方向與走刀方向相反。

軸向力對刀具的作用是把車刀推向機床尾座，使車刀偏斜，所以車刀在刀架上要安裝牢固；軸向力的反作用力對工件的作用，使其發生軸向竄動，所以工件需裝夾牢固，否則車削時會在軸向力的作用下飛出，甚至造成安全事故。

1.3 徑向力

徑向力又稱吃刀抗力，該力在水平面內的方向垂直走刀方向，并與吃刀方向相反。

徑向力對刀具的作用是將車刀推離工件表面，是造成車刀在車削中“讓刀”的主要原因；徑向力的反作用力能把工件頂彎（一般在車削細長工件時較明顯），是車削中產生振動的主要原因。

2 切削熱的概念

切削過程中會產生一定的熱量，這個熱量被稱為切削熱。切削熱直接影響刀具的耐用度，當切削超過刀具的紅硬性限度時，車刀切削部位的材料在切削熱的作用下，會因軟化而迅速磨損。當切削熱過大時，甚至會造成工件表面“燒藍”退火或熱變形，從而影響產品質量。

切削熱的來源主要有以下3方面：1） 切削過程中，工件表面被切材料層發生變形，分子間發生強烈的內摩擦產生熱量；2） 切屑沿車刀前面流出時，切屑與車刀前面發生摩擦產生熱量；3） 工件與車刀后面發生摩擦產生熱量。

車刀前面與切屑之間的摩擦，以及車刀后面與工件之間的摩擦統稱為外摩擦。由試驗可知，內摩擦所產生的熱量約為外摩擦產生熱量的6倍，因此切削熱主要是由切屑變形產生的。切屑變形是切削力的主要來源，也就是說，切削熱是由切削力引起的，有切削力必然有切削熱。

在實際切削過程中，切削力的大小不易掌握，而切削熱卻能直接感覺到，因此一般用切削熱來判斷切削力的大小。切削熱越大，則切屑力越大。例如，車削鋼件時可以從切屑顏色來判斷切削力大小。如果切屑呈銀白色，則切削熱不大，切屑力也不大；如果切屑呈紫黑色，則切削熱很大，切削力也很大。

車削過程中產生的切削熱分布情況大體上是：切屑占75%，刀具占20%，工件占4%。在車刀上，由于灼熱的切屑沿著車刀前面流出，故車刀前面的溫度較后面高。

3 影響切削力和切削熱的因素

3.1 工件材料的影響

工件材料的機械強度對切削力和切削熱有很大的影響。工件材料愈硬、機械強度愈高，則車削時的切削力愈大，切削熱亦愈大；車削較軟、機械強度較低的材料，則切削力和切削熱均較小。

3.2 前角的影響

增大車刀的前角，車刀鋒利，減小切屑的變形，從而減小了切屑力。同時，由于切屑變形時內摩擦減小，切削熱也相應減小。

3.3 切削用量的影響

由于切削用量三要素對切削力和切削熱的影響不同，因此分別討論吃刀深度、走刀量和切削速度對切削力和切削熱的影響。

3.3.1 切削橫斷面積的影響 車削時，切削橫斷面積愈大，則切削力、切削熱愈大，但是吃刀深度與走刀量對切削力和切削熱影響的程度不同。試驗證明，在一般情況下，當吃刀深度增大1倍時，切削力也隨之增大1倍，而切削熱卻增大7%；當走刀量增大1倍時，切削力隨之增大68%，而切削熱增加18%。因此，從切削力的角度看，在不改變切削橫斷面積時，采取增大走刀量、相應減小吃刀深度的方法，可減小切削力；而從切削熱角度看，采取增大吃刀深度、相應減小走刀量的方法，可以減小切削熱。

3.3.2 切削速度的影響 切削熱來源于切削變形的內摩擦和切屑與車刀前面、工件、車刀后面之間的外摩擦。所以切削速度增大，外摩擦也隨之增大。由于極高的切削速度使切屑來不及進行充分地變形就被切離，因此，切削熱并不按照與切削速度成正比例的關系增大。試驗證明，在一般情況下，切削速度增大1倍，切削熱僅增大30%左右。

切削速度對切削力的影響是不規則的，提高切削速度可以減小切削力，也可能增大切削力，這與切削過程中刀瘤的形成及消失有直接關系。

刀瘤的存在實際上增大了車刀的前角和后角，因而減小了切削力。切削速度影響刀瘤的存在和消失，因此切削速度對切削力的影響隨著刀瘤的變化而變化。

切削速度很低時，車刀無刀瘤存在，因此切削力很大。隨著切削速度的提高，切削力相應減小。這是因為此時刀瘤逐漸增大，使車刀前角相應增大，從而減小了切削力。當切削速度繼續增大至50 m/min時，由于刀瘤開始消失，車刀前角又逐漸恢復到原來的數值，故切削力又有所增大。但是，當切削速度再度提高時，切屑和車刀前面接觸的一層表皮開始微熔，起了特殊的潤滑作用，導致切削力再次降低。

3.3.3 主偏角的影響 改變主偏角可使車刀在水平面內的切削力分解為徑向力和軸向力的情況發生變化。當減小主偏角時，徑向力增大，軸向力減小；當增大主偏角時，徑向力減小，軸向力增大。

徑向力在切削中，可能將細長工件頂彎，引起振動，影響工件表面光潔度和尺寸精確度，因此一般車刀均采用較大的主偏角（45度～90度）。當主偏角增大時，車刀的刀尖角相應減小，從而降低了車刀的強度和耐用度。相反，減小主偏角，刀尖角相應增大，并減小了切削厚度使切屑變薄；增大切削寬度，使刀刃參加工作的長度增加，因而改善了車刀的散熱條件，使切削力有所降低。

3.3.4 冷卻潤滑液的影響 在車削過程中使用充分的冷卻潤滑液，不僅能夠大幅降低切削區域的溫度，而且能夠在刀具與工件表面之間形成一層潤滑油膜，從而減少刀具與工件之間的摩擦。另外，活躍的冷卻潤滑液分子滲透到工件表面被切材料發生滑移層的分子之間，離間了被切材料層分子間的結合力，從而減小了切屑變形時的內摩擦。因此，車削過程中使用冷卻潤滑液要比“干車”所產生的切削熱小得多，并減小了切削力。

4 結語

在實際工作中，減小切削力和切削熱最有效的方法是：在車刀強度允許的條件下，盡可能選取較大的前角，并及時刃磨，以保證車刀鋒利；用充足的冷卻潤滑液降低切削區域的溫度，也可達到提高車刀耐用度的目的。

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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