切削力的案例
兩種刀具銑削淬硬不銹鋼的切削力分析
經分析，切削速度＜140m/min時，切削溫度較低，工件材料保持足夠的硬度，切削速度增加使得單位時間去除的材料增加，導致切削力增加；切削速度為170～260m/min時，切削速度的增加使得切削溫度增加明顯，軟化工件切削區材料，導致切削力降低；當切削速度＞260m/min時，金屬陶瓷刀具在高頻斷續切削過程中，容易產生微裂紋然后擴展成崩刃，造成切削力增大。同樣硬質合金刀具在高速切削下因切削區的高溫，容易造成刀具磨損，導致切削力增大。
圖3 A、B兩區域的切削力對比
如圖3所示，切削一個工件長度后，在切削速度＜140m/min區域，切削力增加相對較少；切削速度為140m/min時，金屬陶瓷刀片3個分力平均增加幅度為22%，硬質合金刀片3個分力平均增加幅度為27.5%；切削速度＞140m/min后，切削力增加明顯，且增大的幅度越來越大；切削速度為290m/min時，金屬陶瓷刀片3個分力平均增加幅度為138.7%，硬質合金刀片3個分力平均增加幅度為72.3%。
2種刀具不同區域的切削力對比，如圖4所示。由圖4a可知，切削速度在140～230m/min時，2種刀具在A區域切削時硬質合金刀具的切削力較大。由圖4b可知，在B區域切削時，金屬陶瓷刀具的切削力較大。原因是切削速度在140～230m/min時，切削溫度對硬質合金刀具影響更大，使得其磨損更大，導致切削力較大。而在斷續切削加工時切削相同距離后，金屬陶瓷刀具的崩刃或磨損更加嚴重，使得切削力較大。
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在鋁合金的二位正交切削仿真中，不同的平面應力應變厚度的對切削力的影響結果
以上為設定值為1的情況
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2）主偏角（Kr） 車刀主偏角Kr是影響徑向力的主要因素，其大小影響著3個切削分力的大小和比例關系。
隨著主偏角的增大，徑向切削力明顯減小，在不影響刀具強度的情況下應盡量增大主偏角。
主偏角Kr=90°（裝刀時裝成85°～88°），配磨副偏角Kr＇=8°～100°，刀尖圓弧半徑γS=0.15～0.2mm，有利于減少徑向分力。
3）刃傾角（λs）傾角影響著車削過程中切屑的流向、刀尖的強度及3個切削分力的比例關系。
隨著刃傾角的增大，徑向切削力明顯減小，但軸向切削力和切向切削力卻有所增大。
刃傾角在-10°～+10°范圍內，3個切削分力的比例關系比較合理。
在車削細長軸時，常采用正刃傾角+3°～+10°，以使切屑流向待加工表面。
4）后角較小a0=a01=4°～60°，起防振作用。
3、合理地控制切削用量
切削用量選擇的是否合理，對切削過程中產生的切削力的大小、切削熱的多少是不同的。
因此對車削細長軸時引起的變形也是不同的。
粗車和半粗車細長軸切削用量的選擇原則是：
盡可能減少徑向切削分力，減少切削熱。
車削細長軸時，一般在長徑比及材料韌性大時，選用較小的切削用量，即多走刀，切深小，以減少振動，增加剛性。
1）背吃刀量（ap）。
在工藝系統剛度確定的前提下，隨著切削深度的增大，車削時產生的切削力、切削熱隨之增大，引起細長軸的受力、受熱變形也增大。
因此在車削細長軸時，應盡量減少背吃刀量。
2）進給量（f）。
進給量增大會使切削厚度增加，切削力增大。
但切削力不是按正比增大，因此細長軸的受力變形系數有所下降。
如果從提高切削效率的角度來看，增大進給量比增大切削深度有利。
3）切削速度（v）。
提高切削速度有利于降低切削力。
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(a/2))*tan(a) 從上往下車倒角將減改成加即可
10、進給每增加0.05，轉速降低50-80轉這是因為降低轉速就意味著刀具磨損下降，切削力增加的就比較慢，從而彌補由于進給的增加使切削力增大，溫度增高而帶來的影響
11、切削速度與切削力對刀具的影響至關重要，切削力過大使刀具崩掉的主要原因。
都說鏜孔難，鏜孔為什么難？
2、刀具主偏角的選用：
內孔車削刀具的主偏角影響徑向力、軸向力以及合成力的方向和大小。較大的主偏角會產生較大的軸向切削力，而較小的主偏角則導致較大的徑向切削力。一般情況下，軸向切削力朝著刀桿方向通常不會對加工有較大的影響，因此，選擇較大的主偏角是有利的。選擇主偏角時，推薦選擇盡可能接近90°的主偏角，并且不要小于75°，否則，會導致徑向切削力急劇增加。
3、刀尖半徑的選用：
在內孔車削工序中，小刀尖半徑應為首選。加大刀尖半徑，將會加大徑向和切向切削力，并且，還會增大振動趨勢的風險。另一方面，刀具在徑向上的偏斜會受到切削深度與刀尖半徑之間相對關系影響。
當切削深度小于刀尖半徑時，徑向切削力隨著切削深度的加深而不斷增加。切削深度等于或大于刀尖半徑，徑向偏斜將由主偏角決定。選擇刀尖半徑的經驗法則是刀尖半徑應稍小于切削深度。這樣，可以使徑向切削力最小。同時，在確保徑向切削刀最小的情況下，使用最大刀尖半徑可獲得更堅固的切削刃、更好的表面紋理以及切削刃上更均勻的壓力分布。
4、刃口處理的選用：
刀片的切削刃倒圓（ER）也會影響切削力。一般而言，非涂層刀片的切削刃倒圓比涂層刀片（GC）的倒圓要小，這一點應予以考慮，特別是在長刀具懸伸和加工小孔時。刀片的后刀面磨損（VB）將改變刀具相對孔壁的后角，并且，這還可能會成為影響加工過程切削作用的根源。
5、切屑的有效排出：
內孔車削加工中，排屑對于加工效果和安全性能的影響也非常重要，特別是在加工深孔和盲孔時尤為如此。較短的螺旋屑是內孔車削較理想的切屑，該類型切屑比較容易被排出，并且在切屑折斷時不會對切削刃造成大的壓力。
加工時切屑過短，斷屑作用過于強烈，會消耗更高的機床功率，并且會有加大振動的趨勢。
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- 單位切削力：2550-4870 N/mm2
- 需要的切削力和功率很高。
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而切削力的大小差異在Y軸方向上表現更為明顯，當刃口半徑R=30μm時，刃口在Y方向上受到的切削力最大值達到了130N，而刃口半徑R=5μm的拉刀刃口在該方向上的力在30N左右，兩者差值接近100N。
無論X軸向還是Y軸向上的切削力，均隨微觀刃口半徑的增大而增大，這是由于刃口半徑較小時，尖銳的刀具切削刃對工件主要呈現出剪切的作用效果，受到的阻力較小；而當刃口半徑不斷增大時，工件材料由剪切滑移逐漸過渡到擠壓和耕犁為主的變形[8]，隨著耕犁作用不斷增強，刃口受到的切削阻力也會不斷增大。因此，在一定范圍內減少刀具刃口半徑有利于降低切削過程中的切削力，提升刀具切削性能。
圖8 不同刃口半徑刀具所受切削力對比
3.4 工件材料流速對比分析
圖9所示為工件材料流動速度的云圖對比，在刃口半徑R=5μm的情況下，刃口處的材料流動速度整體較快，且沒有發生局部的停滯。而在刃口半徑較大的加工條件下，均產生了類似于三角形區域的材料停滯區域（Dead Metal Zone,DMZ),DMZ產生的主要原因是工件材料流動受阻，較大的切削刃半徑更容易導致此種現象產生。除了切削刃半徑大小因素外，切屑形成、材料變形和應力分布還受未變形切屑厚度與切削刃半徑之比的影響[9]。當兩者比值降低至最小未變形切屑厚度以下，則主剪切區域會消失。
綜上所述，減小刀具刃口半徑有利于降低切削溫度，減小切削力，降低切削應力。但當刀具鈍圓半徑為5μm時，后刀面上的米塞斯應力范圍最廣，且最大應力超過2500MPa。故過小的刀具鈍圓半徑會引起刀具磨損加快，導致刀具壽命降低，但過大的刃口值同時會引起軸向力的增大，對刀具性能產生負面影響。因此，在拉刀前角和后角分別為18°和3°，拉削速度及齒升量分別為5m/min和0.05mm的工況下，選擇10～15μm的刃口半徑值理論上應具有更好的加工和磨損壽命表現。
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- 低碳鋼有粘性，需要鋒利的切削刃。
- 單位切削力kc：1500–3100 N/mm2
- 加工ISO P材料需要的切削力及功率，都在有限值范圍內。
02-M不銹鋼
什么是不銹鋼？
- 不銹鋼是帶有最少11–12%鉻的合金材料。
- 碳含量通常很低 (低至最大0.01%)。
- 合金主要是Ni (鎳)、Mo (鉬) 和Ti (鈦)。
- 在鋼表面形成一層致密的Cr2O3，使其耐腐蝕。
在M組中，大部分應用都屬于石油和天然氣、管件、法蘭、加工行業以及制藥行業。
材料形成不規則的薄片狀切屑，與普通鋼材相比，其切削力更高。不銹鋼有許多種不同的類型。斷屑性能 (從容易到幾乎無法斷屑) 因合金特性和熱處理的不同而不同。
加工特性：
- 長切屑材料。
- 切屑控制在鐵素體中相對平順， 在奧氏體和雙相中較困難。
- 單位切削力：1800-2850 N/mm2
- 加工時產生高切削力、積屑瘤、熱量和加工硬化。
03-K鑄鐵
什么是鑄鐵？
- 鑄鐵有3種主要類型：灰口鑄鐵 (GCI)、球墨鑄鐵 (NCI) 和蠕墨鑄鐵 (CGI)。
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在加工期間，徑向和切向切削力導致內孔車刀偏斜，通常需要強制進行切削刃補償和刀具防振。出現徑向偏差時應降低切削深度，減小切屑厚度。
從刀具應用的角度出發：
1、刀片槽型的選用：
刀片槽型對切削過程有著決定性的影響，內孔加工一般選用切削鋒利,刃口強度高的正前角槽型刀片。
2、刀具主偏角的選用：
內孔車削刀具的主偏角影響徑向力、軸向力以及合成力的方向和大小。較大的主偏角會產生較大的軸向切削力，而較小的主偏角則導致較大的徑向切削力。一般情況下，軸向切削力朝著刀桿方向通常不會對加工有較大的影響，因此，選擇較大的主偏角是有利的。選擇主偏角時，推薦選擇盡可能接近90°的主偏角，并且不要小于75°，否則，會導致徑向切削力急劇增加。
3、刀尖半徑的選用：
在內孔車削工序中，小刀尖半徑應為首選。加大刀尖半徑，將會加大徑向和切向切削力，并且，還會增大振動趨勢的風險。另一方面，刀具在徑向上的偏斜會受到切削深度與刀尖半徑之間相對關系影響。
當切削深度小于刀尖半徑時，徑向切削力隨著切削深度的加深而不斷增加。切削深度等于或大于刀尖半徑，徑向偏斜將由主偏角決定。選擇刀尖半徑的經驗法則是刀尖半徑應稍小于切削深度。這樣，可以使徑向切削力最小。
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數控機床徑向跳動的處理方法
工程技術之中，往往會出現不少加工誤差，例如：數控銑床切削加工過程。
而其中，造成加工誤差的原因也有很多：刀具徑向跳動，便是其中一個重要因素。加工時，刀具徑向跳動，其直接影響機床在理想加工條件下所能達到的最小形狀誤差和被加工表面的幾何形狀精度。而在在實際切削中，刀具徑向跳動，則會影響零件的加工精度、表面粗糙度、刀具磨損不均勻度及多齒刀具的切削過程特性。刀具徑向跳動越大，刀具的加工狀態越不穩定的，越影響加工效果。
一、徑向跳動產生原因
刀具及主軸部件的制造誤差、裝夾誤差造成刀具軸線和主軸理想回轉軸線之間漂移和偏心、以及具體加工工藝、工裝等都可能產生數控銑床刀具在加工中的徑向跳動。
1．主軸本身徑向跳動帶來的影響
產生主軸徑向跳動誤差的主要原因有主軸各個軸頸的同軸度誤差、軸承本身的各種誤差、軸承之間的同軸度誤差、主軸撓度等，它們對主軸徑向回轉精度的影響大小隨加工方式的不同而不同。這些因素都是在機床的制造和裝配等過程中形成的，作為機床的操作者很難避免它們帶來的影響。
2．刀具中心和主軸旋轉中心不一致帶來的影響
刀具在安裝到主軸的過程中，如果刀具的中心和主軸的旋轉中心不一致，必然也會帶來刀具的徑向跳動。其具體影響因素有：刀具和夾頭的配合、上刀方法是否正確以及刀具自身的質量。
3．具體加工工藝帶來的影響
刀具在加工時產生的徑向跳動主要是因為徑向切削力加劇了徑向跳動。徑向切削力是總切削力在徑向的分力。它會使工件彎曲變形和產生加工時的振動，是影響工件加工質量的主要分力。它主要受切削用量、刀具和工一件材料、刀具幾何角度、潤滑方式和加工方法等因素的影響。
二、減少徑向跳動的方法
刀具在加工時產生徑向跳動主要是因為徑向切削力加劇了徑向跳動。
展開 切削仿真技術在生物醫學領域的應用
因此，我們嘗試了使用光滑粒子流體動力學（SPH）方法模擬切削過程，這樣既可以解決上述問題，又可以提高仿真效率。
圖.4不同取向骨骼的裂紋擴展
圖.5 基于SPH技術的骨骼切屑形態
二．軟組織切削
軟組織切削過程涉及三種力：切削力、摩擦力和組織變形的彈性力。在這里我們引入了針刺模型來進行軟組織切削的分析，對于針刺模型而言，切削力是尤為重要的，因為它直接關系到組織損傷。
首先，我們采用解析的方法來研究切削力。
解析模型：
圖.6元素切削刀具（ECT）及前角和傾斜角的定義
根據金屬切削理論，切削力（沿進給方向）高度依賴于傾角α和斜角λ。因此，我們通過控制切削刀片的和這兩個變量來測量切削力。最終結果顯示，傾角α比斜角λ更具有減力效果。同時，在針刺模型中通過比較不同針尖刺入豬肝組織的切削力，可以進一步驗證這一結論。
圖.7(a)比力函數(b)單斜面針的刃口
仿真模型：
雖然解析模型可以快速計算，但它僅限于簡單的刀具幾何形狀和均勻的被切削材料。
展開 基于ABAQUS的鎢鉬合金銑削加工參數優化仿真及驗證
表7 指標F 試驗結果分析 （單位：N）
從表7可得出結論：背吃刀量和每齒進給量對切削力影響較大，影響主次為B＞C＞A，故指標F優選方案為B1C2A2，即切削速度vc為60m/s，每齒進給量fz為0.16mm/z，背吃刀量ap為2mm。以最低切削溫度T為指標，試驗結果分析見表8。
表8 指標T試驗結果分析 （單位：K）
從表8可以得出：切削速度和背吃刀量對切削溫度影響較大，影響主次為A＞C＞B，故優選方案為A1B12C4，即切削速度vc為50m/s，每齒進給量fz為0.16mm/z，背吃刀量ap為4mm。
鎢鉬合金銑削試驗及模型驗證
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4.1 試驗設計
為驗證鎢鉬合金銑削試驗有限元模型的有效性，使用數控加工中心JOHNFORD-VMC-850進行銑削加工，刀具選用硬質合金標準4刃立銑刀（見圖5）。
圖5 銑刀
工件板料尺寸為150mm×130mm×45mm，為了將工件固定在測力儀上，在銑削前先在工件上加工安裝孔，采用φ8.6mm鎢鋼鉆頭打孔，再通過圓柱頭內六角頭螺栓M8進行固定。試驗使用KISTLER9257b三向測力儀進行切削力測量，利用壓板將測力儀固定在機床工作臺上，使用紅外測溫儀測量切削溫度。測力儀與工件的固定如圖6所示，測力測溫過程如圖7所示。
a）加工安裝孔
b）測力儀固定
圖6 測力儀與工件的固定
a）切削力測量
b）切削溫度測量
圖7 測力測溫過程
4.2 模型驗證
選擇3組切削參數進行試驗，切削力、切削溫度的模擬值、實測值以及誤差見表9、表10。
展開 車床為何會產生振動？介紹幾種消除措施！
三、低頻振動的消除措施
(1)在低頻振動時，主要是由于Y方向的振動引起了切削力的變化，使得F相離>F趨近而產生了振動。
主要采取下面4種措施。
①刀具主偏角(μr角)愈大，Fy力愈小，愈不容易產生振動。因此，適當增大刀具主偏角，消除或減小振動。
②適當增大刀具前角，可減小Fy力，從而減弱振動。
③刀具后角太大或刀刃過分鋒利，刀具易啃入工件，容易產生振動。而當刀具適當鈍化后，其后刀面有阻止刀具“啃入”工件的作用，可減小或消除振動。
④車削時刀尖位置過低(低于工件中心)或在車床上鏜孔時刀尖位置過高，都會使得刀尖實際前角減小而后角增大，容易產生振動。
⑤刀架系統如果具有負剛度時，容易“啃入”工件產生振動。因此，盡可能避免刀架系統的負剛度對車削產生的振動。
(2)車削過程中產生寬而薄的切屑時，Y方向的振動引起了切削力的變化，當切削截面寬而薄時，Y方向的振動將引起切削截面積及切削力的劇烈變化。因此，在這種情況下極易產生振動。例如：在縱走刀車削時，切深愈大，進給量愈大，主偏角愈小，則切削截面就愈寬愈薄，愈容易產生振動。因此選擇車削速度時應避開出現切削力隨速度下降的中速區(切削碳素鋼時，速度范圍為30～50m/min)，同時減小車削背吃力量，適當增大進給量和減小切削深度也有助于抑制振動。
(3)工件系統和刀架系統的剛度不足是產生低頻振動的主要原因，可采取下面的措施消除或減小振動：
①用三爪或四爪夾緊工件時盡可能使工件回轉中心和主軸回轉中心的同軸度誤差最小，避免工件傾斜而斷續切削或不均勻切削造成切削力的周期性變化所產生的振動。
②加工細而長且容易變形彎曲產生振動的工件時，采用彈性頂尖及輔助支承的同時加冷卻液冷卻減小工件的熱膨脹變形。
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