机械设计与制造计算中的切削力计算方法及例题

一、引言

在机械设计与制造领域，切削力的计算是一个至关重要的环节。准确地计算切削力有助于合理选择切削参数、刀具、机床等，从而提高加工质量、延长刀具寿命、降低生产成本。本文将详细阐述切削力的计算方法，并通过实际例题展示其应用。

二、切削力的组成

切削力主要由主切削力 、背向力 和进给力 组成。

  1. 主切削力
    • 主切削力是切削合力在主运动方向上的分力，它是消耗功率最多的切削力，约占总切削力的95% - 99%。主切削力直接影响切削功率、刀具磨损等。
  2. 背向力
    • 背向力是切削合力在垂直于工作平面方向上的分力。它会使工件产生弯曲变形，影响加工精度，特别是在细长轴类零件的加工中，背向力的影响更为显著。
  3. 进给力
    • 进给力是切削合力在进给运动方向上的分力。它主要影响进给系统的受力情况，如丝杠、导轨等的受力。

三、切削力的计算方法

（一）经验公式法

  1. 单因素公式
    • 对于车削加工，主切削力的单因素经验公式为：
      • 其中，为与工件材料、刀具材料等有关的系数；为切削深度（mm）；为切削深度对主切削力的影响指数；为进给量（mm/r）；为进给量对主切削力的影响指数；为切削速度（m/min）；为切削速度对主切削力的影响指数。
    • 例如，在车削45钢（正火），使用硬质合金刀具时，，，，。
  2. 多因素公式
    • 多因素经验公式考虑了更多的切削条件因素，形式更为复杂。例如：
      • 其中，为修正系数，它考虑了刀具几何形状、切削液等因素的影响。

（二）单位切削力法

  1. 单位切削力的概念
    • 单位切削力是指单位切削面积上的主切削力，即，其中为切削面积（）。
    • 对于不同的工件材料和切削条件，单位切削力有相应的数值。例如，在车削普通碳钢时，单位切削力大约为2000N/mm²左右。
  2. 计算步骤
    • 首先确定单位切削力的值，然后根据切削面积，计算主切削力。

四、切削力计算例题

（一）例题1：车削加工中的切削力计算

  1. 已知条件
    • 车削45钢（正火）工件，切削深度，进给量，切削速度。使用硬质合金刀具，刀具几何形状等因素对应的修正系数。
  2. 计算过程
    • 根据单因素经验公式，已知，，，。
    • 首先计算各项指数的值：
      • 计算：
        • 设，，根据公式
      • 计算：
        • 设，，根据公式
    • 然后计算主切削力：

（二）例题2：铣削加工中的切削力估算

  1. 已知条件
    • 铣削一个铝合金工件，铣刀直径，铣削宽度，铣削深度，每齿进给量，铣刀齿数，切削速度。
  2. 计算过程
    • 首先计算切削面积：
      • 对于铣削，（这里忽略了一些复杂的几何因素简化计算）
    • 已知铝合金的单位切削力大约为（经验值）
    • 根据，可得

五、切削力计算在实际生产中的意义

  1. 刀具选择
    • 通过切削力计算，可以根据切削力的大小选择合适的刀具。例如，如果切削力较大，就需要选择强度更高、刚性更好的刀具，以防止刀具在切削过程中发生折断等损坏现象。
  2. 机床选择
    • 切削力会对机床产生作用力，在选择机床时，需要考虑机床的承载能力是否能够满足切削力的要求。如果切削力超过机床的承载能力，会导致机床精度下降、甚至损坏机床部件。
  3. 加工质量控制
    • 切削力会影响工件的加工精度和表面质量。如背向力过大会使工件产生弯曲变形，通过切削力计算，可以合理调整切削参数，控制切削力的大小，从而提高加工质量。

六、结论

切削力的计算在机械设计与制造计算中具有重要的意义。通过经验公式法和单位切削力法等计算方法，可以较为准确地计算切削力。在实际例题中，我们展示了如何根据不同的加工条件计算切削力，并且阐述了切削力计算在刀具选择、机床选择和加工质量控制等方面的重要性。在机械制造过程中，准确计算切削力有助于提高生产效率、降低成本、保证加工质量。

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