切削力是什么？它如何決定機(jī)床的剛性、效率與壽命

在金屬切削加工中，切削力是刀具切入工件，使被加工材料發(fā)生彈性變形、塑性變形并最終成為切屑所必須克服的阻力。它并非一個(gè)單一的力，而是由工件材料抵抗變形的抗力，以及切屑與前刀面、工件與后刀面之間的摩擦力共同構(gòu)成的合力。這個(gè)看似簡單的力，卻是連接刀具、工件與機(jī)床的紐帶，從根本上決定了機(jī)床的剛性需求、加工效率的上限以及設(shè)備的使用壽命。

一、切削力的分解與物理本質(zhì)

為了便于分析和應(yīng)用，工程上通常將總切削力 Fr 分解為三個(gè)相互垂直的分力。其中，主切削力 Fc（或稱切向力）作用在主運(yùn)動(dòng)方向，是計(jì)算機(jī)床功率、設(shè)計(jì)刀具強(qiáng)度的主要依據(jù)，通常占總切削力的80%-90%。背向力 Fp（或稱徑向力、吃刀力）垂直于進(jìn)給方向，是引起工件彎曲變形、導(dǎo)致加工振動(dòng)和影響形狀精度的主要因素。進(jìn)給力 Ff（或稱軸向力）則與進(jìn)給方向平行，是設(shè)計(jì)和校驗(yàn)機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)強(qiáng)度的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這三個(gè)分力的比例并非固定，會(huì)隨著刀具幾何參數(shù)和切削條件的變化而在很大范圍內(nèi)變動(dòng)。

二、切削力如何決定并考驗(yàn)機(jī)床剛性

機(jī)床的剛性，即其抵抗受力變形的能力，直接決定了它能否在切削力的作用下保持穩(wěn)定、精確的加工。切削力，尤其是背向力Fp，是導(dǎo)致機(jī)床和工件產(chǎn)生變形、振動(dòng)的主要根源。如果機(jī)床的靜剛度不足，在切削力作用下，床身、立柱等基礎(chǔ)件會(huì)發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，而導(dǎo)軌等連接部位會(huì)產(chǎn)生接觸變形，這些微小的形變會(huì)直接傳遞為刀具與工件之間的相對(duì)位移，嚴(yán)重破壞加工精度。

因此，機(jī)床的設(shè)計(jì)必須以其所需承受的最大切削力為基準(zhǔn)。有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，數(shù)控機(jī)床的剛度系數(shù)應(yīng)比類似的普通機(jī)床高50%。為了提高剛性，現(xiàn)代機(jī)床會(huì)采用合理的筋板結(jié)構(gòu)、箱型焊接床身以增大截面慣性矩，并通過優(yōu)化布局（如采用對(duì)稱的雙立柱結(jié)構(gòu)）來改善受力狀態(tài)，補(bǔ)償因自重或切削力產(chǎn)生的變形?？梢哉f，切削力的大小和方向，是機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師繪制圖紙時(shí)最重要的輸入?yún)?shù)之一。

三、切削力與加工效率的緊密關(guān)聯(lián)

切削力與加工效率的關(guān)系體現(xiàn)在對(duì)切削參數(shù)的選擇上。為了提高金屬切除率，人們希望使用更大的切削深度（ap）和進(jìn)給量（f）。然而，切削力的增加與這些參數(shù)并非簡單的線性關(guān)系。研究表明，背吃刀量ap增加一倍，主切削力Fc約增大一倍；而進(jìn)給量f增加一倍，F(xiàn)c僅增大70%-80%。這意味著，在機(jī)床功率和剛性允許的范圍內(nèi)，通過增加進(jìn)給量來提高效率，比單純?cè)黾忧猩罡鼮椤皠澦恪?/strong>，因?yàn)楂@得的效率提升所付出的切削力代價(jià)更小。

同時(shí)，切削速度（Vc）對(duì)切削力也有復(fù)雜影響。對(duì)于塑性材料，在一定的速度范圍內(nèi)提高切削速度，會(huì)因切削溫度升高、材料軟化以及積屑瘤的消長，反而可能使切削力減小。這為“高速切削”技術(shù)提供了理論基礎(chǔ)——在更高的轉(zhuǎn)速下，既能維持較高的加工效率，又能有效控制切削力，從而減輕對(duì)機(jī)床剛性的需求。

四、切削力對(duì)機(jī)床與刀具壽命的深遠(yuǎn)影響

過大的或不穩(wěn)定的切削力，是機(jī)床和刀具過早失效的元兇。對(duì)于機(jī)床而言，持續(xù)的、周期性的切削力負(fù)載是導(dǎo)致其關(guān)鍵部件（如主軸軸承、滾珠絲杠）發(fā)生疲勞磨損的主要原因。劇烈的切削力波動(dòng)還會(huì)誘發(fā)機(jī)床振動(dòng)，這種振動(dòng)不僅會(huì)降低加工表面質(zhì)量，產(chǎn)生振紋，還會(huì)加速機(jī)械結(jié)構(gòu)的松動(dòng)和損壞。

對(duì)于刀具，切削力直接作用于刀刃。過大的切削力會(huì)加速后刀面的磨損，甚至導(dǎo)致刀刃崩缺或整體破損。切削力產(chǎn)生的熱量與摩擦熱共同作用，會(huì)加劇刀具材料的擴(kuò)散磨損和氧化磨損。因此，在制定加工工藝時(shí)，必須根據(jù)工件材料、刀具材質(zhì)和機(jī)床能力，將切削力控制在合理范圍內(nèi)。通過優(yōu)化刀具幾何角度（如增大前角以減少切削力）、使用高性能涂層刀具降低摩擦，以及施加有效的切削液進(jìn)行潤滑冷卻，都是延長刀具壽命、保障機(jī)床持久穩(wěn)定運(yùn)行的有效手段。

結(jié)語

綜上所述，切削力遠(yuǎn)不止是一個(gè)工藝參數(shù)，它是貫穿于機(jī)床設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃與生產(chǎn)實(shí)踐全過程的核心物理量。它既是機(jī)床剛性設(shè)計(jì)的依據(jù)，也是追求加工效率時(shí)必須權(quán)衡的約束條件，更是影響設(shè)備與工具壽命的關(guān)鍵因素。深刻理解切削力的產(chǎn)生、分解、影響因素及其與加工系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的相互作用，是實(shí)現(xiàn)科學(xué)加工、邁向智能制造不可或缺的一課。