1.3 切削力和切削功率
《机械加工工艺简明速查手册》· 第9节 · 完整表格数据
📌 1.3.1 基本概念与术语
🔹 切削合力和分力（车外圆）
- 主切削力 Fc（切向力）
- 背向力 Fp（径向力）
- 进给力 Ff（轴向力）
F = √(Fc² + Fp² + Ff²) Fp = FD cos κr Ff = FD sin κr
⚡ 切削功率
Pc = Fc·vc·10⁻³ (kW) PE ≥ Pc / ηm (ηm = 0.75～0.85)
📊 表1.12 单位面积切削力 kc （N/mm²）
| 工件材料 | 牌号 / 状态 | 单位切削力 kc (N/mm²) | 备注 |
|---|
| 45钢 | 正火回火 (σb=600 MPa) | 1600 | 基础值 |
| 合金钢 | 40Cr (调质) | ~2000 | 需修正 |
| 铸铁 | HT200 | ~1140 | — |
| 铜合金 | ZCuSn10P1 | ~800 | — |
| 铝合金 | LY12 | ~700 | — |
注：表列条件：不加冷却液，直线刀刃，ap=5mm，f=1mm/r，γ0=15°，λs=0°，κr=45°，rε=1mm。
📐 切削力的经验公式（表1.13 车削力指数与系数）
| 加工材料 | 公式形式 | CF | x | y | n | 修正系数 |
|---|
| 结构钢、铸钢 | Fc = CF·ap^x·f^y·vc^n·K | 2650 | 1.0 | 0.75 | -0.15 | KMF, Kγ, Kκ… |
| 铸铁 | Fc = CF·ap^x·f^y·vc^n·K | 900 | 1.0 | 0.75 | 0 | KMF, Kγ, Kκ… |
| 铜合金 | Fc = CF·ap^x·f^y·vc^n·K | — | — | — | — | 参照钢 |
* 详细指数和系数请查阅原手册表1.13。
🔧 表1.14 铜合金、铝合金材料力学性能修正系数
| 材料 | 力学性能 | 修正系数 KMF |
|---|
| 铜合金 | HB | 0.75～1.1 |
| 铝合金 | HB | 0.7～1.0 |
🔧 表1.15 钢和铸铁强度/硬度改变时切削力的修正系数 KMF
| 工件材料 | 强度/硬度范围 | 修正系数 KMF |
|---|
| 结构钢 (σb MPa) | ≤500 | 0.85 |
| 500~700 | 1.0 |
| 700~900 | 1.15 |
| 铸铁 (HB) | ≤160 | 0.9 |
| 160~200 | 1.0 |
| 200~240 | 1.1 |
🔧 表1.16 刀具几何参数改变时切削力的修正系数（钢及铸铁）
| 几何参数 | 变化范围 | 修正系数 (Fc / Fp / Ff) |
|---|
| 前角 γ0 | -10°～+20° | 1.2～0.9 (Fc) |
| 主偏角 κr | 30°～90° | 1.1～0.85 (Fc) |
| 刃倾角 λs | -5°～+15° | 对Fc影响小，对Ff/Fp影响大 |
例1.1 车削45钢外圆的主切削力估算
ap=4mm, f=0.67mm/r, σb=600MPa ⇒ kc=1600 N/mm²
Fc = 1600 × 4 × 0.67 = 4288 N
例1.2 车床功率校核
PE=7.5kW, η=0.8, vc=180m/min, Fc=1700N ⇒ Pc=5.1kW < 6kW 可切削；Fc=2400N ⇒ Pc=7.2kW >6kW 不能切削。
🔄 1.3.2 钻削力（力矩）和钻削功率
表1.17 钻孔时轴向力F、转矩M及功率Pm的计算公式（经验式）
| 钻头类型 | 轴向力 F (N) | 转矩 M (N·mm) | 功率 P (kW) |
|---|
| 高速钢钻头 | CF·D^xF·f^yF·KMF | CM·D^xM·f^yM·KMM | P = M·n / 9550 |
| 硬质合金钻头 | 按结构钢专用公式 | 按结构钢专用公式 | — |
常用指数：xF≈1.0, yF≈0.7～0.8; xM≈1.8～2.0, yM≈0.8～0.9。
表1.18 加工条件改变时钻孔轴向力及转矩的修正系数
| 条件变化 | 修正系数名称 | 取值范围 |
|---|
| 材料强度改变 | KMF | 0.8～1.3（随σb增大而增大） |
| 钻头刃磨形式 | Kγ, Kφ | 0.9～1.1 |
| 冷却润滑 | Kc | 0.85～1.0 |
⚙️ 1.3.3 铣削切削力、铣削功率
表1.19 铣削时圆周力Fc、转矩M和功率Pm的计算公式
Fc = CF · ap^xF · fz^yF · ae^uF · Z · D^-qF · KFc (N)
M = (Fc·D) / (2×10³) (N·m)
Pm = (Fc·v) / 60000 (kW)
| 铣削类型 | CF | xF | yF | uF | qF |
|---|
| 端铣（硬质合金） | 7900 | 1.0 | 0.75 | 1.1 | 1.3 |
| 立铣（高速钢） | 6700 | 0.86 | 0.72 | 0.86 | 0.86 |
| 圆柱铣（高速钢） | 6500 | 0.86 | 0.74 | 0.70 | — |
表1.20 铣削分力的比值（近似）
| 铣削方式 | Ff / Fc | Fp / Fc |
|---|
| 对称端铣 | 0.3～0.4 | 0.85～0.95 |
| 不对称逆铣 | 0.5～0.6 | 0.45～0.7 |
| 顺铣 | 0.8～1.0 | 0.4～0.5 |
| 圆柱铣削 | 1.0～1.2 | 0.2～0.3 |
表1.21 硬质合金端铣刀铣削力修正系数
| 修正因素 | 变动范围 | 修正系数 |
|---|
| 前角 γ0 | -5°～+15° | 1.1～0.9 |
| 主偏角 κr | 30°～90° | 1.2～0.8 |
| 刀尖圆弧半径 | 0.5～2 mm | 0.95～1.05 |
表1.22 高速钢铣刀铣削力修正系数
| 工件材料 σb (GPa) | ≤0.6 | 0.6～0.8 | 0.8～1.0 | >1.0 |
|---|
| 修正系数 KMF | 0.8 | 1.0 | 1.2 | 1.4 |
🔗 1.3.4 拉削加工切削力
表1.23 拉削力计算公式
Fc = Fz · bd · Z · K (N)
Fz — 单位切削刃长度上的拉削力 (N/mm)；bd — 切削刃宽度 (mm)；Z — 同时工作齿数；K — 修正系数。
表1.24 拉削力修正系数
| 条件 | 系数符号 | 范围 |
|---|
| 前角变化 | Kγ | 0.85～1.15 |
| 冷却液 | Kc | 0.9～1.0 |
| 刀具磨损 | Kw | 1.0～1.3 |
表1.25 拉刀切削刃1mm长度上的切削力Fz (N/mm) 示例
| 工件材料 | 拉刀类型 | Fz (N/mm) |
|---|
| 碳钢 σb=600MPa | 圆拉刀 | 260～300 |
| 合金钢 σb=850MPa | 花键拉刀 | 320～380 |
| 铸铁 HB200 | 平面拉刀 | 180～220 |
| 铝合金 | 圆拉刀 | 80～120 |
🌀 1.3.5 磨削力和磨削功率
表1.26 不同磨削方式Fn/Ft的比值
| 磨削方式 | Fn/Ft 范围 |
|---|
| 外圆磨削 | 1.8～2.6 |
| 内圆磨削 | 2.0～3.0 |
| 平面磨削（卧轴） | 2.0～3.5 |
| 无心磨削 | 1.5～2.5 |
| 重负荷荒磨 | 2.5～4.0 |
表1.27 外圆磨削力实验公式的指数值
| 研究者 | vs 指数 α | vw 指数 β | bs 指数 γ | ap 指数 δ |
|---|
| 佐藤 | -0.5 | 0.4 | 0.4 | 0.6 |
| 小野 | -0.4 | 0.3 | 0.5 | 0.5 |
表1.28 平面磨削力实验公式的指数值
| 研究者 | vs 指数 | vw 指数 | fa 指数 | ap 指数 |
|---|
| Norton | -0.4 | 0.3 | 0.6 | 0.6 |
| Backer | -0.5 | 0.4 | 0.5 | 0.5 |
磨削功率： Pm = Ft·vs / 1000 (kW)； Ps = Pm / ηm (ηm = 0.7～0.85)
📌 说明： 以上表格数据均摘录自《机械加工工艺简明速查手册》第1.3节，部分数值为典型值，实际应用中应以完整手册和现场试验为准。表格中的修正系数、指数等可根据具体工况查表选用。
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