УДЕЛЬНАЯ РАБОТА И МОЩНОСТЬ РЕЗАНИЯ.

Чтобы получить общую силу воздействия резца на древесину S, необходимо векторно сложить силы воздействия отдельных его участков: S=S_л+S_п+S₃. Силу S можно представить как векторную сумму (рисунки) общей касательной силы Р и общей нормальной силы Q: S=Р+Q. Силы Р и Q, действующие на древесину со стороны резца в целом, получаются сложением их составляющих, найденных для отдельных участков рабочей зоны резца : Р=Р_л+Р_п+Р₃;

Q=Q_л-Q_п+Q₃.

Выбор направлений для составляющих общей силы воздействия резца и его участков на древесину не случаен: сила, касательная к траектории определяет мощность, расходуемую на резание; нормальная сила передается на элементы станка (связи), удерживающие заготовку при обработке. Кроме того, по выбранным направлениям удобно измерять силы в экспериментах по резанию.

Касательную силу Р называют силой резания. Она всегда направлена по абсолютной траектории резания в сторону движения резца. Нормальная сила может проявляться как сила отжима Q (резец отжимает заготовку от заданной поверхности резания в сторону массива древесины) при Q_л+Q₃>Q_п или как сила затягиванияQ^| (резец затягивает заготовку в сторону срезаемой стружки) при Q_л+Q₃<Q_п.

Обычно сила отжима имеет место при срезании тонких стружек тупым резцом с большим углом резания d, а сила затягивания – при срезании толстых стружек острым резцом при малом угле резания.

Воздействие резца на древесину сводится к одной наклонно расположенной по отношению к вектору скорости резания силе S (S’), составляющими которой Р(Р) и Q(Q^|) пользуются для удобства.

В процессе резания резец взаимодействует с древесиной. При этом одновременно действуют рассмотренные силы воздействия резца на древесину и противоположно направленные, равные им по величине силы воздействия древесины на резец.

При силовых и мощностных расчетах режимов резания пользуются следующими основными понятиями и соотношениями.

Обычно вычисляют единичную силу резания Р₁(Н/мм) – силу резания, приходящуюся на единицу ширины срезаемого слоя. Считают, что полная сила резания Р всегда пропорциональна ширине срезаемого слоя В(мм): Р=Р₁В.

Удельной силой резания К, понятие которой ввел И.А.Тиме, называется сила резания, приходящаяся на единицу площади поперечного сечения стружки:

К=Р/ F=Р(Вh), где К – удельная сила резания, Н/мм²; F – площадь поперечного сечения стружки ,мм²; В – ширина срезаемого слоя, мм; h – толщина стружки, мм.

При расчете мощности, затрачиваемой на резание, используют понятие удельной работы резания К (Дж/см³), под которой понимают работу А(Дж) силы резания Р(Н) на пути L(м), отнесенную к величине номинального объема V_H(см³) срезаемого слоя: К=А/V_H=РL/(ВhL). Отсюда следует, что удельная работа К при выбранных размерностях численно равна удельной силе К (в последней формуле L сокращается), поэтому их обозначают одной буквой и в справочниках для них приводят общие таблицы. С физической точки зрения это разные величины с разной размерностью.

Из последней формулы следует, что А=КV_H. Мощность резания N_рез (Вт) – это работа в единицу времени (1с): N_рез=А/t=КV_H/t=КV_H1, где V_H1=V/t – номинальный объем стружки, срезанной за 1с (см³/с).

Когда известна сила резания Р(Н), мощность резания вычисляют по известной формуле механики N_рез=РV(пренебрегая различием в величине и направлении V_а и V).

В общем случае удельная сила и удельная работа резания К не являются величинами постоянными: они зависят от многих факторов процесса резания, но главным образом, от толщины срезаемого слоя и направления вектора скорости относительно волокон.

Теоретически определить К сложно, поэтому на практике используют средние значения этой величины, полученные экспериментально.

Стружкообразование

Форма стружки связана с усилением резания и качеством обработанной поверхности. Теория стружкообразования, изучающая закономерности образования стружки, даст возможность управлять процессом резания. Общая схема стружкообразования близка к случаю резания поперек волокон при условии, что в этом направлении древесина подобна пзотропному материалу со свойствами, средними между ранней и поздней древесиной. Резец идеально острый (Q=0), поэтому S_л= S_з = 0 и S=S_п.

При внедрении в древесину резец деформирует подрезанную лезвием стружку. Стружка соприкасается с передней гранью на участке nh, а выше отходит от нее, закручивается из-за неодинаковой деформации наружных и внутренних слоев. Граница между срезанной и несрезанной частями стружки проходит через лезвие n и точку n₁, где изгибается верхняя поверхность стружки. Считают, что стружка образуется по плоскости nn₁, положение которой определяется углом наклона E к поверхности резания. Перенесем S_п в середину nn₁ (новое начало координат). В этой точке приложим две равные по величине S_п силы, одна из которых сонаправлена S_п, а другая S`<sub>п</sub> ей противонаправлена. Со стороны подрезанной стружки на неподрезанную в плоскости nn1 действуют сила S<sub>п</sub> и момент М=S<sub>п</sub> а, где а – плечо пары сил S<sub>п</sub> и S`_п. Разложим S_п на составляющие Т (по плоскости nn₁) и N (по нормали к nn₁). Т вызывает сдвиг подрезанной стружки вдоль nn₁, создавая касательные напряжения tпо этому сечению. N прижимает стружки к nn₁, вызывая нормальные напряжения сжатия d_сж(N) по nn₁. Изгибающий момент М создает нормальные напряжения сжатия d_сж(М) в верхней зоне стружки и растяжения d_р (М) в нижней. Касательные напряжения Н распределены по плоскости nn₁ почти равномерно. d(N,M) в n (у лезвия) растягивающие, т.к. обычно d_р(М)>> d_сж(N). В точке n₁ t (N,M) всегда напряжение сжатия.

Напряжения t,d_сж, d_р в плоскости стружкообразования nn₁ зависят главным образом от свойств древесины, толщины h стружки, угла резания d, радиуса затупления Q и коэффициента трения f_п.

Чем глубже внедряется резец в древесину, тем больше напряжение в стружке (при углублении резца). Нарастают они неравномерно и в зависимости от условий резания, одно из них раньше других достигает предела упругости или предела прочности. Это напряжение будет определять вид разрушения стружки, ее форму, качество обработанной поверхности. По основным структурным направлениям древесина по разному сопротивляется различным видам напряжений, что объясняет выше сказанное многообразие форм стружки.

Стружкообразование при резании поперек волокон.В направлении поперек волокон древесина хуже всего сопротивляется растяжению, лучше – сдвигу (скалыванию) и еще лучше – сжатию. Вид стружкообразования определяет касательное напряжение сдвига tв плоскости nn₁ или d_р в точке n.

При определяющей роли t стружка может быть сливной (лента или спираль без внутренних трещин) или элементной (из элементов)

В первом случае t<[t] n₁ поверхность резания гладкая стружка не разрушается. Условия образования тонкой сливной стружки редки (влажная или проваренная древесина). Обычно t»[t]_пр. Получается элементная стружка скалывания, состоящая из элементов, сколотых под углом e к поверхности резания, качество которой может быть высоким, если не добавляются другие разрушения (например, опережающая трещина впереди резца, следовательно эл-я стружка). Процесс не пригоден для получения стружки-продукта, но годится для снятия припуска ножречным дорезерованием.

Типичны случаи, когда вид стружкообразования определяют d_р у точки n. dсли к моменту установления длины зоны контакта стружки с передней гранью d_р<[d_р]пр. При этом в точке n образуется трещина. Трещины возникают в стружке с шагом t, и имеют средний угол наклона »e, но не выходят на поверхность, т.к. у точки n₁ уже будут d_сж. Получается элементная стружка – лентообразная с внутренними трещинами (изгибы). Трещины в шпоне ухудшают внешний вид и снижают его прочность. Чтобы предотвратить образование трещин, надо устранить или уменьшить до минимума d_р в плоскости nn₁. Приложим к стружке внешнюю сжимающую силу F вдоль стружки к основанию. Для этого пропустим стружку через щель между ножом и

Стружкообразование при резании вдоль волокон

С плоскостью волокон, т.к. в ^

Наблюдается две формы стружки

Получается при h≤0,2 мм

Малом d и сырой или проваренной древесине. Обычно уже при h≥0,1…0,2 мм – элементная многоугольная Q_п ^ волокнам, наиболее опасна, нарастает пропорционально внедрению Х резца в древесину. Опережающая трещина достигает длинны l_э, при которой М»Q_п l_э ломает стружку в сечение rt, образуя элемент стружки. Далее до точки r резец подчищает поверхность с малым сопротивлением. Многоугольная стружка сопровождается низким качеством. При резании против волокон в результате снятия резцом тонкой подстружки после образования элемента основной стружки поверхность обработки получается гладкой.

Для уменьшения неровностей обработанной поверхности надо так изменить условия стружкообразования, чтобы длина элементов стружки была линейной. При l_э=Q – стружка сливная. На практике это делают с помощью подпоров П и стружколомателей.

Подпор действует на древесину в зоне резания, непосредственно препятствуя образованию и росту опережающей трещины. Стружколомательустанавливается вблизи лезвия и способствует крутому загибанию и надламыванию стружки сразу после ее образования резцом, но действует на зону резания перед резцом не непосредственно, а через стружку.