Исходные и оценочные характеристики процесса резания

Исходные характеристики процесса резания определяются ря­дом факторов, которые можно сгруппировать следующим образом.

1. Факторы, относящиеся к заготовке: вид материала (для дре­весины — порода и влажность), его физико-механические свой­ства, наличие в материале связующего и др.

2. Факторы, относящиеся к резцу: угловые параметры, физико­-механические свойства материала резца, геометрия резца, степень шероховатости граней, острота резца и др.

3. Режимы и размеры обработки: толщина и ширина слоя, ско­рости подачи и резания, толщина снимаемого припуска, направ­ление резания по отношению к направлению волокон и др.

Перечисленные выше параметры задаются условиями и тре­бованиями технологического процесса изготовления деталей. Они определяют протекание процесса резания и в первую очередь величины усилий резания, характер стружкообразования и ка­чество получаемой в результате поверхности обработки.

Поверхность, образованная резанием, всегда отличается от но­минальной поверхности, заданной чертежом изделия. Отклонени­ями от заданной формы поверхности характеризуется точность ме­ханической обработки, а отклонениями от идеально гладкой по­верхности — ее шероховатость. На точность обработки помимо про­цесса резания в значительной степени влияют точность самого стан­ка и процессы, протекающие в упругой системе «станок — инст­румент—приспособление—деталь», поэтому данный вопрос бу­дет рассмотрен в разделе III.

Другой характеристикой качества резания служит шерохо­ватость обработанной поверхности, которая представляет со­бой чередование выступов и впадин. Они возникают вследствие как строения древесины и древесных материалов, так и процесса резания. Величина анатомических (или структурных) неровностей обусловлена размерами полостей сосудов древесины (или распо­ложением древесных частиц в плитных материалах) и не зависит от процесса резания. Резание вызывает появление таких неровнос­тей, как риски, кинематические и вибрационные неровности, неровности упругого восстановления и неровности разрушения (мшистость, ворсистость, сколы).

Качество обработанной поверхности определяет также глубина поверхностного слоя с остаточными деформациями и скрытыми разрушениями (трещинами), образованными при резании. Зада­чей резания является, таким образом, получение обработанных поверхностей не только с высокой гладкостью (малой шерохова­тостью), но и с минимальной глубиной деформированного слоя.

Параметры шероховатости древесины и древесных материалов регламентированы ГОСТ 7016—82. Установлено несколько пара метров, однако для оценки качества обработки резанием исполь­зуется практически один — R_mmax — среднее арифметическое вы­сот отдельных наибольших неровностей на поверхности:

где п — число наибольших неровностей (не менее 5); Н_{тax i} — рас­стояние от высшей до низшей точки i-й наибольшей неровности.

Два типа неровностей поверхности деталей из древесины и дре­весных материалов — мшистость (наличие пучков волокон, не полностью отделенных от обработанной поверхности) и ворсис­тость (наличие отдельных не полностью отделенных волокон) — не имеют численной характеристики, в документации регламен­тируется только их наличие или отсутствие.

Методы определения шероховатости поверхности древесины и древесных материалов стандартизованы (ГОСТ 15612—85).

Для измерения высоты неровностей может быть использован профилограф-профилометр, двойной микроскоп МИС-11 (при Н_тах ≤ 70 мкм), микроскоп ТСТТ-4 (при Н_тах = 30...800 мкм) и индикаторный глубиномер (при H_тах ≤ 800 мкм). В условиях цеха шероховатость может быть оценена по образцам сравнения (этало­нам), изготовленным из того же материала, что и обрабатываемая деталь, тем же видом резания и аттестованная с помощью точных приборов.

Силовое воздействие резца на древесину

Общие положения. Рабочую зону (лезвие) резца составляют ре­жущая кромка и прилегающие к ней участки передней и задней поверхностей. В идеальном (абсолютно остром) резце режущая кром­ка представляет собой линию т пересечения передней и задней поверхностей резца (рис. 7, а), а в реальном резце — переходную кривую поверхность, соединяющую переднюю и заднюю поверхно­сти резца, которая характеризуется радиусом затупления ρ.

В начальном состоянии резец (например, нож для фрезерова­ния) имеет плоские (в сечении прямые) рабочие участки перед­ней и задней граней, шероховатость лезвия Н_тах = 4... 5 мкм, ради­ус затупления ρ = 2... 5 мкм. Во время резания под действием слож­ных физико-химических процессов (механического истирания, окислительного процесса, теплового износа, электрохимической коррозии, электрической эрозии, абразивного износа) происхо­дит износ резца, т.е. изменение геометрии и микрогеометрии эле­ментов его рабочей зоны. Следствием износа является затупление резца, т.е. потеря им остроты режущих элементов.

При движении резца в древесине на поверхности его рабочей зоны (поверхности контакта) имеют место нормальные напряжения (давления) и действуют касательные силы трения. Напомним, что нормальные давления возникают всякий раз, когда два твер­дых тела вступают в контакт; направлены они перпендикулярно площадке контакта. А если при нормальном давлении одно тело скользит по другому, обязательно возникают силы трения, на­правленные по касательной к площадке — по касательной к кон­туру рабочей зоны в рассматриваемой точке. Величина силы тре­ния в точке определяется величиной нормального давления σ и коэффициентом трения f: τ = σf.

Для определения величины и направления общей силы, с ко­торой резец действует на древесину, в теории резания расчленяют всю рабочую поверхность резца на участки и рассматривают силы, действующие на каждый участок и резец в целом.

Рабочая зона резца (рис. 7, а) имеет три участка: переднюю грань (участок аk), заднюю грань (участок bd) и режущую кромку (участок anb).

Силы на режущей кромке. Точная эпюра нормальных давлений на режущую кромку неизвестна. Условно ее можно представить как часть кольца (нормальное давление одинаково по длине режу­щей кромки). Величина давления находится в пределах прочности древесины на сжатие σ_{в сж}, так как здесь имеет место разрушение. Режущую кромку (дугу anb) удобно рассматривать в составе двух дуг: ап и nb (рис. 7, б). Если суммировать нормальное давление (распределенную нагрузку) по контуру ап, получим равнодейству­ющую сосредоточенную силу N_K1. Если по тому же контуру сумми­ровать силы трения, возникающие вследствие наличия нормального давления и скольжения резца по древесине от точки а к точке п, по­лучим равнодействующую сосредоточенную силу Т_к1. Сложив гео­метрически N_K1 и Т_к1, получим силу воздействия участка режущей кромки ап на древесину F_K1.

Аналогично для участка режущей кромки nb будем иметь рав­нодействующую нормальных давлений N_k2, равнодействующую сил трения Т_к2 и их геометрическую сумму — силу воздействия участка режущей кромки nb на древесину F_K2. Складывая графически F_k2, получаем общую силу воздействия режущей кромки резца на древесину F_K. Для практических целей силу F_K удобно представить проекциями на два взаимно перпендикулярных направления — по касательной к абсолютной траектории резания (по направлению v_e—F_KX) и по нормали к ней F_KZ.

Итак, воздействие режущей кромки на древесину сводится к двум сосредоточенным силам — касательной F_KX и нормальной F_KZ. Нетрудно указать, от каких факторов процесса резания зависит величина этих сил на единице длины (1 мм) режущей кромки:

от радиуса затупления ρ и углов резца α и δ (эти величины определяют длину дуги контакта);

нормального давления а_{в сж} по контуру резца;

коэффициента трения f_k (так как при заданной дуге контакта эти характеристики определяют величины равнодействующих N_K и Т_K). Таким образом,

Главный из выявленных факторов — радиус затупления ρ. Если принять остальные факторы за постоянные величины, получим приблизительные зависимости

где А, А' — сомножители, не зависящие от ρ.

Из последних зависимостей следует, что при очень острых резцах (ρ близко к 0) силы на режущей кромке практически отсутствуют.

Силы на передней грани. При внедрении резца в заготовку вслед за начальной стадией упругого деформирования древесины передней гранью уже при очень малом перемещении резца разрушаются клеточные стенки. Давление по поверхности соприкосновения пе­редней грани с древесиной сразу же достигает величины времен­ного сопротивления древесины смятию σ_{в см} (рис. 7, в).

При дальнейшем продвижении резца смятая передней гранью древесина давит на не сломанные еще ряды соседних клеток и разрушает их. Это разрушение протекает при неизменном напря­жении σ_{в см}, поэтому среднее удельное давление на передней грани остается постоянным, не зависящим от глубины внедрения резца.

Результирующая нормальных сил на передней грани в таком случае имеет вид

где ак — длина контакта передней грани резца со стружкой (шири­на детали принимается равной единице).

Возникающая при движении сила трения по передней грани

где f_п — коэффициент трения передней грани резца по стружке.

Геометрическое сложение N_n и Т_п дает суммарную силу воздей­ствия передней грани резца на древесину F_n. Разложив силу на две составляющие по тем же направлениям, что и силу на режу­щей кромке F_K, сводим воздействие передней грани резца на дре­весину к касательной силе F_ax и нормальной F_nz (по отношению к направлению абсолютной скорости резания).

Из выражения для N_n и Т_п следует, что силы на передней грани зависят от свойств древесины (σ_{в см}), угла резания δ, трения стружки по передней грани резца f_n, а также от глубины внедрения резца, считая от начала резания или от момента образования предыдуще­го элемента стружки (так как ак = x/cosδ).

Силы на задней грани. При резании (рис. 7, г) резец подминает под себя объем древесины nbd. Поскольку величина ρ мала, можно считать, что деформирование древесины происходит в упругой зоне. Давление в этом случае будет пропорционально деформации дре­весины в данной точке: наибольшее в точке b, наименьшее (рав­ное нулю) в точке d, где древесина не деформирована. Эпюра дав­ления изображается треугольником.

Результирующая нормальных давлений по задней грани на схе­ме показана вектором N₃, результирующая сила трения — векто­ром Т₃, суммарная сила воздействия задней грани — вектором F₃, а также его составляющими: касательной F_3X и нормальной F_3Z.

Профессор С. А. Воскресенский получил следующие формулы для сил по задней грани:

где с — коэффициент упругости поверхности древесины (произ­ведение с, Н/мм³, на абсолютную деформацию у, мм, поверхнос­ти древесины в данной точке дает величину давления по задней грани в этой точке а₃, Н/мм²: су = а₃); ρ — радиус затупления резца; α — задний угол резца; f₃ — коэффициент трения между задней гранью резца и древесиной.

Силы на резце в целом. Очевидно, чтобы получить общую силу воздействия резца на древесину F, необходимо сложить векторы сил воздействия отдельных участков:

Для решения практических задач, связанных с расчетами энер­гоемкости процесса резания, прочности и жесткости элементов режущего инструмента и станка, параметров режима резания, рас­пределенную нагрузку на обрабатываемый материал заменяют со­средоточенной результирующей (равнодействующей, суммарной) силой резания F и оперируют ее составляющими — проекциями на координатные оси X, Y, Z (рис. 8, а).

Направление координатных осей для составляющих силы реза­ния выбрано с учетом практических потребностей, в том числе удобства измерения: направление X совпадает с направлением век­тора скорости главного движения v (с касательной к траектории главного движения), ось Y нормальна вектору v и лежит в плоско­сти резания, ось Z нормальна плоскости резания и, следовательно, нормальна к осям X и Y. Составляющие силы F, ее проекции на координатные оси, имеют названия: F_x — касательная сила, F_z — нормальная сила, F_y — боковая сила.

Боковая сила F_y = 0, если режущая кромка расположена перпен­дикулярно вектору v, т. е. при угле наклона λ = 0. Касательная сила F_x при всех условиях резания положительна. Нормальная сила F_z в за­висимости от исходных условий резания может быть направлена в сторону стружки, тогда ей приписывают знак «минус» и называют силой затягивания (рис. 8, б), или в сторону заготовки, тогда ей приписывают знак «плюс» и называют силой отжима (рис. 8, в).

Результирующую силу резания F следует рассматривать как век­торную сумму сил, действующих со стороны отдельных элементов лезвия: режущей кромки F_K, передней F_n и задней F₃ поверхностей. Эти силы, в свою очередь, могут быть представлены координат­ными составляющими (рис. 8, г). Связь между силой резания F и ее координатными составляющими, с одной стороны, и силами, действующими со стороны отдельных элементов лезвия, и их ко­ординатными составляющими, с другой стороны, выражается сле­дующими соотношениями:

Очевидно, что воздействие лезвия на заготовку силой резания F вызывает реакцию — силу сопротивления резанию F', действую­щую со стороны заготовки на лезвие. Обычно силы F и F' равны по абсолютной величине и противоположны по направлению.

В расчетах процессов резания используют следующие показате­ли, связанные с силами резания: единичную силу резания, удель­ную силу резания, удельную работу резания.

Единичной силой резания F_] (Н) называют силу резания, необ­ходимую для удаления срезаемого слоя шириной 1 мм:

По аналогии с единичной силой резания пользуются единич­ными координатными силами:

При этом исходят из обычно наблюдаемой прямой пропорцио­нальности силы резания ширине срезаемого слоя.

Удельная сила резания F_ya (Н/мм²) — это касательная сила, не­обходимая для удаления срезаемого слоя сечением 1 мм²:

где а и b — соответственно толщина и ширина срезаемого слоя.

При наличии справочных сведений о численных значениях F_ya касательная сила F_x определяется просто по размерам поперечного сечения срезаемого слоя.

Удельная работа резания К (Дж/см³) — работа касательной силы, необходимая для превращения в стружку 1 см³ припуска:

где F_x l — работа касательной силы на длине срезаемого слоя; abl — объем V срезаемого слоя.

Удельная работа К численно равна удельной силе резания F_yд.

Из формулы (20) следует, что мощность резания, Вт, т. е. рабо­та в единицу времени, с, запишется в виде

где V_x = V/t — номинальный объем слоя, срезанного за 1 с, см³/с.

Когда известна сила резания F_x, Н, мощность резания вычис­ляют по известной формуле механики Р_рез = F_xv.

В общем случае в процессе резания периодически срезается слой переменной толщины, вследствие чего величина силы резания в тече­ние одного цикла резания не остается постоянной. Для ее характерис­тики пользуются либо характерными мгновенными значениями (на­пример, максимальной силой), либо усредненными значениями.

Стружкообразование

Общая схема. Закономерности образования стружек посвящен спе­циальный раздел учения о резании — теория стружкообразования.

Форма стружки находится в тесной взаимосвязи с усилиями резания и качеством обработанной поверхности. Познавая законо­мерности образования стружки, мы получаем возможность управ­лять процессом резания. Рассмотрим общую схему стружкообразо­вания (рис. 9, а). Она приблизительно соответствует резанию попе­рек волокон, если считать, что в этом направлении древесина ве­дет себя как изотропный материал, обладающий свойствами, сред­ними между свойствами ранней и поздней древесины. Если резец идеально острый (ρ = 0), то исключается силовое воздействие ре­жущей кромки и задней грани и сила со стороны резца в целом равна силе по передней грани: F = F_n = F_nx. Внедряясь в древесину, резец деформирует подрезанную лезвием стружку. На некоторой длине пк стружка соприкасается с передней гранью ножа, а выше точки к отходит от нее (закручивается) вследствие неодинаковой деформации наружных и внутренних слоев.

Граница между срезанной и несрезанной частями стружки про­ходит через вершину лезвия п и точку п_{, где изгибается верхняя поверхность стружки. Можно считать, что по плоскости пп_х обра­зуется стружка. Положение этой плоскости в древесине характеризуется углом ее наклона к поверхности резания.

Стружку можно представить как консольную балку, заделанную в опору по плоскости пп_ь и применить к ее расчету законы сопротивления материалов.

Перенесем силу F_n в середину сечения пп₁, для чего приложим в этом месте две силы, равные по величине F_n, одна из которых — F” по направлению совпадает с F_n, а другая F_n’ — ей противоположна. Получаем: со стороны подрезанной стружки на неподрезанную в плоскости пп₁ действуют сила F_n и момент М = F_nc, где с — плечо пары сил F_n и F_n’. Заменим силу F_n на ее составляющие Т (по плоскости пп₁) и N (по нормали к пп₁). Сила Т вызывает сдвиг подрезанной стружки вдоль поверхности пп₁ (влево и вверх см. на рис. 9, a), создавая касатель­ные напряжения τ по этому сечению. Сила N стремится прижать подрезанную часть стружки к сечению, вызывая нормальные на­пряжения сжатия σ_сж по плоскости пп₁ (рис. 9, б). Момент М, изги­бая стружку-балку против часовой стрелки, создает нормальные напряжения сжатия σ_сж в верхней зоне стружки и растяжения σ_р в нижней (рис. 9, в).

Касательные напряжения τ распределены примерно равномерно по плоскости ппу. Нормальные напряжения в точке п (у лезвия) — растягивающие, так как растягивающие напряжения от момента обычно значительно превышают сжимающие от силы N. У точки п_х нормальные напряжения — всегда напряжения сжатия. Пример­ный характер распределения нормальных напряжений по сечению пп_х (суммарных от N u М) показан на рис. 9, г.

Напряжения τ, σ_сж, σ_р в плоскости стружкообразования пп₁ за­висят от многих факторов процесса резания, главным образом от свойств древесины, толщины стружки а, угла резания δ, радиуса затупления лезвия ρ и условий скольжения древесины по поверх­ности резца (коэффициента трения f_n).

Чем глубже внедряется резец в древесину, тем больше стано­вятся напряжения в стружке. Нарастают напряжения неравномер­но (одни быстрее, другие медленнее), поэтому одно из них (в за­висимости от исходных условий резания) раньше других достига­ет опасной величины — предела упругости или предела прочности. Именно это напряжение будет определять вид разрушения струж­ки, ее форму, качество обработанной поверхности. Надо еще учесть, что по основным структурным направлениям древесина по-разно­му сопротивляется различным видам напряжений. Сказанное выше объясняет многообразие форм стружки.

Стружкообразование при резании поперек волокон. При действии сил поперек волокон древесина слабее всего сопротивляется рас­тяжению, лучше — сдвигу (скалыванию) и еще лучше — сжатию. Таким образом, вид стружкообразования определяет касательное напряжение сдвига τ в плоскости пп₁ или нормальное напряжение растяжения σ_р в точке п.

Когда главную роль играют напряжения τ, стружка может полу­чаться либо сливной (в виде ленты или спирали без внутренних тре­щин, рис. 10, а), либо элементной (из отдельных элементов, сохра­няющих или не сохраняющих связь между собой, рис. 10, б, в, г).

В первом случае напряжения τ, при которых образуется струж­ка, не достигают предела прочности материала при сдвиге попе­рек волокон, стружка не разрушается, а поверхность резания фор­мируется гладкой. Но такие условия резания, при которых образует­ся тонкая сливная стружка (влажная или проваренная древесина), довольно редки. Обычно стружка образуется при напряжениях τ, достигающих предела прочности древесины при скалывании по­перек волокон. Получается элементная стружка скалывания, со­стоящая из элементов, сколотых под углом ε к поверхности реза­ния (см. рис. 10, б). Качество поверхности резания может быть до­статочно высоким, если при этом не добавляются другие разруше­ния, например трещина, бегущая впереди резца (рис. 10, г). Оче­видно, что такой процесс непригоден для получения стружки – продукта, но он вполне может иметь место, например, при удале­нии припуска заготовки поперечным фрезерованием.

Для поперечного резания типичны случаи, когда вид стружко­образования определяют нормальные напряжения растяжения σ_р у точки п (см. рис. 9, г). Если они не достигают предела прочности к тому моменту, когда установится длина зоны контакта стружки с передней гранью резца, то разрушения в стружке не появятся и она будет сливной.

В наиболее распространенных случаях поперечного резания дре­весины (строгание и лущение шпона) напряжения растяжения по плоскости пп₁ достигают предела прочности древесины. Этому мо­менту соответствует образование трещины в точке п. Трещины воз­никают через определенное расстояние (шаг τ), и средний угол их наклона к поверхности совпадает с углом ε. Они не выходят на поверхность, так как у точки п₁ уже будут напряжения сжатия. Стружка получается элементной — лентообразной с внутренними трещинами (см. рис. 10, в). Трещины в шпоне (стружке-продукте) отрицательно сказываются на механической прочности и внеш­нем виде изделий. Важная задача состоит в том, чтобы улучшить процесс стружкообразования, предотвратить образование трещин. Рассмотрим один из путей ее решения.

Чтобы уничтожить или свести к минимуму вредные растягива­ющие напряжения в плоскости пп₁ (см. рис. 9, г) и, следовательно, воспрепятствовать появлению трещин, нужно приложить к струж­ке некоторую внешнюю сжимающую силу F (см. рис. 10, в), дей­ствующую вдоль стружки по направлению к ее основанию. Для получения такой силы можно, например, пропустить стружку че­рез щель между ножом и специальным прижимом П (прижимной линейкой), т.е. обжать ее.

Стружкообразование при резании вдоль волокон. При резании вдоль волокон положение плоскости, в которой разрушается дре­весина при образовании стружки, предопределено направлением волокон. Такой плоскостью будет сама плоскость волокон, потому что перпендикулярно ей древесина слабее всего сопротивляется действующим силам.

Имеется две формы стружки — сливная спиральная и элемент­ная многоугольная. Спиральная стружка получается обычно при малой толщине (не более 0,2 мм). Можно получить спиральную стружку и более толстую, но при особых условиях резания: малом угле резания δ и сырой или проваренной древесине. Как правило, при α > 0,1 ...0,2 мм получается многоугольная стружка.

Сила F_nz (именно эта составляющая силы F_n наиболее опасна, так как действует перпендикулярно волокнам) нарастает пропор­ционально внедрению х резца в древесину (рис. 11, а). Это нараста­ние заканчивается отрывом стружки от заготовки и образованием опережающей трещины, распространяющейся перед резцом с боль­шой скоростью. Убегая, трещина достигает длины l_э, при которой изгибающий момент М = F_nz l_э ломает стружку в сечении rt, образуя элемент стружки. Далее до точки r резец продвигается, встречая небольшое сопротивление и подчищая образованную поверхность, а затем начинается образование следующего элемента стружки.

Образованию многоугольной стружки сопутствует низкое ка­чество поверхности. В результате неточного совпадения поверхно­сти резания с положением волокон опережающие трещины на участках резания против волокон могут уходить в толщу матери­ала и при изломе элементов стружки давать неровности, пока­занные на рис. 11, б. На участках резания по волокнам поверх­ность получается гладкой в результате снятия тонкой подстружки при продвижении резца после образования элемента основной стружки (рис. 11, в).

Зная происхождение неровностей на образованной поверхнос­ти, можно указать способ их уменьшения: надо так изменить усло­вия стружкообразования, чтобы длина элементов стружки была минимальной (при длине элементов l_э = 0 стружка станет сливной). На практике задача решается с помощью специальных устройств — подпоров П и стружколомателей С (рис. 11, г, д).

Подпор действует на древесину в зоне резания, непосредствен­но препятствуя образованию и развитию опережающей трещины. Стружколоматель, устанавливаемый вблизи лезвия резца со сто­роны передней грани и способствующий крутому загибанию и надламыванию стружки сразу после ее образования резцом, вы­полняет ту же работу, что и подпор, но действует на зону резания перед резцом не непосредственно, а через стружку.

Стружкообразование при резании в торец. Как и при резании вдоль волокон, положение плоскости разрушения древесины при образо­вании стружки в этом случае предопределено направлением воло­кон: элементы стружки образуются по плоскости, совпадающей с направлением волокон, где связи в древесине наиболее слабые.

Сливную стружку в момент резания (она очень непрочна и раз­рушается уже при попытке снять ее с передней грани резца) можно получить, если ее толщина мала, а древесина влажная (рис. 12, а).

Достаточно толстая стружка торцового резания — это типичная элементная стружка скалывания (рис. 12, б). Она состоит из эле­ментов приблизительно трапециевидной формы, иногда слабо свя­занных между собой по плоскости скалывания. Из-за больших уси­лий резания и сравнительно слабого сопротивления древесины на сжатие поперек волокон (в направлении силы F_nx) стружка пре­терпевает значительную усадку. Это значит, что фактическая дли­на стружки (или одного элемента) меньше, чем номинальная длина стружки (или одного элемента).

Часто образование элементов стружки сопровождается образо­ванием трещины в обрабатываемой заготовке под поверхностью резания. Причина образования этих трещин — наличие в древеси­не под поверхностью резания зон сжатия (перед резцом) и растя­жения (за резцом), на границе которых разрушаются слабые связи между волокнами. Качество поверхности, полученной при образо­вании элементной стружки с расслоением древесины под поверх­ностью резания, невысокое.

Выводы. 1. Каждый случай образования стружки может быть отнесен к одному из двух типов процесса стружкообразования:

а) неустановившийся процесс стружкообразования. По мере уг­лубления резца в древесину длина зоны контакта стружки с пере­дней гранью резца непрерывно увеличивается до тех пор, пока не образуется элемент стружки или трещина в ней. Процесс характе­ризуется образованием элементной стружки, т.е. стружки, состоя­щей из элементов, сохраняющих или не сохраняющих некоторую связь между собой;

б) установившийся процесс стружкообразования. При внедре­нии резца в древесину длина зоны контакта вначале возрастает, по затем стабилизируется еще до того момента, когда мог бы об­разоваться элемент стружки или трещина в ней. Процесс характе­ризуется образованием сливной стружки, т. е. стружки в виде лен­ты или спирали без внутренних трещин.

2. Видом стружки предопределяется качество поверхности реза­ния и качество самой стружки. Качество поверхности характери­зуется главным образом ее шероховатостью, а качество стружки (в частности, шпона) — внутренними трещинами и поверхност­ными неровностями.

3. Стремясь обеспечить высокое качество обработки резанием, необходимо организовывать установившийся процесс стружкооб­разования, т.е. так подбирать условия (режим) резания, чтобы получалась сливная стружка.

4. Когда заданные исходные условия резания не позволяют орга­низовать установившийся процесс, необходимо правильно исполь­зовать специальные устройства для активного воздействия на про­цесс образования стружки: прижимные линейки, подпоры, струж- коломатели. Той же цели в отдельных случаях может служить изме­нение свойств обрабатываемого материала (например, гидротер­мическая обработка древесины).

5. В процессах сложного резания на станках, как отмечалось в гл. 1, имеют место переходные (между тремя главными) виды резания. Чтобы улучшить процесс резания, надо в каждом от­дельном случае определить, какой вид стружкообразования и на каких участках поверхности резания (относительно волокон) ос­тавляет наибольшие дефектные места на обработанной поверх­ности или в стружке, а затем улучшить организацию резания на этих участках.

Влияние основных факторов процесса на силу резания и качество обработки

Влияние породы древесины. На обрабатываемость, т.е. на си­ловые и качественные показатели процесса резания, влияют струк­тура и механические свойства обрабатываемой древесины, кото­рые различны у древесины разных пород. Влияние структуры труд­но оценить количественно. Между показателями механических свойств древесины и силами резания имеется непосредственная связь.

Практический интерес представляет зависимость силы резания от плотности древесины, так как известно, что механические по­казатели связаны с плотностью. В простейшем случае, полагая, что имеется прямая пропорциональная зависимость между удельной силой резания F_уд и плотностью ρ_д, удельную силу резания древе-сины данной породы можно приближенно определить по ее плот­ности путем экстраполяции имеющихся данных о плотности и удельной силе резания древесины двух других пород или по гра­фику на рис. 13, а.

В расчетах резания влияние породы на касательную силу оцени­вают в относительных единицах, принимая за единицу силу реза­ния древесины сосны в определенных условиях. Примерные значе­ния относительной силы резания в расчетах используются как по­правочные множители, учитывающие породу древесины.

Значения поправочного множителя а_п = F_x/F_{x сосны} для резания древесины различных пород приведены ниже.

Влияние влажности. При увеличении влажности до предела гигроскопичности (W= 30 %) снижаются показатели механической прочности древесины и, следовательно, уменьшается сила резания.

При открытом резании древесины, имеющей влажность выше предела гигроскопичности, свободная влага попадает на поверх­ности лезвия и действует как смазка. При этом уменьшается коэф­фициент трения и в конечном счете дополнительно уменьшается сила резания.

При закрытом резании (пилении), когда активно взаимодей­ствуют с древесиной задние поверхности вспомогательных лезвий (боковые поверхности зубьев) и даже поверхности корпуса инст­румента (полотна пилы), влияние влажности древесины проявля­ется по-другому: при увеличении влажности повышаются упругие свойства древесины, усиливается «защемление» лезвия в пропиле, увеличивается сила резания.

Если принять за единицу силу резания F_{xw = 10} сухой древесины (влажностью W = 10 %), то силу резания древесины иной влажно­сти F_xw можно получить, умножая F_{xw =10} на поправочный множи­тель a_w. Множители a_w = F_XW/F_{XW = 10} приведены ниже.

Влияние температуры. Прочность древесины, особенно влаж­ной, при нагревании уменьшается. Это вызывает уменьшение силы резания. На рис. 13, б представлена зависимость удельной силы резания от температуры. Графики показывают, что в условиях опыта, например при резании вдоль волокон, сила резания уменьшается на 40% при повышении температуры от -15 до +60 °С. Скачок силы при 0 °С объясняется различием сил резания замороженной древесины при 0°С (в процессе оттаивания) и незамороженной древесины при 0°С (в процессе замораживания). В расчетах влия­ние температуры древесины на силу резания учитывают попра­вочным множителем а_т = F_XT/F_X._{T = 20}, приведенным ниже.

Влияние толщины срезаемого слоя. Известно, что сила резания F и ее составляющие — касательная F_x и нормальная F_z — складыва­ются из сил, действующих со стороны отдельных элементов лез­вия: режущей кромки, передней и задней поверхностей. Единич­ные силы на режущей кромке и задней поверхности не зависят от толщины срезаемого слоя (их сумма составляет силу по поверхно­сти резания F_nр1). Сила на передней поверхности практически для всех случаев станочного резания (0,1 мм ≤ а ≤ 1,0 мм) прямо про­порциональна толщине срезаемого слоя а, т.е. F_xnl = К_па, где К_п — коэффициент пропорциональности. Таким образом, уравнение для единичной касательной силы F_x1 записывается в виде

График этого уравнения (рис. 13, г) — прямая линия, накло­ненная к оси абсцисс (тангенс угла наклона равен К_п) и отсекаю­щая на оси ординат отрезок, соответствующий силе по поверхно­сти резания F_nр1.

Удельная сила резания F_ya также зависит от толщины срезаемо­го слоя:

На графике (рис. 13, д) показан характер этой зависимости: удельная сила резания F_ya уменьшается по мере увеличения тол­щины слоя. Следовательно, с энергетической точки зрения эко­номнее удалять технологический припуск заготовки, снимая тол­стые слои за однократный проход лезвия. При этом надо, однако, помнить, что увеличение толщины срезаемого слоя обычно отри­цательно сказывается на качестве обработки. Это объясняется из­менением характера стружкообразования: стружка приобретает все более выраженную элементность, на поверхности резания углуб­ляются неровности разрушения.

Нормальная сила резания F_z также зависит от толщины срезае­мого слоя. При очень малых значениях а (а < 0,1...0,2 мм) она проявляется как сила отжима (+F_Z). С увеличением а обычно нор­мальная сила меняет знак, переходит в силу затягивания (- F_Z). Однако величина нормальной силы зависит от многих исходных условий резания, в результате чего влияние толщины срезаемого слоя проявляется неоднозначно.

Для расчетов процесса резания необходимы численные значе­ния касательной и нормальной единичных сил резания, удельной работы резания, а также параметров шероховатости обработанной поверхности для различных толщин срезаемого слоя. Такие дан­ные приводятся для конкретных процессов станочного резания в соответствующих параграфах.

Влияние вида резания. Сила резания для трех главных видов различна: наименьшая сила требуется для поперечного резания, для продольного резания в тех же условиях она больше примерно в 2 раза, для торцового — в 5...6 раз.

Переходные виды резания характеризуются промежуточными значениями сил для соответствующих главных видов. В расчетах влияние вида резания учитывается соответствующими