3.1.2切削作用力

在木材的切削過(guò)程中,有以下幾種基本現(xiàn)象會(huì)同時(shí)伴隨發(fā)生:

①在切屑形成過(guò)程中,刀刃附近形成切屑的部分材料和木材工件已加工表面,由于刀具的切入而產(chǎn)生的變形現(xiàn)象。

②由于刀刃的作用,切屑從木材工件上發(fā)生分離的現(xiàn)象。

③切屑和刀具前刀面及木材工件已加工表面和刀具后刀面接觸而產(chǎn)生的摩擦現(xiàn)象。

其中變形現(xiàn)象,即切屑從木材工件上分離后發(fā)生的變形現(xiàn)象在所有的這些現(xiàn)象中占有最重要的地位。它能引起上述的其他現(xiàn)象,并把刀具作用于木材工件的力稱為切削力( cutting force),那么這個(gè)切削力就應(yīng)由變形力、分離力、摩擦力等幾項(xiàng)構(gòu)成。

在某些特殊情況下,將切屑排出所需的推動(dòng)力也看成是切削力的構(gòu)成要素,在高速切削時(shí),排出切屑需要消耗大量的能量,此時(shí)切屑排出推動(dòng)力必須考慮,但它不作為切削力的本質(zhì)要素。

分離力不受切削角( cutting angle)和切削深度( depth of cut)影響,只受刀具刀刃的銳利度的影響。反之,變形力受切削角和切削深度的影響,與刀刃的銳利度無(wú)關(guān)。

刀具切削刃通過(guò)后的已加工表面,因?yàn)榈毒叩暮蟮睹鎸?duì)已加工表面的壓縮作用,工件已加工表面有一定的彈性變形量,即有一定的彈性回復(fù)變形。刀具的后角小,接觸面積增大,特別是加工針葉材等彈性變形量大的木材時(shí),摩擦力必然加大。

木材切削加工過(guò)程中,雖然變形力占切削力的一半以上,但由于木材容易變形,木材切削中分離力所占比例更大,對(duì)切削過(guò)程的影響也更大。由此可知,木材切削加工中刀具刀刃的銳利度具有更重要的作用。

通過(guò)以上的分析,在理論上可以把切削力分為變形力、分離力和摩擦力幾個(gè)要素,但在木材切削實(shí)際過(guò)程中卻很難將這些力分開(kāi)。因此,我們?cè)诳傮w上將其統(tǒng)稱為切削力。

直角自由切削( orthogonal cutting)時(shí)各力的作用狀態(tài)如圖1-5(a)所示。刀具前刀面對(duì)被切削木材產(chǎn)生的正壓力N ( normal force),刀具前刀面與被切削木材間產(chǎn)生的摩擦力T ( frictional force), 這兩個(gè)力的合力F ( resultant force) 作為切削力作用于木材。F與N所夾的角度( angle of tool force resultant)用p來(lái)表示的話,它們之間存在以下關(guān)系:

T=N tanp

F=N(1+ tan2p) 1/2

刀具前刀面的摩擦系數(shù)( frictional coefficient) u 可由下式求得:

u=T/N= tanp

將切削力分解為平行于切削方向的水平分力F1(主分力, parallel tool force, principal force)和垂直于切削方向的垂直分力F2(法向力, normal tool force, thrust force),兩個(gè)分力可用下面的公式表示:

FI= Nsinδ+T cosδ

F2= N cosδ +T sinδ

式中:δ一一切削角( cutting angle)。

其他符號(hào)意義同前。

水平分力F1與切削角δ的大小無(wú)關(guān),通常為正值。也就是說(shuō),不論什么樣的切削條件下,F1都作用于切削方向。另一方面,垂直分力根據(jù)切削角的大小作用方向不同。

切削角小(前角大)時(shí),一般為正,刀具刀刃從切削表面離開(kāi),沿垂直于前刀面推壓切屑的方向發(fā)生作用。切削角大(前角小)時(shí),一般為負(fù),沿刀具刀刃壓向切削表面方向發(fā)生作用。F2除受切削角的影響外,它的作用方向還受刀刃銳鈍狀態(tài)的影響,如當(dāng)?shù)度杏射J利到開(kāi)始鈍化出現(xiàn)圓角時(shí),F2從正向負(fù)變動(dòng)。切削力的垂直分力F2也有為0的時(shí)候,此時(shí)的切削角稱為臨界切削角( critical cutting angle),在切削加工中具有重要的意義。

斜刃切削( oblique cutting)時(shí),刀具的刀刃與切削方向呈一定的刃傾角,在分析切削力時(shí),除了將其分解為F1和F2外,還需考慮切削平面內(nèi),垂直于切削方向的橫向分力F3( lateral tool force),如圖1一5(b)所示。

切削力不是作用于刀具刀刃的一點(diǎn)或一線的力,而是刀具與加工工件接觸的整個(gè)區(qū)域內(nèi)刀具施加在加工工件上所有的力,有時(shí)還伴有力矩的作用。切削力分析如圖3-3所示。

圖3一3 切削力分析圖

切削力中的水平分力(主切削力)與其他分力比較,數(shù)值最大,其他兩個(gè)分力(法向力和軸向力)大致是水平分力的1/3,因此只分析切削力的場(chǎng)合,通常是指水平分力(主切削力Fx)。

切削力的反作用力被稱為切削阻力,在評(píng)價(jià)材料的切削性質(zhì)方面,最容易實(shí)現(xiàn)在線測(cè)試,而且可用明確的數(shù)據(jù)表示,因此是一個(gè)重要的指標(biāo)。

實(shí)際木材切削加工時(shí),有時(shí)是使用一個(gè)切削刃切削,如創(chuàng)切和單板旋切,而大多數(shù)情況下是使用多個(gè)刀刃切削,如鋸切、銑削、鉆削加工等。對(duì)于后一種情況,要測(cè)量單個(gè)切削刃的切削力是比較困難的,因此,評(píng)價(jià)木材切削加工性能不是用切削力,而是用切削過(guò)程消耗的動(dòng)力和時(shí)間來(lái)間接綜合地評(píng)價(jià)。

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由于木材是各向異性的多細(xì)胞生物材料,切削現(xiàn)象隨木材切削位置的變化時(shí)刻發(fā)生變化,這種評(píng)價(jià)方法雖然簡(jiǎn)單,但并不是沒(méi)有問(wèn)題。隨著傳感器和測(cè)量技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)在即使使用多刀刃的高速度切削,也可以精確地測(cè)定出每個(gè)刀刃作用于木材的切削力。

圖3一4是不同方法切削木材時(shí),單一切削刃作用于工件上力的分解圖示。

圖3一4 不同切削方法的切削力

文章來(lái)源：木業(yè)刀鋸聯(lián)盟

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