3.1.2切削作用力

在木材的切削過程中,有以下幾種基本現(xiàn)象會同時伴隨發(fā)生:

①在切屑形成過程中,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),那么這個切削力就應由變形力、分離力、摩擦力等幾項構(gòu)成。

在某些特殊情況下,將切屑排出所需的推動力也看成是切削力的構(gòu)成要素,在高速切削時,排出切屑需要消耗大量的能量,此時切屑排出推動力必須考慮,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,與刀刃的銳利度無關。

刀具切削刃通過后的已加工表面,因為刀具的后刀面對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,摩擦力必然加大。

木材切削加工過程中,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,對切削過程的影響也更大。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要素,但在木材切削實際過程中卻很難將這些力分開。因此,我們在總體上將其統(tǒng)稱為切削力。

直角自由切削( orthogonal cutting)時各力的作用狀態(tài)如圖1-5(a)所示。刀具前刀面對被切削木材產(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來表示的話,它們之間存在以下關系:

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)。

其他符號意義同前。

水平分力F1與切削角δ的大小無關,通常為正值。也就是說,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,一般為正,刀具刀刃從切削表面離開,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,一般為負,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?shù)度杏射J利到開始鈍化出現(xiàn)圓角時,F2從正向負變動。切削力的垂直分力F2也有為0的時候,此時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,刀具的刀刃與切削方向呈一定的刃傾角,在分析切削力時,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或一線的力,而是刀具與加工工件接觸的整個區(qū)域內(nèi)刀具施加在加工工件上所有的力,有時還伴有力矩的作用。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,在評價材料的切削性質(zhì)方面,最容易實現(xiàn)在線測試,而且可用明確的數(shù)據(jù)表示,因此是一個重要的指標。

實際木材切削加工時,有時是使用一個切削刃切削,如創(chuàng)切和單板旋切,而大多數(shù)情況下是使用多個刀刃切削,如鋸切、銑削、鉆削加工等。對于后一種情況,要測量單個切削刃的切削力是比較困難的,因此,評價木材切削加工性能不是用切削力,而是用切削過程消耗的動力和時間來間接綜合地評價。

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由于木材是各向異性的多細胞生物材料,切削現(xiàn)象隨木材切削位置的變化時刻發(fā)生變化,這種評價方法雖然簡單,但并不是沒有問題。隨著傳感器和測量技術的飛速發(fā)展,現(xiàn)在即使使用多刀刃的高速度切削,也可以精確地測定出每個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,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

文章來源：木業(yè)刀鋸聯(lián)盟

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