Виды резания древесины. Определение усилия резания одиночным резцом.

Процесс резания заключается в том, что резец, двигаясь по направлению х—х (рис. 17.1, а) внедряется в древесину и от­деляет одну ее часть от другой. В зависимости от размеров от­деляемой части резание может быть с образованием стружки или щепы или без образования стружки.

Резание с образованием стружки.Получаемая в процессе резания стружка характеризуется толщиной е, измеряемой по оси у—у, длиной / по оси х—х и шириной b — по оси z—z. Для отделения стружки определенных размеров необходимо иметь движение резания и движение надвигания.

Движением резания называется движение резца по отноше­нию к обрабатываемому материалу по оси х—х, при котором происходит отделение стружки. Оно, как правило, придается резцу и только в исключительных случаях обрабатываемому ма­териалу. Скорость движения резания

Рис. 17.1. Резание резцом

v = v_p±v₀, (17.2)

где v — скорость движения резца в направлении оси х—X; v — проекция на ту же ось скорости движения обрабатываемого материала.

Так как v_p всегда значительно больше v₀, то в расчетах при­нимают скорость резания равной скорости резца, т. е. v = v_p. Движение резца может быть прямолинейным или криволиней­ным, вращательным. Прямолинейное движение происходит при постоянной или переменной скорости. Последнее наблюдается при поступательно-возвратном движении резца.

Для получения стружки определенной толщины обрабаты­ваемому материалу (или резцу) придается движение надвигания. Оно направлено под углом в плоскости хОу, причем 0°< < <180°. Это движение производится одновременно с резанием или перед его началом. В последнем случае оно носит харак­тер установочного движения, чередующегося с движением ре-замия. Движение надвигания, производимое одновременно с ре­занием, изменяет толщину стружки, которая зависит от вели­чины и направления скорости v_H. Если она составляет с осью х—х угол , то проекции ее на оси х—х и у—у будут

, (17.3)

Скорость vo характеризует движение в плоскости х—х, т. е. в направлении траектории резца. Это движение называется продольным надвиганием. Скорость этого движения v₀ алге­браически складывается со скоростью резания (формула 17.2). Поскольку движение продольного надвигания увеличивает или уменьшает длину стружки, а вместе с тем и длину обрабаты­ваемой поверхности за один ход резца, то его можно назвать движением продольной подачи. Оно лежит в одной плоскости с движением резца и не оказывает влияния на толщину стружки.

Проекция скорости движения надвигания на ось у—у (век­тор ) приводит к увеличению толщины стружки, снимаемой резцом. Это движение называется нормальным надвиганием, так как вектор 'нормален к траектории резца. Толщина стружки е, измеряемая по нормали к этой траектории, т. е. к оси х—х, пропорциональна величине v_a:

e = v_at₀ или e = t₀v_Hsin . (17.4)

Ширина обрабатываемой поверхности за один ход резца равна ширине стружки b, измеряемой по оси z—z. Если требу­ется обработать поверхность, имеющую ширину В>b, то необ­ходимо повторное движение резца. С этой целью материал или резец смещают по оси z—z. Такое движение в плоскости реза­ния, т. е. в плоскости xOz по z—z называется движением бо­ковой или поперечной подачи. Резание с образованием стружки может происходить по одной, двум и трем поверхностям обра­ботки.

В первом случае (рис. 17.1,6) длина передней режущей кромки (лезвия) резца больше ширины обрабатываемой поверхности и резание производится только этой кромкой. Во вто­ром случае (рис. 17.1, в) длина лезвия меньше ширины обра­батываемой поверхности, поэтому обработка материала начи­нается с края его поверхности и резание ведется по двум пло­скостям передней и боковой режущими кромками. Если целью обработки является получение паза в обрабатываемом мате­риале (рис. 17.1,г), то резание происходит по трем плоскостям, в нем участвуют передняя и обе боковые режущие кромки.

Различают простое и сложное резание с образованием стружки. Основными условиями простого резания являются: вы­полнение резания только передней режущей кромкой резца, длина ее должна быть больше ширины обрабатываемого ма­териала (см. рис. 17.1,6); постоянная скорость резца; перпен­дикулярность режущей кромки прямолинейной траектории резца; постоянная толщина стружки по всей ее длине и ши­рине; определенное положение плоскости резания по отношению к направлению волокон.

В зависимости от положения плоскости резания по отноше­нию к волокнам различают три вида простого резания: в торец, вдоль и поперек волокон. При резании в торец (рис. 17.2, а) пло­скость обработки и направление движения резания перпендику­лярны направлению волокон, которые расположены по оси у—у, а движение резания по оси х—х. В этом случае волокна разрушаются по их длине.

При резании вдоль волокон (рис. 17.2,6) плоскость резания xOz и направление движения резца совпадают с направлением волокон, идущих по оси х—х. Стружка отделяется по плоскости Ох вследствие разрыва связей между волокнами и излома по плоскости ОМ, проходящей поперек волокон. Резание поперек волокон (рис. 17.2, в) происходит при движении резца поперек волокон в их плоскости. В этом случае волокна древесины ле­жат в плоскости резания xOz и их направление совпадает с осью z—z. Отделение стружки происходит по плоскости Ох и поверхности ОМ вследствие нарушения связи между волок­нами.

Нарушение любого из условий простого резания вызывает появление сложного резания, которое характеризуется одно­временной обработкой двух-трех поверхностей, переменной ско­ростью резца, криволинейной траекторией его движения, пере­менной толщиной стружки, расположением плоскости резания под разными углами к направлению волокон и т. д.

Усилие резания.В процессе ре­зания к резцу прикладывается усилие Р, величина которого за­висит от сопротивления резанию. Сопротивление резанию зави­сит от различных взаимосвязанных факторов, основными из которых являются строение, физико-механические свойства дре­весины и параметры резца. В процессе резания (см. рис. 17.2, а) резец своей передней режущей кромкой сминает и разрушает древесину, отделяя стружку по плоскости ОС. Одновременно он давит на стружку передней гранью ОА и деформирует ее. Уси­лие Р_Р, приложенное к резцу, достигает наибольшего значения при внедрении резца на глубину 1₀ и падает до наименьшего значения в момент отделения стружки по плоскости ОМ. Усилие Р_Р по абсолютной величине равно равнодействующей сил сопротивления резанию, действующих на резец со стороны древесины. К ним относятся: Р_л — усилие на лезвии резца; N и N нормальное давление, производимое на переднюю и на заднюю грань резца со стороны древесины; F и F₂— силы тре­ния на этих гранях как следствие нормального давления.

Рис. 17.2. Виды резания

Усилие на передней режущей кромке представляет собой сопротивление, оказываемое волокнами древесины, отделению стружки по плоскости резания. Величина его зависит от ши­рины стружки, степени заострения резца и от сопротивления сил связи, соединяющих волокна в плоскости обработки. Чем острее резец, тем меньше Р_л.

Усилие на лезвии резца

(17.5)

где — удельное сопротивление срезанию (перерезанию) волокон, прихо­дящееся на единицу длины лезвия резца или ширины стружки, Н/мм; b -— ширина стружки, мм.

Нормальное давление на переднюю грань резца N\ оказы­вает наибольшее влияние на величину равнодействующей сил сопротивления резанию Р_р, так как отделение стружки про­исходит в результате деформации древесины, вызванной давле­нием N₁ производимым передней гранью резца на стружку. Поэтому величина N₁ зависит от площади поперечного сече­ния стружки и сил связи волокон в плоскости перпендикуляр­ной поверхности обработки.

Давление на переднюю грань резца

(17.6)

где — удельное сопротивление связи волокон в плоскости отделения стружки, Н/мм², b и е — ширина и толщина стружки, мм.

Направление силы зависит от угла . Чем больше этот угол, тем больше проекция силы на ось х—х и меньше на ось у—у. Отделение стружки происходит главным образом под действием вертикальной составляющей , а сопротивление ре­занию возрастает вместе с горизонтальной составляющей этой силы. Поэтому для уменьшения сопротивления резанию следует принимать возможно меньшее значение угла резания .

Давление N₂, производимое древесиной на заднюю грань резца, вызвано упругой деформацией волокон. Величина его неизвестна, но вместе с тем установлено, что при работе с за­тупленным резцом давление N₂ больше, чем при остром. Кроме того, давление N₂ возрастает с уменьшением заднего угла а, так как увеличивается площадь контакта задней грани резца с древесиной. Для уменьшения давления N₂ следует увеличи­вать угол а. Силы трения и , где — коэффи­циент трения резца о древесину.

Составляющая усилия Р_р направленная по оси х—х против движения резца является сопротивлением резанию . Усилие равное по величине сопротивлению резания совпадающее с направлением движения резца, называется усилием резания. Составляющая усилия Р_р по оси у—у — сила Р₀ называется силой отжима, если она направлена от поверхности обработки к резцу, и силой прижима, если она действует в обратную (к по­верхности обработки) сторону. Отжим резца происходит при тонкой стружке, большом угле резания и тупом резце, в про­тивных случаях наблюдается прижим резца. Для острых резцов сила Р₀ = (0,4.. .0,6) а для затупленных Р₀= (0,6.. .1)

Горизонтальные проекции сил N₂ и F₂ направлены в про­тивоположные стороны, поэтому величина усилия зависит от сил и Р_л:

P₁ = P_Jl+N₁(sin + cos ). (17.7)

Обозначив N₁(sin + cos )= и подставив значения Р_л и из (17.5) и (17.6), получим

(17.8)

Величина зависит от направления действия силы , т. е. от угла резания , как и величина . Поэтому принимают =Кс, причем значение К_с выбирают в зависимости от угла б. Тогда

(17.9)

Р₁ = К_лЬ + К_сЬе = КЬе.

При этом

(17.20)

где Кс — удельное сопротивление резанию, Н/мм².

Определить значение К_л весьма трудно, поэтому его влия­ние на основании экспериментальных данных учитывают коэф­фициентом а_е. Тогда

К = К_с а_в, (17.11)

где а_е — коэффициент, учитывающий влияние толщины стружки на удельное сопротивление резанию К, значение которого при прочих равных условиях уменьшается с увеличением толщины стружки е.

Величина

имеет отвлеченное значение, несмотря на то, что толщина стружки е — линейная величина. Показатель степени т — за­висит от вида резания, при резании в торец т =0,33, а при про­дольном и поперечном резании т =0,5.. .0,55

В (17.11) К_с— удельное сопротивление резанию для сосны, Н/мм². Его величина принимается на основании эксперимен­тальных данных для острых резцов, толщине стружки е= 1 мм, влажности древесины W= 15 %, с учетом угла и вида резания.

Наименьшее значение он имеет при поперечном резании, поскольку в этом случае пло­скость резания образуется вследствие нарушения слабой связи между волокнами. При продольном резании вдоль волокон ве­личина Кс" имеет промежуточное значение по сравнению с пре­дыдущими случаями.

На удельное сопротивление резанию К оказывает влияние порода, влажность древесины, степень затупления резца.

В общем случае

(17.13)

где а_п, а„ и а₃ — коэффициенты, учитывающие изменения удельного сопро­тивления резанию Кс в зависимости от породы, влажности древесины и сте­пени затупления резца.

При сложном резании одним резцом усилие резания также определяется по (17.9) и (17.13), при этом значение Кс будет отличаться от его значений при простом резании: оно будет зависеть от условий сложного резания, т. е. от числа плоско­стей резания и наклона их к направлению волокон.

Резание без образования стружки.В процессе резания без образования стружки резец (нож), двигаясь в направлении перпендикулярном волокнам древесины, перерезает их перед­ней режущей кромкой, осуществляя резание в торец или близ­кое к нему. Движение резания придается резцу (рис. 17.3, а, в) или перерезаемому материалу (рис. 17.3,6). При этом способе резания наблюдаются смятие и изгиб волокон, вызывающие расслоение древесины. Резание без образования стружки при­меняется при срезании стоящих деревьев (см. рис. 17.3,а), пе­ререзании хлыстов (см. рис. 17.3,0) и сучьев (см. рис. 17.3,6). Усилие резания без образования стружки зависит от угла за­точки р" и других параметров резца и размеров поперечного сечения перерезаемых материалов. Исследования этого процесса показали, что наибольшее значение усилия резания достигает при внедрении резца (ножа) на глубину ½ … 2/3 диаметра ствола или сучка. Величина этого усилия (Н) может быть оп­ределена по следующей эмпирической формуле:

Р = a a₆ a_n a₃ d² n, (17.15)

где d — диаметр перерезаемого ствола, сучка, мм; п — число одновременно перерезаемых сучков, для стволов п=1; а — коэффициент, учитывающий физико-механические свойства древесины; для сучьев а=35, для стволов а=25; а., а_п, а₃ — коэффициенты, учитывающие влияние угла резания, породы де­рева и степени затупления резца (ножа); а_в = 1...1,4.

Рис. 17.3. Резание без образования стружки