家具头条|【连载•木材切削原理与木工刀具（26）】一一切削作用力！- jxcat.com机械猫

3.1.2切削作用力

在木材的切削过程中,有以下几种基本现象会同时伴随发生:

①在切屑形成过程中,刀刃附近形成切屑的部分材料和木材工件已加工表面,由于刀具的切入而产生的变形现象。

②由于刀刃的作用,切屑从木材工件上发生分离的现象。

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触而产生的摩擦现象。

其中变形现象,即切屑从木材工件上分离后发生的变形现象在所有的这些现象中占有最重要的地位。它能引起上述的其他现象,并把刀具作用于木材工件的力称为切削力( cutting force),那么这个切削力就应由变形力、分离力、摩擦力等几项构成。

在某些特殊情况下,将切屑排出所需的推动力也看成是切削力的构成要素,在高速切削时,排出切屑需要消耗大量的能量,此时切屑排出推动力必须考虑,但它不作为切削力的本质要素。

分离力不受切削角( cutting angle)和切削深度( depth of cut)影响,只受刀具刀刃的锐利度的影响。反之,变形力受切削角和切削深度的影响,与刀刃的锐利度无关。

刀具切削刃通过后的已加工表面,因为刀具的后刀面对已加工表面的压缩作用,工件已加工表面有一定的弹性变形量,即有一定的弹性回复变形。刀具的后角小,接触面积增大,特别是加工针叶材等弹性变形量大的木材时,摩擦力必然加大。

木材切削加工过程中,虽然变形力占切削力的一半以上,但由于木材容易变形,木材切削中分离力所占比例更大,对切削过程的影响也更大。由此可知,木材切削加工中刀具刀刃的锐利度具有更重要的作用。

通过以上的分析,在理论上可以把切削力分为变形力、分离力和摩擦力几个要素,但在木材切削实际过程中却很难将这些力分开。因此,我们在总体上将其统称为切削力。

直角自由切削( orthogonal cutting)时各力的作用状态如图1-5(a)所示。刀具前刀面对被切削木材产生的正压力N ( normal force),刀具前刀面与被切削木材间产生的摩擦力T ( frictional force), 这两个力的合力F ( resultant force) 作为切削力作用于木材。F与N所夹的角度( angle of tool force resultant)用p来表示的话,它们之间存在以下关系:

T=N tanp

F=N(1+ tan2p) 1/2

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

u=T/N= tanp

将切削力分解为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),两个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)。

其他符号意义同前。

水平分力F1与切削角δ的大小无关,通常为正值。也就是说,不论什么样的切削条件下,F1都作用于切削方向。另一方面,垂直分力根据切削角的大小作用方向不同。

切削角小(前角大)时,一般为正,刀具刀刃从切削表面离开,沿垂直于前刀面推压切屑的方向发生作用。切削角大(前角小)时,一般为负,沿刀具刀刃压向切削表面方向发生作用。F2除受切削角的影响外,它的作用方向还受刀刃锐钝状态的影响,如当刀刃由锐利到开始钝化出现圆角时,F2从正向负变动。切削力的垂直分力F2也有为0的时候,此时的切削角称为临界切削角( critical cutting angle),在切削加工中具有重要的意义。

斜刃切削( oblique cutting)时,刀具的刀刃与切削方向呈一定的刃倾角,在分析切削力时,除了将其分解为F1和F2外,还需考虑切削平面内,垂直于切削方向的横向分力F3( lateral tool force),如图1一5(b)所示。

切削力不是作用于刀具刀刃的一点或一线的力,而是刀具与加工工件接触的整个区域内刀具施加在加工工件上所有的力,有时还伴有力矩的作用。切削力分析如图3-3所示。