1、第二章 切削作用與切削力1.切削應(yīng)力和應(yīng)變2.刀具的切削作用3.切削力的力學(xué)模型4.影響切削力的因素5.切削力與切削功率的通用計(jì)算公式1、切削應(yīng)力和應(yīng)變 刀具刃口與切削工件接觸的同時(shí)，根據(jù)作用力的大小，工件在刀刃刀尖作用的部位先產(chǎn)生變形。當(dāng)這個(gè)力逐漸增大時(shí)，工件被刃口分成兩部分，刃口繼續(xù)向材中切進(jìn)去。從工件切下分離出去的部分，被刀具前面壓縮，受剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力作用產(chǎn)生變形，成為切屑。切削過程中，作用于被切工件上的力其大小、作用方向，根據(jù)工件的性質(zhì)、刀具的條件、切削參數(shù)的不同變化。圖示各應(yīng)力的主要作用區(qū)域。1為刀具刃口壓入產(chǎn)生的集中應(yīng)力；2為刀具前刀面與切屑接觸產(chǎn)生的摩擦力；3為刀具前刀面上切

2、屑因?yàn)閺澢a(chǎn)生的壓縮應(yīng)力；4為刀具前刀面因?yàn)榍行紡澢a(chǎn)生的拉應(yīng)力；5為作用于切削方向的壓應(yīng)力或拉應(yīng)力；6為為作用于垂直切削方向的剪切應(yīng)力；7為大切削角切削時(shí)的壓縮剪切應(yīng)力；8為端向切削時(shí)使木纖維發(fā)生彎曲的彎曲應(yīng)力；9為端向切削時(shí)作用在木纖維上的最大拉應(yīng)力。2、刀具的切削作用 從力學(xué)觀點(diǎn)看，切削作用的實(shí)質(zhì)實(shí)際是一種有控制的受力破壞。其目的是為從工件上切除一部分材料，從而獲得一定尺寸精度和表面質(zhì)量的的制品。 切削時(shí)刀具的刃口、前刀面和后刀面都起作用。 切削會(huì)有阻力，這個(gè)阻力稱為切削阻力。切削力和切削阻力數(shù)值相等，方向相反。2.1 刀具切削部分的形態(tài) 任何刀具的切削部分都可簡(jiǎn)化為一楔形體，但切削刃并

3、非一理想直線，而是一不規(guī)則過渡曲面,曲率半徑大約0.005-0.1mm。2.2 刀具各部分的切削作用 刀尖 ：依靠應(yīng)力集中破壞木材間的聯(lián)系，切入工件。 前刀面：推擠切削層使之變形或破壞，分離成屑片，沿前刀面流出。 后刀面：壓擠切削層以下工件材料，該部材料伴隨有彈性或塑性和塑性變形。 屑片分離的條件：切削厚度大于刃口圓弧半徑，即a >。 2.3 屑片分離的條件：當(dāng)a<時(shí)不能分離切屑；時(shí)a >時(shí)可分離切屑3、切削力的力學(xué)模型 切削阻力來源于兩個(gè)方面：w a、切材料抵抗變形或破壞的阻力：取決于材料力學(xué)性質(zhì)、含水率、切削層尺寸和刀具的銳鈍程度。w b、摩擦阻力：取決于刀具和工件材料的

4、種類、材料狀態(tài)（含水率、表面粗糙度等）、相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和壓緊力等。 切削阻力是切削功率、機(jī)床電機(jī)功率的計(jì)算依據(jù)，也是影響刀具磨損的重要因素。 建立切削力的力學(xué)模型是為了研究和測(cè)量方便。木材切削力研究的回顧 1870俄國(guó)人. T出版了金屬和木材的切削阻力,之后，前蘇聯(lián)又有不少這方面的著作和論文。 1950芬蘭人Kivimaa出版了Cutting Force in Wood-working 60-70年代美國(guó)人，也發(fā)表過不少木材切削阻力方面的研究文章。 1987林科院木材所管寧發(fā)表了中國(guó)11種針葉材切削阻力研究等論文。 80-90年代，東北林業(yè)大學(xué)樸永守與日本學(xué)者福井尚、北林王均璽、南林曹平祥等也發(fā)

5、表過木材切削阻力研究的文章。 切削力的力學(xué)模型 切削力的力學(xué)模型（平面刨削） 正壓力N1 Fx1 前刀面 合力R1 摩擦力f1 Fy1 Fx 刀尖 Fx尖 總合力F 正壓力N2 Fx2 Fy 后刀面 合力R2 摩擦力f2 Fy2 外圓車削的切削力力學(xué)模型4、影響切削阻力的因素4.1 切削條件和切削阻力 （1）切削寬度b：主切削力Fx與b成正比。 （2）切削厚度a：主切削力Fx與a正相關(guān)，但并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。（圖2-7）a.當(dāng)a=0時(shí)，F(xiàn)x0。這表明雖無屑片分離，但后刀面仍有摩擦阻力。b.當(dāng)a大于0.1 時(shí)，F(xiàn)x 與a成近似線形關(guān)系。c.當(dāng)0<a<0.1時(shí)，F(xiàn)x與a也成近似線形關(guān)系

6、，但與前者斜率不同。d.當(dāng)a=-,Fx趨近于零。這說明后刀面對(duì)木材幾乎無壓擠作用，連摩擦力也可忽略不計(jì)。w （3）切削方向的影響： Fx()>Fx()>Fx(#) （4）切削速度的影響：在正常速度下，影響不大。高速時(shí)（大于70m/s）,慣性力增加，切削力可能增加。4.2 刀具參數(shù)和切削阻力 （1）刀具變鈍的影響：刀具變鈍，意味著刃部前、后角變小，切削層的變形阻力和后刀面的摩擦阻力增加，切削力增加。 根據(jù)大量的切削實(shí)驗(yàn)，可找出刀具的變鈍程度與切削力近似的關(guān)系。為計(jì)算方便，引入一個(gè)刀具變鈍系數(shù)C。計(jì)算時(shí)根據(jù)刀具的連續(xù)工作時(shí)間，在有關(guān)資料中查找C。 （2）刀具角度的影響 前角, Fx，但

7、大到一定程度時(shí)，由于刀刃強(qiáng)度減小，刀尖磨損加快，F(xiàn)x反而很快增加。(的范圍一般為20-30°)。 當(dāng)一定時(shí)，F(xiàn)x,但后角太大時(shí)，由于刀刃強(qiáng)度變小，磨損加快，F(xiàn)x又會(huì)。（的范圍一般為8-15°）。 前角與切削力的關(guān)系 刀具前角對(duì)切削力的影響： 后角與切削力的關(guān)系 刀具后角對(duì)切削力的影響4.3被切削工件性質(zhì)和切削阻力 （1）樹種與密度的影響：密度增加，切削阻力會(huì)呈線性增加。 （2）含水率的影響：在纖維飽和點(diǎn)以下，含水率高，木材強(qiáng)度下降，F(xiàn)x。一般難定論（強(qiáng)度與韌性是一對(duì)矛盾體）。 （3）溫度的影響：溫度高，木材軟化，F(xiàn)x。 0以下的冰凍材，溫度越低，F(xiàn)x越高。 溫度與切削力的關(guān)

8、系 木材溫度對(duì)切削力的影響5、切削力與切削功率的一般計(jì)算方法 在切削過程中，只有主切削力Fx做功，法向力不做功。工程上的一般做法是，先求出主Fx，再根據(jù)具體切削條件，乘一相關(guān)系數(shù)，計(jì)算法向力和軸向力 。 切削功率是主切削力和切削速度的乘積。 進(jìn)給功率是進(jìn)給阻力之和進(jìn)給速度的乘積。計(jì)算步驟： 在工程計(jì)算時(shí)，往往是根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)資料，即在某種切削方式、常用切削條件下，對(duì)常用幾個(gè)典型樹種所做的切削實(shí)驗(yàn)資料，編制這些樹種的單位切削力或單位切削功的圖表。具體計(jì)算時(shí)，根據(jù)切削條件（例如每齒進(jìn)給量、切削深度等），查出切削某典型樹種的單位切削力或單位切削功的值，然后再根據(jù)具體切削條件和表列條件的不同，對(duì)查出的值

9、加以修正。然后根據(jù)修正后的單位切削力和單位切削功計(jì)算切削力和切削功率。 在計(jì)算進(jìn)給功率時(shí)，先要求出進(jìn)給阻力。進(jìn)給阻力乘以進(jìn)給速度，便得進(jìn)給功率。而進(jìn)給阻力是所有切削阻力在進(jìn)給方向的代數(shù)和。通用計(jì)算公式： 單位切削力單位切削面上的主切削力： P=Fx/a.b (N/mm2 ) 單位切削功切下單位切屑體積所做的功。 k=Fx.L/a.b.L N-m/cm3 或 J/cm3 =Fx/a.b N/mm2 式中：L - 切削路程m 由上式可見，這兩個(gè)k物理意義不同，但數(shù)量相等。 根據(jù)單位切削力和單位切削功的定義，可寫出切削力和切削功率的通用計(jì)算公式： 切削力： Fx=k.a.bN 切削功率： Pc=k.

10、O=k.bhU/60 N m/s或 J/s或 w (瓦) 或 Pc=Fx.V N m/s,或 w 或 Pc= k.bhU/60*1000kw 式中： a,b 分別為平均屑片厚度切削寬度mm U 進(jìn)給速度m/min 。 V 切削速度m/s O 單位時(shí)間所切下的屑片體積cm3/S 具體算例見銑削一章。補(bǔ)充：5.1 切削力計(jì)算·兩個(gè)假設(shè)前提： 1、假設(shè)木材是勻質(zhì)的各向同性材料； 2、刀具切削刃口是一個(gè)具有半徑為n的鈍圓弧面，銳刀n=5-10um。·刀具對(duì)木材的作用力來源分析： 1、前刀面對(duì)切削層木材和切屑的作用；2、后刀面對(duì)切削層表面木材的作用。 一、直線運(yùn)動(dòng)刀具上的作用力 根據(jù)

11、圖1-26所示： 木材沿××線上點(diǎn)1分開（刃口沿切削方向最前點(diǎn)），取x與v向一致。 區(qū)：前刀面作用；分法向力Fn，摩擦力Ff 區(qū)：后刀面作用；后刀面對(duì)分開線以下木材擠壓力Fy； 后刀面對(duì)分開線以下木材沿切削速度方向作用力Fx； 切削力分析： 前刀面：Ff+Fn=FR=Fx+Fy 取x軸方向與V方向一致，F(xiàn)y方向與Fay方向向下為“十”值； 后刀面：FRFx +Fy ：FR+ FR =FR=Fx+Fy 切削力：Fx= Fx + Fx 法向力：Fy= Fy + Fy （Fy= Fy ± Fy）其中：o：Fn，F(xiàn)R 前刀面與木材之間的摩擦角，取2025°：切削

12、角。前刀面與切前平面的夾角，=90°-當(dāng)?shù)度袌A半徑P與后角一定時(shí)，F(xiàn)y不因切屑后度的變化而變化。Fy = Fx·tg（90°-0-）= Fx·tg （-0） Fy = Fx /U U既考慮后刀面與木材的摩擦又考慮切削平面木材層彈塑性變形的系數(shù)。變純系數(shù)Cp1.7>1.7U1.050.7在基本切削時(shí),法向力方向有時(shí)向上（“”）時(shí)稱拉力，反之壓力。二、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)刀具上的作用力 圖1-27 圓鋸齒切削 取Fx與V方向一致 1、切向力：Ft= Fx=Fx+Fx 法向力：Fn= Fy

13、=Fy±Fy 法向力為“”稱向心力，F(xiàn)y方向與Fy一致 法向力為“+”稱離心力，F(xiàn)y方向與Fy一致 2、也可按U方向分，F(xiàn)nu=Fx·Cos-Fy·sin FLu=Fx·sinFy·Cos三、單位切削力和單位切削功 Fx Fx Fx P= （N/mm2）= ·106（N/m2）= ·106（Pa） Fx=p·a·b A A A Fx切向力； A切屑面積，A=a·b（mm2）； W Fx·L Fx K= = = =P O a·b·l a·b四、切削力的經(jīng)驗(yàn)公

14、式 切削木材過程：木材本身材性；刀具特性；切削用量。 1、建立經(jīng)驗(yàn)公式的方法 （1）確立Fx與a的關(guān)系切向力Fx=p·a·b P：?jiǎn)挝磺邢髁Γ?Fx：切向力 Fx=Fx/b=p·a Fx：?jiǎn)挝磺行紝挾壬献饔玫那邢蛄?（2）Fx與刀具磨損變純的關(guān)系，與C有關(guān)（Ua）； （3）Fx與V、材種，木材纖維方向關(guān)系； （4）Fx與以上因素有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)方式； P28頁(yè)圖1-29（圖略） 圖中：fAB直線的縱截距； Pa>0.1mm時(shí)直線AB的斜率； 0.2fBD直線的縱截距； Prua<0.1mm時(shí)直線BD的斜率； 1，2如圖所示 P=tg1 0.8f+0.1P B

15、DD中：Pru=tg2= =8f+P 0.12 具體計(jì)算1)切屑厚度與單位切削力關(guān)系（1）0.1mm時(shí)，由AB直線方程Fx=P·+f=0.2f+(0.8f+P) =Fx + FxFx，F(xiàn)x后刀面或前刀面上的單位切屑寬度上的切向力（2）當(dāng)<0.1mm時(shí)，F(xiàn)u=Pru·u 0.2f 又 Pru=tg2=8f+P Fu=0.2f+（8f+P）·u =Fx+ FxuFx、Fxu后刀面或前刀面上的單位切屑寬度上切向力（3）單位切削力P隨切屑厚度的變化而變化的關(guān)系成為：Fx f 0.2f 0.8f 0.1mm時(shí)，P= = +p= +( + p)= Px +Px Fu 0

16、.2f 0.2f<0.1mm時(shí)，Pu= = +Pru = +(8f+P) =Px+Pxu u u u2）刀具變純與單位切削力關(guān)系 一般與后刀面單位切削力有影響 銳刀：Cp=1時(shí)，F(xiàn)x=0.2f=（1-0.8）f 純刀：CP>1時(shí)，F(xiàn)x=（Cp-0.8）f CP變純系數(shù)，CP=11.7；CP=1+0.2/0 刀刃圓半徑的增量，鋒利時(shí)CP=1； 故：Fx=0.2f+（0.8f+P）=（CP-0.8）f+（0.8 f+P） =CP·f+P 0.1mm時(shí)，P=P+P=CP·f/+P （CP-0.8）·f<0.1mm時(shí)，Pu=P+P= +（8f+P） U3

17、）確定、v、切削方向相對(duì)纖維方向和材種因素與單位切削力關(guān)系 a、主要切削方向：P p=A pB p·VCp fp 主要切削方向單位切削力： P p + Pp a ·式中fp查表1-2，Ap、Bp、C見表1-2，1-3（P28頁(yè)）·注意：當(dāng)鋸切V70m/s，銑削V40 m/s時(shí)，以90-V代替V計(jì)算b、過渡切削方向：Pt=At· Bt·VCt ftPt= + Pt a又 At Bt Ct ft #-11 #- 11- A#11= A#(A11A#)(1 ) 90 A#-= A#+(A-A#) 90 A11-=A11+(A-A11) 90同理Bt、Ct、ft均適用上式4）綜述當(dāng)a0.1mm時(shí)： Cp·fp主切削方向 Pp= +(Ap·Bp·VCp) a Cp·f t過渡切削方向 Pt= +(At·Bt·VCt) a當(dāng)a0.1mm時(shí)： (Cp0.8) f p主切削方向 Pup= +8f p+( Ap·Bp·VCp) au (Cp-0.8) f t過渡切削方向 Put= +8f t+( At·Bt·V