Рабочая зона резца и ее трансформация в процессе резания.

Исходные характеристики процесса резания определяются рядом факторов (лат. – движущая сила, здесь – условие протекания процесса), которые группируют следующим образом:

1. Факторы, относящиеся к заготовке: вид материала (древесина – порода, влажность), его физико-механические свойства, наличие в материале связующего и др.

2. Ф акторы, относящиеся к резцу: угловые параметры и геометрия резца, физико-механические свойства материала резца, степень шероховатости граней и острота резца и др.

3. Режим и размеры обработки: толщина и ширина срезаемого слоя, скорости подачи и резания, толщина припуска, направление резания по отношению к направлению волокон. Эти факторы задаются условиями и требованиями технологического процесса, определяют протекание процесса резания: величины усилий резания, характер стружкообразования и качество поверхности обработки. Рассмотрим качество обработки.

П оверхность, образованная резанием, всегда отличается от номинальной, заданной чертежом. Отклонения от заданной формы поверхности характеризуют точность механической обработки, а отклонения от идеально гладкой поверхности – её шероховатость. Точность обработки помимо процесса резания зависит от точности станка и процессов в системе СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь). Качество резания характеризуется также шероховатостью обработанной поверхности, которая представляет собой чередование выступов и впадин, возникающих вследствие строения древесины, древесных материалаов и вследствие процесса резания. Величина анатомических неровностей (структурных) не зависит от процесса резания и обусловлена размерами полостей сосудов древесины (или расположением древесных частиц в плитных материалах). Резание вызывает появление таких неровностей, как риски, кинематические, вибрационные неровности, неровности упругого восстановления и неровности разрушения (мшистость, ворсистость, сколы). По ГОСТ 7016-82 основным параметром при оценке шероховатости служит максимальная высота неровностей поверхности. R_mmax. Для её определения измеряют высоты H_maxi; n5 наибольших неровностей и находят их среднее значение:

R_mmax=(H_1max+H_2max+…+H_nmax)/n=1/n H_imax

В ысоту неровностей измеряют профилографом-профилометром или микроскопом МИС-11 (H_max< 70 мкм), микроскопом ТСП-4 (H_max=30…800 мкм) и индикаторным глубиномером (H_max<800мкм). В условиях производства шероховатость можно оценить путем сравнения с образцами (эталонами), изготовленными из того же материала тем же видом резания, что и обрабатываемые детали. Шероховатость эталонов определяется заранее с помощью приборов.

Рабочую зону резца составляют лезвие и прилегающие к нему участки передней и задней поверхностей. Главная роль при резании принадлежит лезвию. У идеального, абсолютно острого резца лезвие определяется пересечением двух поверхностей (передней и задней). Однако, уже после непродолжительной работы лезвие реального резца закруглено (проф. Дешевой М.А.) Резец представляет собой клин с углом  при вершине. Он действует на стружку силой N перпендикулярно передней грани na. Сила N^|=- N изгибает резец. Резец можно рассматривать как консольную балку переменного сечения. В сечении резца 1-1, отстоящем от вершины (лезвия) на расстояние x возникают напряжения изгиба: _n=M/W=(N^|x)/((by²)/6), где М – момент изгиба в сечении 1-1, W–момент сопротивления изгибу поперечного сечения резца 1-1, y – высота сечения 1-1, в – ширина резца. Поскольку y=txg, _n=(N^|6x)/(bx²tg²)=6N^|/(bxtg²).

О тсюда видно, что при х0 _n. При х=2…3мкм _n достигают значений предела прочности материала резца, поэтому его кончик неизбежно обламывается. Изломанное лезвие приобретает вид площадки, углы которой при резании обкатываются и лезвие закругляется. При резании древесины острым резцом происходит многократное обламывание кусочков кончика резца по мере нарастания силы N’. Этот процесс продолжается, пока высота сечения y не стабилизируется. В итоге лезвие реального резца – это переходная поверхность (кривая), соединяющая переднюю и заднюю поверхности. Характеристики переходной поверхности объединяют в понятие микрогеометрии резца: продольной (вдоль лезвия) и поперечной (в нормальном к лезвию сечении). Продольная микрогеометрия характеризуется шероховатостью режущей кромки (максимальная высота Н_max неровностей профиля). Поперечная микрогеометрия – профилем лезвия в нормальном сечении. У идеально острого резца – это точка N. У реального резца этот профиль обычно принимают за дугу окружности радиуса ( радиус затупления). Два чертежа.

В начальном состоянии рабочие участки передней и задней граней резца – плоские, шероховатость лезвия Н мах=4…5мкм, радиус затупления =3…5мкм.

Во время резания под действием сложных физико-химических процессов (механическое истирание, окисление, тепловой износ, электрохимическая коррозия, абразивный износ) происходит износ резца, изменение геометрии и микрогеометрии элементов его рабочей зоны. Резец тупится, теряет остроту и режущие свойства.

Затупление резца характеризуют разными параметрами.

В большинстве случаев резания натуральной древесины ограничиваются радиусом затупления , т.к. он оказывает главное влияние на силы резания, стружкообразование. При обработке древесных материалов типа ДСтП, слоистой клееной цементностружечных и других плит, фанеры при интенсивном износе резца по задней грани параметром затупления выбирают величину (ширину) фаски по задней грани Х.

СИЛОВОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ РЕЗЦА НА ДРЕВЕСИНУ.

При движении резца в древесине по поверхности рабочей зоны (поверхности контакта) возникают нормальные напряжения (давления) и касательные силы трения. Нормальные давления возникают всегда при контакте двух твердых тел и направлены перпендикулярно площадке контакта. Если при нормальном давлении одно тело скользит по другому, появляются силы трения, направленные по касательной к площадке- контуру рабочей зоны резца в рассматриваемой точке. Величина силы трения в точке определяется величиной нормального давления и коэффициента трения: =f. Рассмотрим эпюры нормальных напряжений _сж, касательных напряжений  по передней грани, вызванных трением, и график изменения коэффициента трения f по контуру dcame резца, типично изношенного по лезвию и передней грани. Чтобы перейти от этих величин к необходимым для решения производственных задач направлению и величине общей силы, с которой резец действует на древесину, рабочую поверхность резца расчленяют на участки и рассматривают силы, действующие на каждый участок и на резец в целом.

Р абочая зона резца имеет три участка: переднюю грань (а), заднюю грань (bd) и лезвие (аnb).

Силы на лезвии. Точная эпюра нормальных давлений на лезвии неизвестна. Условно её представляют как часть кольца. Величина давления находится в пределах прочности древесины на сжатие _в.сж., т.к. происходит разрушение. Контур лезвия делят на два участка – дуги аn и nb. Суммируя нормальное давление по контуру аn, получаем N_M – равнодействующую силу. Суммируя по аn силы трения вследствие нормального давления и скольжения резца по древесине от а к n – равнодействующую силу Т_л1. N_л1+Т_л1=S_л1- сила воздействия участка ап на древесину. Аналогично для пв N_л2+Т_л2=S_л2. Тогда S_л1+ S_л2=S_л – общая сила воздействия лезвия резца на древесину.

S_л для практических целей представляют проекциями на касательную к траектории резания по направлению Va –Р_л и на нормаль к ней – Q_л.

Воздействие лезвия на древесину сводится к двум сосредоточенным силам – касательной Р_л и нормальной Q_л. Величина этих сил на единицу длины (1 мм) лезвия зависит от радиуса затупления , углов резца  и  ( определяют длину дуги контакта), от нормального давления _в.сж. по контуру лезвия, коэффициента трения f_л (при заданной дуге контакта определяет величину N_л и Т_л).

P_л=F(,,,_в.сж,f_л), Q_л=F^|(,,,_в.сж,f_л)

Главный фактор - . Принимая остальные факторы постоянными, имеем приближенные зависимости Рл=А, Q_л=А’, где А и А’ – коэффициенты, не зависящие от . Отсюда следует, что при очень острых резцах (=0) силы на лезвии практически отсутствуют.

Силы на передней грани. При внедрении резца в заготовку вслед за стадией упругого деформирования древесины передней гранью начинают разрушаться клеточные стенки. Давление по поверхности контакта передней грани с древесиной достигает величины временного сопротивления древесины смятию _в.см. При дальнейшем продвижении резца смятая передней гранью древесина давит на ещё не сломанные ряды соседних клеток и разрушает их при неизменном напряжении _в.см, поэтому среднее давление на передней грани постоянно, не зависит от глубины внедрения резца.

Результирующая нормальных сил на передней грани на единице ширины детали будет N_п=_в.см ак, где ак – длина контакта передней грани резца со стружкой. Сила трения движения по передней грани Т_п=N_пf_п, где f_п – коэффициент трения передней грани резца по стружке. Суммарная сила действия передней грани резца на древесину S_п=N_п+Т_п. Силу S_п также раскладывают на две составляющие – касательную Р_п и нормальную Q_п : Sп=Р_п+Q_п. Из выражений для N_п и Т_п следует, что силы на передней грани зависят от свойств древесины (_в.см), угла резания, коэффициента трения стружки по передней грани Fп, а также от глубины внедрения резца x, считая от начала резания или от момента образования предыдущей стружки (элемента), т.к. ак=кn=х/соs. Гипотеза проф. И.А.Тиме (1870г.) о равномерном распределении давления на стружку со стороны передней грани позднее была подтверждена данными о поведении древесины при нагружении. Рассмотрим график зависимости нормального напряжения _в.сж от относительной деформации ε при сжатии древесины поперек волокон в замкнутом пространстве. Зона I характеризуется только упругими деформациями, II – остаточными деформациями,связанными с разрушением (смятием) клеточных стенок, зона III – упругими деформациями уплотненной древесины.

Силы на задней грани. При резании резец подминает под себя объем древесины nbd. Поскольку мал, можно считать, что деформирование древесины происходит в упругой зоне I. Давление при этом будет пропорционально деформации древесины: наибольшее в т.b, наименьшее (0) – в т.d, где древесина не деформирована. Эпюра давления изображается треугольником. Результирующая нормальных давлений N₃ по задней грани в сумме с результирующей сил трения T₃ дают суммарную силу воздействия задней грани S₃ : N₃ + Т₃=S₃, которую раскладывают на касательную Р₃ и нормальную Q₃ составляющие S₃=Р₃+Q₃.

Проф.С.А.Воскресенский получил следующие формулы для сил по задней грани: P₃=((c²cos)/(2tg))(f₃-tg);

Q₃=((c²cos)/(2tg))(f₃-tg), где c – коэффициент упругости поверхности древесины в данной точке дает величину давления по задней грани в этой точке ₃ (Н/мм²):cy=₃;  – радиус затупления резца;  – задний угол резца; f₃ – коэффициент трения между задней гранью резца и древесиной.