第一章 木材切削的基本原理

p ——单位切削力；k 、 A 、 B、C ——系数（表1-3；1-4） δ——切削角； v ——切削速度； a ——切削厚度 Cρ —— 刀具钝化系数。锋利刀具， Cρ =1，刀具变钝后Cρ 值变大， Cρ =1～1.7。
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2、厚切削： （a ≥ 0.1 mm）
◆ 基本方向：
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切削用量的选择：
1、考虑机床动力和加工系统刚性的许可下选取apmax，减少 走刀次数； 2、在保证加工精度和表面粗糙度要求下选取umax； 3、保证刀具一定耐用度前提下选取vmax，以提高生产效率。 注：精加工时由于加工余量小，背吃刀量不会太大，进给 量受表面粗糙度限制也很小，v 应尽可能大。
(m / min)
注意单位
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3、辅助运动：机床的调整、让刀运动等 4、运动的合成： 主运动和进给运动的合成（切削运动） 切削运动形式： 一个直线运动： 刨削、拉削 一个回转运动： 圆盘拉刀 一个直线运动与一个回转运动：铣、钻、车、圆 锯 两个回转运动： 铣削回转体、仿形铣削 两个直线运动： 带锯 5、切削用量： 切削速度(v)；进给速度(u)；背吃刀量(a)
绪论
一、课程的性质 二、课程的任务 三、课程的基本内容
◆ 基本概念及理论； ◆ 刀具材料及刀具的修磨； ◆ 锯切及锯子； ◆ 铣削及铣刀； ◆ 钻削、榫槽切削及刀具； ◆ 旋切及旋刀； ◆ 磨削及磨具；
四、研究方向 五、发展趋势
1、探索新的加工方法 2、提高刀具耐用度、刀具寿命和加工质量 采用硬质合金刀具、CBN刀具、涂层刀具、金刚石 刀具等 3、采用现代试验手段 扫描电镜、透射电镜等 高灵敏度热像仪 4、加强计算机在木材切削中的应用 对切削过程进行模拟；建立切削数据库
主运动为直线运动时a为常数；回转运动时a 是变化的。 一般用名义尺寸参数代替实际尺寸参数
三、刀具：
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（一）刀具组成
① 刀杆（刀体） 夹持部分 ② 刀头 切削部分 前刀面：切屑沿其流出的表面 后刀面：刀具与加工表面相对的表面 切削刃：前、后刀面相交部分 侧面：与前刀面、后刀面相邻的表面
六、主要参考资料
杂志： 林产工业 木材工业 林业机械与木工设备 木材加工机械 木工机床 Wood Science and Technology 书籍： 金属切削原理与刀具 金属工艺学 机械制造工艺学
第一章 木材切削的基本原理
第一章 木材切削的基本原理
概述 1、木切的实质：木材在刀具作用下切削区发生 变形的过程 研究问题：切削区木材的变形（基本问题）、 切削力、刀具 2、木切的共性：直角自由切削条件下楔形切刀 的切削。
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5、撕裂型切屑 产生条件：端向切削或逆纹切削，钝切削 刃，切削角和切削深度比较大 特点：切削力变化很大，加工质量差
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6、复合型切屑
产生于横向切削 当切削角和切削用量都较小时，接近为流线型切屑，加 工质量较好（刨切单板）；切削用量增加，切屑在前刀面发 生压缩变形并产生裂纹，为折断型切屑 特点：表面质量比较差 为获得较好的单板应采用小切削角、小楔角、刃口上加 压紧装置（压尺）、对木材进行水热处理等
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二、工件
前刀面
v
已加工表面 已加工表面（加工表面）
1、工件的组成部分 ① 待加工表面 ② 加工表面 ③ 已加工表面
待加工面
后刀面 切削刃
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2、切削层尺寸参数： 切削层：刀具正在切削的木材层。 1、名义宽度b：加工表面的宽度，实际宽度略大于名义宽 度； 2、名义长度l：一次切削中切削轨迹的长度，实际长度略 小于名义长度； 3、名义厚度a：相邻两次切削所形成的两加工表面间的法 向距离，实际略大于名义。 a = Uz·sinθ Uz——每齿进给量； 进给速度的夹角） θ——运动遇角（切削速度与
p =
Cρ ⋅ k a
+ ( A ⋅δ + B ⋅ v − C )
◆ 过渡方向：
pg =
式中各参数意义同上。
Cρ ⋅ k g a
90
+ ( Ag ⋅ δ + Bg ⋅ v − C g )
A∥-⊥ = A∥+(A⊥-A∥) ψ A# -⊥ = A#+(A⊥-A#) ψ
其它各系数计算同上。
A# -∥ = A#+(A∥-A#)(1- ψ
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（二）刀具角度：
1、种类：标注角度、 工作角度 2、刀具角度的定义： （1）切削平面：通过切削刃上某一选定点，切于工件 加工表面的平面，即合成切削速度向量与切削刃的切线组 成的平面。 （2）基面：通过切削刃上某一选定点，垂直于切削速 度的平面。 基面与切削平面垂直
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3、压缩型切屑 产生条件：小前角（< 20º）、负前角；钝切 削刃，切屑和刀面间的摩擦系数大 切削力：切屑形成周期开始，切削力较小，前 刀面完全切入木材后切削力加大。 特点：加工质量差。
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4、剪切型切屑 产生条件：纤维倾斜角比较大的顺纹切削 特点：切削力变化较小，加工质量比较好
v=
π Dn
6 ×10
4
(m / s )
D —— 最大回转半径 （mm）
（2）直线运动
2 Ln v= 6 ×104
(m / s)
L ——最大行程；
n ——每分钟往复次数
2、进给运动： 使多余切削层连续或逐步被切削的运动 U Un Uz
Un ⋅ n U z ⋅ z ⋅ n = U= 1000 1000
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第三节 切削力和切削功率
一、切削力的来源：
1、抵制木材变形（切屑及附近的木材）的变形阻 力——变形力； 影响因素：切削角、切削厚度，与切削刃的锋利程度 无关 2、抵制切屑从工件分离的分离阻力——分离力； 受切削刃的锋利程度影响 3、克服切屑及工件与刀具的摩擦——摩擦力 变形力 > 分离力 对于木材切削来讲，分离力占的比例相对较大，因此保 持切削刃的锋利程度很重要
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第二节 木材切削变形
一、切削方向
1、按刃口与切削方向的作用状况分： 二维切削（直角自由切削）：刃口与切削方向垂直， 切屑在横向上无变形； 三维切削（斜刃切削）：
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2、按切削方向与木材纤维方向分：
纵向切削（∥）： 刀刃垂直于纤维，刀具在纤维平 面内平行于纤维长度方向的切削。 横向切削（#）： 刀刃∥纤维方向，刀具在纤维平 面内⊥纤维方向运动的切削。 端向切削（⊥）： 刀刃垂直于纤维方向，刀具在垂 直于纤维的平面内运动的切削
90
90
)
ψ——
纤维倾斜角
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3、切削力： Fx = p.a.b a：——切削深度 b：——切削宽度
对经验公式的讨论： 1、当δ较小（25º或30º）、切削速度较低时，用经验 公式计算出现负值，因此δ较小时不适用； 2、考虑的树种太少，只有三种； 3、从式中看出切削速度对切削力的影响很大，但有 些研究表明在常用的切削速度范围内切削速度的影响不 大。
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α
αm αw
u
γw
v’ v 带锯条锯切时的工作角度
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四、木材切削的特点：
1、高速切削
（一般：v=40～70m/s，最高可达120m/s n=3000～12000r/min，最高可达40000r/min）
2、工件材性不均并有一定的含水率 3、切屑有时就是加工产品 4、刀具楔角小
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（4）刀具的工作角度：刀具实际工作时的角度
αw = α − αm
u α m = arctg v
实际工 作中由于进 给速度远小 于主运动速 度，所以用 标注角度代 替工作角度。
γ w = γ + αm
α U αm αw
刀具作直线运动时的工作角度
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刀具作回转运动时的工作角度
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（二）切屑的形态
1、流线型切屑 切削力变化稳定；切削过程连续，光滑的螺旋 状切屑； 形成条件：薄切削，小切削角，含水率高； 形成机理：纵向切削时产生超越裂缝（先行于 刃口的开口破坏 ），超越裂缝随着刀具刃口的前进 而形成连续的带状切屑；
特点：加工质量好 （切削厚度很小时不容 易产生超越裂缝，此时 加工表面比较好），刀 具磨损大；
在主剖面上测量的角度： ① 前角γ：前刀面与基面的夹角——对切屑的挤 压； ② 后角α：后刀面与切削平面的夹角——加工表面 质量和后刀面磨损； ③ 楔角β：前、后刀面的夹角——利钝； ④ 切削角δ：前刀面与切削平面的夹角——派生角 度 基面上的角度：主偏角、副偏角等 γ+β+α= 90° δ=β+α= 90°-γ
基面（垂直 于切削平面）
切削平面
法剖面
法剖面（测量平面） 前刀面
γ
基面
β
α
δ
v
后刀面 切削平面
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法剖面
基面
切削平面
900
900
已加工表面
Uz
γ
900
v
β
δ
α
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（3）刀具标注角度的参考系：（静态） 标注角度：画刀具图及磨刀时应掌握的角度，是假定 条件下的切削角度。即在切削角度的基础上，合理地规定 一些条件，使基面、切削平面与刀具刃磨、检验的基准面 相一致，便于刀具设计制造。 ① 假定运动条件：用主运动代替切削运动； ② 假定安装条件：刀具的刃磨和安装基准面垂直于切 削平面或平行于基面，刀杆中心线与进给方向垂直。 测量方向（测量平面）： 垂直于切削刃在基面投影的法向剖面 ——主剖面（PO） 垂直于切削刃的平面——法剖面（PN） 当切削刃与基面重合时，主剖面和法剖面重合。
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第一节 基本概念
定义：借助于刀具和工件之间的相对运动撇开木材间 的联系以获得所需木制品的运动。 切削条件：刀具、工件、切削运动
一、切削运动及切削用量：
1、主运动：速度高、功耗大 (40～70m/s，最大达120m/s)
V V’ V
U U U
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（1） 回转运动：
(kw)
Fx —切向力（N）； v —切削速度（m ） s
电机功率：
PE ≥
PC
η
(kw)
η — 传动效率，一般η =0.75 0.85
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四、切削阻力
切削阻力是评价材料切削性能的基础，是确定 机床所需动力、刀具夹具设计和确定最佳切削条件 的基础。
切削阻力的测定：动力传感器 对传感器的基本要求：高灵敏度；静态刚性和动态刚性 好；线性度高；对时间、温度等的变化有较好的稳定性； 测定各分力时相互干涉小。 类型：1、电阻应变片传感器：利用负荷变化使应变片 的电阻发生变化 2、压电晶体式传感器：利用晶体的压电效应 3、功率传感器：测定主轴电机的电流和功率
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二、切削力分析
Fγy的方向： 将切削层木材压向 加工表面为正； 将切削层木材拉离 加工表面为负。
斜角切削时，还有一个在切削平面内与切削方向垂直的横 向分力Fz，Fx最大，Fy和Fz不到1/3Fx。
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三、切削功率
Pc = Fx ⋅ v ×10
−3
基本切削条件下：
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2、折断型切屑 形成条件：抗劈裂强度低，抗弯强度大，韧性 好；含水率低；厚切削（>0.1mm）；切削角中等 （<70º）切屑与刀面摩擦系数小。 切削力：瞬时值大，平均值小。 特点：刀具磨损小，加工质量较好。
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顺纹：表面质量好 逆纹：劈裂木材过深，表面产生凹坑
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五、切削力的计算（经验公式）：
1、薄切削： （a < 0.1 mm）
◆ 基本方向：
p=
◆ 过渡方向：
(C ρ − 0.8) ⋅ k a
+ 8k + ( A ⋅ δ + B ⋅ v − C )
pg =
(C ρ − 0.8) ⋅ k g a
+ 8k g + ( Ag ⋅ δ + Bg ⋅ v − C g )
横向切削
纵向切削
端向切削
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纤维倾斜角：平行于切削方向且垂直于切削平面的平 面内，切削方向与木纤维方向的夹角。 纤维交角：切削平面内，纤维方向与切削方向的夹角
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二、切屑形态 （一）切屑的类型 1、纵向切削 纵Ⅰ型切屑（折断型切屑） 纵Ⅱ型切屑（流线型切屑） 纵Ⅲ型切屑（压缩型切屑） 2、横向切削 横Ⅰ型切屑 横Ⅲ型切屑 3、端向切削： Ⅰ型、Ⅱ型