При внедрении в материал режущего инструмента на его переднюю и заднюю поверхности действуют нормальные силы N1, N2 и силы трения F1, F2 (рис.2.). Считая клин абсолютно жестким телом, можно после сложения всех сил получить общую равнодействующую силу R, являющуюся силой сопротивления резанию. Учитывая сложностиопределения нормальных сил и сил трения, для удобства расчета технологических параметров процесса резания силу R раскладывают в трехосной системе координат X-Y-Z на составляющие, которые измеряют динамометром или рассчитывают по эмпирическимформулам. При свободном ортогональном резании таких составляющих две: в направлении вектора скорости резания - Pz и перпендикулярно поверхности резания - Py.
Рис.2. Схема сил, действующих на режущий клин.
Для практических целей обычно используется не сама равнодействующая сила R, а ее составляющие Рz, Рy, Рx (рис.3). При этом: величина силы Рz определяет крутящий момент резания, по которому определяются: мощность станка, параметры зубчатых колес и валов механизма скоростей станка, параметры зуба и корпуса режущего инструмента; от величины силы Рy зависят: прогиб обрабатываемой детали и ее точность, параметры деталей механизма поперечной подачи; величина силы Рx является исходной для расчета параметров деталей механизма продольной подачи станка. Кроме этого, составляющие силы резания используются при расчетах параметров шпиндельного узла и жесткости станка.
Рис.3. Разложение силы резания R на три составляющие.
Три указанные составляющие силы резания взаимно перпендикулярны; поэтому величина и направление равнодействующей силы определяются как диагональ параллелепипеда
Соотношение величин составляющих сил Pz, Py, Px не остается постоянным и зависит от геометрических параметров рабочей части резца, элементов режима резания (v, t, s), износа резца, физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий резания.
Отношения Py/Pz и Px/Pz возрастают с увеличением износа резца; увеличение подачи увеличивает отношение Px/Pz; уменьшение главного угла в плане увеличивает отношение Py/Pz. В некоторыхт случаях обработки одной из двух составляющих (Px или Py) может и не быть. Например, при разрезке прутка отрезным резцом отсутствует сила Px; при подрезке торца трубы резцом с φ=90º и λ=0º отсутствует составляющая Py. Сила Pz действует во всех случаях, и поэтому ее часто называют главной составляющей силы резания или просто силой резания.
Удельная сила резания и коэффициент резания. Для приближенного определения силы резания Pz может быть использовано уравнение
Pz = pf, Н
где f - площадь поперечного сечения среза в мм2; p - удельная сила резания (Н/мм2).
Удельная сила р численно равна силе резания, отнесенной к 1 мм2 сечения срезаемого слоя. Так как величина удельной силы зависит от элементов режима резания (v, t, s), геометрических параметров инструмента и условий обработки, значения р, полученные в различных условиях, не могут быть сопоставимы. Поэтому для расчета величин сил резания, как правило, используются различные варианты эмпирических зависимостей. Наиболее часто используется следующая типовая формула:
где i=x,y,z; Cpi, xpi, ypi, kpi - справочные коэффициенты, зависящие от свойств инструментального и обрабатываемого материалов, геометрии инструмента и т.д; t - глубина резания (мм); s - величина подачи (мм/об).
Аппаратура для измерения сил резания. Для экспериментального определения сил резания и изучения влияния на них различных факторов применяют специальные динамометры. Различают динамометры трехкомпонентные для измерения Pz, Py и Px; двухкомпонентные для измерения Pz и Py или Pz и Px и однокомпонентные для измерения какой-либо одной составляющей силы резания.
Динамометры в зависимости от принципа работы делятся на электрические, механические и гидравлические. Каждый динамометр включает в себя устройство для разложения равнодействующей силы резания на составляющие, датчики для преобразования измеряемой силы в удобно наблюдаемую величину и регистрирующее устройство. Наибольшее применение имеют электрические динамометры: пьезоэлектрические, емкостные, индукционные и динамометры с проволочными датчиками сопротивления.