Рассмотрим процесс врезания режущего лезвия в обрабатываемый материал. При срезании слоя металла на передней поверхности действуют элементарные силы, нормальные и касательные к ней. Их можно свести к одной равнодействующей R’ являющейся суммой силы Nn, нормальной к передней поверхности, и силы трения Fn (рис.1). Сила R' называется силой стружкообразования. Ее направление определяется углом действия со, под которым сила R' направлена относительно скорости резания v. Угол действия для схемы с единственной плоскостью сдвига можно найти как w = q - g, где q - угол трения на передней поверхности лезвия.
Рис. 1. Силы резания, возникающие на передней поверхности и в плоскости сдвига
Сила R' уравновешивается сопротивлением обрабатываемого материала движению резания. Оно выражается силой R", являющейся геометрической суммой напряжений, возникающих в зоне стружкообразования. Сила R" складывается из двух составляющих - силы сдвига Rc, действующей в плоскости сдвига АВ, и перпендикулярной к ней силы сжатия Rсж. Если пренебречь внутренними нормальными напряжениями в плоскости сдвига от действия силы сжатия, то сила стружкообразования
где tс - напряжение сдвига; Ф - угол сдвига.
Из формулы видно, что сила стружкообразования зависит от прочностных характеристик обрабатываемого материала, площади сечения среза, а также от углов резания, трения и сдвига. Если при механических испытаниях деформация есть результат приложения силы, то при резании, наоборот, сила определяется деформацией. Поэтому изменение условий резания приводит к изменению величин, входящих в систему сил.
Предварительная пластическая деформация сжатия под действием силы стружкообразования R' распространяется на область, лежащую частично ниже линии среза. При движении режущего клина вперед деформированный поверхностный слой начинает вследствие упругого восстановления действовать на заднюю поверхность лезвия. Силы на этой поверхности возникают даже при резании остро заточенным инструментом. При значительном радиусе округления они увеличиваются, так как обрабатываемый материал частично срезается, а частично вдавливается в поверхность резания (рис. 2).
Рис.2. Силы резания, возникающие на задней поверхности
Таким образом, в результате упругопластического контактирования задней поверхности и поверхности резания возникают нормальная сила N3 и сила трения F3. Они возрастают при увеличении напряжения сдвига tс, ширины среза b и фаски износа на задней поверхности лезвия. Зависимость сил N3 и F3 от толщины среза незначительна, а многие ученые считают, что это влияние вообще отсутствует.
Рис.3. Система сил, действующих при свободном резании
Рассмотрим систему сил, возникающих при свободном резании (рис.3, а). На переднюю поверхность резца давит стружка с силой Rп, которая является равнодействующей нормальной силы Nn и силы трения стружки о переднюю поверхность Fn, т.е. ` Rn = `Nn + `Fn. В то же время на заднюю поверхность резца вблизи режущей кромки действует нормальная сила упругого противодействия обрабатываемого материала N3 и сила трения о заднюю поверхность инструмента F3. Они дают результирующую силу R3. Так как задний угол a мал, а при наличии площадки износа на некотором участке задней поверхности он равен нулю, в расчетной схеме принимаем направление сил F3 и N3, как показано на рис. 3, б, т.е. направление F3 противоположно вектору скорости резания v. Для осуществления процесса резания или сохранения равновесия резца к нему извне должна быть приложена сила, равная по величине и противоположная по направлению силе ` R = `Rп + R3 (рис.3, в).
Разложим силу R, приложенную к резцу, на две составляющие: Рz в направлении главного движения резания (назовем ее главной силой резания) и Рy в направлении, совпадающем с осью резца (назовем ее радиальной силой). Спроецируем действующие силы на оси у и z (рис.3, г):
Рz = Nпcosg + Fnsing + F3; Py = - Nnsiny + Pncosg + N3.
Силы, действующие на передней и задней поверхностях инструмента, а также вдоль осей у и z, можно рассчитать теоретически на основе теорий пластичности, упругости и др. Теоретические уравнения, однако, сложны и не совсем точны; в них используются коэффициенты, которые характеризуют свойства обрабатываемого материала и числовые значения которых неизвестны. Поэтому на практике силы резания определяют экспериментальным путем.