Процесс разрушения пород резанием основан на механическом воздействии инструмента, который отделяет от массива пограничные слои. В зависимости от свойств породы, это может быть образование сплошной стружки (в пластичных породах) или откалывание отдельных частиц (в хрупких).
Кинематика и силы резания
Рабочий инструмент совершает два основных движения. Главное движение (со скоростью v) непосредственно отвечает за отделение материала, а движение подачи (со значительно меньшей скоростью) определяет толщину h снимаемой стружки. В процессе взаимодействия на резец действуют силы сопротивления (нормальные силы N и силы трения Fтр) со стороны породы, а также движущие силы резания Fp и подачи Fп.
Факторы, влияющие на процесс
Величина возникающих сил зависит от целого комплекса факторов:
- Физико-механические свойства обрабатываемой породы.
- Вид реза (блокированное, полусвободное, свободное).
- Геометрические параметры: толщина стружки h, шаг между резами t, углы заточки резца (угол резания δ и другие).
- Режимные параметры: скорости главного движения и подачи.
Оптимизация геометрии инструмента
Угол резания δ критически влияет на эффективность процесса. Его увеличение меняет характер напряженного состояния в зоне контакта (преобладает смятие вместо среза), что ведет к росту необходимого усилия и энергозатрат. Рациональное значение угла выбирается исходя из компромисса между эффективностью разрушения и прочностью самого инструмента. Например, для массивных зубьев экскаваторных ковшей он составляет 30–40°, а для компактных буровых резцов может достигать 120° (при отрицательном переднем угле). Также важно поддерживать задний угол более 5–10°, так как его уменьшение резко увеличивает силу подачи из-за роста площади контакта породы с задней гранью резца.
Условия и энергоемкость резания
В зависимости от числа активных режущих кромок различают три условия резания (см. рис. 1.2.3):
- Блокированное: разрушение ведется передней и двумя боковыми кромками.
- Полусвободное (полублокированное): работают передняя и одна боковая кромка. Это наиболее распространенный на практике вариант.
- Свободное: разрушение осуществляется только передней кромкой.
Ключевым показателем эффективности процесса является энергоемкость разрушения (a), определяемая как отношение работы A, затраченной на разрушение, к объему V разрушенной породы: a = A / V. Ее величина зависит от крепости породы, типа инструмента и режимов резания.
Преимущества и недостатки метода
Резка пород как технологический процесс обладает высокой производительностью благодаря своей непрерывности, сопровождается сравнительно низким уровнем вибраций и пылеобразования. Основным недостатком является интенсивный износ режущего инструмента, обусловленный его постоянным контактом с абразивной горной массой.