Тема 4. Силы в процессе резания

Цель лекции. Изучить силы, возникающие в процессе резания и факторы,

влияющие на величину этих сил.

Ключевые слова: сила резания; главная (касательная), радиальная, осевая

составляющие силы резания.

Для осуществления резания к инструменту должны быть приложены

силы, которые определяются сопротивлением металла стружкообразованию. В

результате сопротивления деформированию- возникают реактивные силы,

действующие на рабочие поверхности лезвия со стороны обрабатываемого

материала (рис.22): сила упругого и пластического деформирования Р1

действующая перпендикулярно передней поверхности инструмента; сила Р2,

действующая перпендикулярно главной задней поверхности инструмента. В

результате относительного перемещения инструмента и заготовки на

передней и задней поверхностях инструмента действуют силы трения Т1 =

μ1 Р1 и Т2 = μ2 P2, где μ1 и μ2 - коэффициенты трения соответственно стружки

о переднюю поверхность лезвия и задней поверхности лезвия о заготовку.

Считая клин режущего инструмента абсолютно жестким телом, после

сложения всех действующих на него сил можно получить равно-

действующую силу Р. Для практических целей обычно рассматривается не

сама сила Р, а ее составляющие.

Рис. 22. Схема сил, действующих на резец

При точении силу Р раскладывают на три составляющие, действующие

вдоль осей, принятых в теории резания (рис. 23). Такими осями для токарного

станка являются: ось Х – линия центров станка; ось Y – линия перпендикулярная

к линии центров станка; ось Z – линия перпендикулярная к плоскости Х Y.

Рис. 23 Разложение силы резания на составляющи.

Главная (касательная) составляющая силы резания Рz совпадает по

направлению со скоростью главного движения резания в вершине лезвия. С

учетом силы Рz рассчитывают на прочность детали и узлы коробки скоростей

станка, а также прочность резца.

Радиальная составляющая силы резания Ру направлена по радиусу

вращательного движения резания в вершине лезвия (перпендикулярно оси

заготовки). Эта составляющая определяет силу отжима резца от заготовки и

прогиб заготовки, влияющие на точность изготовления детали; по силе Ру

рассчитывают на прочность механизм поперечной подачи.

Осевая составляющая силы резания Рх действует параллельно оси

главного вращательного движения резания. По этой силе рассчитывают

механизм продольной подачи станка и изгибающий момент, действующий на

стержень резца Мх. По величине суммарного изгибающего момента от сил Pz

и Рх рассчитывают на прочность крепежную часть резца. Равнодействующая

силы определяется как сумма векторов трех составляющих (диагональ

параллелепипеда): Р = √Р²_z + Р²_v + Р²_x.

В некоторых случаях одной из двух составляющих Рх или Рy может и не

быть. Например, при разрезании заготовки отрезным резцом отсут-

ствует сила Рх, тогда Р = √Р²_z + Р²_У; при обработке резцом с углом в плане φ =

90° и λ, = 0 отсутствует составляющая Ру, тогда Р = √Р²_z + Р²х.

Соотношение между величинами Pz, Py, Рх зависит от геометрических

параметров лезвия инструмента, элементов режима резания (v, S, t), физико-

механических свойств обрабатываемого материала, износа резца, условий

обработки и приближенно равно Pz,: Py,: Рх =1:(0,5...0,3): (0,4... 0,25).

Тогда Р = (1,1... 1,15)∙ Pz. Поэтому силу Pz называют главной составляющей

силы резания. Мощность (кВт), расходуемая на резание, складывается из

мощностей, затрачиваемых на преодоление трех составляющих сил

резания:

Nez + Ney+ Nex = (Pz ∙v / 60∙102) + (Py ∙ n ∙ Sпоп / 60∙102 ∙1000) +

+ (Pх ∙ n∙ Sпр / 60∙102 ∙1000),

где v – скорость резания, м∕ мин; n – частота вращения заготовки, мин -1;

Sпоп и Sпр – соответственно поперечная и продольная подачи инструмента,

мм∕об. При обработке цилиндрической поверхности на токарном станке

перемещение жестко закрепленного резца в направлении силы Py не

происходит, поэтому Ney = 0. Следовательно,

Ne = (Pz ∙v / 60∙102) + (Pх ∙ n∙ Sпр / 60∙102 ∙1000).

При отрезании заготовки Nex = 0 (нет перемещения в направлении

действия силы Pх), тогда

Ne = (Pz ∙v / 60∙102) + (Py ∙ n ∙ Sпоп / 60∙102 ∙1000).

Значения Ney и Nex во много раз меньше составляющей Nez, так как

скорость подачи во много раз меньше скорости резания. На практике

эффектив-ную мощность рассчитывают только по силе Pz, т. е. Ne = Pz ∙v /

60∙102.

С учетом коэффициента полезного действия станка η можно

подсчитать необходимую мощность электродвигателя: Nэ.д. = Ne/ η, где η =

0,75... 0,80.

Основными факторами, влияющими на силы резания, являются физико-

механические свойства и структура обрабатываемого материала,

геометрические параметры лезвия инструмента, элементы режима резания,

условия обработки.

При практических расчетах используют полученные

экспериментально зависимости: Рz = Сz (HB)^X₁; Рv = Сv (НВ) ^X₂; Рх = Сх

(НВ)^X₃, где НВ - твердость обрабатываемого материала по Бринеллю.

Коэффициенты Сz Су, Сх и показатели степеней х1, х2, х3, зависящие от

физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий

обработки, выбирают по справочнику по нормативам режимов резания.

Влияние переднего угла γ на значения сил резания показано на рис. 24. С

уменьшением угла γ увеличивается давление стружки на резец, так как

увеличиваются деформация стружки и силы трения по передней поверхности

лезвия инструмента. При этом составляющие силы резания Рх и Ру возрастают

быстрее, чем Рz.

Рис. 24 Влияние переднего угла γ на силы резания при точении

стали 40 (v = 40 м / мин, t = 4 мм, S =0,3 мм /об)

На рис. 25 показана зависимость силы резания Рz от главного угла в

плане φ при обработке стали. Сложная зависимость Рz от угла φ для резцов с

rв > 0 связана с действием двух конкурирующих факторов: изменением

толщины срезаемого слоя и длины криволинейного участка активной части

режущей кромки. Чем больше rв, тем больше длина криволинейного

участка режущей кромки, тем больше деформация и, следовательно, больше сила резания Рz.

При увеличении rв возрастает и сила Ру, а сила Рх уменьшается.

Рис. 25 Влияние главного угла в плане φ на силу Рz при точении стали

(v = 40 м / мин, S = 0,48 мм/об, t = 2 мм);

1- rв = 2; 2 - rв =0

На рис.16 показан характер зависимости силы Рz от скорости резания v

при обработке материалов, склонных к наростообразованию.

В диапазоне скоростей, при которых высота нароста растет, сила Pz

уменьшается, так как увеличивается передний угол γ и облегчается

стружкообразование. При скоростях резания, при которых высота нароста

уменьшается, сила Рz вновь возрастает. Начиная со скоростей резания,

соответствующих исчезновению нароста, сила Рz непрерывно уменьшается. Это

объясняется увеличением температуры резания и уменьшением коэффициента

трения.

Изменение глубины резания t и подачи S сопровождается изменением

всех трех составляющих силы резания Pz, Py, Рх. Чем больше глубина и

подача, тем больше площадь поперечного сечения срезаемого слоя и объем

деформируемого металла, тем больше сопротивление стружкообразованию и

силы резания. Влияние глубины резания и подачи на силы резания различно:

глубина резания оказывает большее влияние на силы резания, чем подача.

Смазочно-охлаждающие технологические средства (СОТС), применяемые

при резании металлов, уменьшают трение, облегчают процесс

стружкообразования и, следовательно, уменьшают силы резания, действующие

на резец.

Влияние различных факторов на силы резания весьма сложно. Учитывая

это, Комиссия по резанию металлов предложила использовать для

определения сил резания упрощенные обобщенные эмпирические формулы:

P_z = С_Рz t ^x_PzS ^у_Рz v ^z_Рz k_Pz;

P_у = С_Ру t ^x_PуS ^у_Ру v ^z_Ру k_Pу;

P_х = С_Рх t ^x_PхS ^у_Рх v ^z_Р k_P;

где х, у, z — показатели степеней, учитывающие влияние элементов

режима резания (t, S, v) на величину силы резания; например, при обработке

сталей в первом грубом приближении xPz = 1, уРz = 0,75, zРz = - 0,15; kPz, kpy,

kPx — обобщенные поправочные коэффициенты, численно равные произведениям

коэффициентов, учитывающих условия обработки, не вошедшие в коэффициенты

СРz, СРу и СРх (углы φ и γ, применяемую СОЖ, износ, радиус кривизны вершины

лезвия и т. п.). Все коэффициенты и показатели степеней даны в справочниках

по режимам обработки. На практике определяют лишь силу Pz, a силы Ру и

Рх берут в долях от Pz.

Для измерения составляющих сил резания и изучения влияния на них

различных факторов применяют динамометры различных конструкций. В

зависимости от метода обработки применяют одно-, двух- и трехкомпонентные

динамометры. По принципу действия их делят на упруго-механические,

гидравлические и упругоэлектрические. Динамометр состоит из устройства,

служащего для закрепления инструмента и разложения силы резания на

составляющие, датчиков для преобразования измеряемых составляющих сил

резания в механические перемещения, силу электрического тока, давление

жидкости и т. д. и регистрирующего устройства. В последнее время для измерения

сил резания при работе различным режущим инструментом чаще применяют

проволочные датчики. Принцип их действия основан на использовании

способности металлической проволоки изменять омическое сопротивление при

растяжении и сжатии. Среди динамометров с проволочными датчиками

наибольшее распространение нашел универсальный динамометр УДМ

ВНИИинструмента. Динамометр позволяет измерять три составляющие силы

резания при точении, фрезеровании и шлифовании, осевую силу и крутящий

момент при сверлении, развертывании и нарезании резьбы метчиком.

Принципиальная схема динамометра изображена на рис. 26.

Проволочные датчики сопротивления наклеены на 16 опор, поддерживающих

квадратную пластину. Опоры, изготовленные из термически обработанной

стали, имеют трубчатую форму и обладают высокой жесткостью вдоль оси и

малой жесткостью в направлении, перпендикулярном оси. Под действием сил

резания или крутящего момента пластина стремится к перемещению и деформи-

рует трубчатые опоры. Деформирование опор приводит к изменению

омического сопротивления, что фиксируется на осциллографе или

гальванометре.

Рис. 26 Схема универсального динамометра УДМ

Вопросы для самоконтроля по теме 4:

1. Как направлена главная (касательная) составляющая силы резания?

2. Как направлена радиальная составляющая силы резания?

3. Как направлена осевая составляющая силы резания?

4. Какие приборы применяют для измерения составляющих сил резания?

Л.: [ 1 ] с.36 – 41.

Дата добавления: 2014-12-17