Лекции по теме "Силы резания"

Краткий курс лекций по теме « Силы резания »

1. Система сил, действующих в процессе резания

Обрабатываемый материал сопротивляется срезанию металла, и на резец действует сила сопротивления резанию. Эта сила складывается из силы сопротивления металла разрыву в момент скалывания, силы сопротивления стружки завиванию и силы трения на рабочих поверхностях резца.

Для определения сил на контактных площадках инструмента, можно воспользоваться теоретическими формулами, но они в ряде случаев не обеспечивают точных результатов. Силы при обработке материалов резанием определяют экспериментально при помощи динамометров, с помощью которых равнодействующую силу резания R раскладывают по трем координатным осям (z, x, y,) (рис. 6.1).

где Pz - вертикальная сила, лежит в плоскости резания. Стремится сломать резец ( расчет резца на прочность), она главная составляющая силы резания, определяющая мощность и крутящий момент при резании (данная сила необходима для расчета привода главного движения);

Py – радиальная составляющая силы резания, перпендикулярная оси резца, отжимающая резец от заготовки, оказывает влияние на точность и шероховатость обработанной поверхности;

Px- горизонтальная сила, направлена вдоль оси в сторону противоположную направлению подачи, препятствует движению резца – осевая составляющая силы резания; необходима для расчета привода подачи станка.

При φ = 45⁰ , γ = 15⁰ , λ = 0⁰ между составляющими силы резания имеется соотношение: Pz = 1, Py = (0,4 – 0,5) Pz, Px = (0,3 – 0,4) Pz.

Отсюда сила R будет равна: Pz 1,1

Из полученного выражения следует, что сила Рz является главной составляющей силы резания и мало отличается по величине от равнодействующей силы R.

Для расчета составляющих сил резания используют следующие эмпирические зависимости, полученные на основании экспериментальных исследований:

где C_P – постоянный коэффициент, зависящий от свойств инструментального и обрабатываемого материалов и условий обработки; x_P, y_P, z_P – показатели степени влияния соответственно глубины, подачи и скорости на силу резания; k_P – общий поправочный коэффициент на измененные условия резания.

К_р= К_м К_м1 К_с К_γ К _λК_охл К _φК_r К_h К_{ф кр} К_v

- от материал резца -состояние материала – от применения СОЖ - от затупления резца, - от формы кромки резца, - от скорости резания, - от углов резца

Рис. 6.1

В частных случаях, например при отрезке, отсутствует сила Px, а при обработке проходным упорным резцом отсутствует сила Py.

1. Влияние сил резания на вибрации и на систему СПДИ

Возникающие при резании нагрузки воспринимаются инструментом и приспособлением, в котором инструмент закреплен, а также деталью и приспособлением, в котором она установлена и закреплена. Возникающие нагрузки передаются приспособлениями на сборочные единицы (узлы) и механизмы станка, благодаря чему образуется замкнутая технологическая система станок- приспособление - инструмент - деталь (СПДИ).

В процессе обработки детали сила резания не остается постоянной в результате действия следующих факторов: изменяется сечение срезаемой стружки, изменяются механические свойства материала детали; изнашивается и затупляется режущий инструмент; образуется нарост на передней поверхности резца и др. Изменение силы резания, закрепления, инерционные силы, возникающие при обработке на станках, обусловливает соответствующее изменение деформаций системы СПДИ ( деформацию стыков, деформацию соединительных деталей – болты, клинья и т.д.).Наибольшее влияние на величину упругой деформации системы оказывает дефекты стыков и соединительных деталей .Нагрузки на механизмы станка и условий работы электропривода, что приводит к колебаниям заготовки и инструмента. Характер изменения этих колебаний во времени называют вибрациями. Вибрации оказывают значительное влияние на условия обработки детали и зависят от жесткости системы СПДИ, т. е. от способности системы препятствовать перемещению ее элементов под действием изменяющихся нагрузок. 

Жесткость системы СПДИ является одним из основных критериев работоспособности и точности станка под нагрузкой.

Поиск слабого звена в системе при возникновении вибраций в системе позволит решить проблемы с обработкой.

В различных точках обрабатываемой поверхности жесткость технологической системы различна. Различна и жесткость отдельных звеньев системы. Так, под жесткостью станка понимают способность узлов станка противостоять действию сил деформации, причем заготовку и инструмент в этом случае принимают абсолютно жесткими

Под жесткостью инструмента или приспособления понимают способность того или другого противостоять действию сил деформации при абсолютно жестких станке и заготовке. В зависимости от условий работы при расчете деформаций учитывают не только силы P_z, Р_у и Р_х, но и массу обрабатываемых заготовок, а также влияние центробежных сил неуравновешенных вращающихся частей станка. 

Жесткость обрабатываемых заготовок определяют обычно по формулам курса «Сопротивление материалов»

Повышение жесткости технологической системы содействует уменьшению вибраций ее звеньев и, следовательно, позволяет повышать режимы резания, не снижая точности обработки.

С увеличением скорости резания вибрации сначала возрастают, а затем уменьшаются.

При увеличении глубины резания вибрации возрастают, а с увеличением подачи - уменьшаются.

При увеличении главного угла φ в плане (резца) вибрации уменьшаются, а при увеличении радиуса R скругления режущей кромки резца - возрастают.

Износ резца по задней поверхности способствует возрастанию вибраций. Чем больше вылет резца из резцедержателя и чем меньше размеры державки резца в поперечном сечении, тем меньше жесткость системы СПИД, что приводит к увеличению вибраций станка, причем с повышением скорости резания, интенсивность влияния этих факторов на увеличение вибраций возрастает

Упругие деформации технологической системы в ряде случаев являются определяющими с точки зрения точности обработки, так как погрешности, обусловленные ими, могут достигать 20...80 % от суммарной погрешности изготовления. Кроме того, жесткость технологической системы оказывает большое влияние на виброустойчивость системы и на производительность механической обработки.

При недостаточной жесткости технологической системы нельзя получить высокой производительности и точности обработки.

1. Факторы, влияющие на силы резания

Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что на силы  ,  и  влияют в основном следующие факторы: обрабатываемый металл, глубина резания, подача, передний угол резца (угол резания), главный угол в плане резца, радиус закругления при вершине резца, смазывающе-охлаждающие жидкости, скорость резания и износ резца.

Влияние обрабатываемого материала .Физико-механические свойства обрабатываемого материала и его состояние во многом определяют процесс стружкообразования и сопутствующие ему деформации, а следовательно, и значение сил резания. Чем больше предел прочности  и твердость НВ обрабатываемого металла, тем больше силы  ,  и 

Влияние глубины резания и подачи. Чем больше глубина резания и подача, тем больше площадь поперечного сечения среза и объем деформируемого металла, и процесс резания будет протекать с большими силами  ,  и  .

При продольном точении глубина резания оказывает большее влияние на силу резания, чем подача. При увеличении глубины резания, например в 2 раза, ширина среза увеличивается также в 2 раза, и во столько же раз увеличится нагрузка на резец, вызываемая силами, действующими на переднюю и заднюю поверхности резца.

При увеличении подачи в два раза площадь поперечного сечения среза увеличивается также в два раза; при неизменном значении ширины среза здесь увеличивается в два раза толщина, т.е. увеличиваются лишь элементы, определяющие в основном силы, действующие на переднюю поверхность резца (силы, действующие на заднюю поверхность, остаются примерно теми же). В результате действия этого и других факторов при увеличении подачи (а следовательно, и толщины среза) в два раза сила  увеличивается меньше, чем в два раза.

Из приведенных выше зависимостей видно, что при точении с одинаковой площадью поперечного сечения среза силы резания будут меньше в случае большей подачи и меньшей глубины резания (при t  s).

Влияние скорости резания на силу резания. В настоящее время известно, как изменяется сила резания в широком диапазоне скоростей. Прежде всего необходимо отметить полную идентичность зависимостей силы резания и коэффициента усадки стружки . В тех областях скоростей резания, где уменьшается коэффициент усадки стружки, снижается сила резания, и наоборот 

Влияние переднего угла. C уменьшением переднего угла или увеличением угла резания ( = 90° – ), требуется большая деформация срезаемого слоя при превращении его в стружку и большая сила резания  . Одновременно с силой  будут увеличиваться и силы   и  , причем по мере увеличения скорости резания степень возрастания сил с увеличением  уменьшается.

Для повышения прочности и стойкости режущего лезвия у резцов с передним углом +делается фаска f под некоторым углом= 0...–5°, которая также влияет на силы резания.

Влияние главного угла в плане. 

Для резца с r = 2 мм сила   сначала уменьшается с увеличением угла  (= 30...60°), а затем увеличивается. Такая зависимость объясняется тем, что при увеличении угла  увеличиваются толщина среза, уменьшаются деформации, характеризуемые коэффициентом усадки стружки  , и сила  . С другой стороны увеличивается длина криволинейного участка режущей кромки, создавая более тяжелые условия резания, а следовательно, и большую силу.

Таким образом, с увеличением главного угла в плане  , сила   резко уменьшается, а сила   увеличивается.

Влияние радиуса закругления при вершине резца.

Точки криволинейного (закругленного) участка режущей кромки имеют меньшее (переменное) значение угла , т.е. увеличение r , подобно уменьшению угла ; поэтому при увеличении r сила   увеличивается, а сила  уменьшается

Из приведенных зависимостей видно, что увеличение радиуса закругления резца в большей степени влияет на увеличение радиальной силы   и в меньшей – на увеличение силы  .Поэтому в целях уменьшения вибраций рекомендуется, наряду с увеличением главного угла в плане, уменьшать и радиус закругления резца при вершине; как первое, так и второе способствует снижению силы

Влияние смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).

СОТС (смазочно-охлаждающие жидкости) оказывают влияние на уменьшение трения, облегчение процесса стружкообразования, а следовательно, и на снижение сил, действующих на инструмент.

В большей степени уменьшают силы резания, в частности  ,поверхностно-активные жидкости, причем наибольшее уменьшение наблюдается при тонких стружках. Положительный эффект от применения смазочно-охлаждающей жидкости уменьшается при повышении скорости резания.

Чтобы охарактеризовать сопротивляемость различных материалов резанию, установлены понятия – удельное давление резания и коэффициент резания

Удельное давление – это величина силы резания, приходящая на единицу площади поперечного сечения среза.

p=P_z/F

1. Мощность при точении

N = P_{z *}V/ 60*102 квт.

N_р.м( расчетная мощность)_. = N_эф./ η (кпд)кВт.

Зная расчетную мощность мотора, по каталогу станков выбираем мощность мотора ближайшую, большую.