4.3. Влияние условий механической обработки на составляющие усилий резания

Для удобства анализа уравнение равновесия сил представим в виде:

, (4.11)

где: P_у, P_пл, P_тр, P_разр - относительные значения сил, под действием которых в системе резания происходят упругие и пластические деформации, трение на поверхностях контакта и процессы разрушения.

Очевидно, что величины работы, затрачиваемой на деформирование срезаемого слоя, трение и износ зависит, главным образом от прочностных показателей обрабатываемого материала.

Увеличение технологических параметров сечения среза (глубины резания, скорости резания и подачи) вызывает рост работы деформации срезаемого слоя и, следовательно, нагрузок на инструмент.

Деформации распределяются в стружке неравномерно. Если увеличить глубину резания в 2 - 3 раза, распределение деформации почти не меняется, но величина  возрастает пропорционально глубине резания, и во столько же раз увеличивается сила резания. При увеличении же подачи, вследствие убывания деформации при удалении от лезвия, среднее количество деформаций на единицу среза и конечная величина усилия резания увеличиваются менее значительно. Например, при увеличении подачи вдвое сила увеличивается лишь на 70.

В ближайшем будущем этот, пока еще не решенный вопрос, приобретает большую актуальность в связи с переходом к "сверхвысоким" скоростям резания порядка (3 – 75) 10³ммин. При режимах резания, используемых в настоящее время (до 100 ммин) увеличение скорости, приводящее к росту температур в зоне деформации, вызывает уменьшение усилий резания, так как уменьшаются работа пластической деформации и сил трения (рис. 4.4).

При малых скоростях резания (V  50 ммин) это влияние учитывают в нормативах введением коэффициента Kv = (50/V)^0,15.

При сверх высоких скоростях резания усадка стружки практически отсутствует, полностью меняется механизм разрушения и тепловой баланс системы резания, что вызывает существенное уменьшение тангенциальной и радиальной составляющих усилия резания.

Необходимо отметить, что влияние скорости резания сказывается не только на величинах составляющих усилия резания, но и на динамических (амплитудно-частотных) характеристиках их изменения.

Рис. 4.4. Влияние скорости резания на силы P_z, P_y, P_x при точении стали резцом с пластинкой из твердого сплава Т15К6, γ=10⁰

Силы, период действия которых меньше периода собственных колебаний элементов системы резания, являются возбудителями колебаний и постоянным поставщиками энергии для компенсации потерь в системе.

К их числу относятся силы, сопровождающие процесс образования элементов стружки. Частота колебания сил соответствует частоте образования элементов стружки, а амплитуда - характеру протекания деформации при формировании каждого элемента в соответствии с законом перехода количественных накоплений напряжений в качественный скачок деформаций.

Действие возмущающих сил проявляется путем изменения давления стружки на переднюю поверхность инструмента.

При кратности частоты возмущающей силы собственной частоте одного или нескольких элементов системы резания происходит резонансное усиление амплитуды колебаний, ее реакции.

Наличие трения между движущейся стружкой и инструментом приводит к колебательным перемещениям резца - в направлении схода стружки, и детали - преимущественно в радиальном направлении. В этом случае резонансное усиление амплитуды колебаний становится возможным при кратности частот.

В свою очередь, такие колебательные движения приводят к периодическим врезаниям инструмента в тело детали, возрастанию вибраций и являются их вторичной причиной.

Частота образования элементов может быть определена из выражений:

(4.13)

, (4.14)

где: V – скорость резания, ммин; a – толщина среза, мм; aс – средняя толщина стружки, мм; l – средняя длина сегмента стружки, мм; V₀ – скорость перемещения стружки на ее наружной поверхности, ммин; Ф₁, Ф₂ – минимальный и максимальный углы сдвига, соответственно; t – глубина резания, мм; K – количество элементов стружки на участке длиной l.

Таким образом, величина колебания сил в процессе резания зависит от формы элементов стружки, прочности обрабатываемого материала, величины переднего угла инструмента и скорости резания.

Влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала учитывается коэффициентом C_р, значение которого (для некоторых материалов) приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1.

Механические свойства обрабатываемых материалов и величина С_р

Обрабатываемые материалы	σв	σр	σт	δ	ψ		НВ	Ср
	МПа		%
Сталь конструкционная	376	201	201	36,5	68,8		100	140
Сталь ОХМ	515	203	248	23,0	54,0		156	180
	740	560	600	15,0	61,5		226	240
Сталь 1Х18Н9Т	800	386	450	31,0	66,0		178	310
Медь (М3)	214		51	43,4	65,4		53,5	52
Бронза	600	288	370	17,0	19,0		120	102
Чугун							190	92

Данные табл. обнаруживают тенденцию к росту величины C_р с увеличением _в, _т, HB и указывают на ее зависимость от комплекса свойств, а не от отдельных показателей.

Для практических расчетов могут быть использованы зависимости, на которых построены нормативные документы:

,

, (4.12)

,

Значение постоянных C_рx, C_рy, C_рz (для некоторых групп материалов) приведены в табл. 4.2

Таблица 4.2

Значения C_рx, C_рy, C_рz

Обрабатываемый материал	Cрx	Cрy	Cрz
Сталь и стальное литье: σВ=350 МПа σВ=750 МПа	165 200	42 67	67 125
Чугун серый: НВ 150 НВ 190 НВ 270	100 115 140	39 51 66	88 119 188
Чугун ковкий: НВ 110 НВ 150 НВ 200	80 100 115	28 40 52	59 88 120