6. Силы резания, методы их теоретического и экспериментального определе­ния. Влияние условий обработки на составляющие силы резания.

В пр-се резания на перед. и зад. пов-ти лезвия ин-та д-ют норм. силы давл. N_п и N_з и F_п и F_з, к-рые рассм-ся при рассеч. зоны резания гл. секущей пл-тью. Если сложить эти силы геометрически, то получим равнод-ющую силу сопротивл. резанию P. Эксперим-но измерить силы N_п,N_з,F_п,F_з и P затруднительно, потому что в общем случае они явл. внутрен. силами сист. резания и им. неопределен. простр-ное располож. Для облегч. эксперимент. опред-я сил резания равнод-щую силу Р расклад. на составл. по осям, направл. к-рых определено кинематич. сх. резания.

Сх. динамометров:

а – мех.; б – гидравлич.; в – емкостной; г – индуктив.

1 – заг.; 2 – РИ; 3 – датчик; 4 – прибор

С х. динамом. устан.:

1 – дин.-датчик; 2 – усилитель; 3 – приборный щит; 4 – осциллограф

В связи с возникающими в зоне резания деформациями, трением и напряжениями инструмент испытывает сопротивление резанию, выражаемое действием на него сил резания. Знание сил резания необходимо для объяснения других явлений процесса резания и для расчета инструментов, приспособлений и станков при их проектировании.

В процессе резания на переднюю и заднюю поверхности инструмента действуют нормальные силы давления и и силы трения и , которые рассматриваются при рассечении зоны резания главной секущей плоскостью (рис. 1). Если сложить эти силы геометрически, то получим равнодействующую силу сопротивления резанию . Экспериментально измерить силы , , , и затруднительно, потому что в общем случае они являются внутренними силами системы резания и имеют неопределенное пространственное расположение.

Для облегчения экспериментального определения сил резания равнодействующую силу раскладывают на составляющие по осям, направление которых определено кинематической схемой резания. В главной секущей плоскости силу раскладывают на главную составляющую , действующую по направлению оси OZ вдоль вектора скорости главного движения , и на нормальную составляющую по нормали к поверхности резания. В основной плоскости составляющую раскладывают на осевую составляющую , действующую вдоль оси главного вращательного движения OX, и радиальную составляющую вдоль оси ОУ по радиусу главного вращательного движения (см. рис. 1). Зная составляющие , и , рассчитывают равнодействующую силу резания по формуле: .

Составляющую называют главной в связи с тем, что она определяет мощность привода главного движения и крутящий момент на шпинделе станка, влияет на прочность механизма коробки скоростей и инструмента, изгиб детали, на другие параметры обработки. Например, при лезвийной обработке численное соотношение между составляющими силы резания следующие:

, .

Аппаратура, предназначенная для измерения силы резания называется динамометрами. По количеству измеряемых составляющих силы резания динамометры подразделяются на одно-, двух- и трёхкомпонентные; по принципу действия применяемых а них датчиков – на механические, гидравлические и электрические. Конструктивно динамометры состоят из датчика, воспринимающего нагрузку, деформацию или перемещение и электрический параметр, приёмника, регистрирующего нагрузку, и звеньев, связывающих датчик и приёмник.

При теоретическом определении сил резания исходят из различных представлений о процессе резания. Например, процесс взаимодействия инструмента и заготовки рассматривают как механическую систему, как процесс скалывания, сдвига или сжатия срезаемого слоя, как процесс течения жидкости и т.п. Рассмотрим некоторые расчетные формулы.

Р асчет силы резания, исходя из условия равновесия инструмента. Из условия равновесного состояния лезвия инструмента в процессе резания (рис. 2) следует, что сила резания равна сумме проекций нормальных сил и сил трения, приложенных к передней и задней поверхностям лезвия, на прямую, вдоль которой действует сила : . В свою очередь , тогда

или .

Расчёт силы резания на основе теории пластического сжатия. Расчёт основан на физическом законе политропного сжатия, согласно которому (рис. 3, а):

,

где – показатель политропы сжатия; и – сжимающая сила соответственно до и после сжатия образца; и – высота образца соответственно до и после сжатия.

Сравнивая схемы простого сжатия образца (рис. 3, а) и сжатия срезаемого слоя в процессе резания (рис. 3, б), можно преобразовать политропы сжатия к условиям процесса резания. Для этого примем силу за силу резания, в результате которой образовалась стружка (за главную составляющую силы резания ), за силу примем ту максимальную силу сопротивления срезаемого слоя, при которой начинаются пластические деформации сжатия срезаемого слоя. Выразим эту силу через нормальные напряжения в срезаемом слое и площадь сечения среза:

.

Учитывая, что , и, используя известное экспериментально полученное выражение

,

где – угол резания; – толщина срезаемого слоя; – скорость резания; – постоянный коэффициент, зависящий от прочих условий обработки, неуказанных в формуле; , и – дробные показатели степени,

получим:

,

или , (1)

где , , , .

В формуле (1) коэффициент выражает механические свойства обрабатываемого материала. Для практического применения вместо параметров сечения срезаемого слоя и введены подача и глубина резания. При точении и , тогда .

Объединяя с углом резания и , а также введя при глубине резания показатель для случаев несвободного резания и поправочный коэффициент , можно записать:

. (2)

По аналогии

, (3)

, (4)

где , , – коэффициенты, зависящие от вида обрабатываемого материала и других условий резания; , и – соответственно глубина резания, подача и скорость резания; , , – показатели степени при соответствующих переменных; , , – коэффициенты, учитывающие отличия условий обработки от тех, при которых были получены данные формулы.

Расчет силы резания через удельную силу. Для определения силы резания часто используется ее зависимость от площади сечения срезаемого слоя, как определяющей нагрузочной характеристики и удельной силы резания:

, (5)

где – удельная сила резания; – площадь сечения срезаемого слоя; – поправочный коэффициент.

Влияние элементов режима резания может быть оценено по численным значениям показателей степеней в формулах (2 – 4). Для этого используется следующая методика эксперимента и обработки экспериментальных данных. Проводятся серии опытов с последовательным изменением одного из элементов режима резания , и и измерением с помощью динамометра составляющих силы резания , и . Формула для расчета составляющей силы резания будет иметь вид: для серии глубины резания – , где ; для серии подачи – , где ; для серии скорости резания – ,где .

Аналогичный вид имеют зависимости для и .

Установлено, что эти степенные зависимости составляющих силы резания в определенных диапазонах изменения , и могут быть приведены к прямолинейным путем их логарифмирования.

Влияние свойств обрабатываемого материала на силу резания можно определить через коэффициент при значении переменной равной единице. Например, при , при , при . , и в конечном итоге

.

Установлено, что силы резания растут при увеличении , твёрдости, пластичности и вязкости обрабатываемого материала. Влияние свойств инструментального материала сказывается через изменение коэффициента трения между ним и обрабатываемым материалом.