Лабораторная работа № 12 влияние элементов режима резания на тангенциальную составляющую силы резания

Цель работы: Ознакомиться с методами и приборами для измерения силы резания при точении; установить влияние глубины резания, подачи и

скорости на силу резания с применением метода обработки экспериментальных данных в логарифмической системе координат.

Оборудование и инструмент.

1. Токарно-винторезный станок 1А616

2. Тензоусилитель 8АНЧ-7М с блоком питания.

3. Электрический тензометрический динамометр.

4. Регистрирующий прибор.

5. Штангенциркуль.

Общие сведения

В процессе резания на лезвие инструмента действуют силы сопротивления перемещению его по траектории относительного рабочего движения. Результирующая этих сил называется силой резания. Силы сопротивления рабочему движению лезвия не стабильны. По тем же причинам нестабильно и направление действия силы резания, которое изменяется одновременно с текущим значением силы резания. Периодические изменения (колебания) силы резания могут привести к нежелательным вибрациям.

Источники возникновения силы резания

Источниками препятствия рабочему движению лезвий являются:

• сопротивление обрабатываемых материалов пластической деформации стружкообразования;

• сопротивление пластически деформированных металлов разрушению в местах возникновения новых поверхностей;

• сопротивление срезаемой стружки дополнительной деформации изгиба и ломанию;

• силы трения на лезвии и других трущихся поверхностях рабочей части инструмента.

Распределение давления на поверхностях лезвия

Взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом осуществляется через контактные площадки, расположенные на передней и задней поверхностях лезвия. Обрабатываемый материал, оказывая сопротивление рабочему движению инструмента, воздействует на контактные площадки неравномерно распределенной нагрузкой Р'. Закон распределения давления по передней и задней поверхности показан на рис. 12.1.

Рис. 12.1. Распределение давления на передней и задней поверхностях лезвия резца.

Наибольшее давление Р_тах действует вблизи главной режущей кромки (точка 1). По мере удаления от нее давление убывает, и в точке 2, в которой прекращается контакт сбегающей стружки с лезвием, давление Р = 0. Ширина 1-2 контактной площадки при обработка хрупких металлов, например чугуна, равна или ненамного больше толщины срезаемого слоя. При обработке пластичных металлов ширина контактной площадки в 1,5...3 раза больше толщины срезаемого слоя.

На заднюю поверхность лезвия также действует неравномерно распределенная нагрузка Р, максимальное значение которой наблюдается у главной задней кромки и уменьшается до нуля в месте 3 прекращения контакта задней поверхности лезвия с поверхностью резания и обработанной поверхностью на заготовке (рис. 12.1). Такие закономерности распределения давления поперек передней и задней контактных поверхностей лезвия сохраняется вдоль всей ширины срезаемого слоя

(12.1)

где t - глубина резания;

φ - главный угол резца в плане.

Размеры контактных площадок на передней и задней поверхностях лезвия резца и неравномерный характер распределения на них нормальных сил имеют существенное значение в комплексе тех физически х процессов, которые приводят к износу лезвий и потере инструментом режущих свойств.

Разложение результирующей силы резания

Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы Р, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке. Направление вектора силы совпадает с вектором скорости резания V. Работа, затрачиваемая на деформацию и разрушение материала заготовки, расходуется на упругое и пластическое деформирование металла, его разрушение, преодоление сил трения задних поверхностей инструмента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмента.

В результате сопротивления металла деформированию возникают реактивные силы, действующие на режущий инструмент. Это силы упругого (P_У1 и Р_У2) и пластического (Р_П1 и Р_П2) деформирования, векторы которых направлены перпендикулярно к передней и главной задней поверхности резца (рис. 91). Наличие нормальных сил обуславливает возникновение сил трения (Т₁ и Т₂), направленных по передней и главной задней поверхностям инструмента. Указанную систему сил приводят к равнодействующей силе резания:

R = P_У1+P_У2 + P_П2 + T₁+T₂.

Считают, что точка приложения силы R находится на рабочей части главной режущей кромки инструмента (рис. 91). Абсолютная величина, точки приложения и направление равнодействующей силы резания R в процессе обработки переменны. Это можно объяснить неоднородностью структуры металла заготовки, переменной поверхностной твердостью материала заготовки, непостоянством срезаемого слоя металла (наличие штамповочных и литейных уклонов, и др.), изменением углов γ и α в процессе резания. Для расчетов используют не равнодействующую силу резания, а ее составляющие, действующие по трём взаим-ноперпендикулярным направлениям - координатным осям металлорежущего станка.

Рис. 12.2. Силы, действующие на резец в процессе точения.

Для токарно-винторезного станка: ось X - линия центров станки; ось Y - горизонтальная линия, перпендикулярная к линии центров станка; ось Z - линия, перпендикулярная к плоскости XOY (рис. 12.3).

Рис. 12.3. Разложение силы резания на составляющие.

Вертикальная составляющая силы резания P_z действует в плоскости резания в направлении главного движения (по оси Z). По силе P_z определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости XOZ, (рис. 12.4), изгибающий момент, действующий на тержень резца (рис. 12.5), а также ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.

Радиальная составляющая силы резания Р_у действует в плоскости XOY перпендикулярно к оси заготовки.

По силе Р_у определяют величину упругого отжатая резца от заготовки и величину деформации изгиба заготовки в плоскости XOY.

Осевая составляющая силы резания Р_х действует в плоскости XOY, вдоль оси заготовки. По силе Р_х рассчитывают механизм подачи станка, изгибающий момент, действующий на стержень резца.

По величине деформации заготовки от сил P_z и Ру рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность её геометрической формы. По величине суммарного изгибающего момента от сил P_z и Р_х рассчитывают стержень резца на прочность. Равнодействующая сила резания, Н

R = (12.2)

Силу Pz определяют по эмпирической формуле:

P_z = C_Pz·t^Xpz·S^Уpz·K_MPz, (12.3)

где C_Pz - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки; K_Mp_z - коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (углы резца, материал резца и т.д.).

Рис. 12.4. Силы, действующие на заготовку.

Рис. 12.5. Силы, действующие на резец.

Измерение составляющих силы резания динамометрами

Как правило, в теоретически выведенные уравнения входят параметры, числовые значения которых неизвестны и зависят от режимов резания и степени износа лезвия резца. Найти значения этих параметров можно лишь экспериментально, выполнив непосредственные измерения силы резания Р специальным динамометром.

Назначение и принцип работы динамометров

Принцип действия всех динамометров основан на измерении упругой деформации измерительных элементов динамометров, пропорциональной значению измеряемой составляющем силы резания. Динамометры, имеющие лишь один измерительный элемент, используемый обычно для измерения вертикальной (главной) составляющей силы резания P_z, называются однокомпонентными. Динамометры, имеющие два взаимно перпендикулярно расположенных измерительных элемента, например, для одновременного измерения вертикальной P_z и горизонтальной Р_х составляющих, называются двухкомпонентными. Динамометры, имеющие три взаимно перпендикулярно расположенных измерительных элемента для одновременного измерения всех трех составляющих силы резания Р_х, Ру и P_z, называются трехкомпонентными.

По принципу действия динамометры подразделяют на механические, электрические и гидравлические.

При необходимости измерения среднего значения сил можно пользоваться наиболее простыми механическими динамометрами (рис. 12.6), где обычно в качестве регистрирующего прибора применяется индикатор. Динамометр ДК-1 состоит из корпуса 3, от которого отходят два упругих торсионных бруска 2, переходящих в люльку 1, к которой двумя болтами крепится резец. К люльке 1 одним концом приварена длинная планка 4, второй конец планки упирается в промежуточный стержень 5 демпфирующего устройства. Измерительный штифт индикатора 6 упирается в промежуточный стержень 5. Индикатор 6 защищен от стружки корпусом 7. Динамометр устанавливают на верхних салазках суппорта токарного станка (сняв предварительно резцедержатель) и закрепляют болтом, проходящим через отверстие А в корпусе 3 динамометра.

При точении под воздействием главной составляющей силы резания P_z торсионные бруски 2 упруго деформируются (закручиваются), вследствие чего свободный конец стержня 4 поднимается вверх, вызывая (через промежуточный стержень 5) перемещение штифта индикатора 6.

Предварительно динамометр тарируют, т.е. устанавливают зависимость между силой и показаниями индикатора 6. Для устранения появления возможных колебании конца планки 4 в динамометре предусмотрено демпфирующее (успокаивающее) устройство, состоящее из поршня (с двумя малыми отверстиями), насаженного на стержень 5 и расположенного в закрытом цилиндре корпуса. Цилиндр заполнен вязким маслом.

Рис. 12.6. Схема однокомпонентного динамометра ДК-1.

Электрические тензометрические динамометры.

Электрические динамометры компактны, обладают высокой чувствительностью, безинерционны. Электрическими динамометрами можно исследовать быстро сменяющиеся динамические процессы. Основным узлом динамометра является датчик, преобразующий малые упругие деформации в электрические величины. В динамометрах для измерения сил резания применяют пьезоэлектрические, электроконденсаторные, проволочные, электроиндуктивные и другие датчики. Принципиальная схема электрического измерительного устройства показана на рис. 12.7. На упругий элемент наклеен тензометрический датчик. При наклейке датчика на упругий элемент его ориентируют таким образом, чтобы направление участков проволоки с большей протяженностью (база датчика) совпадало с направлением ожидаемых упругих деформаций.

Рис. 12.7. Схема измерения силы резания тензоэлектрическим динамометром.

Для измерения сопротивления датчика используется мостовая или полумостовая схема из сопротивлении Rl, R2, R3 и R4, в которую датчик сопротивлением R1 подсоединяется в качестве одного из плеч моста. Упругая деформация измерительного элемента и, следовательно, наклеенного на нем датчика приводит к изменению сопротивления R1 датчика и нарушению баланса моста, питаемого напряжением от источника. Возникает разность потенциалов между точками А и Б моста, значение которой пропорционально изменению сопротивления R1 датчика, соответствующему деформации упругого элемента под действием силы P_z. Подсоединенный к точкам А и Б моста усилитель усиливает сигнал разбаланса, который затем поступает на регистрирующий прибор. Отклонение на ленте, зафиксированное при резании, может быть пересчитано в значение действующей при резании составляющей силы резания P_z согласно предварительно проведенной тарировке.

Гидравлические динамометры.

Принципиальная схема гидравлического измерительного устройства показана на рис. 12.8. На лезвие резца действует вертикальная составляющая силы резания P_z. Нижней опорной плоскостью резец через шарик опирается на поршень. Задним концом державка резца через шарнир упирается на неподвижную опору корпуса динамометра. Сила Р₂ действуюет на шарик опиращийся на поршень, больше измеряемой составляющей P_z в l₁/ l₂ раз, т.е. Р₂ = P_z · l₁/ l₂. Поршень с силой Р₂ давит через гибкую прокладку на жидкость, заполняющую емкость. Давление в жидкости р = Р₂ /А, где А - площадь поршня, и передается через отводную трубку на изогнутую трубчатую пружину. Под действием давления упругодеформируемая пружина разгибается, и через рычаг, соединенный с ней шариком, перемещает вверх стрелку с пером. Перо, отклоняясь, оставляет на движущейся слева направо бумажной ленте запись. Отклонение пера в любой точке записи пропорционально силе Р₂. По отклонению пера, измеряемому в единицах длины (мм), с помощью тарировочного графика находят значение составляющей силы P_z = Р₂· l₂/ l₁в единицах силы (кН).

Рис. 12.8. Схема измерения силы резания гидравлическим динамометром