Контрольные вопросы

1. Как распределяется теплота в процессе резания?

2. Какие факторы влияют на температуру в зоне резания?

3. Какие методы применяются для определения температуры в процессе резания?

4. Как за счет элементов режима резания можно уменьшить температуру в зоне резания?

5. Как можно за счет геометрических параметров режущего инструмента уменьшить температуру в зоне резания?

6. Как влияют физико-механические свойства обрабатываемого материала на температуру в зоне резания?

7. Какой вид имеет формула для определения температуры в зоне резания?

8. Какой вид имеет формула для определения количества теплоты, образующейся в процессе резания?

9. Как влияет образующаяся теплота в процессе резания на инструмент?

10. Как влияет образующаяся теплота в процессе резания на заготовку?

Лабораторная работа № 14 определение силы резания и крутящего момента при сверлении

Цель работы: Ознакомиться с методикой измерения силы подачи и крутящего момента при сверлении; исследовать влияние подачи, диаметра сверла и поперечной режущей кромки на силу подачи и крутящий момент резания; обработать результаты экспериментов и вывести формулы для силы подачи и крутящего момента (в зависимости от диаметра сверла и подачи).

Приборы, оборудование и инструмент.

1. Вертикально-сверлильный станок модели 2А135.

2. Гидравлический динамометр.

3. Штангенциркуль ШЦ-П.

4. Спиральные сверла диаметром, мм 14; 16; 20; 24.

5. Молоток, кернер.

6. Заготовка из чугуна размером 200 х 100 х 10 мм.

Общие сведения

Сверло - более сложный инструмент, чем резец. В более сложных условиях протекает и процесс резания сверлом: затруднен отвод стружки и подвод охлаждающей жидкости; наблюдается значительное трение стружки о поверхность канавок сверла, трение стружки и самого сверла об обработанную поверхность; вдоль режущей кромки возникает резкий перепад скорости резания (от V_max до нуля). В связи с переменным углом у вдоль всей режущей кромки спирального сверла, по мере приближения точки режущей кромки к периферии сверла деформация срезаемого слоя уменьшается (вследствие увеличения V и у).

Все это вызывает более тяжелые, по сравнению с точением, условия процесса стружкообразования при сверлении, большие деформации срезаемого слоя, увеличенное тепловыделение и повышенный нагрев сверла. Процесс стружкообразования на небольшом участке режущей кромки подчиняется тем же закономерностям и сопровождается теми же явлениями, что и при точении; упругие и пластические деформации, тепловыделение, наростообразование, упрочнение, износ инструмента здесь возникают по тем же причинам. Как и при точении, на температуру резания при сверлении скорость резания оказывает большее влияние, чем подача. При сверлении сталей образуется в основном сливная стружка, а при обработке чугунов - стружка надлома.

Силы, действующие на сверло

На все элементы сверла при резании действуют некоторые силы сопротивления стружкообразованию. Разложим равнодействующую силу сопротивления на каждой режущей кромке на силы в трех взаимно перпендикулярных направлениях: P_z, Р_в и Р_г (рис. 14.1).

Горизонтальные силы Р_г, действующие на обеих режущих кромках, можно считать взаимно уравновешенными. Силы Р_в направленные вверх, препятствуют проникновению сверла в глубину заготовки. В этом же направлении действует и сила Pi на поперечной кромке. Кроме того, продвижению сверла препятствуют силы трения на ленточках сверла (в результате трения об обработанную поверхность отверстия) и силы трения от сходящей стружки Р_т.

Р' > Σ(2 Р_в + Р₁ + Р_т). (14.1)

Для проникновения сверла в обрабатываемую заготовку к сверлу от станка должна быть приложена такая сила Р^;, которая могла бы преодолеть сумму сил сопротивления, действующих вдоль оси сверла.

С уммарная сила от указанных сил сопротивления в осевом направлении сверла называется осевой силой Р (или усилием подачи). Силы сопротивления проникновению сверла Р_в, возникающие на режущих кромках, составляют около 40% общего сопротивления (или силы Р); силы сопротивления, возникающие на поперечной кромке Р, составляют 57% и силы от трения Р_т - около 3%. Силы, препятствующие продвижению сверла в материал, преодолеваются механизмом подачи сверлильного станка, который и рассчитывается по максимальной осевой силе Р.

При эксплуатации станка с заданными условиями сверления необходимо, чтобы сумма сил сопротивления, действующих вдоль оси сверла, или осевая сила Р была меньше или, в крайнем случае, равна наибольшей силе Р_мах, допускаемой механизмом подачи станка (во избежание поломки слабого звена механизма подачи), т.е. Р < Р_мах. Наибольшая сила Р_мах рассчитывается при конструировании станка и приводится обычно в его паспорте.

Сила P_z создаёт момент сопротивления М_СР = P_zx. Суммарный момент от сил сопротивления резанию складывается из момента от сил P_z, момента от сил скобления и трения на поперечной кромке М_пк, момента от сил трения на ленточках М_л и момента от Рис. 14.1. Силы,

сил трения стружки о сверло и обработанную действующие

поверхность М_с, т.е. на сверло.

М = М_СР + М_ПК + М_л + М_с. (14.2)

Измерения показывают, что 80% общего момента сопротивления резанию приходится на долю режущих кромок, 8% - на поперечную кромку и 12% - на трение стружки о сверло и стенки отверстия и сверла своими ленточками об обработанную поверхность (М_л).

Для того чтобы на данном станке могло быть осуществлено резание, кроме указанного выше условия проникновения сверла, необходимо, чтобы суммарный момент сопротивления был преодален вращающим (крутящим) моментом станка, т.е. М_ВР > М.

Суммарный момент сопротивления резанию М должен быть меньше или, в крайнем случае, равен не только вращающему моменту М_ВР, развиваемому электродвигателем станка на данной ступени частоты вращения шпинделя, но и меньше, или в крайнем случае, равен максимальному крутящему моменту М_ВР, допускаемому слабым звеном механизма главного движения станка (во избежание поломки его), т.е. М <М_ВР- Если момент М легко подсчитывается по приведенной выше формуле, то момент М_ВР рассчитывается при конструировании станка и приводится обычно в его паспорте.

По силе Р и моменту М можно рассчитать необходимую (потребную) мощность электродвигателя сверлильного станка.

Мощность, затрачиваемая на резание, будет складываться из мощности, затрачиваемой на вращение, и мощности, затрачиваемой на движение подачи, т.е.

N_PE3 = N_BP + N_ПОД. (14.3)

Мощность, затрачиваемая на вращение, кВт

(14.4)

где М - момент от сил сопротивления резанию, кгс·мм; n - частота вращения сверла, об/мин.

Мощность, затрачиваемая на подачу сверла, кВт

(14.5)

где Р - осевая сила в кгс.

Расчеты показывают, что как и при токарной обработке, мощность, затрачиваемая на движение подачи, мала (0,5-1,5% мощности, затрачиваемой на вращение сверла) и ею можно пренебречь. Поэтому

(14.6)

Зная мощность, затрачиваемую на резание, легко подсчитать и необходимую (потребную) мощность электродвигателя станка (N_M), которая обеспечит проведение процесса резания при сверлении при определенных условиях работы.

Сравнивая N_M с действительной мощностью электродвигателя станка N_CT, легко проверить возможность осуществления процесса сверления на заданном станке при заданных условиях резания. Однако, как и при проверке возможности осуществления процесса сверления на заданном станке по моменту, необходимо учитывать не только мощность электродвигателя станка, но и мощность на шпинделе по слабому звену механизма главного движения станка N_PE3 < N_ШП. Наиболее слабое звено механизма главного движения станка проверяют по моменту или по мощности, в зависимости от того, какие данные приводятся в паспорте станка.

Влияние различных факторов на осевую силу и момент

На возникающие при сверлении осевую силу и суммарный момент сопротивления резанию влияют следующие основные факторы:

1. обрабатываемый металл;

2. диаметр сверла и подача;

3. геометрические элементы сверла;

4. смазочно-охлаждающие жидкости;

5. глубина сверления;

6. износ сверла.

Обрабатываемый металл. Чем выше предел прочности при растяжении или твердость НВ обрабатываемого металла, тем больше осевая сила и момент от сил сопротивления резанию при сверлении.

Математически эта зависимость может быть выражена следующими уравнениями:

при обработке сталей сверлами из быстрорежущей стали

Р=С₁^0,75; М=С₂^0,75.

при обработке серых чугунов сверлами, оснащенными твердым сплавом,

Р = С3·НВ^1,08; М = С4·НВ^0,5.

Диаметр сверла и подача. Чем больше диаметр сверла и величина подачи, тем больше площадь поперечного сечения среза, больше объем деформируемого металла и сопротивление стружкообразованию, тем больше, следовательно, осевая сила и момент от сил сопротивления резанию. Диаметр сверла оказывает большее влияние на увеличение параметров Р и М, чем подача. Если подача влияет на параметры Р и М примерно одинаково, то диаметр сверла влияет на момент от сил сопротивления больше, чем на осевую силу; последнее объясняется тем, что при увеличении диаметра возрастает и плечо, на котором эти силы действуют. Различное влияние диаметра сверла и подачи учитывается показателями степени в формулах для подсчета осевой силы Р и момента М.

Геометрические элементы сверла. Угол наклона винтовой канавки со влияет на параметры Р и М поскольку, он влияет на передний угол сверла. Из формулы:

(14.7)

Cледует, что чем больше угол со, тем больше передний угол в каждой точке режущей кромки сверла, тем меньше деформация срезаемого слоя, а следовательно, меньше осевая сила Р и момент от сил сопротивления М (рис. 14.2). Угол при вершине сверла 2φ влияет на соотношение сил Р_г и Р_в, а также на толщину среза (рис. 14.3), а потому он не может не влиять на силу Р и момент М. При уменьшении угла 2 φ увеличиваются горизонтальные силы Р_г и уменьшаются вертикальные силы Р_в аналогично изменению сил Р_у и Р_х при уменьшении главного угла в плане у резца, что и приводит к уменьшению осевой силы Р; при увеличении же угла 2 φ при вершине сверла увеличивается и осевая сила Р (рис. 14.3). Толщина среза, приходящаяся на одну режущую кромку, а = S_z • sin φ уменьшается с уменьшением угла 2 φ. Тонкие стружки деформируются больше, а потому сила P_z будет увеличиваться с уменьшением угла 2 φ и уменьшаться с его увеличением. Увеличение или уменьшение силы P_z приводит к соответствующему увеличению или уменьшению момента от сил сопротивления резанию. Таким образом, при увеличении угла φ осевая сила увеличивается, а момент от сил сопротивления резанию уменьшается (при прочих равных условиях резания).

Рис. 14.2. Влияние наклона винтовой канавки и сверла на момент (а) и на осевую силу (б).

Рис. 14.3. Влияние угла при вершине сверла на осевую силу и момент.

Выше указывалось, что поперечная кромка значительно влияет на осевую силу, так как более 50% величины общей силы Р приходится на поперечную кромку, которая имеет неблагоприятные углы резания. Следовательно, чем больше длина поперечной кромки, тем большим будет момент от сил сопротивления резанию и особенно осевая сила (рис. 14.4). Для уменьшения Р и М подтачивают перемычку, благодаря чему уменьшается как длина поперечной кромки, так и угол резания в точках режущей кромки, близко расположенных к оси сверла; осевая сила Р при такой подточке уменьшается на 30-35% (по сравнению со сверлом, не имеющим подточки). У сверл со срезанной поперечной кромкой углы резания еще более благоприятны; такая заточка способствует снижению силы Р до 4 раз и повышению стойкости сверла. При работе сверлом с двойной заточкой сила Р и момент М практически мало отличаются от Р и М при работе сверлом с одинарной заточкой.

Рис. 14.4. Влияние длины поперечной кромки сверла на момент (а) и на осевую силу (б).

Смазочно-охлаждающие жидкости. Применение при сверлении соответствующих смазочно-охлаждающих жидкостей вызывает снижение момента от сил сопротивления резанию на 10-30% при обработке сталей, на 10-18% при обработке чугунов и на 30-40% при обработке алюминиевых сплавов.

Глубина сверления. С увеличением глубины сверления условия резания ухудшаются. Отвод стружки и подвод свежей охлаждающей жидкости затрудняются, тепловыделение увеличивается, упрочнение возрастает. Все это приводит как к снижению стойкости сверла, так и к повышению осевой силы и момента от сил сопротивления резанию. Для облегчения резания на большой глубине у сверл делают стружкоразделительные канавки.

Износ сверла. С увеличением износа сверла по задней поверхности (рис. 14.5) сила Р и момент М увеличиваются; затупленное сверло по сравнению с острым повышает параметры Р и М на 10-16%.

Рис. 14.5. Износ сверла из быстрорежущей

Приборы для измерения силы подачи и крутящего момента

Для измерения составляющих сил резания и изучения влияния на них различных факторов применяют специальные приборы - динамометры. Динамометры в зависимости от количества измеряемых составляющих бывают одно-, двух- и трехкомпонентные. Ниже дано описание динамометра (рис. 14.6) предназначенного для определения силы подачи и крутящего момента при сверлении. Стол 2 динамометра с обрабатываемой деталью 1 может перемещаться под действием осевой (вертикальной) силы резания и поворачиваться на малый угол вокруг вертикальной оси под действием осевой (вертикальной) силы резания и поворачиваться на малый угол вокруг вертикальной оси под действием крутящего момента резания. Балка 7 и металлические стержни 6 и 8 передают эти перемещения поршенькам, расположенным в цилиндрах 5, 9 и 4. Жидкость (глицерин) в этих цилиндрах находится под давлением, значение которого зависит от осевой силы и крутящего момента резания. Манометр 3 фиксирует давление жидкости, возникающее от действия осевой силы, а манометр 10 - давление от крутящего момента резания при сверлении. Манометр 3 можно оттарировать так, чтобы он показывал значение осевой силы Р Н манометр 10 - значение крутящего момента М Нм. Гидравлический динамометр может быть оснащен самопишущим прибором для записи осевой силы и крутящего момента в процессе сверления.

Рис. 14.6. Схема гидравлического динамометра для измерения силы подачи и крутящего момента при сверлении.