Сила резания
В процессе резания на лезвие инструмента действуют силы сопротивления перемещению его по траектории относительного рабочего движения. Результирующая этих сил называется силой резания.
Взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом осуществляется через контактные площади, расположенные на задней поверхностях режущего лезвия. Обрабатываемый материал, оказывая сопротивление рабочему движению инструмента, воздействует на контактные площадки неравномерно распределенной нагрузкой. Закон распределения давления по передней и задней поверхностям выглядит следующим образом.
Рис. 27. Распределение давления на передней и задней поверхности.
На передней поверхности наибольшее давление Рmaх действует вблизи главной режущей кромки (точка 1). По мере удаления от нее давления Р убывает, и в точке 2, в которой прекращается контакт сбегающей стружки с лезвием, давление равно 0. Ширина 1-2 контактной площадки при образовании хрупких материалов, например чугуна, равна или немного больше толщины срезаемого слоя. При обработке пластичных материалов ширина контактной площадки в 1,5 ... 3 раза больше толщины срезаемого слоя. На заднюю поверхность лезвия также действует неравномерно распределенная нагрузка на Р'.
Для решения практических задач, распределенную нагрузку на лезвие заменяют эквивалентной по значению и направлению действия результирующей силой резания Р. Для удобства расчетов результирующую силу Р раскладывают на составляющие. Для этого вводят систему координат. Ось X располагается горизонтально и параллельна оси вращения обрабатываемой заготовки; ось Z вертикальна и направлена вниз. Вектор равнодействующей силы Р может быть проецирован на оси X , Y , Z. Проекция силы Р на ось X называется осевой составляющей силы резанья.
Рис. 28. - Силы, действующие на резец.
Осевая составляющая Рос равна сопротивлению обрабатываемого материала врезанию резца в направлении подачи S и действующих в этом направлении сил трения. Значение осевой составляющей Рос необходимо знать при расчетах на прочность опор и механизма подач станка. Проекция силы Р на ось Y называется радиальной составляющей Р силы резания.
Она изгибает обрабатываемую заготовку в горизонтальной плоскости, что может служить причиной снижения точности обработки длинных заготовок, а также вызывает нежелательные вибрации.
Проекция силы Р на ось Z называется вертикальной или главной составляющей Р силы резания. Если точка приложения равнодействующей линии на высоте оси вращения заготовки, то направления вертикальной составляющей Р и вектора окружной скорости заготовки совпадают. Вертикальная составляющая силы резания Р равна суммарному действию сил сопротивления металла срезаемого слоя пластической деформации стружкообразования, разрушения, связанного с образованием новых поверхностей, изгиба стружки и сил трения, действующих в направлении оси Z.
Мощность процесса резания
Для разрушения материала срезаемого слоя и превращения его в стружку необходимо затратить некоторое количество энергии и произвести работу резания. Мощность, непосредственно затрачиваемая на осуществление процесса резания, называется эффективной мощностью и обозначается Ne. Если при резании направления действующей силы резания Р и скорости резания V совпадают, то
(2)
Если выразить Р в килоньютонах, а V м/мин., то получим единицу мощности - килловатт.
Эффективная мощность Ne в общем случае является суммарной мощностью, затраченной в процессе резания всеми составляющими Рх, Ру и Pz силы резания Р.
Мощность осевой составляющей силы резания
(3)
где n -частота вращения обрабатываемой заготовки;
S - продольная подача.
Мощность радиальной составляющей силы резания
(4)
т.к. вектор Ру перпендикулярен вектору V .
Мощность вертикальной составляющей силы резания Pz , направление которой совпадает с направлением скорости резания, определяется уравнением
Следовательно, эффективная мощность с использованием этих уравнений определяется как
(5)
Скорость подачи, выраженная произведением n • S, примерно на два порядка меньше окружной скорости V. Поэтому мощность N составляет 1.. .2 % всей затраченной эффективной мощности, а основная доля эффективноймощности (98.. .99 %) приходится на составляющую Nez.
В связи с этим расчет эффективной мощности производится по уравнению
, (6)
где под величиной Р условно принимается вертикальная составляющая Pz силы резания.