Лабораторная работа № 4 изучение процесса цилиндрического фрезерования

Цель работы - теоретическое и практическое изучение процесса цилиндрического фрезерования и определение динамических характеристик процесса путем решения прямой задачи, т.е. по заданной скорости подачи и известным технологическим параметрам обработки (глубине, ширине фрезерования, породе древесины, диаметре окружности резания, частоте вращения режущего инструмента и пр.) определить главную и радиальную составляющие силы резания и мощность, затрачиваемую на резание.

Оборудование, инструмент и материалы - станок рейсмусовый СР6-7; станок фуговальный СФ4-4; образцы древесины различных пород; мерительный инструмент: микрометр, штангенциркуль, линейка, угломер.

4.1 Теоретические основы цилиндрического фрезерования

Фрезерование – процесс обработки древесины вращающимися резцами, в котором траекторией резания является циклоида, и в результате которой от материала отделяется часть в виде стружки серповидной формы. Фрезерованием обрабатывают плоские и профильные поверхности деталей, концы деталей для образования присоединительных поверхностей, формируют гнезда и отверстия, изготавливают стружку-продукт. По принципу фрезерования работают фуговальные, рейсмусовые, фрезерные, копировально-фрезерные, брусующие станки и автоматы.

При цилиндрическом фрезеровании поверхность вращения, образуемая лезвием инструмента, представляет цилиндр, ось вращения инструмента параллельна обрабатываемой поверхности.

Процесс фрезерования (рисунок 4.1 а) происходит при равномерном вращении инструмента (главное движение резания) и равномерном перемещении заготовки (движение подачи). Главное движение резания характеризуется скоростью главного движения резания V (м/с), движение подачи – скоростью движения подачи V_s (м/мин) .

Если движение подачи направлено навстречу вращения инструмента, то подачу называют встречной, если совпадает – попутной.

При изучении процесса цилиндрического фрезерования рассматривают три вида касательных и радиальных сил: мгновенную, среднюю и окружную.

Мгновенная фактическая касательная сила резания Р_х , H, имеющая место в данный момент, может быть определена по формуле:

Р_х = K b  a , (1)

где K - удельная сила резания, Н/мм²;

b - ширина фрезерования, мм;

a - толщина срезаемого слоя (стружки), мм.

Удельная сила резания определяется по формуле:

K= K_т  а_n а_ а_m а_ а_w’ , (2)

где К_т - табличное значение удельной силы резания, Н/мм² (таблица 4.1);

а_п - поправочный коэффициент на породу (таблица 4.2);

а_ -поправочный коэффициент на угол резания (при  = 65-75^о для сосны

а_ = 1,2; для дуба a_ = 1,33);

а_т - поправочный коэффициент на трение (принимают при открытом

фрезеровании равным 1; при выборке четверти а_т = 1,1; при

выборке шпунта глубиной до 15 мм а_т = 1,2);

a_ - коэффициент, учитывающий влияние затупления резцов, его значение

в зависимости от времени работы ножей после заточки приведены в

таблице 4.3;

a_w - поправочный коэффициент на влажность древесины (таблица 4.4).

Величина удельной силы резания К во время срезания одной стружки меняется по мере изменения угла встречи _в резца с волокнами древесины (рисунок 4.1 в), т.е. угла, под которым перерезаются волокна древесины.

В процессе срезания одной стружки величина удельной силы резания К изменяется также по мере уменьшения толщины срезаемого слоя (стружки).

Толщина стружки а, мм, есть величина переменная, она изменяется по радиусу, проведенному в данную точку. В точке входа 1 (рисунок 4.1 б) толщина стружки а = 0. С увеличением угла  величина а возрастает, достигая максимума в точке 2. Связь между толщиной стружки и углом  выражается уравнением:

а = S_z sin  . (6)

Рисунок 4.1 - Процесс цилиндрического фрезерования: а - схема взаимодействия цилиндрической фрезы и древесины, б - срезаемый слой стружки в сечении, получаю­щийся при цилиндрическом фрезеровании; в - схема к определению угла встречи резца с волокнами древесины (условно принято, что движение подачи придается инструменту)

Величина S_z - подача на зуб, мм, или расстояние между предыдущей и последующей траекториями, взятое по направлению подачи, равна:

S_z = 1000  V_s / z  n , (7)

где Vs - скорость подачи, м/мин;

z - число резцов (ножей), шт;

n - частота вращения ножевого вала, мин^-1.

Максимальная толщина срезаемого слоя будет в точке 2 при  = _вых, мм

а_max S_z sin _вых , (8)

Угол выхода, _вых, град:

_вых = arccos (R – t) / R , (9)

где R - радиус окружности резания, мм;

t - глубина фрезерования, мм

t = t₁ - t_{2 ,} (10)

где t₁ - толщина образца до обработки, мм;

t₂ - толщина образца после обработки, мм.

Из формул (1) и (6) имеем:

Р_х = K  b  S_z sin , (11)

Если приближенно считать, что в пределах значений  от _вх до _вых , т.е. на длине стружки, величина К не зависит от , а величина sin  пропорциональна  , то:

Р_х  f (  ).

Эта зависимость может быть изображена на графике (рисунок 4.2 а) в виде треугольника, у которого основание равно длине стружки l , а высота равна максимальному значению фактической силы резания P_х max.

Средняя сила резания Pх ср, Н, совершает за время срезания одной стружки ту же работу, что и переменная фактическая сила резания (рисунок 4.2б):

Р_х.ср. = 0,5  P_х max , (12)

Кроме того, средняя сила резания, Р_{х ср} Н, может быть определена по формуле:

Р_{х ср} = К  b  а_ср , (13)

где а_ср - средняя толщина срезаемого слоя (стружки), мм.

а_ср = S_z t / l , (14)

где t - глубина фрезерования, мм;

l - длина срезаемого слоя (длина дуги контакта), мм.

l =   D  _к / 360 , (15)

где _{к -} угол контакта :

_к = _вых + _вх , (16)

При _вх= 0 _к = _вых .

Рисунок 4.2 - Диаграммы касательных сил резания: а - мгновенной; б - средней; в - окружной

Окружная сила резания Р_х окр, Н, (рисунок 4.2 в) – условная, постоянная по величине сила, которая как будто действует при резании непрерывно во все время полного оборота ножевого вала, определяется по формуле:

Р_х.окр = К  b  t  V_s / 60  V , (17)

Скорость главного движения резания, V, м/с, равна

V =   D  n / 60  1000 . (18)

Окружная касательная сила резания, Р_х.окр, Н, может быть также определена по формуле:

Р_{х окр} = Р_{х ср}  l  z / π  D . (19)

После определения касательных сил ( Р_х.ср, Р_х.max, Р_х.окр) вычисляются значения соответствующих им радиальных сил Р_{z ср}, Р_{z max}, Р_{z окр} по формуле:

Р_z = m  Р_{x ,} (20)

где m - переходный множитель, зависящий, главным образом от остроты резца; значения m приведены в таблице 4.5.

Мощность, затрачиваемая на резание N_рез, кВт, определяется по формуле:

N_рез = Р_х.окр  V / 1000 (21)

Таблица 4.1 - Удельная сила резания К_т (приближенно) при открытом цилиндрическом фрезеровании острыми резцами сухой, W = 1015 , сосновой древесины при средних режимах (=55⁰;D =125 мм; t = 1,5 … 4,5 мм)

Подача на зуб, Sz , мм	Кт (Н/м2) при глубине фрезерования t , мм
	1,5	3,0	4,5
0,3	30	27	25
0,4	28	25	23
0,5	26	24	22
1,0	20	18	17
1,5	16	15	14
2,0	14	13	12
2,5	12	11	10
3,0	11, 5	10	9,5

Таблица 4.2 - Поправочный коэффициент на породу а_n

Порода	Значения аn	Порода	Значения аn
Липа, осина	0,8	Береза	1,2 …1,3
Ель	0,9…1,0	Бук	1,3 …1,5
Сосна	1,0	Дуб	1,5…1,6
Ольха	1,0…1,05	Ясень	1,5…2,0
Лиственница	1,1

Таблица 4.3 - Поправочный коэффициент на затупление инструмента а_

Работа инструмента после заточки, час.	1	2	3	4	5	6
Значения а	1,1	1,15	1,2	1,25	1,3	1,35

Таблица 4.4 - Поправочный коэффициент на влажность древесины а_w

Состояние древесины	Очень сухая W= 5…8 	Сухая W= 10…15	Воздушно-сухая W=25…30 	Сырая W= 50…70 
Значения аw	1,1	1,0	0,95	0,9

Таблица 4.5 - Переходной множитель m

Время работы инструмента после заточки, час	Значения m	Время работы инструмента после заточки, час	Значения m
0,5	0,1	8,0	0,70
1,0	0,2	9,0	0,75
2,0	0,3	10,0	0,80
3,0	0,4	11,0	0,85
4,0	0,5	12,0	0,90
5,0	0,55	14,0	0,95
6,0	0,60	15,0	1,00
7,0	0,65