2. Силы резания и мощность, затрачиваемая на резание. Скорость главного движения резания, допускаемая режущими свойствами резцов

Определение силы резания

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: их значения могут колебаться на +(5... 10)% от средней величины. 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 препятствий рабочему движению лезвий являются: а) сопротивление обрабатываемых материалов пластической деформации стружкообразования; б) сопротивление пластически деформированных металлов разрушению в местах возникновения новых поверхностей; в) сопротивление срезаемой стружки дополнительной деформации изгиба и ломанию; г) силы трения на лезвии и других трущихся поверхностях рабочей части инструмента. Силу резания принято обозначать буквой Р латинского алфавита и выражать в ньютонах (Н) или килоньютонах (кН).

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 р по передней поверхности показан на рис. 2.1.

Рис. 2.1 – Распределение давления на передней и задней поверхностях лезвия резца

Наибольшее давление р_мах действует вблизи главной режущей кромки (точка 1). По мере удаления от нее давление р убывает, и в точке 2, в которой прекращается контакт сбегающей стружки с лезвием, давление р = 0. Ширина 1 — 2 контактной площадки при обработке 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. 2.1).

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

Результирующая сила резания. Точка ее приложения. Для решения ряда теоретических и практических задач, требуется знание как значения действующей силы резания, так и направления ее действия. Вычислять значения силы резания по размерам контактных площадок на лезвии и распределенному по ним неравномерному давлению сложно и трудоемко. Эти задачи решаются более просто, если нагрузку на лезвия заменить эквивалентной по значению и направлению действия результирующей силой резания, которая может быть выражена вектором Р_р.

Точка приложения силы Р_р может быть условно отнесена к различным участкам режущего лезвия в зависимости от решаемой задачи. Так, если рассматривают действие силы резания Р_р на резец, ее принято относить к вершине резца (рис. 2.2, а); если силу резания относят к обрабатываемой заготовке, точку ее приложения полагают лежащей на окружности наибольшего радиуса заготовки (рис. 2.2, б). Более обоснованно рассматривать результирующую силу Р_р, приложенной к середине фактически режущей части кромки (рис. 2.2, в).

Рис. 2.2 – Приложение к главной режущей кромке резца приведенной силы резания Р_р

Разложение результирующей силы резания. В общем случае вектор результирующей силы Р_р в зависимости от комплекса условий резания имеет различные значения и направления действия. Для удобства расчетов результирующую силу резания Р_р рассматривают в пространственной декартовой координатной системе xyz. В резании металлов приняты следующие принципы ориентации системы координат. Начало системы координат принято совмещать с точкой 1 вершины резца, установленной на высоте оси вращения заготовки (рис. 2.3). Ось х располагается горизонтально параллельно оси вращения обрабатываемой заготовки; ось у горизонтальна и перпендикулярна оси вращения заготовки (параллельно оси у обычно располагают геометрическую ось державки резца); ось z вертикальна и направлена вниз.

Вектор равнодействующей силы Р_р может быть спроецирован на оси х, у и z. Проекция силы Р_р на ось х называется осевой составляющей Р_х силы резания. Осевая составляющая Р_х равна сопротивлению обрабатываемого метал­ла врезанию резца в направлении подачи S и действующих в этом направлении сил трения. Значение осевой составляющей Р_х необходимо знать при расчетах на прочность опор шпинделя и механизма подачи станка.

Рис. 2.3 – Составляющие силы резания

Проекция силы Р_р на ось у называется радиальной составляющей P_у 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_р на ось z называется вертикальной (главной) составляющей Р_z силы резания. Если точка приложения равнодействующей лежит на высоте оси вращения заготовки, направления вертикальной составляющей P_z и вектора окружной скорости заготовки v совпадают. Вертикальная составляющая силы резания Р_z 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.

Соотношение между составляющими силы резания.

Это соотношение не постоянно. При резании сталей вновь заточенными резцами с главным углом в плане  = 45° имеют место соотношения P_x/P_z = 1/3 и P_y/P_z = 1/4. За время резания до последующей переточки лезвие резца изнашивается. Износ передней поверхности мало влияет на соотношение составляющих силы резания. Износ же задней поверхности лезвия существенно влияет на значения горизонтальных составляющих Р_х и Р_у. За период стойкости они постепенно возрастают и перед повторной переточкой практически устанавливается равенство всех трех составляющих силы резания, т. е. Р_х  Р_у  P_z.

Все прочностные и мощностные расчеты ведутся по максимально достигаемым значениям составляющих силы резания. Из написанных выше соотношений между ними следует, что наибольшей из составляющих является вертикальная составляющая, и, следовательно, она в основном определяет ход процессов, протекающих в зоне стружкообразования.

В технической литературе по резанию металлов и технологии машиностроения под «силой резания» принято понимать вертикальную (главную) составляющую и обозначать ее буквой Р без указания индекса. Лишь в тех случаях, когда имеются в виду определенные составляющие, употребляются вышеприведенные обозначения Р_х, Р_у и P_z.

Задача 2.1. Определить составляющие силы резания Р_z, Р_у, Р_х при продольном точении заготовки резцом из твердого сплава с глубиной резания t, подачей S₀ и скоростью резания v (табл. 2.1).

Таблица 2.1

Данные к задаче 2.1

Задача 2.2. Определить мощность N_peз, затрачиваемую на резание, и момент, сопротивления резанию М_с.р, если при продольном точении заготовки диаметром D (мм) со скоростью главного движения резания v (м/мин) главная составляющая силы резания составила Р (Табл. 2.2).

Таблица 2.2

Данные к задаче 2.2

№ варианта	D, мм	V		Pz		№ варианта	D, мм	V		Рz
		м/мин	м/с	Н	кгс			м/мин	м/с	Н	кгс
1 2 3 4 5	140 160 65 45 90	75 130 180 240 64	1,25 2,16 3 4 1,06	2750 2200 3000 1050 3600	275 220 300 105 360	6 7 8 9 10	70 220 85 110 30	110 60 265 90 150	1,83 1 4,42 1,5 2,5	3200 4000 600 3250 500	320 400 60 325 50

Задача 2.3 Определить скорость главного движения резания, допускаемую режущими свойствами резца, при подрезке торца диаметром D до диаметра d для заданных условий обработки. Направление подачи – от периферии к центру. (Табл 2.3).

Таблица 2.3

Данные к задаче 2.3

Продолжение табл. 2.3

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Алексеев Г. А, Аршинов В. А., Кричевская Р. М. Конструирование инструмента. М.: Машиностроение, 1979. 384 с.

2. Аршинов В. А., Алексеев Г. А. Резание металлов и режущий инструмент. Изд. 3-е. М.: Машиностроение, 1975. 440 с.

3. Грановский Г. И., Панченко К. П. Фасонные резцы. М.: Машиностроение, 1975. 304 с.

4. Краткий справочник металлиста/П. Н. Орлов, Е. Л. Скороходов, Л. Ю. Беговшиц и др./Под ред. П. Н. Орлова и Е. Л. Скороходова. Изд. 3-е. М.: Машиностроение, 1986. 960 с.

6. Обработка металлов резанием. Справочник технолога/Г. Л. Монахов, В. Ф. Жданович, Э. М. Радинскпй и др./Под ред. Г. Л. Монахова. М.: Машиностроение, 1974. 600 с.

7. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Часть 1. Изд. 2-е. М.: Машиностроение, S974. 416 с.

8. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Ч. Изд. 2-е. М.: Машиностроение, 1974. 200 с.

9. Общемашиностроительные нормативы режимов резаная для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Ч, 3, Изд. 3-е. М.: ЦБНТНИИ труда, 1978. 360 с.

10. Режимы резания металлов: Справочник; Под ред. Ю. В. Барановского/Л. А. Брахман, Ц. 3. Бродский, Л. А. Быков и др. Изд. 3 а, М.: Машиностроение, 1972. 407 с.

12. Справочник металлиста. Т. З./Е. Д. Баклунов, А. К. Белопухов, М. И. Жебин и др./Под ред. А, Н. Малова. М.: Машиностроение, 1977. 748 с.

13. Справочник металлиста. Т. 4/Г. Я. Андреев, Б. С. Балакшин, Г. Я. Бернштейн и др./Под ред. М. П. Новикова и П. Н. Орлова, M.I Машиностроение, 1977. 707 с.

14. Справочник металлиста. Т. 5./В. П. Бобров, Б. Л. Богуславский, Д. Е. Гиндин и др./Под ред. Б, Л, Богуславского. М.: Машиностроение, 1978, 673 с,

15. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 1./В. Б. Борисов, Е. И. Борисов, В. Н. Васильев и др./Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. 656 с.

16. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 2/Ю. А. Абрамов, В. Н. Андреев, Б. И. Горбунов и др./Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. М.: Машиностроение, 1985. 496 с.

17. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 1/К. Ф. Антипов, Б. И. Горбунов, С. Н. Калашников и др./Под ред. А. Г. Косиловой и Р. К. Мещерякова. Изд. 3-е. М.: Машиностроение, 1972. 694 с.

18. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 2/В. Н. Гриднев, В. В. Досчатов, В. С. Замалин и др./Под ред. А. Н. Малова. Изд. 3-е. М.: Машиностроение, 1972. 568 с.

СОДЕРЖАНИЕ

1. Элементы режимов резания. Основное (технологическое) время	1
2. Силы резания и мощность, затрачиваемая на резание. Скорость главного движения резания, допускаемая режущими свойствами резцов.	6
Библиографический список	15

РАСЧЕТ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению практических занятий

по дисциплине «Физические основы обработки

материалов резанием» для студентов направления

подготовки бакалавров 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных

производств» (профиль «Металлообрабатывающие станки и комплексы») всех форм обучения

Составители:

Жачкин Сергей Юрьевич

Симонова Юлия Эдуардовна

В авторской редакции

Подписано к изданию 8.10.2012.

Уч.-изд. л. 1,0 «С»

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»