6.3. Методы измерения сил резания

Наиболее часто силы резания определяют на основе непосредственного измерения с помощью специальных приборов. Существует большое количество таких приборов, называемых динамометрами. Деформации упругих элементов динамометра непосредственно или с использованием связанных с ними явлений служат основой для измерения сил резания. Независимо от конструкции динамометры состоят из следующих основных частей: 1) первичного измерительного преобразователя, воспринимающего нагрузку; 2) регистрирующего устройства; 3) вспомогательных звеньев, связывающих их друг с другом.

Динамометры подразделяются на гидравлические, механические, электрические.

Гидравлические динамометры в настоящее время не находят применения по причине большой инерционности рычажно-поршневой системы, из-за чего показания отстают от быстропротекающих процессов и искажают картину изменения сил резания во времени и по величине, а также из-за малой чувствительности.

Принцип работы механических динамометров (рис. 6.13) основан на том, что под действием сил резания на резец 9 резцедержатель 8 вследствие деформации упругих стенок 1 корпуса 6 перемещается. Эти перемещения через сухари 2 и ножки индикатора 4, 7 фиксируются индикаторами 3 и 5.

Механические динамометры просты по конструкции, но имеют те же недостатки, что и гидравлические, и поэтому получили ограниченное распространение.

Электрические динамометры являются наиболее чувствительными приборами, так как они мало инерционны и позволяют с помощью осциллографа производить запись быстропротекающих процессов за тысячные и стотысячные доли секунды. Такие динамометры преобразуют механическое воздействие сил резания в легко измеряемые электрические величины.

Электрические преобразователи подразделяются на емкостные, или конденсаторные; индуктивные; тензометрические.

Рис. 6.13. Схема механического динамометра

В емкостных преобразователях (рис. 6.14) под действием силы резания перемещается упругая пластина конденсатора, изменяя воздушный зазор ∆h, а следовательно, и емкость конденсатора. Изменение емкости при помощи высокочастотного устройства приводит к колебанию силы тока, регистрируемой с помощью гальванометра или осциллографа.

Рис. 6.14. Емкостной преобразователь

Рис. 6.15. Индуктивный преобразователь

Индуктивные преобразователи (рис. 6.15) основаны на изменении индуктивности токонесущего контура, а следовательно, и силы тока в обмотке в зависимости от воздушного зазора ∆h между ферромагнитными телами. Изменение силы резания соответственно влияет на регистрируемый ток.

Проволочные, или тензометрические, первичные преобразователи представляют собой несколько витков очень тонкой проволоки, изготовляемой из специального сплава, которая изменяет электрическое сопротивление при деформации преобразователя. Витки или решетку из такой проволоки помещают между двумя склеенными бумажными полосками и наклеивают на элемент 6 (державку) (рис. 6.16). Под влиянием сил резания элемент 6 и приклеенная к нему проволока 5 упруго деформируются. Это вызывает изменение силы тока в электрической цепи, которая увеличивается усилителем 2 и измеряется регистрирующим прибором 1. Чтобы искажений не было в показаниях приборов при измерении сил резания из-за непостоянства напряжения в сети, в электрическую цепь необходимо включать стабилизатор напряжения 3, устанавливаемый между регистрирующим прибором и источником питания 4.

Рис. 6.16. Схема измерения сил резания с использованием

тензометрических преобразователей

В зависимости от того, сколько составляющих сил резания можно измерить динамометром, они называются одно-, двух- или трехкомпонентными.

Наиболее широкое распространение среди электрических динамометров получил универсальный динамометр СУРП (старое название УДМ; выпускаются модификации СУРП-100, СУРП-600 и СУРП-1200). Он позволяет измерять составляющие силы резания при точении, фрезеровании, шлифовании, осевую силу и крутящий момент при сверлении, зенкеровании, развертывании, нарезании резьбы метчиком и рассчитан на максимальное значение , равное 1, 6 или 12 кН.

Принципиальная схема динамометра изображена на рис. 6.17. Основой его является квадратная пластина 2, установленная в корпусе 1 динамометра на 16 упругих опорах, на которых наклеены тензометрические преобразователи. Опоры имеют трубчатую форму и обладают высокой жесткостью вдоль оси и малой жесткостью в направлении, перпендикулярном к оси. На вертикальные опоры, воспринимающие силы, направленные по оси z, наклеено по одному преобразователю; на горизонтальные опоры, воспринимающие силы, действующие вдоль осей х и y, и крутящий момент, - по два. Первые преобразователи служат для измерения горизонтальных сил, а вторые – крутящего момента.

Рис. 6.17. Схема универсального динамометра

Преобразователи соединены между собой таким образом, что сигнал на выходе измерительной схемы является алгебраической суммой реакции опор. Это обеспечивает независимость показаний динамометра от вылета резца. Динамометр укомплектован тензометрическим усилителем и записывающим устройством.

Динамометры не позволяют определить непосредственно силы резания; их показания соответствуют деформациям, пропорциональным действующей силе. Поэтому перед работой необходимо протарировать динамометр. Тарирование заключается в том, что динамометр нагружают в направлении сил резания сначала возрастающими, а затем убывающими силами, которые известны. Показания динамометра, соответствующие определенным силам, регистрируются. На основании этих данных по средней линии нагрузки и разгрузки строят тарировочный график (рис. 6.18), которым в дальнейшем пользуются при расшифровке показаний динамометра.

Рис. 6.18. Тарировочный график силы резания Р:

1 - нагрузка; 2 – разгрузка

Ключевые слова и понятия

Сила резания Р	Тарировка
Касательная сила	Эффективная мощность
Радиальная сила	Мощность станка
Осевая сила	Зависимость =f( , HB)
Динамометр	Зависимость =f(t, s, V)
Гидравлический динамометр	Зависимость =f( ,)
Механический динамометр	Зависимость , =f()
Электрический динамометр	Формулы для расчета , и

Контрольные вопросы

1. Каковы принцип работы и область применения гидравлических, механических и электрических динамометров?

2. Каковы составляющие равнодействующей силы резания P при точении?

3. Как рассчитать эффективную мощность, затрачиваемую на процесс резания?

4. Каким образом влияют на силы резания свойства обрабатываемого материала? геометрические параметры резца? элементы режима резания?