714

це, а всегда несколько меньше ее. Поскольку физические и технологические размеры срезаемого слоя связаны друг с другом только через главный угол в плане, то влияние t и S на силу Рz остается таким же, как влияние b и а. Все сказанное относится к резанию как с прямыми, так и с обратными слоями. Поэтому в формуле для определения силы Рz при точении с обратными слоями показатели степени при t и S меняются местами.

Более сильное влияние на силу Рz ширины срезаемого слоя, чем толщины, имеет место не только при точении, но справедливо при любых видах работ. Поэтому для уменьше-

ния главной составляющей силы резания при заданной площади сечения срезаемого слоя во всех случаях необходимо стремиться работать с возможно меньшим отношением b/а, увеличивая толщину срезаемого слоя за счет уменьшения его ширины.

Изменение скорости резания влияет на составляющие силы резания так, как оно влияет на изменение коэффициента усадки стружки (рис. 69). При резании материалов, не склонных к наростообразованию, коэффициент усадки монотонно убывает, когда увеличивается скорость резания. Так же ведут себя и составляющие силы резания, уменьшающиеся при увеличении V вначале быстро, а затем более медленно. При резании материалов, склонных к наростообразованию, кривая Рz = f1(V) так же, как и кривая Kl = f2'(V), немонотонна, причем обе кривые совпадают по фазам. Начиная от скорости V1 до скорости V2, при которой высота нароста растет, сила Pz уменьшается, достигая минимума при максимально развитом наросте. При скоростях резания от V2 до V3, при которых высота нароста уменьша-

121

ется, сила Pz вновь возрастает. На скоростях резания, которые больше скорости V3, соответствующей исчезновению нароста, сила Pz при увеличении скорости резания в дальнейшем непрерывно уменьшается. Все сказанное относится и к изменению сил Py и Px. Скорости резания, с которыми работают при точении твердосплавными резцами, выше, чем скорость V3. Поэтому участок кривой сила–скорость для V > V3 можно описать формулами

Рz = Cz1 ; Рy = Cz2 ; Рx = Cz3 .

V P V P V P

Для диапазона скоростей резания 50…350 м/мин показатели степени, в зависимости от рода обрабатываемого материала, переднего угла и подачи, изменяются в следующих пределах: для силы Pz –

0,35…0,1; для силы Рy – 0,5…0,25 и для силы Рx – 0,5…0,3.

На скоростях резания больше 400 м/мин при резании любых материалов скорость резания практически перестает влиять на составляющие силы резания, и показатель степени zP → 0.

2.4.4. Влияние геометрических параметров резца на составляющие силы резания

Влияние главного угла в плане. Главный угол в плане ϕ изме-

няет отношение b/а и положение главного лезвия относительно движения подачи. И то и другое при изменении угла ϕ вызывает изменение составляющих силы резания.

Увеличение главного угла в плане при постоянных t и S вызывает уменьшение отношения b/а, что должно привести к непрерывному уменьшению силы Рz. Это хорошо подтверждается экспериментом при свободном точении любых материалов и при несвободном точении чугуна. Как видно из рис. 70, то же самое наблюдается и при несвободном точении стали резцом без переходного лезвия (кривая 2).

При несвободном точении резцом с переходным лезвием, начиная со значения угла ϕ = 60°, сила Рz не уменьшается, а вновь возрастает. Немонотонность влияния угла ϕ на силу Рz связана в этом слу-

122

тяжелее, чем на главном лезвии.

Продольные слои стружки, перемещаясь по передней поверхности

внаправлениях, перпендикулярных к переходному лезвию, мешают друг другу, увеличивают степень деформации срезаемого слоя, что,

вконечном счете, приводит к увеличению силы Рz.

При резании пластичных материалов (сталей) для углов ϕ < 50…60° превалирует эффект от уменьшения отношения b/a, а для углов ϕ > 60° – эффект от ухудшения условий стружкообразования. При резании хрупких материалов (чугунов) отрицательная роль переходного лезвия незначительна, так как стружка ломкая и степень ее деформации невелика. Поэтому сила при увеличении угла ϕ уменьшается за счет уменьшения отношения b/a. Силы Рy и Рx являются проекциями горизонтальной равнодействующей Рxy на оси y и x. Поэтому при увеличена угла ϕ сила Рy должна уменьшаться, а сила Рx возрастать (см. рис. 71). Влияние главного угла в плане на составляющие силы резания описывается следующими формулами:

123

Влияние переднего угла. Уменьшение переднего угла γ увеличивает коэффициент усадки стружки и работу стружкообразования. Это приводит к увеличению всех составляющих силы резания. Однако влияние переднего угла резца на силы Рz, Рy и Рx неодинаково. Уменьшение положительного и увеличение отрицательного угла γ наиболее сильно сказывается на росте осевой силы. Радиальная и окружная силы возрастают в меньшей степени. Влияние переднего угла на составляющие силы резания математически удобнее описывать, используя угол резания δР = 90° – γ.

Влияние угла резания на силы Рz, Рy, Рx выражают формулой

Рi = С13 δqРР .

Показатели степени qР для сил Рz, Рy, Рx соответственно равны

0,95…1,05; 2,0…2,5; 2,5…3,5.

Влияние заднего угла. Задняя поверхность инструмента угла в стружкообразовании не участвует. Поэтому изменение заднего угла не меняет величину нормальной силы и силы трения, действующих на передней поверхности. Следовательно, влияние заднего угла на составляющие силы резания может проявляться только через изменение сил, действующих на задней поверхности. Эксперименты показывают, что если задний угол резца больше 8…10°, то составляю-

124

щие силы резания от величины заднего угла не зависят. При меньших углах уменьшение заднего угла вызывает незначительное возрастание сил Рz, Рy, Рx. Для диапазона задних углов 2…10° это возрастание при обработке стали описывается формулами Рz =

= 360 – 2,2α; Рy = 118 – 2α; Рx = 96 – 1,2α.

Если при увеличении прочности материала коэффициент усадки стружки уменьшается сравнительно мало, то силы Рz, Рy и Рx возрастают, а если увеличение прочности сопровождается значительным снижением коэффициента усадки, то это приводит к уменьшению сил (табл. 3). Несмотря на то, что предел прочности на растяжение меди намного уступает стали 20Х, сила Рz при резании обоих материалов одинакова. Это вызвано тем, что коэффициент усадки стружки для стали 20Х примерно во столько раз меньше, чем для меди, во сколько раз больше касательные напряжения на условной плоскости сдвига. Значительное увеличение силы Рz при резании стали 1Х18Н9Т по сравнению со сталью 20Х связано с тем, что уменьшение коэффициента усадки стружки для стали 1Х18Н9Т отстает от возрастания напряжений сдвига.

Таблица 3

Влияние механических свойств обрабатываемого материала на величину силы Рz (γ = 20°; а = 0,22 мм; V = 0,2 м/мин)

Приведенные примеры показывают, что одни прочностные характеристики обрабатываемых материалов различного химического

125

состава не могут служить объективным показателем при оценке сил, возникающих при резании.

Для групп материалов, однородных по своему химическому составу, увеличение напряжений сдвига при увеличении прочности, как правило, значительно опережает уменьшение коэффициента усадки стружки. Поэтому составляющие силы резания растут при увеличении предела прочности при растяжении или твердости по Бринелю.

Это позволило получить приближенные формулы, которые обеспечивают достаточную точность при инженерных расчетах составляющих силы резания. При резании пластичных материалов расчет сил Рz, Рy и Рx ведут по σb или по НВ; при резании хрупких материалов за основу берется твердость НВ. Формулы имеют вид:

1)при обработке сталей Рz = C15σbnP ;

2)при обработке чугунов Рz = С16 (НВ) nP.

Таблица 4

Средние значения показателя степени в формулах для расчета составляющих силы резания

в зависимости от прочности материала обрабатываемой детали

Средние значения показателя степени nP при обработке конструкционных углеродистых, легированных сталей и чугуна приведены в табл. 4.

Материал режущей части резца на составляющие силы резания влияет сравнительно слабо. Различные инструментальные материалы имеют различный средний коэффициент трения на передней поверхности, что при одинаковой нормальной силе дает различную величину силы трения и коэффициента усадки стружки. Поэтому с уменьшением среднего коэффициента трения на передней поверхности составляющие силы резания становятся меньше. Средние коэффициенты трения при резании быстрорежущими сталями и твердыми сплавами группы ВК приблизительно одинаковы. Поэтому сила Рz при резании резцами из быстрорежущих сталей и однокарбидных твердых сплавов также одинакова. С увеличением содержания карбидов титана в твердом сплаве средний коэффициент трения уменьшается, вследствие чего сила Рz при точении резцами, оснащенными пластинками из двухкарбидных сплавов, на 5…10 % меньше, чем при точении резцами, оснащенными пластинками из однокарбидных сплавов. Наибольшее снижение силы Рz дает сплав Т3ОК4, а наименьшее снижение – сплав Т5К10.

2.4.5. Влияние степени затупления резца

исмазочно-охлаждающих жидкостей на составляющие силы резания

По мере изнашивания резца изменяется форма передней и задней поверхностей, а главное лезвие теряет свою остроту. Если на передней поверхности отсутствует хорошо развитый нарост, то затупление инструмента сопровождается ростом составляющих силы резания. При изнашивании резца только по задней поверхности силы Рz, Рy и Рx растут непрерывно (рис. 72), причем особенно сильно увеличиваются горизонтальные составляющие Ру и Рх. Если одновременно изнашиваются передняя и задняя поверхности, то при резании сталей в начальный период изнашивания силы Рz, Рy и Рx остаются постоянными или даже несколько уменьшаются.

127

Известно, что применение СОЖ, обладающих высокими смазочными свойствами, облегчает условия стружкообразования, уменьшает коэффициент усадки стружки и величину относительного сдвига. Это связано в основном с уменьшением среднего коэффициента трения и силы трения на передней поверхности. Вследствие улучшений условий стружкообразования составляющие силы резания при применении СОЖ уменьшаются. При этом в большей степени снижаются горизонтальные проекции силы резания, в основном зависящие от силы трения. Например, если при применении масляных жидкостей сила Рz в среднем снижается на 20 %, то снижение силы Рy происходит на 30 %. Эффективность СОЖ по снижению составляющих силы резания зависит от способности жидкостей снижать средний коэффициент трения и так называемой «грузоподъемности» жидкости – свойства разделять трущиеся поверхности граничным слоем смазки при определенном нормальном давлении. Силу Рz в наибольшей степени снижают химически активные жидкости (жидкости, увеличивающие износ инструмента по сравнению с резанием всухую) – четыреххлористый углерод, этиловый спирт, вода. По-

128

верхностно-активные жидкости (олеиновая кислота, активированный керосин) также снижают силу Рz, но в меньшей степени. Эффект от применения СОЖ уменьшается при увеличении толщины срезаемого слоя (подачи) и скорости резания. При увеличении толщины срезаемого слоя растут нормальные контактные напряжения, что приводит к локальным разрывам слоя СОЖ и возникновению участков сухого трения между передней поверхностью инструмента и стружкой. При толщине срезаемого слоя 0,04 мм активированный керосин по сравнению с резанием всухую снижает силу Рz на 40 %, а при толщине срезаемого слоя 0,2 мм – всего на 15 %. При увеличении скорости резания пленки СОЖ частично разрушаются из-за высокой температуры резания. Например, при резании стали А12 с подачей 0,04 мм/об. и скоростью резания V = 3,7 м/мин при применении по- верхностно-активной СОЖ уменьшение силы Рz составляет 40 %, а при скорости резания 93 м/мин – только 6 %.

Эффект уменьшения главной составляющей силы резания при применении различных СОЖ оценивают поправочным силовым коэффициентом KСОЖ, значения которого при резании сталей в зависимости от применяемой СОЖ колеблются в пределах 0,97…0,75.

2.4.6. Методы определения сил резания

Существуют прямые и косвенные методы определения силы резания.

Непосредственное измерение сил резания производится приборами, называемыми динамометрами.

Существует большое количество различных конструкций динамометров. По принципу действия они делятся на гидравлические, механические и электрические. Наиболее современными являются электрические динамометры, так как они малоинерционны, чувствительны и компактны. Благодаря этому электрические динамометры обеспечивают высокую точность измерения и ими можно определять как большие, так и малые значения сил резания. При измерении сил резания используются следующие электрические динамометры: пье-

129

зоэлектрические, емкостные, омического сопротивления, индуктивные и магнитные. Например, на рис. 73 изображен электроиндукционный динамометр В.Ф. Парамонова, использующий при измерении трех составляющих силы резания метод магнитной индукции.

Рис. 73. Электроиндукционный динамометр В.Ф. Парамонова: 1 – брус; 2, 3, 4, 5 – корпус прибора с симметричными стойками; Dz – датчик силы Pz; Dy – датчик силы Py; Dx – датчик силы Px

Однако наибольшее применение нашли тензометрические динамометры с встроенными тензорезисторами.

Тензорезисторы. Их действие основано на принципе изменения сопротивления металлов и полупроводников под действием деформаций. Чувствительные элементы тензорезисторов могут быть выполнены в виде петлеобразной решетки из тонкой проволоки (рис. 74, а) или фольги (рис. 74, б), в виде пластинки монокристалла из полупроводникового материала. Чувствительные элементы могут быть также образованы напылением в вакууме полупроводниковой пленки и другими способами. Чувствительный элемент 4 обычно прикрепляют к основе 2 из изоляционного материала (бумага, лаковая пленка, ткань и др.) с помощью связующего 3 (клея, цемента),

130