книги из ГПНТБ / Вульф А.М. Резание металлов

на резец силы не расположено симметрично относительно его гра­ ней, как у клина.

Рис. 55. Силы, действующие на резец

На передней поверхности резца (рис. 55) на стружку действуют нормальная сила Na и сила трения Fn; на задней грани соответ­ ственно N3 и F3. Их равнодействующая может быть разложена на силы Рг и Рг. Условно принимая срезаемый слой и стружку абсолютно упругими, можно считать, что сила Рх вызывает на­ пряжение сдвига вдоль поверхности резания, а сила Р 2 отрывает стружку от поверхности резания. Согласно рис. 55, а имеем

чем больше передний угол у и меньше угол трения р. В этом слу­ чае образуется опережающая трещина, процесс резания облег­ чается. И наоборот. При р > у получается отрицательное зна-

110

чение силы Рг, т. е. вместо отрыва происходит сжатие, трещина залечивается и процесс резания затрудняется.

На рис. 55, б показан второй вариант анализа сил, действую­ щих на передней поверхности резца. Здесь также имеем нормаль­

Рг

Рис. 56. Изменение силы в процессе резания бронзы

напряжения на поверхности сдвига вблизи режущей кромки и тогда при обработке хрупких металлов облегчается отрыв эле­ ментов стружки на поверхности сдвига.

В действительности при обработке металлов силы резания затрачиваются на упругие деформации, пластические деформации,

нических свойств обрабатываемого материала, режима резания и геометрии инструмента. Это обстоятельство отражается на дина­ мике процесса резания. Можно заметить, что силы резания при неизменных условиях резания не остаются постоянными, особенно при малых скоростях резания.

На рис. 56 показана кривая изменения нагрузки на резец, полу­ ченная автором на прессе Гагарина при свободном резании бронзы. По мере внедрения резца в материал сила резания постепенно растет; этому соответствует достаточно интенсивное увеличение упругой деформации до значения Рг (прямолинейный участок диаграммы), а затем менее интенсивное до силы Р2. На последнем участке замечаются колебания нагрузки, вызванные образова­ нием трещины, после чего кривая нагрузки резко падает. Эти ко-

111

лебания не замечались при резании вязкой меди и мягкой стали,

ния может достигать нескольких тысяч циклов/с. При низких

в виде составляющих, действующих в различных, на-иболее инте­ ресующих нас направлениях. Эти составляющие силы изображены на рис. 57.

Рг — касательная — главная и часто наибольшая по величине сила, действующая в направлении траектории главного рабочего движения и поэтому определяющая мощность и крутящий момент, необходимые для процесса резания.

танной поверхности, имеющая большое значение в технологи­ ческом процессе. Эта сила стремится прогнуть изделие и оттолк­ нуть от него резец; она способствует вибрациям и в значительной степени влияет на точность и качество обработанной поверхности.

В действительности, эти соотношения значительно колеб­ лются в зависимости от угла в плане ср, угла резания б, углов

112

А —

противоположно направленная, равна сумме проекции их, т. е.

подачи на передней и задней поверхностях (пренебрегаем силой трения) равна (рис. 59)

Рх — Р х\'

113

а для резца с отрицательным передним углом (—у)

Это получается в полном согласии с уравнением (68), показы­ вающим, что сила подачи Рх заметно увеличивается с уменьшением угла ух или с увеличением угла резания б. Из того же уравнения (пренебрегаем силами, действующими на задней поверхности) получается условие, при котором Рх = 0 или принимает даже отрицательное значение, т. е. в последнем случае сила подачи, действующая в обратном направлении, втягивает резец в изделие.

Здесь для упрощения вывода равнодействующая" сил R на­ правлена цормально проекции режущей кромки. В действитель­ ности, при несвободном резании направление силы R должно совпадать с направлением стружки на передней поверхности резца, что, как известно, определяется углом р с т р (см. рис. 50), зависящим

t „ л

в основном от соотношения — и угла наклона режущей кромки а .

радиальная сила, если имеется радиус закругления вершины резца, и особенно заметно, когда угол наклона главной режущей кромки X >> 0. При этом Ру будет малой величиной и, следовательно, условия работы будут наиболее благоприятны с точки зрения вибраций. И наоборот, при работе широким резцом с углом в плане

большого радиуса. Поэтому на практике при обработке неустой­ чивых в отношении вибраций деталей рекомендуются резцы с боль­ шими углами в плане и весьма малым радиусом закругления вер­ шины.

114

По мере затупления резца составляющие силы Рх и Рд увели­ чиваются значительно быстрее, чем сила Рг, так как при этом возрастают фаски износа на задней поверхности резца, радиус закругления режущей кромки, и следовательно, силы на задней поверхности.

26.МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ И ПРИБОРЫ

Для изучения современных процессов обработки металлов необ­ ходимо высокое качество измерительной аппаратуры. В резуль­ тате использования ряда физических явлений в области оптики, электричества и магнетизма техника измерения сил резания за последнее время шагнула вперед. Имеется большое количество специальных приборов самых разнообразных конструкций, раз­ личающихся как по методу измерения сил, так и по роду станков, на которых они устанавливаются.

Современные высокочувствительные электрические приборы могут обеспечить необходимую точность измерения лишь при весьма квалифицированном обслуживании. Иначе из-за различ­ ного рода помех они могут дать показания, значительно искажаю­ щие истинную картину. Поэтому там, где не требуется регистрация быстро изменяющихся сил, можно применять простые динамо­ метры, например механические или гидравлические, которые при всех их недостатках отличаются стабильностью в эксплуатации и дают достаточно надежные результаты.

Иногда на практике пользуются и более простыми средствами для измерения сил резания — ваттметрами, регистрирующими расход энергии, потребляемой станками. Этот способ может дать приемлемые для производства результаты, если известен к. п. д. станка. Прежде прибегали к помощи тормозных устройств, отно­ сящихся к наиболее простым средствам определения силы резания и к. п. д. станка. Преимущество этого старого метода — в простоте устройства, не требующего специальной дорогостоящей аппара­ туры. Недостатком его является неточность показаний, так как торможение шкива создает иные условия работы шпинделя, чем одностороннее давление резца на изделие. Кроме того, методом торможения определяется только величина касательной силы Рг.

Столь же неточен и другой косвенный метод определения силы резания по расходу потребляемой станком мощности. Опреде­ ляется только касательная сила резания Рг и требуется знать к. п. д. станка и электродвигателя при различных режимах работы, чтобы обеспечить достаточную точность расчета.

Наиболее распространен метод непосредственного измерения сил резания при помощи динамометров. Они имеют три основные части: датчики, воспринимающие нагрузку; органы связи, соеди­ няющие датчики, и приемники.

115

Применяемые методы измерения сил основаны на использова­ нии упругих деформаций ряда тел (датчиков) под воздействием нагрузки и различных (механических, гидравлических, пневма­ тических, магнитных и электрических) явлений при деформации датчиков.

К приборам, измеряющим силы резания, предъявляются сле­ дующие требования.

1. Минимальные измерительные перемещения (т. е. возможно меньший сдвиг и деформация деталей, воспринимающих нагрузку); это необходимо для сохранения практически неизменных условий резания — размера стружки, угла резания и пр.

2.Возможность легкой установки различных диапазонов изме­ ряемых нагрузок при сохранении достаточной чувствительности прибора, т. е. способности реагировать на малые изменения на­ грузок.

3.Малая инерционность применяемого метода измерения, необходимая в той или иной степени в зависимости от поставлен­ ных задач. Например, для расчета мощности достаточно иметь средние значения сил резания и скорости; в этом случае могут быть пригодны приборы, обладающие большей или меньшей сте­ пенью инерции. И наоборот, для определения напряжений в стан­ ках, инструментах, приспособлениях требуется знать максималь­ ную нагрузку и картину изменения ее во времени, когда необхо­

димы практически безынерционные приборы.

Для измерения истинных значений сил резания требуются приборы, способные регистрировать колебания нагрузок, изме­ няющихся от 500 раз в секунду. При этом собственная частота колебаний прибора должна быть пяти-, восьмикратная, т. е. со­ ставлять 2500—4000 Гц. Такие приборы можно называть мало­ инерционными, а при еще большей собственной частоте колебаний

затраты времени на подготовку его к работе, что особенно жела­ тельно при частой установке прибора на станке.

5. Надежность и экономичность эксплуатации, для чего ре­ комендуется избегать сложных и дорогостоящих дополнительных приспособлений (усилителей). В этом случае упрощается обслу­ живание и исключаются побочные помехи, возникающие при слож­ ном электрическом хозяйстве: разряд аккумуляторов, колебания

электрические и, в меньшей степени, гидравлические и механи­ ческие динамометры.

Гидравлические динамометры просты по конструкции и в экс­ плуатации, но имеют существенные недостатки — значительную инерционность и малую чувствительность. Поэтому все чаще при­ меняют электрические динамометры, более точные, чувствитель­ ные , хотя и более сложные и дорогие.

116

При измерении сил резания практически используются сле­ дующие электрические динамометры: пьезоэлектрический, емко­ стный, омического сопротивления, индуктивный, магнитный.

Пьезоэлектрический метод. На поверхности различных кри­ сталлов (кварца, турмалина, сегнетовой соли) появляется пьезо­ электричество, когда их подвергают действию внешних сил в опре­ деленном направлении, зависящем от кристаллической структуры. Для большего эффекта целесообразно кварц подвергать воздей­ ствию сил вдоль его нейтральной оси (рис. 61). Тогда на поверх­ ностях, перпендикулярных этой оси, образуются заряды стати­ ческого электричества противоположных знаков, причем коли-

.Злентрические оси

оптическая -о

чество его пропорционально действующей силе. После разгрузки кристалла заряды исчезают, не оставляя остаточного электри­ чества.

На рис. 62 показана типичная конструкция кварцевого дат­ чика с двумя пластинами. Отрицательно заряженные поверхности лежат на электроде, от которого заряд отводится к приемнику, в то время как положительный заряд заземляется через метал­ лический корпус. Сила Р действует на кварцевые пластины, рас­ положенные в корпусе 3, через шарик и пластину 2, распреде­ ляющую нагрузку. Если необходимо измерить нагрузку большую, чем это допускается прочностью кристаллов, то следует преду­ смотреть упорную пластину / и предохранительную пластину 4, передающие на кварц лишь часть нагрузки. При этом пластина / должна прогибаться на величину, не большую, чем это допу­ скается малой упругой деформацией кристаллов кварца (при­ мерно 1—3 мкм).

Существенное преимущество пьезоэлектрического метода — его чрезвычайно малая инерционность; можно наблюдать весьма высокую частоту колебаний нагрузок вплоть до 30 ООО—50 ООО Гц. Правда, в столь высокой безынерционное™ нет нужды при изме­ рении сил резания. Недостатком пьезоэлектрических приборов

117

является их малая прочность и сложность обслуживания. Поэтому они редко применяются в лабораторных условиях и мало при­ годны для решения производственных задач.

Емкостный метод. Построенные на основе этого метода кон­ денсаторные динамометры отличаются простотой конструкции. Сила, действующая на конденсатор электрического контура, изме­ няет его емкость. Это изменение емкости преобразуется в изме­

ризонтальном направлении, изменяют зазоры между пластинами датчиков 3 и 4, благодаря чему изменяются емкости конденсато­ ров. Изменение емкости конденсаторов преобразуется в изменение силы тока с помощью высокочастотного устройства.

Емкостные динамометры практически безынерционны. При достаточно большой жесткости датчика и его опор можно достиг­ нуть весьма высокой собственной частоты колебаний (10 ООО Гц). Существенным недостатком емкостных динамометров яляется слож­ ность высокочастотного устройства, что затрудняет их обслужи­ вание.

Изменение силы резания можно регистрировать с помощью миллиамперметра или в виде графиков с помощью осциллографа. Схема осциллографа показана на рис. 65, а. Шлейф осциллографа (проволочная или ленточная металлическая петля) натянут между полюсами сильного магнита М и несет маленькое зеркальце пло­ щадью 1 мм2 . Изменение силы тока в шлейфе вызывает некоторое отклонение проволок в магнитном поле и как следствие — по­ ворот зеркальца на угол, соответствующий изменению силы тока. При этом луч света, проходящий от дуговой лампы через линзу С

118

и щель на экране S и отражающийся от зеркальца, проходит через линзу Z и описывает на движущейся светочувствительной бумаге Р кривую изменения силы резания. Таким образом, несколькими датчиками и шлейфами можно одновременно регистрировать ряд явлений в процессе резания (силы, температуру, скорость, время работы и т. д.). На рис. 65, б представлен блок схем измерения и регистрации сил резания.

Метод омического сопротивления. Омическое сопротивление специальных-проводников в контуре может быть изменено под воздействием силы, при этом степень изменения сопротивления

Рис. 64. Схема емкостного трехкомпонентного динамометра

может быть показателем действующих сил. Теоретически для этой цели пригодны все твердые упругие тела, а также жидкости и газы, которые не оказывают электрическому току бесконечно большого

показывают хорошую повторяемость результатов, пока они под влиянием нагрузки испытывают лишь упругие деформации.

На рис. 66 дана схема датчика с двойным угольным столби­ ком. Под влиянием нагрузки Р малая упругая деформация оса­ живаемого цилиндра 1 передается слегка изогнутой стойке 2, дальнейший прогиб которой вызывает сжатие одного из угольных столбиков 3 и разгрузку другого. Ряд недостатков ограничивает надежность данного метода. Например, угольный столбик неза­ метно может разрушиться, а прибор будет продолжать давать

119