4.5. Факторы, влияющие на силы резания при точении

Теоретическими и экспериментальными исследованиями доказано, что на силы , и влияют в основном следующие факторы: обрабатываемый металл, глубина резания, подача, передний угол резца (угол резания), главный угол в плане резца, радиус закругления при вершине резца, смазывающе-охлаждающие жидкости, скорость резания и износ резца.

Влияние обрабатываемого материала.Физико-механические свойства обрабатываемого материала и его состояние во многом определяют процесс стружкообразования и сопутствующие ему деформации, а следовательно, и значение сил резания. Чем больше предел прочности и твердость НВ обрабатываемого металла, тем больше силы , и .

При обработке незакаленных сталей твердосплавными резцами сила , Н, может быть выражена зависимостью

. (4.32)

При обработке твердосплавными резцами серых чугунов

, (4.33)

где С₁ и С₂– постоянные коэффициенты.

Приведенные зависимости (4.32) и (4.33) дают возможность иметь следующие соотношения:

– для сталей

; (4.34)

– для серых чугунов

(4.35)

Приняв условно за единицу силу при обработке незакаленной стали с Н/мм², можно получить и поправочные коэффициенты К_мдля сталей с другим значением:

(4.36)

Тогда, зная силу дляН/мм², легко определить силу, Н, для другого значения:.

Влияние глубины резания и подачи. Чем больше глубина резания и подача, тем больше площадь поперечного сечения среза и объем деформируемого металла, и процесс резания будет протекать с большими силами , и .

При продольном точении глубина резания оказывает большее влияние на силу резания, чем подача. При увеличении глубины резания, например в 2 раза, ширина среза увеличивается также в 2 раза, и во столько же раз увеличится нагрузка на резец, вызываемая силами, действующими на переднюю и заднюю поверхности резца. Поэтому

(4.37)

где х = 1 для всех обрабатываемых металлов.

При увеличении подачи в два раза площадь поперечного сечения среза увеличивается также в два раза; при неизменном значении ширины среза здесь увеличивается в два раза толщина, т.е. увеличиваются лишь элементы, определяющие в основном силы, действующие на переднюю поверхность резца (силы, действующие на заднюю поверхность, остаются примерно теми же). В результате действия этого и других факторов при увеличении подачи (а следовательно, и толщины среза) в два раза сила увеличивается меньше, чем в два раза.

Зависимость силы от подачи можно выразить следующей формулой:

, где у ≤ 1. (4.38)

При обработке стали и чугуна обычными проходными резцамиy = 0,75. При работе отрезными и прорезными резцамиy = 1.

Так как ширина среза , а толщина среза, то влияние ширины среза аналогично влиянию глубины резания, а влияние толщины среза аналогично влиянию подачи.

Из приведенных выше зависимостей видно, что при точении с одинаковой площадью поперечного сечения среза силы резания будут меньше в случае большей подачи и меньшей глубины резания (при t > s).

Влияние скорости резания на силу резания. В настоящее время известно, как изменяется сила резания в широком диапазоне скоростей. Прежде всего необходимо отметить полную идентичность зависимостей силы резанияи коэффициента усадки стружки. В тех областях скоростей резания, где уменьшается коэффициент усадки стружки, снижается сила резания, и наоборот (рис. 4.4).

,

Рис. 4.4. Зависимость сил резания от скорости резания и переднего угла при обработке стали 40Х (а = 0,2 мм;b = 4 мм)

Однако это не случайное совпадение, а закономерность. Возрастание значения свидетельствует об уменьшении угла сдвигаи соответственно об увеличении поверхности, по которой происходит сдвиг. При этом повышается степень деформации металла, т.е. происходит его упрочнение, а значит, возрастают напряжения, при которых происходит сдвиг. Увеличение напряжения и площади сдвига приведет к росту силы резания. Кроме того, сила резания и коэффициент усадки зависят от коэффициента трения при деформировании срезаемого слоя.

Сложный характер кривых объясняется появлением нароста на передней поверхности лезвия инструмента. Минимальные значения силы на кривыхсоответствуют максимально возможному наростуH_нmax. При малой скорости резания, когда нарост не образуется, сила резания велика. В диапазоне скоростей, где имеется максимальное наростообразование, сила резания и усадка стружки уменьшаются, так как с увеличением размеров нароста возрастает действительный передний угол инструмента. По мере дальнейшего повышения скорости резания высота нароста, а следовательно, и действительный передний угол уменьшаются. Одновременно с этим возрастают коэффициент усадки стружки и силы резания.

Как уже отмечалось, работа на очень высоких скоростях резания приводит к значительному повышению температуры резания, в результате чего уменьшается коэффициент трения, а следовательно, и .Минимумы и максимумы кривых тем рельефнее, чем меньше передний угол. Объясняется это тем, что больший нарост может образоваться (и образование его интенсивнее) при меньших передних углах инструмента.

При обработке чугуна нарост практически не образуется, поэтомплавно уменьшается с увеличением скорости. Аналогично выглядят зависимостидля других материалов, не склонных к наростообразованию, – жаропрочных и нержавеющих сталей и сплавов, титановых сплавов.

Влияние переднего угла.Cуменьшением переднего угла или увеличением угла резания ( = 90° – ), требуется большая деформация срезаемого слоя при превращении его в стружку и большая сила резания . Одновременно с силой будут увеличиваться и силы и , причем по мере увеличения скорости резания степень возрастания сил с увеличением  уменьшается.

Для повышения прочности и стойкости режущего лезвия у резцов с передним углом +делается фаскаfпод некоторым углом= 0...–5°, которая также влияет на силы резания.

Влияние главного угла в плане. На рисунке 4.5 показана зависимость силы от угла при обработке легированной стали резцом (быстрорежущая сталь Р18) с радиусом закругления при вершине в плане r = 2 мм (кривая 1), резцом с r = 0 (кривая 2) и при свободном резании (кривая 3).Для резца сr = 2 мм сила сначала уменьшается с увеличением угла(= 30...60°), а затем увеличивается. Такая зависимость объясняется тем, что при увеличении углаувеличиваются толщина среза, уменьшаются деформации, характеризуемые коэффициентом усадки стружки , и сила . С другой стороны увеличивается длина криволинейного участка режущей кромки, создавая более тяжелые условия резания, а следовательно, и большую силу.

Рис. 4.5. Зависимость силы Р_z от главного угла в плане

При r = 0 и свободном резании, когда в работе находится только прямолинейный участок главной режущей кромки, с повышением толщины срезаа (при одной и той же площади поперечного сечения среза) уменьшается усадка стружки, а следовательно, с увеличением главного угла в плане уменьшаются и силы (см. рис. 4.5). С увеличением скорости резания влияние криволинейного участка режущей кромки в диапазоне = 60...90° сказывается в меньшей степени, а потому для твердосплавных резцов (работающих с относительно высокими скоростями резания) в диапазоне углов= 60...90° сила практически остается постоянной.

При резании чугуна, имеющего слабую способность к пластическому деформированию, прирост длины криволинейного участка при = 60...90° практически не будет сказываться и наблюдается даже некоторое падение силы .

Изменение главного угла в плане влияет на силы и в следующем соотношении:

; , (4.39)

где P_N– сила, направленная по нормали к режущей кромке.

Таким образом, с увеличением главного угла в плане сила резко уменьшается, а сила увеличивается.

Влияние радиуса закругления при вершине резца.

Точки криволинейного (закругленного) участка режущей кромки имеют меньшее (переменное) значение угла , т.е. увеличениеr подобно уменьшению угла; поэтому при увеличенииr сила увеличивается, а сила уменьшается.

Математически влияние rна силы , и может быть выражено так:

(4.40)

При обработке сталей х₁ = 0,1;х₂= 0,3; х₃ =0,3; при обработке чугунов х₁ = 0,07;х₂ = 0,2;х₃ = 0,2.

Из приведенных зависимостей видно, что увеличение радиуса закругления резца в большей степени влияет на увеличение радиальной силы и в меньшей – на увеличение силы .Поэтому в целях уменьшения вибраций рекомендуется, наряду с увеличением главного угла в плане, уменьшать и радиус закругления резца при вершине; как первое, так и второе способствует снижению силы.

Влияние смазочно-охлаждающих технологических средств (СОТС).Выше было показано, что СОТС (смазочно-охлаждающие жидкости) оказывают влияние на уменьшение трения, облегчение процесса стружкообразования, а следовательно, и на снижение сил, действующих на инструмент.

В большей степени уменьшают силы резания, в частности ,поверхностно-активные жидкости, причем наибольшее уменьшение наблюдается при тонких стружках. Положительный эффект от применения смазочно-охлаждающей жидкости уменьшается при повышении скорости резания.

Наиболее распространенные марки отечественных СОТС и области их применения приведены в табл. 4.2.

Таблица 4.2 – Области применения некоторых СОТС базового ассортимента для обработки металлов резанием

СОТС базового ассортимента		Область возможного применения СОТС
Класс и подкласс	Наименование	Преимущественного (наиболее эффективного и распространенного)	Дополнительного
СОТС массового назначения
Водосмешиваемые: эмульгирующая в воде, для широкого круга операций обработки материалов нормальной обрабатываемости полусинтетическая синтетическая	Укринол-1 Укринол-1М Аквол-11 Аквол-10М	Точение, растачивание, отрезка, фрезерование, сверление, зенкерование, развертывание, строгание, резьбонарезание, протягивание, шлифование чугунов, углеродистых, низко-, среднелегированных конструкционных сталей То же Точение, растачивание, отрезка, фрезерование, сверление, зенкерование, развертывание, резьбонарезание, протягивание, шлифование чугунов, конструкционных, легированных, коррозионно-стойких и инструментальных сталей		Лезвийная и абразивная обработка меди, алюминия и их сплавов. Шлифование, точение, сверление, фрезерование некоторых коррозионностойких и жаростойких сталей и сплавов, инструментальных сталей Лезвийная и абразивная обработка чугунов, некоторых жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов. Алмазно-абразивная разрезка кремния Алмазно-абразивная обработка, заточка твердых (металлокерамических) сплавов, разрезка ферритов, шлифование магнит-но-мягких материалов. Лезвийная и абразивная обработка не-которых труднообрабатывае-мых материалов
Масляные СОТС: для широкого круга операций обработки (в том числе автоматной) материалов нормальной обрабатываемости резанием концентрат, разбавляемый минеральными маслами	МР-1у, МР-7 МР-5у, МР-99	Обработка на токарных автоматах одно- и многошпиндельных и полуавтоматах (в том числе точение, отрезка, сверление, зенкерование, резьбонарезание), фрезерование, зубообработка конструкционных углеродистых и легированных сталей и сплавов Точение, растачивание, отрезка, фрезерование, сверление, протягивание, зубообработка, резьбонарезание конструкционных и легированных сталей		Лезвийная обработка некоторых нержавеющих и жаростойких сталей ( в том числе глубокое сверление отверстий диаметром более 40 мм), резьбо- и зубошлифование Лезвийная обработка некоторых труднообрабатываемых материалов

Средние коэффициенты K_сож уменьшения силы резания в зависимости от рода смазочно-охлаждающей жидкости: растительные масла – 0,7; осерненные масла (сульфофрезолы) – 0,8; минеральные масла – 0,9; активированные эмульсии – 0,85; эмульсии – 0,95; вода – 1; работа всухую – 1.