Т 6 Сили і потужність при різанні

Для здійснення процесу різання до інструменту повинні бути прикладені сили, які визначаються опором металу стружкоутворенню.

Сили опору металів – різанню складаються з сил:

а) Опір металу пружної і пластичної деформації стружкоутворення.

б) Опір деформованого металу руйнуванню в місцях виникнення нових поверхонь, тобто перешкоджаючих відриву елементів стружки.

в) Долаючих зовнішні сили тертя, які виникають в результаті тертя стружки на лезі, передньої і задньої поверхнях.

Силою опору різанню називають рівнодіючу Р всіх сил, що діють на різець з боку оброблюваного матеріалу. На практиці повну величину сили Р не визначають, а користуються її складовими, одержаними при розкладанні цієї сили на три складові, що діють уздовж осей, прийнятих в теорії різання. Для токарного верстата такими осями є:

вісь х – лінія центрів верстата; вісь y – лінія, перпендикулярна до лінії центрів верстата; вісь z – лінія, перпендикулярна до площини xy.

При точінні рівнодіюча Р розкладається на наступні сили:

Р_z – сила різання (тангенціальна), що діє у напрямі головного руху верстата, дотична до поверхні різання. Сила Р_z – головна, найбільша складова сили опору різанню. По силі Р_z розраховують потрібну потужність на обертання заготовки (потужність верстата), міцність елементів різця і деталей механізму головного руху верстата.

Р_х – сила подачі, або осьова сила, направлена паралельно осі заготовки протилежно подачі. За цією силою підраховують міцність деталей механізму подачі і потужність, що витрачається на подачу.

Р_у – радіальна сила, що діє перпендикулярно осі оброблюваної заготовки по радіусу. По цій силі розраховують прогин оброблюваної заготовки і механізм поперечної подачі на міцність.

Рівнодіюча сила Р визначається як сума векторів трьох складових (діагональ паралелепіпеда): .

Співвідношення між складовими сили різання не є постійними. Воно залежить від кутів заточування різця, швидкості різання, глибини різання і подачі, радіусу закруглення вершини різця і інших чинників. Звичайно приймають Р_х =(0,2-0,3)Р_z, Р_у =(0,3-0,4)Р_z. Сила Р_z називається головною складовою силою різання.

Розподіл тиску оброблюваного матеріалу на передній і задній поверхнях інструменту нерівномірно. Найбільший тиск діє поблизу головної ріжучої кромки. Далі воно плавно зменшується до 0.

На передній поверхні - до місця припинення контакту із стружкою, на задніх поверхнях – до місць припинення контакту цих поверхонь з поверхнею різання і обробленою поверхнею. Ширина 1-2 контактної поверхні при обробці крихких матеріалів, наприклад чавуну, вона трохи більше товщини шару, що зрізується, а при обробці пластичних металів в 1,5-3,0 рази більше товщини шару, що зрізується.

Вченими був запропонований ряд аналогічних рівнянь сили різання. Але через велику кількість чинників, що впливають на процес різання до теперішнього часу немає теоретичної формули для підрахунку сили різання, якою можна користуватися на практиці. Практично сили Р_х, Р_z, Р_у обраховують за експериментальними формулами з багатьма коефіцієнтами і показниками ступенів, які вибирають по таблицях в довідниках.

Наприклад:

Де х, у, z – показники ступенів, різання, що враховують вплив режимів різання. – коефіцієнт, що враховує умови роботи (кути φ і γ та ін.),

– узагальнений поправочний коефіцієнт.

Для наближених розрахунків використовують спрощену формулу , де коефіцієнт різання, що складається з коефіцієнта (для сталей = 2,3…2,8) і межі міцності на відстані оброблюваного матеріалу (МПа), – переріз шару, що зрізується (мм²).

Межу міцності можна визначити за формулою, використовуючи твердість за Брінеллем. Для сталі = 0,31НВ

Потужність, що витрачається безпосередньо на здійснення процесу різання називається ефективною потужністю і позначається .Ефективна потужність визначається силою P_z, так як при точінні P_x мала (P_x =1-2% від потужності верстата), а Р_у =0.

(кВт), де P_z – діюча сила (кН), v - швидкість (м/хв.).

Потужність електродвигуна (кВт), де η – ККД кінематичних ланцюгів верстата η = 0,75-0,80.

Вплив різних чинників на сили різання

Основними чинниками, що впливають на сили різання, є фізико-механічні властивості і структура оброблюваного матеріалу, геометричні параметри леза інструменту, елементи режиму різання, умови обробки.

Зі збільшенням межі міцності при розтягуванні або твердості сили різання зростають. При практичних розрахунках користуються експериментальними формулами: , , , де НВ – твердість оброблюваного матеріалу за Брінеллем. Показники x₁, x₂, x₃ і коефіцієнти C_z, C_y, C_x, залежні від фізико-механічних властивостей оброблюваного матеріалу і умов обробки вибирають за довідниками.

Глибина різання і подача. Із збільшенням глибини різання і подачі збільшуються деформація і тертя, підвищуються сили опору різання, а отже, зростає сила різання. Подача впливає на величину сили різання, менше, ніж глибина різання. Зміна глибини різання t і подачі S супроводжується зміною всіх трьох складових сили різання.

Передній кут γ. Зі збільшенням переднього кута зменшуються деформація шару, що зрізується, а отже і сила різання. При від’ємних передніх кутах сила різання більша, ніж при додатних. При цьому складові сили різання P_x і P_y зростають більше ніж P_z.

Головний кут в плані φ показано на рисунку Складна залежність P_z від кута φ для різців з r_b > 0 пов'язана з дією двох чинників: зміною товщини шару, що зрізується, і довжини криволінійної ділянки активної частини ріжучої кромки. Чим більше r_b, тим більше довжина криволінійної ділянки ріжучої кромки, більше деформація, а отже більша і сила різання P_z. При збільшенні r_b зростає і сила P_у, а сила P_х зменшується.

Вплив головного кута в плані на силу P_z при обробці сталі 1.r_b = 2. 2. r_b = 0.

v=40м/хв, t=2мм, S=0,48мм/об.

Швидкість різання впливає на величину сили різання змінно. На рисунку приведені криві залежності сил P_z, P_y і P_x від швидкості різання для сталі марки 45, оброблюваної різцем з твердим сплавом Т15К6 при S = 0,3мм/об і t = 4 мм. До швидкості приблизно 50 м/хв сили збільшуються, а потім починають зменшуватися.

При збільшенні швидкості різання до 20 м/хв наріст отримують максимальний, в наслідок чого дійсний передній кут γ збільшується і сили різання зменшуються.

При швидкості 40 – 60 м/хв наріст зменшується, дійсний кут γ зменшується, зростають сили різання.

При швидкості різання 100 – 120 м/хв зникає наріст, сили P_z безперервно зменшується. Це пояснюється збільшенням температури різання і зменшенням коефіцієнта тертя.

Змащувально-охолоджуючі технологічні рідини ЗОР, використовувані при різанні металів, зменшують тертя, полегшують процес стружкоутворення і зменшують сили різання.

Для вимірювання складових сил різання і вивчення впливу на них різних чинників застосовують динамометри різних конструкцій. За принципом дії їх ділять на пружно-механічні, гідравлічні та пружно-електричні. Динамометр складається з пристрою, що служить для закріплення інструменту і розкладання сил різання на складові, датчиків для перетворення вимірюваних складових сил різання в механічні переміщення, силу електричного струму або тиску рідини і реєструючого пристрою.

Останнім часом для вимірювання сили різання при роботі різним ріжучим інструментом частіше застосовують дротяні датчики. Принцип дії заснований на використанні здатності металевого дроту змінювати омічний опір при розтягуванні або стисненні, яке фіксується на осцилографі або гальванометрі. Крутний момент на шпинделі ,

де N_e – ефективна потужність різання(кВт), n_шп – частота обертання шпинделя (об/хв)

Сили P_z, P_y, P_x деформують різець і заготовку та створюють крутні і згинаючі моменти.

Сила різання P_z згинає різець у вертикальній площині, що створює згинаючий момент (кГ*мм), де P_z – сила різання (кг), l – виліт різця (мм).

Сила різання P_z створює також крутний момент, на оброблюваній заготовці (кГ*мм), де D - діаметр заготовки (мм). Якщо сила різання задана в кГ, то ефективна потужність різання визначається за формулою (кВт); де P_z – сила різання, v – швидкість різання, м/хв, 102 – число кГ*м/с, відповідно 1 кВт. Якщо P_z задана в Ньютонах, а швидкість різання в м/с, тоді (Вт).

Р₁ – сила пружної і пластичної деформації

Р₂ – сила діюча перпендикулярно головній задній поверхні.

Сили тертя

μ - коефіцієнт тертя стружки об передню і задню поверхню.

Вважаючи клин ріжучого інструменту абсолютно жорстким тілом, після складання всіх діючих на нього сил можна одержати рівнодіючу силу Р.

При практичних розрахунках використовують експериментальні залежності: де НВ – твердість обробленого матеріалу за Брінелем. Коефіцієнт С_Z, C_Y, C_X і показники степенів Х₁, Х₂, Х₃ залежні від фізико-механічних властивостей обробленого матеріалу і умов обробки вибирають з довідника.

Із збільшенням головного кута в плані φ товщина a шару, що зрізається, збільшується, ширина b, а разом з нею зменшується і сила P_z. Одночасно зменшується радіальна сила P_y і збільшується сила подачі P_x.

Радіус закруглення при величині різця сильно впливає на процес різання. Для різних точок заокругленої ділянки ріжучої кромки кут φ - різний.

Зі збільшенням радіусу закруглення вершини різця кут φ зменшується, виникає усадка стружки, що веде до зростання P_z

Вплив глибини різання і подачі переднього кута γ, головного кута в плані φ, радіус заокруглення вершини різця враховують коефіцієнтами залежно від якості оброблюваного матеріалу. Коефіцієнти приймають за таблицею в довіднику.

Товщина зрізу (величина подачі). Із збільшенням зрізу а усадка зменшується. Це пояснюється тим, що величина деформації обернено пропорційна площі поперечного перерізу і чим товща стружка, тим менше вона деформується.

Крім того, тонка стружка більшою мірою піддається додатковій деформації під час тертя об передню поверхню в порівнянні з товстою.

Головний кут в плані φ. З його збільшенням усадка зменшується, тому що товщина зрізу за інших однакових умов збільшується, а отже стружка деформується менше.

Радіус r закруглення при вершині різця в плані. Товщина стружки а на криволінійній ділянці змінюється, і вона деформується більше, ніж на прямолінійній ділянці. Отже, зі збільшенням довжини криволінійної ділянки (тобто радіусу r) загальна деформація стружки, а значить і її усадка зростатимуть.

Змащувально-охолоджуючі рідини, знижуючи коефіцієнт тертя, зменшують коефіцієнт усадки стружки. Ефект від впливу ЗОР збільшується із зменшенням шару, що зрізається.

Щоб стружка подрібнювалася різці заточують спеціальним чином:

1) Різці з від’ємним переднім кутом γ і додатнім кутом нахилу ріжучої кромки. При обдирних роботах з подачами S > 0,5 мм/об використовують різці з γ = від -5 до -10° і λ = 10°. Такі різці застосовують тільки на жорстких верстатах, оскільки радіальна складова, сили різання P_y досягає великої величини і відтискає заготівку.

2) Різці з поріжком на передній грані. Стружка упирається в стінку поріжка і ламається. Цей спосіб гарний для обдирних робіт.

3) Різці із стружкозавивальною канавкою найбільш поширені. Такі різці використовуються на обдирних роботах і напівчистовому точінні. Стружка надійно ламається, якщо розміри фаски . Зі збільшенням подачі цей спосіб стає менш надійним.

4) Стружколоми у вигляді сталевої пластини з твердим сплавом закріплюються на передній поверхні різця гвинтами. Відстані стружколомів від ріжучої кромки (поріжок) встановлюють від 2 до 6 мм залежно від оброблюваного матеріалу, подачі і швидкості різання.

Способи визначення усадки стружки

1. Вимірювання довжини шляху різця і довжини одержаної стружки на спеціальній _______. Усадку стружки розраховують із співвідношення .

2. Вимірювання параметрів стружки (за S і t визначають a і a_c. Усадка дорівнює )

3. Ваговий метод.