Аппаратура для измерения силы резания

Аппаратура для измерения силы резания на­зывается динамометрами. По количеству измеряемых составляющих силы резания динамометры подразделяют на одно-, двух-, и трехкомпонентные; по принципу действия применяемых в них датчиков - на механические, гидравлические и электрические. Конструктивно динамометры состоят из датчика, воспринимающего нагрузку, деформацию или перемещение и электрический параметр, приемника, регистрирующего нагрузку, и звеньев, связывающих датчик и приемник.

В механических динамометрах (рис. 2, а) в качестве датчика используется пружина, упругая пластина и т.п., по величине прогиба которых судят о величине составляющей силы резания. Прогиб измеряется индикатором часового типа. Эти динамометры просты по конструкции, надежны, но в силу большой инерционности приме­няются при небольших скоростях резания (2...3 м/мин).

Рисунок 2 – Схемы динамометров: а – механический; б – гидравлический; в – емкостный; г – индуктивный

 

В гидравлических динамометрах (рис. 2, б) используются гидравлические месдозы (глицерин). О величине силы резания судят по давлению на манометре, создаваемому силой давящей на поршень гидравлической месдозы. Эти динамометры также как и механические просты по конструкции и надежны в работе. К недостаткам следует отнести т большие габаритные размеры, невысокую точность, большую инерционность. Применяются эти динамометры при скоростях резаная до 80 м/мин.

Наибольшее распространение получили электрические динамометры, в которых используются электрические датчики, преобразующие деформацию или перемещение упругих элементов в электрический сигнал. В качестве датчиков используются емкостные (рис.2, в) индуктивные (рис.2, г), пьезоэлектрические, магнито - упругие и тензодатчики. Эти динамометры облетают высокой точностью, жесткостью, малой инерционностью, компактны и применяются практически при любых скоростях резания.

Примером электрических динамометров может служить универсальная динамометрическая установка (рис. 3), которая состоит из динамометра датчика 1, усилителя электрических сигналов 2, приборного щита 3 и осциллографа 4.

Рисунок 3 – Схема динамометрической установки

 

Динамометр-датчик включает жесткую плиту 1, на которой монтируется держатель для инструмента или детали 2. Плита установлена на шестнадцати горизонтально и вертикально расположенных опорах 3, представляющих собой тонкостенные втулки на ножках-шарнирах (рис. 4).

Рисунок 4 – Схема тензометрического динамометра

 

Такая конструкция опор обеспечивает восприятие нагрузки только вдоль оси опоры, а их количество и расположение позволяют фиксировать составляющие силы резания Px, Py, крутящий момент в горизонтальной плоскости и составляющую Pz в вертикальной плоскости. На образующие втулок опор наклеены электросопротивления (тензодатчики), соединенные в соответствующие электрические схемы и имеющие выводы на усилитель 2, приборный щит 3 и осциллограф 4 (см. рис. 3).

При резании, действующие на инструмент или заготовку силы, деформируют опоры как наименее жесткие детали динамометра. Наклеенные на них тензодатчики также деформируются, что приводит к изменению их сопротивления и величины проходящего тока. Этот сигнал с измерительной схемы поступает на усилитель 2, усиливается и затем передается на микроамперметры приборного щита 3 и осциллограф 4, с помощью которых регистрируются показания динамометра-датчика 1.

Для перевода величины электрического сигнала в единицы силы необходимо провести тарирование динамометра. Тарирование проводится с использованием стандартного динамометра путем нагружения через него динамометра-датчика силой, имитирующей действие составляющих силы резания Px, Py, Pz и крутящего момента М_кр, с помощью, например, механизма подач станка или специального устройства.

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛЫ РЕЗАНИЯ

 

Для определения составляющих силы резания Px, Py, Pz наибольшее распространение получили эмпирические зависимости, имеющие, например, при точении следующий вид:

где - коэффициенты, зависящие от вида обрабатываемого материала и других условий резания;

- глубина, подача и скорость резания;

- показатели степени при соответствующих переменных;

- коэффициенты, учитывающие отличия условий обработки от тех, при которых были получены данные формулы.

Численные значения коэффициентов и показателей степеней в этих формулах приводятся в справочной литературе. Однако в ряде случаев при изменении условий обработки их необходимо уметь определять экспериментально, используя метод графического логарифмирования. Для этого строятся графики зависимостей составляющих силы резания Pz, Px, Py от элементов режима резания в логарифмической системе координат (рис. 5).

 

Рисунок 5 – Зависимости составляющей силы резания от глубины резания t, подачи S и скорости резания u

 

В каждой серии опытов формулы для расчета будет иметь частный вид:

для серии глубины – ,

для серии подачи – ,

для серии скорости – .

 

 

Логарифмирование этих формул приводит к уравнениям прямой:

Определяем угол наклона полученных прямых и его тангенс, который будет равен показателю степени при соответствующих переменных:

Коэффициент можно определить по этим же графикам при значении переменной равном единице (рис.5):

при t = 1 – ,

при S_o = 1 – ,

при u = 1 – .

Коэффициент С_р можно определить также из общих зависимостей для опыта с одинаковыми значениями t, S_o, u в каждой серии:

Окончательные значения постоянной определяется как среднее арифметическое трех значений:

.

Значения коэффициентов принимаются равными 1, т.е. условия обработки не отличаются от тех условий, при которых были получены формулы для расчета Pz, Px, Py.

После нахождения коэффициентов и показателей степеней следует записать уравнение для составляющих силы резания в конкретном для данных условий виде, где вместо символьных обозначений коэффициентов и показателей степеней будут подставлены их численные значения, а элементы режима резания останутся в символьном выражении как независимые переменные.

Усилие резания можно определить посредством определения мощности, затрачиваемой на резание. С помощью цифрового амперметра клещевого типа:

– в каждой серии замеряется сила тока I (А);

– определяется мощность, потребляемая станком, по формуле:

, Вт;

где U –напряжения, В;

φ – угол сдвига фаз между током и напряжением.

– рассчитывается главная составляющая силы резания по формуле:

P_z=N/u, H.

Результаты эксперимента заносятся в протокол (приложение 1).

ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИБОРЫ

 

1.Станок токарно-винторезный модели JET GH-1849ZX.

2. Универсальная динамометрическая установка УДМ 600.

3. Амперметр клещевого типа.

3. Заготовка проката Ø 50-100 мм длиной не менее 250 мм:

• Сталь 45 ГОСТ 1050

• Сталь 40Х ГОСТ 4543

СТРУКТУРА ОТЧЕТА

1. Название, цель.

2. Краткие сведения о схеме действия сил резания на инструмент, аппаратуре для измерения сил резания, влиянии элементов режима резания и условий обработки на составляющие силы резания.

3. Протокол измерений составляющих силы резания и силы тока, расчетных значений мощности и силы резания (приложение 1).

4. Графики зависимостей составляющих силы резания Pz, Px, Py и мощности резания N от изменения элементов режима резания в логарифмической системе координат.

5. Определение эмпирических зависимостей Pz, Px, Py с использованием метода графического логарифмирования.

6. Расчет силы резания по мощности резания.

7. Выводы.