Влияние факторов на силу резания

При точении проходными резцами составляющие силы, действующей в процессе резания, с достаточной степенью точности могут быть рассчитаны по уравнению.

, (2.2)

, (2.3)

, (2.4)

где - постоянная.

Примеры числовых значений коэффициента и показателей , , для всех составляющих сил резания , , приведены в табл. 2.1.

- произведение поправочных коэффициентов, например ( - коэффициент, учитывающий влияние главного угла в плане  (приведен в табл. 2.2.), - коэффициент, учитывающий радиус закругления вершины резца r₀ (приведен в табл. 2.3.), - коэффициент, учитывающий максимальный линейный износ h_зmax (приведен в табл. 2.4.) и т.д.

Влияние параметров режима резания на составляющие силы резания

Работа, затрачиваемая на сня­тие стружки, идет на упругую и пластическую деформацию стружки, трение стружки и поверхности резания о резец, отрыв стружки (диспергирование). Количественно эта работа в основном зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, определяющих его прочность.

При обработке металлов резанием, когда стружка подвергается пластической деформации со значительной скоростью, сопротив­ление резанию, очевидно, тем больше, чем выше вязкость обрабатываемого металла и чем более он способен к наклепу. Так, у пластичной аустенитной стали, очень склонной к наклепу, уже сравнительно небольшая деформация вызывает значительное повышение твердости и, следовательно, давление стружки на резец должно быть очень большим. Иначе ведут себя медь, алюминий, латунь. Обладая малым пределом прочности и большой пластичностью, они при деформировании упрочняются сравнительно слабо, и потому сила резания не достигает значительной величины. Также сравнительно невелики силы резания при обработке чугуна и других хрупких металлов, так как срезаемый слой пластически почти не деформируется. Последнее способствует сокращению площади контакта между стружкой и резцом и уменьшению сил трения стружки по передней поверх­ности инструмента.

Сопротивление резанию должно возрастать с увеличением работы, потребной на пластическую деформацию и разрушение металла, и, следовательно, оно должно быть в какой-то мере пропорциональным пределу прочности, относительному удлинению и относительному сужению.

Сила резания Рz растет пропорционально ширине В или глубине резания и в мень­шей степени с увеличением толщины среза а или подачи S. Тонкая стружка лучше прогревается и деформируется и потому усадка ее выше по сравнению с толстой стружкой; здесь также сказывается большой угол резания самой режущей кромки при наличии достаточного по величине ее радиуса закругления. Следовательно, с точки зрения нагрузки на режущий инструмент и удельного расхода энергии выгоднее работать с большей подачей.

Зависимость силы резания Рz от глубины резания и подачи обычно выражают формулой более общего вида:

, (2.5)

где при нормальных условиях, когда глубина резания в несколько раз больше подачи, т. е. .

По мере приближения величины к единице, степень уменьшается, а увеличивается. При обратных стружках, т. е. при работе широкими резцами с большими подачами , соответственно изменяются и показатели степени.

В настоящее время для практических расчетов сил резания рекомендуются следующие формулы:

, (2.6)

, (2.7)

, (2.8)

где , , — постоянные.

Влияние геометрических параметров инструмента

Влияние угла резания. Известно, что с увеличением угла реза­ния  (т. е. с уменьшением переднего угла ) возрастает давление стружки на резец. Причина этого — уменьшение угла сдвига и увеличение деформации стружки, а также силы трения по передней поверхности резца, так как при этом стружка все более отклоняется от своего естественного направления.

Степень влияния угла резания на силу Рz уменьшается с увеличением скорости резания. Это объясняется тем, что при больших скоростях резания трение, наклеп и дефор­мации уменьшаются, пластичность стружки увеличивается вслед­ствие нагрева, и поэтому с увеличением угла резания силы реза­ния растут, но в меньшей степени, чем при пониженных скоростях. Очевидно, при обработке хрупких металлов (чугун, бронза), когда деформация стружки и наклеп весьма незначительны, угол резания δ не будет оказывать заметного влияния на силы реза­ния, что подтверждается на практике.

C увеличением угла резания составляющие силы резания Рх и Ру возрастают значительно интенсивнее силы Рz.

При наличии упрочняющей фаски на передней поверхности резца вдоль режущей кромки замечается значительное увеличе­ние составляющих сил резания Рz, Ру, Рх, как только ширина фаски f превзойдет оптимальную величину, зависящую от подачи.

Влияние угла в плане  на силы резания. Нагрузка на резец увеличивается с уменьшением , и наоборот. Это понятно: при постоянной площади среза с уменьшением угла в плане  умень­шается толщина среза а и соответственно увеличивается удельная сила резания; она растет заметно лишь при весьма малых углах в плане  < 30°.

Опыт показывает и более сложную зависимость, когда при угле  > 55° нагрузка не уменьшается, а растет с дальнейшим увеличением угла , что объясняется изменением условий образования стружки у вершины резца. С увеличением угла в плане  нередко уменьшают вспомогательный угол в плане _х, чтобы таким образом сохранить угол при вершине ε во избежание ослабления резца. В таком случае сокращаются остаточные гребешки на обработанной поверхности изделия, следовательно, одновременно возрастает фактическая площадь среза, а тем самым и нагрузка на резец. Последняя может увеличиться еще и потому, что с уменьшением угла _х усиливается роль вспомогательной режущей кромки, работающей в менее благоприятных условиях.

Влияние угла наклона режущей кромки  на силы резания. Сила Рz растет только при больших углах  > 10°. Угол  в самых широких пределах (от -40 до +40°) непосредственно не влияет на Рz, но при больших положительных  и при  = 90° получается заклинивание стружки между резцом и изделием, и нагрузка на инструмент увеличивается. Радиальная сила Ру увеличивается, а сила подачи Рх уменьшается с возрастанием . Это полностью согласуется с закономерностью изменения углов продольного _y и поперечного _x наклона передней грани.

С увеличением угла  умень­шается угол _y и увеличивается угол _X и соответственно увеличивается Ру и уменьшается Рх.

Другие элементы резца (задние углы  и 1 вспомогательный угол в плане 1 не оказывают заметного влияния на силы резания и лишь радиус закругления г вершины резца при достаточно больших размерах его способствует повышению силы Рz (до 15%) при отделочных операциях и более значительному увеличению радиальной силы Ру. Необходимо учитывать роль вспомогатель­ной режущей кромки, особенно значительную при больших углах при вершине > 90°, как это было указано выше.

Влияние скорости резания V

C увеличением скорости резания повышается темпе­ратура резания и, следовательно, можно ожидать изменение нагрузки на инструмент, поскольку изменяются угол резания в связи с образованием нароста на режущей кромке, а также силы трения в процессе резания. Поэтому могут появиться колебания нагрузок на резец при умеренных скоростях резания, что и наблю­дается на практике.

При дальнейшем повышении скорости резания значительно поднимается температура, достигая 800-900° С и выше, что может привести к сильному размягчению тонкого слоя стружки на поверхности контакта с резцом. В результате уменьшается трение между стружкой и резцом. Иногда может получиться и обратный эффект, т. е. схватывание (адгезия) стружки с резцом при высоких температурах резания и давлении. Следовательно, при значительных скоростях, когда температура в зоне резания превышает 400-500°С, должна заметно сни­жаться сила резания. В действительности замечается слабое снижение силы резания по сравнению с более резким падением механических свойств металла и уменьшением коэффициента трения при повышенных.

Подобное явление не наблюдается при обычной об­работке металла с весьма большими скоростями резания, когда контактный нагрев стружки также достигает температуры 700-800° С и выше, а сила резания снижается при этом лишь на 10-30%. Это странное на первый взгляд явление можно объяснить тем, что температура в самой зоне резания сравнительно невелика; для ряда металлов скорость распространения теплоты в зоне резания отстает от скорости движения резца и режущая кромка в зоне резания находится под воздействием мало нагретого ме­талла. К тому же с увеличением скорости резания одновременно прогрессируют два процесса: упрочнение (наклеп) вследствие увеличения скорости деформировании и разупрочнение (отдых) из-за воздействия теплоты. В зависимости от их интенсивности получается различный эффект. Этим же объясняется известный факт, что при чистовой обработке с увеличением скорости резания нагрузка снижается сильнее, чем при обдирке, т.е. тонкая стружка прогревается насквозь при больших скоростях резания, и поэтому ее деформирование облегчается. Положение может усложниться, когда при обработке некоторых металлов, например закаленной стали, в зоне резания успеют произойти структурные изменения (из мартенсита в аустенит), что может повысить нагрузку.

Влияние смазочно-охлаждающих средств

Как известно, работа в процессе резания затрачивается в основ­ном на упругую и пластическую деформацию и на преодоление трения между резцом, стружкой и обрабатываемым материалом. Роль трения в процессе резания достаточно велика. Некоторые исследователи считают, что при обработке стали на трение стружки по передней поверхности резца может быть затрачено приблизительно 35% работы, а на трение по задней поверхности 5—15%. О существенном значении трения при работе некоторых инструментов свидетельствует и тот факт, что при обильном охлаждении инструмента хорошо смазывающей жидкостью уда­валось понизить нагрузку на 30% и даже больше (до 45% у метчика).

С уменьшением силы трения по задней поверхности инструмента и соответствующим снижением силы Рz заметно увеличивается сила Ру, нормальная к обработанной поверхности. В результате увеличивается остаточное поверхностное напряжение сжатия, что способствует улучшению прочности обработанной детали. Эффект повышается при отрицательных передних углах инстру­мента (—) и значительном закруглении режущей кромки.

Нетрудно предвидеть, что степень изменения нагрузки должна зависеть не только от рода охлаждающей жидкости, но и от обра­батываемого материала, толщины среза, угла и скорости резания. С применением смазочно-охлаждающих жидкостей сила резания должна уменьшаться тем заметнее, чем пластичнее обрабатываемый материал, так как в этом случае растет относительная величина силы трения стружки по резцу и, следовательно, эффект смазки должен быть выше.

Действие смазки усиливается при малой толщине среза, так как смазка в этом случае меньше выдавливается стружкой, а также с увеличением угла резания, поскольку при этом увеличивается относительная величина силы Ру и, следовательно, эффект смазки должен быть выше. По этой причине действие смазки возрастает при малых скоростях резания.