Силы резания

Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходит под действием внешней силы Р, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке, направление которой совпадает с направлением скорости резания v. Произведение Pv представляет собой работу, затрачиваемую на деформацию и раз­рушение материала заготовки:

A = Ау+Аи+Ат

где А — работа, затраченная на срезание припуска с обрабаты­ваемой заготовки; Ау — работа, затраченная на упругое дефор­мирование металла; Аи — работа, затраченная на пластической деформирование металла и его разрушение; Ат — работа, затра­ченная на преодоление сил трения задних поверхностей инстру­мента о заготовку и стружки о переднюю поверхность инструмент.

В результате сопротивления металла деформированию возни­кают реактивные силы, действующие на резец: нормального давления и трения. Реактивные силы – это силы упругого Ру1 и пластического Рп1 деформирования, действующие перпендикулярно передней поверхности резца, и силы РУ2 и РП2, действующие перпендикулярно главной задней поверхности резца (рис. 46, а). Наличие нормально действующих сил обусловливает возникно­вение силы трения Т1 = f1(Py1 + Рп1), действующей вдоль пород­ней поверхности резца, и Т2 = f2(Pу2 + Рп2), действующей вдоль главной задней поверхности резца (f1, и f2 — коэффициенты троими стружки о резец и резца о заготовку).

Указанную систему сил приводят к одной силе R — равнодействующей силе резания:

Условно считают, что точка приложения силы R находится па рабочей части главного режущего лезвия резца (рис. 46, б).

Абсолютная величина, точка приложения и направление в про­странстве равнодействующей силы резания R в процессе обра­ботки являются переменными.

Это объясняется неоднородностью структуры и переменной по­верхностной твердостью материала заготовки, непостоянством сечения срезаемого слоя (наличие штамповочных и литейных ук­лонов, галтелей и т. д.); изменением углов γ и α в процессе ре­зания и т. д. Поэтому для практических расчетов используют не равнодействующую рилу резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям: коорди­натным осям металлорежущего станка. Такими осями для токарно- винторезного станка являются: ось х — линия центров станка, ось у — линия, перпендикулярная к линии центров станка, ось z — линия, перпендикулярная к плоскости х — у (рис. 46, б).

Рис. 46. Схема сил, действующие на резец (а), и разложение силы резания на составляющие (б).

Вертикалъная составляющая силы резания Рz действует в пло­скости резания в направлении главного движения (по оси z). По силе Рz определяют крутящий момент на шпинделе станка (заготовке), эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости х — z (рис. 47, а), изгибающий момент Мz, действующий на стержень резца (рис. 47, б); по силе Pz ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.

Радиальная составляющая силы резания Ру действует в плос­кости х — у перпендикулярно оси заготовки. По силе Ру опреде­ляют упругое отжатие резца от заготовки и деформацию из­гиба заготовки в плоскости х — у (рис. 47, а).

Осевая составляющая силы резания Рх действует в плоскости х — у вдоль оси заготовки. По силе Рх рассчитывают механизмы подач станка и изгибающий момент Мх, действующий на стержень резца (рис. 47, б).

По величине деформации заготовки от сил Рz и Рy рассчиты­вают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы. По величине суммарного изгибающего момента от сил Pz и Рх рассчитывают стержень резца на прочность и т. д.

Рис. 47. Схема деформации заготовки (а) и резца (б) под действием силы резания

Величину и направление равнодействующей силы резания опре­деляют как диагональ параллелепипеда, построенного на состав­ляющих силах:

Силу Pz (в Н) определяют по эмпирической формуле:

где СPz — коэффициент, учитывающий физико-механические cвойства обрабатываемого материала; t — глубина резания, мм, s — подача, мм/об; v — скорость резания, м/мин; kMPz — коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (величины углов резца, условия обработки, материал режущего инструмента и т. д.).

Коэффициенты СPz и kMPz и показатели степеней хPz, yPz, и nPz даны в справочниках в зависимости от конкретных условий обработки.

Аналогичные формулы существуют для определения сил Ру, Рх. Однако на практике определяют лишь силу Рz, а силы Рх и Ру берут в частях от Рz.

Соотношение между силами Pz, Py, Рх зависит от геометрии режущей части резца, режима резания, износа резца, физико-ме­ханических свойств обрабатываемого материала и условий об­работки.

При обработке стали резцом с γ = 15°, φ = 45°, λ = 0, без охлаждения приближенно считают, что Рz:Рy:Рх = 1:0,45:0,35.

Отношения Ру : Рz : Рх возрастают с увеличением износа резца; с уменьшением угла φ увеличивается отношение Ру : Pz; с увеличением подачи возрастает отношение Рх : Рz и т. д.

Крутящий момент на шпинделе станка (в Нм)

где Dзаг — диаметр обрабатываемой поверхности, мм.

Эффективной мощностью Ne называют мощность, расходуе­мую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя ма­териала.

При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность в (кВт)

где n —частота вращения заготовки, об/мин. Мощность электродвигателя станка (в кВт)

где η — к. п. д. механизмов и передач станка.