Силы резания при точении, определение их величин и мощности резания

Под силой резания понимают силу сопротивле­ния перемещению режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки. Работа силы резания затрачивается на упругое и пластическое деформирование металла, на его разрушение, на трение задней поверхности об обработанную поверхность и пружки о переднюю поверхность режущего инструмента. Результатом сопротивления металла заготовки процессу резания является возникновение реактивных сил, воздействующих на режущий инструмент (рис. 4.1, а).

Реактивные силы — это силы упругого (Р_у1и Р_у2) и пластического (Р_п1и Р_п2) деформирования, направленные перпендикулярно соответственно задней и передней поверхностям инструмента, силы трения (Т₁, и Т₂) по задней и передней поверхностям. Векторная сумма всех этих сил даст единичную силу резания по сечению резца. Просуммировав единичные силы, получим равнодействующую силу резания Р = Р_п1 + Р_п2 + P_y1+ +Р_у2 + Т₁ + Т₂. Однако вследствие переменности условий резания (неоднородность структуры металла заготовки, допуски на размеры обрабатываемой поверхности и т.д.), равнодействующая сила резания Р переменна по величине и направлению, поэтому для расчетов используютне силу Р, а ее проекции на заданные координатные оси:

Рис 4.1. Сила резания:

а – плоская система сил; б - разложение силы резания на составляющие; D_r– движение резания; D_S– движение подачи; P_y1, P_п2 – реактивные силы упругой и пластической деформации по передней поверхности; P_y2, P_п2 – реактивные силы упругой и пластической деформации по задней поверхности; Т₁, Т₂ – силы трения; Р – сила резания; P_z, P_x, P_y – соответственно главная, осевая и нормальная составляющая силы резания

Р = Р_х+ Р_у + Р_z(рис. 4.1, б). Ось Ох проводят в направлении, противоположном направлению движения подачи, ось Oz в направлении главного движения, ось Оу в направлении, перпендикулярном обработанной поверхности. Полученные проекции: P_z— главная составляющая силы резания; Р_х— тангенциальная (осевая) составляющая силы резания; Р_у— нормальная (радиальная) составляющая силы резания. Причем использование составляющих силы резания оказалось необычайно удобно. Во-первых, по силе P_zопределяют параметры механизма главного движения станка, по силе Р_х определяют параметры механизма подачи станка, сила Р_у является одним из главных элементов расчета точности обработки. Во-вторых, соотношение составляющих силы резания для различных схем обработки и различных пар «материал заготовки — материал режущей части инструмента» достаточно стабильно. Например, для наружного точения низколегированных сталей быстрорежущим инструментом соотношение P_z:P_y:P находится в пределах 1: (0,4... 0,6): (0,2...0,4). Главную составляющую силы резания P_z определяют по эмпирической формуле

P_z =C_P t^Xp S^{Y p}v^Zp K_l K₂...K_i,

где С_Р — коэффициент, учитывающий физико-механические свойства обрабатываемого материала; l— глубина резания, мм; S — подача, мм/мин; v — скорость резания, м/мин; показатели степени Х_Р, Y_P, Z_P и коэффициенты К₁ К₂, ..., К_i, учитывают факторы, не вошедшие в формулу.

Аналогичные формулы существуют и для расчета других составляющих силы резания.

При изменении условий работы в формулу для расчета сил вводят из справочников поправочные коэффициенты на прочность обрабатываемого материала, передний угол γ, главный угол в плане φ, износ резца по задней поверхности, форму передней поверхности. С уменьшением переднего угла γвозрастают затрачиваемая на пластические деформации работа и сила резания. При затуплении резца силы резания увеличиваются. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей на 10...15 % уменьшает силы резания.

При работе резцами, оснащенными пластинками из твердых сплавов, на скоростных режимах резания формула для определения силы P_Z(H) имеет вид:

P_z=10C_pt^xs^yn

Выбранный режим резания проверяют по мощности. Мощность, затрачиваемая на резание, должна быть меньше или равна мощности на шпинделе

гдеN_м - мощность электродвигателя; η— КПД станка.

Если расчетная мощность резания окажется больше мощности на шпинделе, то скорость резания должна быть уменьшена.

Выбранный режим резания проверяют также по крутящему моменту. Крутящий момент резания должен быть меньше или равен крутящему моменту на шпинделе, т. е. М_р≤М_шп. Кроме того, выбранный режим проверяют по прочности механизма подачи станка, пластинки твердого сплава и державки резца. При чистовой обработке режим проверяют по шероховатости обработанной поверхности.

Критерием производительности выбранного режима резания служит основное (машинное) время.