Обрабатываемый материал оказывает сопротивление резанию. Силы резания при фрезеровании, прогибая фрезу, заготовку и узлы станка, ухудшают качество обработки. На преодоление его расходуется электроэнергия, потребляемая двигателем станка. Поэтому изучение причин зависимости усилия резания от условий работы имеет большое практическое значение.
Основными причинами возникновения сил сопротивления резанию при фрезеровании являются силы, препятствующие деформации и скалыванию элементов стружки, и силы трения, возникающие на контактных поверхностях зубьев фрезы, стружки и обрабатываемой заготовки. Причем первые составляют примерно 90% общей силы сопротивления резанию.
Силы, действующие на фрезу и заготовку
При работе прямозубой фрезы (рис. 1, а) силу сопротивления резанию R можно представить как геометрическую сумму двух сил: радиальной Рp, действующей по радиусу фрезы, и касательной Рz, направленной по касательной к окружности вращения фрезы. Радиальная сила стремится оттолкнуть фрезу от заготовки и прогнуть фрезерную оправку, а касательное усилие непосредственно препятствует резанию. Со стороны фрезы эти силы действуют на заготовку в противоположном направлении.
Для фрез с винтовыми зубьями характерно возникновение дополнительной осевой силы Ро (рис. 1, б), получаемой при геометрическом разложении общего усилия резания R. Эта сила стремится сдвинуть фрезу в осевом направлении, и поэтому ее желательно направить в сторону более жесткой опоры - шпинделя. Аналогичная картина действия сил резания наблюдается и при работе торцовых фрез (рис. 1, в и г).
Наибольшим по величине является касательное усилие Рz, которое превышает остальные составляющие силы резания в два и более раз. Это усилие совпадает с направлением скорости резания и непосредственно осуществляет работу по срезанию стружки. Поэтому для технологических расчетов в качестве общего усилия резания практически принимается сила Рz.
Рис. 1. Силы, действующие на фрезу при обработке
Зависимость силы резания от условий фрезерования
Сопротивление резанию зависит от механических свойств обрабатываемого материала, геометрии фрезы, режима резания и свойств смазывающе-охлаждающей жидкости.
Способность обрабатываемого металла оказывать сопротивление резанию можно характеризовать удельным давлением р, которое представляет собой силу резания, приходящуюся на один квадратный миллиметр площади поперечного сечения срезаемой стружки. Удельное давление зависит не только от механических свойств обрабатываемого металла, но и от наибольшей толщины стружки, имеющей при фрезеровании, как известно, форму запятой. При этом усадка стружки не учитывается. Для более тонких стружек удельное давление при прочих равных условиях увеличивается, и наоборот, оно уменьшается для стружки большей толщины.
При торцовом фрезеровании стружка имеет наибольшую толщину в основной плоскости фрезы, параллельной направлению подачи. Поэтому для симметричного фрезерования αнб=Sz. Такое же равенство сохраняется и для несимметричного фрезерования, когда ось фрезы располагается в пределах ширины фрезеруемой поверхности. В таблице на рис. 2 приведены ориентировочные значения удельных давлений для различных материалов.
Рис. 2. Удельное давление резания p при фрезеровании, кгс/мм2 (МПа)
Наиболее существенное действие на силу резания оказывают передний угол ү, главный угол в плане φ и угол наклона главной режущей кромки ω или λ.
С увеличением переднего угла зуб фрезы легче внедряется в обрабатываемый материал и разъединяет его частицы. С изменением угла в плане φ изменяется длина активной части главной режущей кромки l (см. рис. 4, Геометрия фрезы), благодаря чему изменяется и сила сопротивления резанию. Для уменьшения силы резания следует применять фрезы с большим углом φ. Угол наклона главной режущей кромки способствует увеличению поперечного переднего угла ү1, действующего в направлении резания, и тем самым уменьшению сопротивления обрабатываемого материала резанию.
Элементы режима резания оказывают различное влияние на величину силы резания. При увеличении ширины фрезерования и глубины резания увеличивается длина активной части главной режущей кромки и количество зубьев фрезы, одновременно участвующих в резании, что приводит к пропорциональному увеличению усилия резания. С увеличением подачи на зуб активная длина главной режущей кромки не изменяется, но увеличивается толщина и площадь поперечного сечения срезаемых стружек. Следовательно, в этом случае сила резания также увеличивается, но в меньшей степени. Поэтому для снижения силы сопротивления резанию выгоднее работать с большей подачей и меньшей глубиной резания и шириной фрезерования.
Скорость резания в узких пределах практически применяемых значений незначительно влияет на величину усилия резания.
При применении смазывающе-охлаждающих жидкостей сила резания уменьшается за счет уменьшения сил внешнего трения, возникающих на контактных поверхностях зуба фрезы, стружки и обрабатываемого материала. Кроме того, жидкость под давлением зуба фрезы, проникая в микротрещины срезанного металла, как бы разрыхляет его, тем самым облегчая резание.
