Силы Резания При Фрезеровании

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.

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

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.

При цилиндрическом фрезеровании на цилиндрические фрезы (на каждый зуб) действует сила P, которую можно разложить на составляющие силы: тангенциальную P_z и радиальную Р_y (рис. 3). Тангенциальная сила создает крутящий момент на фрезе, который преодолевается крутящим моментом главного привода, а радиальная сила воспринимается подшипниками шпинделя станка. Силу Р резания можно также разложить на вертикальную Р_в и горизонтальную Р_г составляющие силы. Горизонтальная сила воспринимается приводом подачи станка, а вертикальная сила прижимает к столу станка (при попутном фрезеровании) и отрывает от стола станка (при встречном фрезеровании) обрабатываемую заготовку, что необходимо учитывать при конструировании и расчете зажимных приспособлений.

Рис. 3. Силы резания при цилиндрическом фрезеровании

Основной составляющей силы резания является тангенциальная сила P_z, которую рассчитывают по эмпирическим формулам.

Тангенциальную силу можно определить по формуле P_z=pF_ср, где F_ср - средняя площадь поперечного сечения срезаемой стружки, p - удельное давление. Значения p в зависимости от максимальной толщины α_max срезаемой стружки и обрабатываемого материала приведены на рис. 4.

Рис. 4. Удельное давление резания при фрезеровании, Н/мм2

Радиальная сила Рy≈0,4P_z. При встречном цилиндрическом фрезеровании: Р_г=(1÷1,2)P_z; Р_в=(0,2÷0,3)P_z.

При попутном цилиндрическом фрезеровании: Р_г=(0,8÷0,9)P_z; Р_в=(0,75÷0,8)P_z.

Крутящий момент (Нм) при фрезеровании M=(P_zD_ф)/2, а мощность резания (кВт) N=(Mn)/9554, где n - частота вращения фрезы, об/мин.

Мощность электродвигателя главного привода станка N_эл=N/η, где η - коэффициент полезного действия элементов привода.

Силы резания, крутящий момент и мощность резания при торцовом фрезеровании подсчитывают по тем же формулам, что и при работе цилиндрическими фрезами.

Из схемы сил резания при симметричном фрезеровании используя торцовые фрезы (рис. 5) видно, что направление сил резания на входе и выходе фрезы различное. Мгновенные составляющие сил резания для случая, когда в резании участвует несколько зубьев, можно определить только геометрическим сложением сил, действующих на все работающие зубья.

Радиальная составляющая сила Р_у=(0,5÷0,55)P_z. При симметричном фрезеровании горизонтальная составляющая сила Р_г=(0,4÷0,5)P_z, a вертикальная составляющая Р_в=(0,85÷0,95)P_z; при встречном фрезеровании Р_г=(0,6÷0,9)P_z, a Р_в=(0,45÷0,7)P_z; при попутном фрезеровании Pr=(0,3÷0,5)P_z, a P_s=(0,9÷1)P_z.

Рис. 5. Силы резания при торцовом фрезеровании

Схема сил, действующих при обтачивании заготовки, показана на рис. 6. Тангенциальная сила P_z=pF, где р - удельное давление резания, Н/мм2; F - площадь поперечного сечения среза, мм².

Суммарная сила резания P=√P_z²+Р_y²+Р_г²

Соотношение сил P_z, Р_у и Р_г меняется в зависимости от геометрических параметров рабочей части резца, какие выставлены режимы резания, износа резца, физико-механических свойств обрабатываемого материала и условий резания.

Рис. 6. Силы резания при обтачивании

Когда происходит сверление отверстий (в отличие от точения) в резании принимают участие два главных лезвия, перемычка и два вспомогательных лезвия (рис. 7). Силу, действующую на главную режущую кромку, можно разложить на составляющие силы: тангенциальную P_z=pF; осевую P_х и радиальную Р_у. Так как у сверла два главных режущих лезвия, то при правильной (симметричной) заточке силы Р_у взаимно исключают друг друга.

Рис. 7. Силы резания при сверлении

Перемычка сверла, работающая как зубило, создает осевую составляющую P_хп силы резания и незначительный крутящий момент от силы P_zп. Ленточка сверла создает силу резания, которую можно разложить на составляющие силы P_хл и P_zл.

Осевая составляющая сил резания P_о=2P_z+2P_хп+2P_хл.

Рис. 8. Значение осевой силы, Н

На практике суммарную осевую силу резания подсчитывают по формуле P_о=P_таблk_р, где P_табл - выбирают в зависимости от обрабатываемого материала, диаметра сверла и подачи на оборот (рис. 8); k_р - коэффициент резания выбирают в зависимости от твердости обрабатываемого материала (рис. 9).

Рис. 9. Зависимость коэффициента резания от твердости обрабатываемого материала

Равнодействующую сил Р, действующих на инструмент при обработке резанием, можно разложить на три взаимоперпендикулярные составляющие силы резания (рис. 10).

Рис. 10. Схема сил, действующих на зуб фрезы при фрезеровании

Главная составляющая силы резания Pz - составляющая силы резания, совпадающая по направлению со скоростью главного движения в вершине лезвия. При фрезеровании ее называют касательной составляющей силой резания. С учетом величины этой силы производят расчет звеньев механизма главного движения на прочность.

Радиальная составляющая силы резания Py направлена по радиусу главного вращательного движения резания. Эта сила оказывает наибольшее влияние на степень и глубину наклепа обработанной поверхности. C учетом максимального значения силы Py рассчитывают звенья механизма подачи станка и узлы крепления заготовки в приспособлении.

Осевая составляющая силы резания Px направлена параллельно оси главного вращательного движения. В зависимости от угла наклона, который имеют зубья фрезы и направления винтовой канавки составляющая Px может быть направлена вниз (рис. 10, а) или вверх (рис. 10, б). Более благоприятным является положение, когда составляющая Рх направлена вниз и способствует прижиму заготовки к столу станка (к опорам приспособления).

Формулы для определения составляющих силы резания можно найти в справочниках по режимам фрезерования и в справочниках технолога.

Действующая мощность Ne - мощность, необходимая для осуществления процесса резания (без учета кпд станка). Она равна произведению главной касательной составляющей силы резания Pz (Н) на скорость резания v (м/мин).

Действующая мощность резания, выраженная в киловаттах, будет иметь вид:

Ne = P_zv / 6120, кВт.

По величине P_z подсчитывают необходимый для осуществления процесса резания крутящий момент М:

M = P_zD / 2, H

где D - диаметр фрезы, мм.

Давление р (Па) представляет собой отношение силы резания P_z к площади поперечного сечения среза F:

p = P_z / F

Если известно значение давления, то можно приближенно определить окружную силу резания P_z по формуле:

P_z = pF

Величина давления зависит главным образом от физико-механических свойств обрабатываемого материала, толщины среза и геометрических параметров инструмента.

При работе станка действующая мощность Ne не должна превышать эффективную мощность Nэ, электродвигателя привода станка (Ne<Nэ). Эффективная мощность, которая может быть использована на резание, оп- ределяется с учетом КПД станка η_ст, равного для фрезерных станков 0,75...0,85:

Nэ = Nη_ст, кВт

где N - мощность электродвигателя привода станка главного движения, кВт.