Силы на передней и задней поверхностях инструмента

Силы резания при точении, сверлении и фрезеровании

Площадь контакта стружки с передней поверхностью состоит из двух участков: пластического контакта и упругого контакта (Модель Н.Н. Зорева). На участке пластического контакта расположен заторможенный слой, поэтому имеет место внутреннее трение между слоями стружки. Здесь сопротивление движению стружки определяется сопротивлением на сдвиг материала. На участке упругого контакта имеет место трение скольжения между стружкой и передней поверхностью, и сопротивление движению стружки определяется силой трения.

Рис. 9.1. Распределение нормальных s_N и касательных t_F, t_b напряжений на контактных поверхностях инструмента

Силы на передней и задней поверхностях инструмента

Суммируя в пределах площадки контакта нормальные напряжения, полу­чаем значение средней нормальной силы N, которую можно считать прило­женной на расстоянии С/4 от режущей кромки инструмента. Таким же обра­зом среднюю силу трения на передней поверхности можно получить путем суммирования касательных напряжений. Указанные силы для условий прямо­угольного резания можно рассчитать, измерив экспериментально составля­ющую Р_Z’, действующую в направлении скорости резания, и Р_X’, дейс­твующую в перпендикулярном направлении (рис.9.2).

Рис. 9.2. Схема сил, действующих на передней поверхности

Равнодействующая сил Р_Х и Р_Z представляет собой силу стружкообразования Р , наклонную к направлению резания под углом действия

w=arctg Р_X’/ Р_Z’ (9.1)

На основании рис.9.2 имеем

(9.2)

По закону трения Амонтона средний коэффициент трения по передней поверхности

m =F/N=tg(w+g) (9.3)

т.е. угол трения на передней поверхности зависит от переднего угла инструмента и угла действия

x =w +g. (9.4)

Аналогичным образом определяются силы, действующие на задней по­верхности инструмента (рис. 9.3). Любой обрабатываемый материал обладает запасом пластичности, поэтому площадка контакта на задней поверхности инструмента (даже незатупленного) имеет конечные размеры. Нормальная сила N₁ обусловлена давлением заготовки на заднюю поверхность инстру­мента. Сила трения F₁ зависит от нормальной силы N₁ и коэффициента трения между материалами заготовки и инструмента.

Рис. 9.3. Схема сил, действующих на контактных поверхностях инструмента

Геометрическая сумма сил, действующих на передней и задней поверх­ностях, представляет собой сопротивление резанию и называется силой резания R (рис. 9.3). Величина и направление этой силы в пространстве зависят от геометрии инструмента, режимов резания, свойств инструмен­тального, обрабатываемого материалов и смазочно-охлаждающей среды. Для решения практических задач эту силу раскладывают (как правило, по трем взаимно перпендикулярным координатам), на составляющие, каждая из ко­торых оказывает определенное влияние на выходные характеристики про­цесса обработки.

N=s_otsK_L^Mc, (9.5)

где s_o - предел текучести обрабатываемого материала при сжатии, M_c - показатель политропы сжатия обрабатываемого материала.

Чаще всего в инженерных расчетах пользуются эмпирическими зави­симостями сил от условий резания. Эмпирические силовые зависимости вы­ражаются в виде показательных функций типа P_i=C_piA^x , см. рис.9.4. После проведения ряда экспериментов, в ходе которых определяются силовые зависимости от каждого из интересующих переменных параметров, устанавливается обоб­щенная зависимость в виде

(9.6)

где t, s, v - элементы режима резания с соответствующими показателями степени, K_q - коэффициенты, учитывающие влияние свойств материала, ге­ометрию инструмента, СОЖ и т.д.

Рис. 9.4. Характер зависимости главной составляющей силы резания от элементов сечения среза

Влияние глубины резания и подачи на силу резания сказывается через изменение сечения срезаемого слоя (рис.9.5, а). Увеличение силы резания происходит пропорционально увеличению глубины резания, т.е. ширины срезаемого слоя, и несколько отстает от увеличения подачи, т.е. толщины срезаемого слоя. При увеличении ширины среза (рис.9.5, б) происходит пропорциональное увеличение площади среза, что при сохранении постоянного значения коэффициента усадки стружки требует пропорционального увеличения силы, вызывающей деформацию.

Рис. 9.5. Изменение формы и площади сечения среза при изменении глубины резания и подачи

При увеличении толщины среза (рис. 9.5, в) также происходит пропорциональное увеличение площади среза, однако с увеличением нагрузки на единицу длины режущей кромки увеличивается температура в зоне резания, что приводит к снижению сил резания, коэффициента усадки стружки и сопротивления обрабатываемого материала сдвигу. Кроме того, деформация по толщине среза распределена неравномерно, поэтому увеличение толщины среза приводит к уменьшению относительной толщины слоя с максимальными деформациями. Поэтому в данном случае сила, требуемая на деформацию срезаемого слоя, увеличивается не пропорционально увеличению толщины среза. В связи с этим для большинства конструкционных материалов значение показателя степени х в уравнении (9.6) близко к 1 , а у=0,75.

Влияние скорости резания на силу резания качественно подобно влиянию скорости на коэффициент усадки стружки и определяется склонностью к наростообразованию и снижением силы трения и сопротивления деформированию материала с ростом температуры, сопровождающим увеличение скорости резания.

Влияние свойств обрабатываемого материала.Свойства материала в зоне резания значительно отличаются от физике-механических свойств в нормальных условиях. Поэтому точных однозначных зависимостей между силой резания, твердостью и прочностными характеристиками материалов в настоящее время нет. Тем не менее установлено, что силы резания растут с увеличением твердости, прочности, пластичности и вязкости обрабатываемого материала.

Влияние свойств инструментального материала на величину силы резания вызвано изменением силы трения (коэффициентов трения) на контактных поверхностях. В этой связи с целью снижения трения на контактные поверхности инструмента наносят покрытия карбидов и нитридов тугоплавких металлов, что позволяет снизить силы резания и уменьшить интенсивность износа инструментов.

Влияние геометрических параметров инструмента на силу резания. Передний угол влияет на силу резания через изменения условий деформации. С увеличением переднего угла увеличивается угол сдвига, уменьшается коэффициент усадки стружки, а следовательно, и сила резания. При увеличении заднего угла уменьшается размер площадки контакта по задней поверхности и сила трения, что также приводит к незначительному (в пределах 6 %) уменьшению силы резания.

Влияние углов в плане и радиуса при вершине на силу резания обусловлено соответствующим изменением толщины и ширины срезаемого слоя и изменением коэффициента усадки стружки.