Составляющие силы резания при фрезеровании
При фрезеровании, как и при точении, равнодействующую силу резания Р (рис. 233, а) можно разложить на составляющие силы, определяющие процесс резания и влияющие на технологи ческие факторы. Например, касательная сила Рг создает кру тящий момент на шпинделе станка, по которому рассчитывается необходимая мощность; это — главная сила по своему значению. Вторая составляющая — радиальная сила Ру направлена нор мально к поверхности резания и, следовательно, в значительной степени влияет на наклеп обработанной поверхности. Но, оче видно, этот наклеп должен определяться и вертикальной состав-
Рис. 233. Составляющие силы резания при фрезеровании
ляющей силой Рв, действующей перпендикулярно к обработанной поверхности и равной проекции сил Рг и Ру на это направление,
Р в = Ру cos — Р2 sin (256)
Можно спроектировать процесс фрезерования так, что сила Рв будет равна нулю или (еще лучше) направлена вниз, т. е. будет отрицательной величиной; в этом случае все стыки системы изде лие—стол станка—консоль—станина уплотняются и работа про текает в более благоприятных условиях в отношении вибраций системы. Этим отчасти можно объяснить повышенную стойкость
инструмента |
при |
попутном |
фрезеровании, |
когда |
вертикальная |
сила Рв всегда |
направлена |
вниз |
(рис. 233, |
6): |
|
Представляет |
интерес |
также |
горизонтальная |
составляющая |
сила подачи |
Рх, |
равная |
|
|
|
|
|
|
|
Рх |
= Рг |
cos |
ifo + |
Ри sin t|v |
|
(257) |
Она является наибольшей по величине и часто определяется при расчете нагрузки отдельных элементов системы.
Соотношение составляющих |
сил |
резания |
при |
фрезеровании |
в нормальных условиях в среднем берется равным: |
при |
попутном |
фрезеровании |
Рх |
= |
(0,8 + 0,9) |
Рг; |
при |
встречном |
фрезеровании |
Рх |
= |
(1,0 + 1,1) |
Рг\ |
в общем случае |
Ру = (0,5 + 0,6) |
Рг; |
Рв = |
0 + |
0,2Рг . |
Опыт и расчеты показали, что при встречном фрезеровании на механизм подачи затрачивается значительно большая мощ
ность |
(29%) сравнительно с |
попутным фрезерованием |
[146]. |
При работе фрез с винтовым зубом имеет место еще осевая |
составляющая сила резания Р0, |
направленная |
вдоль оси |
инстру |
мента |
и действующая на упорные подшипники |
шпинделя |
станка, |
а также на систему СПИД. Ее величина в основном зависит от угла наклона винтовой режущей кромки со и поэтому иногда рассчитывается по формуле (рис. 234, а)
P0 = P'ztga>,
что является не совсем точным. В действительности относитель ная величина Р"г может быть больше Р'г, а Р'0 меньше Р0, так
как вдоль винтового зуба на его передней поверхности действует еще сила трения Fn, осаживающая стружку (рис. 234, б). Следо вательно, равнодействующая R сил F и Р' образует с силой P"z угол a>i и тогда
где <0[ «< оз.
Необходимо подчеркнуть, что все составляющие силы резания заметно изменяются в зависимости от формы и геометрии фрезы, размера среза, остроты режущих кромок, рода обрабатываемого материала, смазочно-охлаждающей жидкости и других факторов.
При |
у — О приведенные |
закономерности |
изменения |
сил Рг |
и Р0 могут |
иметь место. Но |
при 7 > 0 и значительных углах |
наклона |
со |
заметно изменяется направление |
схода |
стружки. |
В результате увеличивается действительный передний угол,
измеряемый в |
направлении |
схода |
стружки, |
и процесс |
резания |
облегчается — сила |
Рг снижается. |
|
|
|
|
|
При торцевом фрезеровании на соотношение сил резания |
|
влияет |
также |
взаимное |
расположение |
инструмента* |
и изделия. |
Д л я |
примера на рис. 235, с, б, в приводятся три |
случая |
торцового |
фрезерования, |
где |
силы |
подачи |
Рх |
заметно различаются. |
Здесь |
диаметр фрезы |
D |
= |
100 |
мм, |
глубина фрезерования |
t = |
60 мм, |
число |
зубьев |
2 = |
|
9. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В |
первом случае имеем несимметричное фрезерование, когда |
оси |
симметрии фрезы и обрабатываемой детали не совпадают; |
при |
этом преобладает встречное фрезерование. Угол |
встречи |
е = |
53°. При врезании очередного зуба сила подачи Рх, |
согласно |
формуле (257), |
будет |
|
Рх= Ph (cos |
37° + 0,5 sin 37°) + pfa (cos 77° + 0,5 sin |
77°), |
где p — удельная сила" резания; fx = Bsz sin 37°; f2 — Bsz sin 77°. Подставляя в последние формулы значения параметров, при веденных на рис. 235, получим величину Рх, действующую при
врезании очередного зуба:
Рх = l,35pBsz \
В момент выхода очередного зуба из контакта имеем углы контакта 77 и 114°, и тогда получим соответственно Рх = 0,8pBs2.
В таком же порядке подсчитываются величины Рх во втором случае — симметричного фрезерования (рис. 235, б) при равных фазах встречного и попутного фрезерования и в третьем случае — несимметричного фрезерования, когда преобладает фаза попут ного фрезерования. Соответствующие значения Рх и их измене ния во времени показаны на рис. 235. Можно заметить, что коле бания силы Рх значительны в первом и минимальны в третьем случае при несимметричном резании.
Особенно резким колебание силы Рх |
было бы при |
работе |
одним зубом и значительной дуге контакта. |
При этом сила |
подачи |
изменялась бы не только по величине, но и по знаку, что заметно повлияло бы на стойкость инструмента и качество обработанной
поверхности |
(рис. 235, |
г, д, |
е). Наибольшие |
колебания силы Рх |
замечаются |
в третьем случае, |
и они особенно |
значительны тогда, |
когда возрастает относительная величина радиальной силы. |
Соотношение сил |
может заметно изменяться в зависимости |
от ряда факторов, особенно от обрабатываемого материала, гео метрии инструмента и толщины среза. Например, по данным [31 ] , при фрезеровании жаропрочных и титановых сплавов цилиндри-
ческими фрезами с малыми подачами отношение |
доходило |
' |
г |
до 3. Этим можно объяснить, почему фрезерование разных ме таллов с различной установкой обрабатываемой детали относи тельно инструмента дает неодинаковые результаты.
Вместе с тем отмечаются любопытные факты падения сил резания при скоростном фрезеровании с увеличением отрицатель ного переднего угла (—у), т. е. с увеличением угла резания. Уменьшается и потребляемая мощность с увеличением скорости
1 Необходимо отметить условность полученных величин Рх, поскольку удель ные силы резания р изменяются в зависимости от углов контакта (или от толщины среза).
Рис. 235. Силы подачи при торцевом фрезеровании
резания. При некоторых условиях эта мощность меньше сравни тельно с обычным фрезерованием [148]. Эти явления можно объяснить тем, что с увеличением переднего угла (—у) умень шается трение между поверхностью резания и задней гранью зубьев фрезы в результате отжатая инструмента из-за резкого увеличения радиальной силы. Но главная причина этого явления заключается в следующем. При попутном скоростном фрезерова нии имеет место ударное нагружение. Отличительные особенности деформирования при ударном нагружении — резкое повышение предела текучести [71 ] и малая, остаточная деформация. Благо даря высокому уровню напряжения и скорости деформации развивается трещинообразование, облегчающее процесс разру шения.
Указанные явления отсутствуют при встречном фрезеровании, когда процесс резания начинается при нулевой толщине среза и сопровождается усилением трения и наклепом при врезании зуба фрезы в обрабатываемый металл.
85.ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА СИЛЫ
РЕЗАНИЯ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ
Главная по значению сила резания — касательная сила Рг — изменяется по величине в процессе резания, и лишь в случае равномерного фрезерования при известных условиях колебания силы резания будут весьма малы (поскольку имеет место биение фрезы с оправкой или вибрации системы), а величина этих сил приближается к их среднему значению Р 2 с р . Для практических расчетов чаще всего требуется значение Pzcp, величину которой можно определить по уравнению
•^zcP |
= Р\ср |
= |
/ с р » |
|
|
а с р |
|
где аср — срединная толщина |
среза |
в мм; / с р — срединная |
площадь среза в мм2 . |
|
|
|
Согласно уравнению |
(238) |
|
|
Срединная толщина среза при угле контакта г]з,- = -k- на основании предыдущего
|
яс р = s2 |
|
• |
|
Таким образом, |
CpBtszz |
|
|
Р,2CP |
U nD |
|
t |
|
|
после сокращения получаем
Ргср = gpg8 '1 Х \ 4 кгс. |
(258) |
Значения С р и 1 даны в табл. 44.
Силу резания P z f p можно выразить в зависимости от подачи
в минуту sM, подставив в уравнение (258) значение sz = Тогда получим
|
|
|
Р г с р = |
^ м 1 ^ |
|
|
( 2 5 9 ) |
|
|
Чтобы |
показать |
влияние скорости |
резания |
на силу |
Р2ср, |
подставим |
в уравнение |
(259) значение |
п, |
выраженное через |
v, |
|
е. п = |
1000а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
т. |
» тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
^ с Р = |
CBs l-%t |
|
2 |
, |
|
(260) |
|
|
|
|
м я |
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
С |
- р |
|
1 - я |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
я х 1 0 0 0 |
|
|
|
|
|
= |
Например, при |
фрезеровании |
стали |
ов |
= 75 |
кгс/мм2 (Ср |
= |
210; Л = 0,28) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
° |
- |
1,4 - 14 5 |
— 1 , U ^ ' |
|
|
|
|
|
|
р |
_ |
l,03a/0,86s M 0 . 72 z 0 ,28 |
|
|
|
|
|
|
г с Р |
|
D0,14t;0,72 |
|
|
|
|
Для расчета мощности, необходимой для фрезерования, можно воспользоваться формулой
Подставляя в уравнение (261) значения Р г с р из формулы (258) nDn
и заменив v его значением v = у щ , получим
6 i 2 , 2 z i o " z w D 2 к В т - |
( 2 6 2 ) |
В табл. 44 даны формулы и соответствующие значения постоян ных коэффициентов для расчета сил резания и мощности при фрезеровании различных металлов фрезами разных типов [116].