Силовое взаимодействие инструмента и заготовки

Деформирование и срезание с заготовки слоя металла происходят под действием внешней силы резания, приложенной со стороны инструмента к обрабатываемой заготовке. Направление вектора силы совпадает с вектором скорости главного движения резания V. Работа, затрачиваемая на деформирование и разрушение материала заготовки (Pv), расходуется на упругое и пластическое деформирование металла, его разрушение, на преодоление сил трения задних поверхностей о заготовку и стружки о переднюю поверхность лезвия инструмента.

В результате сопротивления металла процессу деформирования возникают реактивные силы, действующие на режущий инструмент. Реактивные силы - это силы упругого (P_yl и Р_у2) и пластического (Р_п1 и P_n2) деформирования, векторы которых направлены перпендикулярно к передней и задней поверхностям лезвия резца (рис. 3.4.2, а). Наличие нормальных сил обусловливает возникновение сил трения (F₁ и F₂), направленных по передней и задней поверхностям лезвия инструмента Указанную систему сил приводят к равнодействующей силе резания:

P = P_yl+P_y2+ Р_п1+P_n2+ F₁+F₂.

Считают, что точка приложения силы резания Р находится на главной режущей кромке инструмента (рис. 3.4.2, б). Абсолютное значение, точка приложения и направление равнодействующей силы резания Р в процессе обработки переменны. Это можно объяснить неоднородностью структуры материала заготовки, переменной поверхностной твердостью материала заготовки, непостоянством срезаемого слоя металла, наличием штамповочных и литейных уклонов, изменением углов у и а в процессе резания. Для расчетов используют не равнодействующую силу резания, а ее составляющие, действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям - координатным осям металлорежущего станка.

Рис.3.4.2.Силы, действующие на резец (а),и разложение силы резания на составляющие (б) при обработке заготовки на токарном станке с ЧПУ

Для обеспечения единства трактовки международный стандарт ISO-841 и отечественный отраслевой устанавливают номенклатуру и единое направление координатных осей металлорежущих станков с ЧПУ, обязательные для всех изготовителей. Например, для токарно-винторезного станка с ЧПУ: ось z - линия центров станка; ось х - горизонтальная линия, перпендикулярная к линии центров станка; ось у - линия, перпендикулярная к плоскости zOx (рис. 3.4.2, б).

Стандарт устанавливает следующее общее направление координатных осей: ось z - ось вращения заготовки или инструмента; оси хну- направления продольного и поперечного движений подачи заготовки или инструмента. За положительное направление координатных осей считают то, при котором инструмент или заготовка отходят друг от друга.[i]

Для токарного станка с ЧПУ главная составляющая силы резания Р_у (Р₂)* действует в плоскости резания в направлении главного движения резания по оси y(z) По силе Р_у определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба (рис. 3.4.3, а) заготовки в плоскости zOy, изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 3.4.3, б), а также ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка. Радиальная составляющая силы резания Р_х (Р_у) действует в плоскости xOz перпендикулярно к оси заготовки. По силе Р_х (Ру) определяют величину упругого отжатия резца от заготовки и деформацию изгиба заготовки в плоскости xOz (рис. 3.4.3, а). Осевая составляющая силы резания P_z (Р,) действует в плоскости xOz вдоль оси заготовки. По силе Р₂ (Р_х) рассчитывают механизм подачи станка, а также изгибающий момент, действующий [ii] на стержень резца (рис. 3.4.3, б).

Рис.3.4.2.Силы, действующие на заготовку (а) и резец (б), при обработке заготовки на токарном станке с ЧПУ

По деформации заготовки от сил Р_х и Р_у рассчитывают ожидаемую точность размерной обработки заготовки и погрешность ее геометрической формы. По суммарному изгибающему моменту от сил Р_х и Р_у рассчитывают стержень резца на прочность. Равнодействующая силы резания, Н:

Силу Р_у (P_z) определяют по эмпирической формуле, Н:

где C_Py - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки; К_МРу - коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу, значения углов резца, материал резца и т.д.

Аналогичные формулы существуют для определения сил Р_х и P_z. Условно можно считать, что для острого резца с γ = 15°, φ = 45°, λ = 0 при точении стали без охлаждения Р_у: Р_х: Р₂ = 1: 0,45: 0,35. Отношения Р_х: Р_у и Р_г: Р_у растут с увеличением износа резца, уменьшение угла φ увеличивает отношение Р_х: Р_у, а повыш­ние подачи приводит к росту отношения P_z: Р_у. Знание значений и направлений сил Р_у, Р_х и P_z. необходимо для расчета элементов станка, а также приспособлений и режущего инструмента.

Крутящий момент на шпинделе станка, Н • м:

Изгибающий момент, действующий на стержень резца (рис. 6.10, б), Н • м:

Величина общего упругого перемещения стержня резца и заготовки под действием силы Р_х (расчет на точность обработки), мм:

где J_заг - жесткость системы заготовка - приспособление - элемент станка, на котором закреплена заготовка; J _и - жесткость системы инструмент - приспособление - элемент станка, на котором закреплен инструмент.

Зная составляющие силы резания, можно определить эффективную мощность и мощность электродвигателя станка.

Эффективной мощностью N_e называют мощность, расходуемую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя металла. При точении цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность, кВт:

где n - частота вращения заготовки, об/мин.

Мощность электродвигателя станка N _э, кВт:

где η - КПД механизмов и передач станка.