MACHINE-TOOLS

Сила резания. Чтобы с обрабатываемой заготовки снять стружку, необходимо преодолеть силу сцепления частиц металла между собой. Сопротивление металла резанию вызывает силу, которая преодолевается резцом. Эта сила называется силой резания и обозначается буквой Р.

Сила, приложенная со стороны резца и равная силе резания, деформирует срезаемый слой, в результате чего образуется стружка. В зависимости от условий работы величина силы резания может значительно колебаться.

Строгальщик должен знать, от чего зависит величина силы резания, так как, действуя на станок, деталь, приспособление и резец, она активно влияет на точность обработки. Необходимо знать, какой режим резания целесообразно принять, чтобы двигатель и механизмы  станка могли преодолеть сопротивление резанию обрабатываемого материала.

Сила резания Р действует не по направлению главного рабочего движения, а составляет с этим направлением некоторый угол (рис. 11). Для практических целей оказывается удобным рассматривать эту силу, разложив ее на три взаимно-перпендикулярные составляющие Р_z,  Р_y и Р_x. Направление составляющей Р_z совпадает с направлением главного рабочего движения. Величина ее обычно лишь незначительно меньше полной силы Р, поэтому составляющую  Р_z называют силой резания.

Сила  Р_z изгибает резец и стремится сдвинуть заготовку в плоскости главного рабочего движения. Исходя из величины этой силы производят расчеты механизма главного рабочего движения станка, определяют необходимую мощность электродвигателя, силу закрепления заготовки и размеры резца, обеспечивающие его прочность и жесткость.

Составляющая  Р_y действует в вертикальном направлении и называется нормальной, или вертикальной, составляющей силы резания. Она стремится оттолкнуть резец от заготовки, а последнюю прижимает к столу станка.

Составляющая Р_x действует в горизонтальной плоскости перпендикулярно направлению главного рабочего движения и называется боковой составляющей силы резания, или силой подача. Эта сила стремится вывернуть резец из резцедержателя, изгибает резец и стремится сдвинуть заготовку в плоскости движении подачи.

Между тремя указанными составляющими силы резания существует определенное соотношение. При работе острым проходным строгальным резцом можно считать, что сила подачи составляет примерно 25%, а вертикальная составляющая - 40% от силы резания, т. е.:

Р_x ≈ 0,25Р_z , (10)

Р_y ≈ 0,4Р_z. (11) 
Влияние различных факторов на силу резания. На величину силы резания оказывают влияние многие факторы. Характер этого влияния следует знать, чтобы при необходимости управлять процессом резания.

Материал заготовки оказывает на силу резания большое влияние. Чем прочнее металл и чем выше его физико-механические свойства, тем сильнее он сопротивляется резанию и тем больше сила резания. Для каждого металла экспериментальным путем установлены постоянные коэффициенты, учитывающие его свойства. Коэффициенты эти имеются в справочниках по выбору режимов резания, ими пользуются для определения сил резания.

Площадь сечения срезаемого слоя является основным и решающим фактором при определении силы резания, которая возрастает прямо пропорционально увеличению глубины резания и несколько медленнее при увеличении подачи. Например, если увеличить подачу в 2 раза, то сила резании возрастает не в 2, а в 1,7 раза, если же увеличить в 2 раза глубину резания, то и сила резания повысится приблизительно в 2 раза.

Отсюда можно сделать весьма важный вывод: если обработка производится при постоянных геометрии резца и площади срезаемого слоя, то силу резании можно уменьшать=, увеличивая подачу и соответственно уменьшая глубину резания.

Чем больше передний угол резца., тем меньше деформации срезаемого слоя и тем, следовательно, меньше сила резания. Так, при строгании резцами с отрицательным передним углом сила резания заметно больше, чем при обработке резцами с положительным углом. 
Главный угол в плане оказывает особенно большое влияние на вертикальную и боковую составляющие силы резания. С уменьшением угла φ сила Р_y возрастает, а Р_x уменьшается. При строгании подрезными резцами с φ=90° сила Р_y имеет наименьшее, а сила Р_x наибольшее значение. При строгании же широкими резцами с φ=0°, наоборот, сила Р_x становится весьма малой, а сила Р_y приобретает наибольшее значение. На силу Р_z изменение угла в плане оказывает не столь большое влияние.

Увеличение радиуса при вершине резца также сильно сказывается на увеличении силы Р_y и менее заметно на изменении силы Р_z. 
Ио мере затупления режущей кромки резца сила резания и особенно ее составляющие Р_x и Р_y значительно возрастают. Можно считать, что при строгании сталей затупление режущей кромки увеличивает силу Р_z, в среднем на 10%, а Р_x и Р_y - на 50%.

Смазочно-охлаждающие жидкости, применяемые в процессе резания, содействуют уменьшению трения стружки о переднюю поверхность и задних поверхностей о заготовку. Кроме того, смазка, проникая в микроскопические трещины срезаемого слоя, уменьшает силу сцепления между отдельными частицами металла. Вследствие этих причин использование смазки, особенно при обработке пластичных металлов, может значительно (до 20 - 25%) понизить силу резания.

Определение силы резания. Сила резания при строгании может быть определена при помощи специальных приборов, называемых динамометрами, Однако к непосредственному измерению силы резания прибегают главным образом в лабораторных условиях. 
Более простым методом определения силы резания является подсчет по упрощенным формулам. Величина силы резания при строгании чугунов и сталей определяется по следующей формуле:

Р_z =10*С_р*t*s^0,75 Н¹, (12)

где t - глубина резания, в мм; 
s - подача, в мм/дв. ход;
С_р - коэффициент, характеризующий обрабатываемый материал и условия работы; 
0,75 - числовой коэффициент.

Здесь и далее сила резания определена в ньютонах (H); один ньютон равен приблизительно 10 кг.

Для распространенных металлов различных марок и наиболее характерных условий работы значения коэффициента С_р установлены опытным путем.

При переднем угле γ=10°, угле φ=45° и радиусе при вершине резца r=2 мм коэффициент С_р имеет значения, приведенные в табл. 1. 


Как видно из данных этой таблицы, при строгании чугунов значения С_р, а следовательно, и сил резания меньше, чем при обработке сталей. Это объясняется как меньшей прочностью чугуна, так и тем, что срезаемый слой его вследствие меньшей пластичности претерпевает меньшие деформации.

Более точные значения коэффициента С_р имеются в справочниках по выбору режимов резания. 
Пример. Определить силу резания при строгании быстрорежущим резцом (γ=10°, φ=45°) чугунной отливки НВ 190 с глубиной резания 6 мм и подачей 0,5 мм/д,в. ход. 
Решение. Согласно формуле (12) и данным табл. 1 можно записать:
Р_z = 10*98*6*0,5^0,75 = 980*6*0,545 ≈ 3500 Н.

Понятие о мощности. В процессе строгания станок совершает определенную работу. В зависимости от его мощности одна и та же работа может быть произведена за различное время. Мощность станка характеризуется работой, которую он осуществляет в одну секунду.

Обычно работа измеряется в килограммометрах (кгм) или в ньютон-метрах (Нм), а мощность - в лошадиных силах (л. с.) или киловаттах (кВт). 1 Нм - это работа которая производится при поднятии 0,1 кг на 1 м. Мощность в 1 л. с. позволяет выполнить за 1 сек. работу в 75 кгм или в 750 HM.

Зная силу резании   Р_z в Н, и скорость резания υ, в м/мин, мы может определить  работу, которая производится в 1 сек.; эта работа будет равна Р_z*υ/60. Так как 1 л. с.=75 кгм/сек., то для того, чтобы определить мощность, расходуемую на резание N_рез, работу, в кгм/сек., надо разделить на 75:

N_рез =  (Р_z*υ)/(60*75) л.с. (13, а)

В большинстве случаев мощность электродвигателей указывается и киловаттах; 1 кВт в 1,36 раза больше 1л. с. Мощность резании в киловаттах будет равна:

N_рез =  (Р_z*υ)/(60*75*1.36) кВт (13, б)

или

N_рез =  (Р_z*υ)/(60*102) кВт (13, в)

Пример 1. Определить мощность резания при строгании плитки из стали с σ_в = 650 Н/мм² (С_р=160), если t = 5 мм; s = 0.7 мм/дв. ход; υ=30 м/мин. 
Решение. По формуле (12) определяем силу резания:

Р_z =10*С_р*t*s^0,75 = 1600*5*0.7^0,75 = 1600*5*0,765 = 6120 Н.

По формуле (13, в) находим  N_рез :

N_рез =  (Р_z*υ)/(60*102)  = (6120*30)/(60*102) = 3 кВт.

Мощность резания необходимо знать для выбора станка. Мощность электродвигателя станка всегда должна быть несколько больше мощности резания. Дело в том, что часть мощности затрачивается не на полезную работу, а на потери в станке и двигателе (на трение в подшипниках и передачах и пр.). Эти потери учитываются коэффициентом полезного действия станка η.

Мощность электродвигателя определяется по следующей формуле:

N_9.д = N_рез/η кВт (14)

Коэффициент полезного действия зависит от конструкции станка. Вместе с тем один и тот же станок имеет различный коэффициент полезного действия при различных скоростях.

Для самой приближенной оценки потребной мощности электродвигателя можно принять, что в среднем коэффициент полезного действия строгального станка равен 0,7. Тогда

N_9.д = 1,43*N_рез кВт (15)

Пример 2. По условиям предыдущей задачи определить потребную мощность электродвигателя станка. 
Решение. Согласно формуле (15) находим:

N_9.д =1,4З*3 = 4,29 кВт.

Пример 3. Определить, достаточна ли мощность электродвигателя продольно-строгального станка модели 7231А (к. п. д. η=0,75) для обработки стальной заготовки (σ_в = 650 Н/мм²; С_р = 160) четырьмя резцами, закрепленными в четырех суппортах, при υ=30 м/мин., t=8 мм и s=2 мм/дв. ход. Мощность электродвигателя станка N_э.д.=16 кВт. 
Решение. По формуле (12) определяем силу резания при работе одним резцом:

Р_z =10*С_р*t*s^0,75 = 1600*8*2^0,75 = 1600*8*1.68 = 21500 Н.

По формуле (13, в) находим мощность, расходуемую на резание одним резцом:

N_рез =  (Р_z*υ)/(60*102)  = (21500*30)/(60*102) = 10,5 кВт.

При работе четырьмя суппортами мощность, расходуемая на резание, составит:

N_рез = 10,5*4 = 42 кВт. 

В этом случае согласно формуле (15) потребная мощность электродвигателя будет равна:

N_9.д = 1,43*N_рез = 1,43*42 = 60кВт, 
что почти в 4 раза превышает мощность электродвигателя станка.

Отсюда следует, что при заданном режиме резания работа на станке 7231А одновременно четырьмя суппортами невозможна. Можно работать лишь одним суппортом.