§ 7. Силы, действующие на резец

В процессе точения резцу приходится преодолевать силы сопротивления обрабатываемого материала резанию (силы упругого и пластического деформирования, силы трения). Все эти силы можно привести к суммарной равнодействующей силе R, расположенной в пространстве и приложенной к резцу. Для удобства измерения и изучения раскладывают силу R на три взаимно перпендикулярные составляющие Р_z, Р_y и Р_х (рис. 31, а). Сила резания Р_z действует на резец в направлении движения резания и является касательной к поверхности резания (эту силу также называют тангенциальной). Радиальная сила Р_y направлена в сторону резца перпендикулярно оси заготовки.

Осевая сила Р_х действует в направлении, параллельном оси заготовки, противоположном движению подачи.

Наибольшей из этих сил является сила Р_z. Соотношения между силами Р_y, Р_х и Р_z зависят от элементов режима резания, углов режущей части резца, степени его затупления, физико-механических свойств обрабатываемого материала. Например, при обработке сталей острым резцом с углами γ = 15°, φ = 45°, λ = 0, Р_y = (0,4÷0,5) Р_z; Р_х = (0,3÷0,4) Р_z.

Равнодействующая, как диагональ параллелепипеда,

При работе отрезным резцом (рис. 31, б), когда угол λ = 0, на резец действуют только силы Р_z и Р_y, а осевая сила Р_х = 0.

Рис. 31. Силы, действующие на токарный резец: а - при продольном точении; б - при отрезании и прорезании; в - при подрезании (свободное резание)

При обработке трубчатой заготовки резцом с φ = 90° (рис. 31, в) на резец действуют только силы Р_z и Р_х, а радиальная сила Р_y = 0. В этом случае в работе участвует только главная режущая кромка, частицы срезаемого слоя движутся параллельными потоками, перпендикулярно к этой кромке. Этот вид резания называется свободным в отличие от несвободного (стесненного) резания, когда в работе участвуют режущие кромки, расположенные под некоторым углом друг к другу, или когда режущая кромка имеет криволинейную форму (фасонные резцы). В этом случае направление движения частиц срезаемого слоя пересекаются (на криволинейных участках режущей кромки они устремляются к центру дуги), теснят друг друга, стружка дополнительно деформируется и вспучивается, в результате чего получается "стесненное" резание.

По силе резания Р_z производят расчет крутящего момента М_кр, который нужно приложить к шпинделю станка, и мощности, необходимой на резание N_e (эффективная мощность):

где D - диаметр обрабатываемой поверхности заготовки в мм;

v - скорость резания в м/мин.

^* (По системе СИ 1 кГ*мм = 0,00981 нм.)

Мощность приводного двигателя станка

где η - к. п. д. станка (η = 0,7÷0,85).

Мощность, определяемая по силе Р_y, равна нулю (v_y = 0). Мощность, определяемая по силе Р_х (мощность, затрачиваемая на подачу), составляет не более 1-2% от эффективной мощности N_e (по величине подача s значительно меньше скорости резания v) и в силу своей малости она не учитывается. По силе Р_z рассчитывают основные и ответственные детали привода главного движения, а также резцы на прочность и жесткость. Сила реакции со стороны резца на силу Р_y (равна Р_y, но направлена в сторону заготовки перпендикулярно оси) совместно с силой Р_z производит изгиб заготовки. По равнодействующей рассчитывается деформация заготовки.

По силе Р_х и крутящему моменту М_кр производят расчет основных деталей и соединений в механизме подач, а также зажимных устройств (зажимные патроны, цанги и др.).

На величину сил резания влияют следующие основные факторы: физико-механические свойства обрабатываемого материала, смазочно-охлаждающая жидкость, износ резца, углы режущей части резца, элементы режима резания и др. Рассмотрим влияние этих факторов на величину силы Р_z как наиболее значительную.

Чем больше прочность и твердость обрабатываемого материала, тем больше его сопротивление резанию и тем больше будет величина силы Р_z.

Применение смазочно-охлаждающей жидкости при резании металлов облегчает процесс образования стружки, уменьшает трение, что приводит к уменьшению сил резания. При правильном подборе смазочно-охлаждающей жидкости можно снизить величину Р_z на 20-30% (применение растительных масел снижает Р_z на 30%, а эмульсий - на 5-10%).

Притупление резца характеризуется появлением на задней поверхности шероховатой площадки, на которой задний угол α = 0, что увеличивает трение резца о заготовку, а следовательно, увеличивается величина сил резания (см. рис. 32, а).

С уменьшением переднего угла γ (увеличением угла резания δ) затрудняется внедрение резца в обрабатываемый материал, увеличивается деформация срезаемого слоя, следовательно, увеличивается и сила Р_z.

С изменением угла в плане φ изменяется соотношение между толщиной срезаемого слоя а и шириной b. С увеличением φ при постоянных глубине резания t и подаче s увеличивается толщина срезаемого слоя и уменьшается его ширина (рис. 23), уменьшается деформация стружки (толстые стружки меньше деформируются, чем тонкие), и сила P_z уменьшается. Уменьшение силы Р_z заметно при увеличении угла φ до 60° [при свободном резании и когда при вершине резца в плане нет закругления (r = 0)]; дальнейшее увеличение угла φ практически не оказывает влияния на величину силы Р_z. При наличии закругленной вершины у резца (r>1 мм) увеличение угла φ в диапазоне 60-90° приводит к увеличению силы Р_z, так как увеличение криволинейного участка режущей кромки увеличивает "стесненность" резания.

Увеличение радиуса дуги закругления вершины резца r по своему влиянию на силу Р_z аналогично уменьшению главного угла в плане φ. С увеличением величины r увеличивается длина криволинейной части режущей кромки, участвующей в резании. Таким образом, с увеличением радиуса при вершине резца r величина силы Р_z будет больше.

С изменением величины скорости резания меняется характер деформации срезаемого слоя, что влечет за собой изменение величины Р_z. Однако эту закономерность удалось обнаружить только с внедрением высокопроизводительных твердых сплавов и минералокерамических режущих материалов. Изменение величины скорости резания в диапазоне 20-50 м/мин не дает заметного изменения силы Р_z. При дальнейшем увеличении скорости резания сила Р_z уменьшается, оставаясь почти постоянной при скорости выше 400-500 м/мин.

С увеличением глубины резания t и подачи s увеличивается площадь поперечного сечения срезаемого слоя, возрастают деформации, следовательно, увеличивается сила Р_z. Глубина резания влияет в большей степени на величину Р_z, чем подача, так как с увеличением глубины резания толщина срезаемого слоя остается неизменной, пропорционально увеличивается ширина срезаемого слоя, а сила деформации, приходящаяся на единицу длины режущей кромки, остается постоянной. При увеличении подачи ширина срезаемого слоя остается неизменной, а толщина пропорционально увеличивается, срезаются более толстые стружки и величина Р_z возрастает в меньшей степени, чем при увеличении глубины резания.

В результате экспериментов выведены уравнения для определения величин Р_z, Р_y и Р_х в зависимости от глубины резания и подачи. В частности, величина силы Р_z определяется по следующей формуле:

где c_z - постоянная, характеризующая определенный обрабатываемый материал и условия его обработки;

х_z, y_z, n_z - показатели степеней;

t - глубина резания в мм;

s - подача в мм/об;

v - скорость резания в м/мин;

k_z - общий поправочный коэффициент, учитывающий конкретные условия обработки.

Значения c_z, x_z, y_z, n_z, k_z для различных обрабатываемых материалов и условий обработки даются в специальных таблицах [12].

Если конкретные условия обработки отличаются от приведенных, то вводится поправочный коэффициент k_z. В справочниках по режимам резания имеются таблицы, где для конкретных условий даются подсчитанные значения Р_z, Р_y и Р_х.