Силы действующие на резец. Мощность резания

При обработке металлов резанием необходимо преодолеть силы сопротивления резанию Они образуются из сопротивления срезаемого слоя деформации и сдвигу отдельных элементов стружки, а также трения стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности резца об обрабатываемую деталь В дальнейшем рассматривается равнодействующая сил сопротивления резанию (R).

При точении равнодействующую R раскладывают на три взаимно перпендикулярные составляющие силы, действующие на резец (рис 290):

P_z - сила резания, касательная к поверхности резания и совпадающая с направлением главного движения,

P_z - осевая сила, или сила подачи, направленная вдоль оси обрабатываемой детали в с горону, противоположную направлению подачи,

P_z - радиальная сила, направленная горизонтально и перпендикулярно оси обрабатываемой детали.
Сила резания, сила подачи и радиальная сила измеряются в килограммах.
Самой большой из трех сил является сила резания, она примерно в 4 раза больше силы подачи и в 2,5 раза больше радиальной силы. Сила резания зависит от механических свойств обрабатываемого материала, определяющих его прочность; от площади поперечного сечения среза, углов заточки резца, скорости резания; качества смазочно-охлаждающей жидкости и др.
Большое влияние на величину силы резания оказывает прочность обрабатываемого материала и его способность к упрочнению (наклепу): чем они выше, тем больше сила резания.
Чтобы охарактеризовать сопротивляемость различных материалов на резец резанию, установлены понятия удельное давление резания и коэффициент резания.
Если силу резания Р_z разделить на площадь поперечного сечения среза f, получим удельное давление резания, обозначаемое буквой р:

р = Р_z /f кГ/см²

Следовательно, удельное давление резания есть сила резания Р_z приходящаяся на единицу площади поперечного сечения резца. Из самого определения понятно, что удельное давление резания измеряется в килограммах на квадратный миллиметр (сокращенно кГ/cм²).
Удельное давление резания для одного и того же материала не является постоянной величиной: оно изменяется с изменением всех факторов, влияющих на силу резания. С увеличением прочности обрабатываемого материала и угла резания удельное давление резания увеличивается, а с увеличением площади поперечного сечения среза - уменьшается.
Для более точной характеристики сопротивляемости различных материалов резанию установлено понятие коэффициента резания. Коэффициентом резания К называется удельное давление резания в килограммах на квадратный миллиметр, измеренное при следующих постоянных условиях резания:
глубина резания t - 5 мм;
подача s - 1 мм/об;
передний угол γ - 15°;
главный угол в плане φ - 45°,
режущая кромка резца - прямолинейная и горизонтальная;
вершина резца закруглена радиусом R=1 мм;
работа производится без охлаждения.
Измеренный при этих условиях коэффициент резания для каждого материала является постоянной величиной (табл. 13).

Если известен коэффициент резания К, то умножив его на площадь поперечного сечения среза f, мм², можно определить (приблизительно) силу резания по формуле:
Р_z= К * f кГ

Влияние углов заточки резца на силу резания. На величину силы резания влияют углы заточки резца, особенно передний угол у и главный угол в плане φ.
С увеличением переднего угла сила резания уменьшается и процесс отделения стружки протекает легче. Однако это не значит, что передний угол можно делать сколь угодно большим. При слишком большом переднем угле прочность резца понижается: режущая кромка такого резца быстро изнашивается и нередко даже выкрашивается. Поэтому, когда выбирают передний угол, имеют в виду не только уменьшение силы, но и получение необходимой прочности режущей кромки и стойкости резца.
Следовательно, чем тверже и крепче обрабатываемый материал, тем меньше должен быть передний угол резца.
В некоторых случаях применяют резцы с отрицательным передним углом; величина его изменяется от 5 до 10°. Такие передние углы применяют при обтачивании твердосплавными резцами очень твердых или закаленных сталей σ_в>80 кГ/мм².
Отрицательный передний угол делается обычно на небольшой фаске, расположенной на передней поверхности вдоль режущей кромки.
При работе резцом с отрицательным передним углом деформация срезаемого слоя увеличивается, а следовательно, становится больше и сила резания. При этом значительно быстрее растут радиальная (отталкивающая) и осевая силы.
С уменьшением главного угла в плане φ силы Р_z и Р_y возрастают, причем особенно сильно возрастает радиальная сила и, наоборот, с увеличением главного угла в плане силы Р_z и Р_y уменьшаются. Объясняется это тем, что в первом случае соприкосновение режущей кромки резца со стружкой происходит на большей длине, а во втором случае - на меньшей. Увеличение радиальной силы вследствие уменьшения главного угла в плане приводит к прогибу обрабатываемой детали и появлению вибраций, особенно когда обрабатывают длинные и тонкие детали. Вибрации ведут к выкрашиванию режущих кромок резца, к ухудшению качества обработанной поверхности. Поэтому для обработки длинных и тонких деталей в центрах угол в плане увеличивают с 45 до 70°, а иногда и до 90°.
Влияние скорости резания на силу резания. Многочисленные опыты, проведенные с помощью очень точных динамометров (прибор для измерения сил), показывают, что сила резания зависит и от скорости резания. Например, при обработке стали средней твердости (сталь 45) с увеличением скорости резания от 1 до 20 м/мин сила резания непрерывно уменьшается; начиная с 20 м/мин до 40 - 50 м/мин сила резания возрастает, а затем при дальнейшем увеличении скорости резания до 250 - 300 м/мин сила резания заметно уменьшается.
Таким образом, при скоростном резании сопротивляемость стали срезанию значительно меньше, чем при резании на малых скоростях.
Влияние смазочно-охлаждающих жидкостей на силу резания. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей уменьшает силу резания по сравнению с работой всухую. Работы академика H. А Ребиндера и проф. Б. В. Дерягина показали, что смазывающие жидкости образуют на поверхности металла тонкую пленку, которая уменьшает трение между передней поверхностью резца и сходящей стружкой, а также между задней поверхностью резца и поверхностью резания. Кроме того, смазка, проникая в микроскопические трещины срезаемого слоя, способствует расклиниванию отдельных частиц металла. Благодаря этому уменьшается сила сцепления между отдельными частицами металла, уменьшается сопротивление металла резанию.
Чем выше смазывающие свойства жидкости, тем меньше сила резания. Наилучшими смазывающими жидкостями являются минеральные и растительные масла и сульфофрезолы.