Сила действующая при фрезервании

                                                           Содержание

1. Фрезерование……………………………………………………..1
2. Классификация фрезерования……………………………2
3. Фреза……………………………………………………………………3
4. Сила при фрезеровании………………………………………5
5. Список используемой литературы……………………..11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    Фрезерование (фрезерная обработка) — это процесс механической обработки, при котором режущий инструмент (фреза) совершает вращательное движение (со скоростью U), а обрабатываемая заготовка — поступательное (со скоростью подачи S).

Официальным изобретателем  фрезерного станка является англичанин Эли Уитни, который получил патент на такой станок в 1818 г.

 

Рис.1  Концевые фрезы с цилиндрическим хвостовиком

Классификация фрезерования

Классификация фрезерования может происходить по-разному, в зависимости от того, что хотят выделить наиболее значимым:

• В зависимости от расположения шпинделя станка и удобства закрепления обрабатываемой заготовки —— вертикальное, горизонтальное. На производстве в большей степени используют универсально-фрезерные станки, позволяющие осуществлять горизонтальное и вертикальное фрезерование, а также фрезерование под разными углами различным инструментом.
• В зависимости от типа инструмента (фрезы) — концевое, торцовое, периферийное, фасонное и т.д.

1. Концевое фрезерование — пазы, канавки, подсечки; колодцы (сквозные пазы), карманы (пазы, стороны которых выходят более чем на 1 поверхность), окна (пазы, которые выходят только на одну поверхность).
2. Торцовое фрезерование — фрезерование больших поверхностей.
3. Фасонное фрезерование — фрезерование профилей. Примеры профильных поверхностей — шестерни, червяки, багет, оконные рамы.
4. Существуют также специализированные фрезы, предназначенные для отрезки (дисковые фрезы).

• В зависимости от направления вращения фрезы относительно направления её движения (либо движения заготовки) — попутное «под зуб», когда фреза «подминает» заготовку, получается очень чистая поверхность, но также велика опасность вырыва заготовки при большом съеме материала; и встречное «на зуб», когда движение режущей кромки происходит навстречу заготовке. Поверхность получается похуже, зато увеличивается производительность. На практике используют оба вида фрезерования, «на зуб» при предварительной (черновой) и «под зуб» окончательной (чистовой) обработке.

Фреза

   Фреза — многозубый инструмент применяемый на фрезерных станках. Фреза и фрезерование изобретены в Германии и Австрии в XVII—XVIII веке, так как фрезерование требовало прочной станины станка с точными подшипниками, а радиально-упорные подшипники изобрёл Леонардо да Винчи.

   Фрезы бывают

затылованные (имеющие  форму задней поверхности, которая  обеспечивает постоянство профиля  режущей кромки при повторном  затачивании)

не затылованные (остроконечные, затачиваемые по задней поверхности).

   Элементы фрезы

h(высота)-расстояние между режущей кромкой зуба и дном канавки, измеренное в радиальном сечении фрезы перпендикулярно ее оси.

Ширина фаски-расстояние от режущей кромки по линии пересечения  задней поверхности зуба с его  спинной, измеренное в направлении  перпендикулярном к режущей кромки.

Окружной шаг  зубьев-расстояние между одноименными точками режущих кромок двух смежных  зубьев, измеренное по дуге окружности с центром на оси фрезы и  в плоскости перпендикулярной к  этой оси.

Величина затылования (К)-понижение кривой затылования между режущими кромками двух соседних зубьев.

   Элементы режимов резания при фрезеровании

   Скорость резания U = П × D × n / 1000 (м/мин), где D — диаметр фрезы (мм), n — частота вращения фрезы (об/мин), 1000 -- коэффициент перевода (мм) в (м)

    Подачи при фрезеровании

 Sz — подача на зуб (мм/зуб) — величина перемещения стола станка с обрабатываемой заготовкой или фрезы за время поворота ее на один зуб.

 Sо — (оборотная подача мм/об) — величина перемещения стола станка с обрабатываемой заготовкой или фрезы за один оборот фрезы. Sо = Sz × z, где z — число зубьев фрезы.

 Sm — (минутная подача мм/мин) величина перемещения стола станка с обрабатываемой заготовкой или фрезы за одну минуту Sm =    Sо × n = Sz × z × n.

 t — глубина резания при фрезеровании (мм) — это расстояние между обработанной и обрабатываемой поверхностями.

 Ширина фрезерования (мм) — это поверхность заготовки, обработанная за один рабочий ход.

СИЛЫ И МОЩНОСТЬ РЕЗАНИЯ  ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ

 

Чтобы обработать деталь, фреза должна преодолеть сопротивление срезаемого слоя - силу резания. Величина силы резания для разных условий обработки имеет важное практическое значение. Например, при обдирочном (черновом) фрезеровании сталей сила резания может достигать нескольких тонн, при чистовом фрезеровании чугуна или легких сплавов эта сила снижается до десятков килограммов.

Знание сил сопротивления  резанию различных металлов позволяет  подобрать наиболее производительные режимы резания, полнее использовать возможности  станка и инструмента. Рассмотрим, какие силы действуют на инструмент в процессе фрезерования. На фиг. 4 показаны схемы работы цилиндрической фрезы при встречном (а) и попутном (б) фрезеровании.

 

Рис 2. Силы, возникающие при работе цилиндрической фрезы: a - при   встречном   фрезеровании,   б - при   попутном   фрезеровании.

Силу, действующую  на каждый зуб фрезы (R₁, R₂, R₃), можно разложить на две составляющих: одну, направленную к центру фрезы (N₁, N₂, N₃) - радиальную силу, и вторую, направленную перпендикулярно ей - окружную силу (P₁, P₂, P₃...). Силы P₁, P₂, P₃ препятствуют вращению фрезы, силы N₁, N₂, N₃ отталкивают фрезу от обрабатываемой детали.

Если в работе одновременно находится несколько  зубьев фрезы, то для ее вращения нужно  приложить силу, равную геометрической сумме окружных сил (P₁, P₂, P₃), действующих на отдельные зубья. Обозначим эту суммарную окружную силу через Р и рассмотрим, как определить необходимую мощность двигателя станка.

Двигатель преодолевает сопротивление резанию обрабатываемого  металла и силу трения между зубьями фрезы и обрабатываемой деталью. Мы говорим, что двигатель совершает при этом работу.

Работа, - это такой  процесс, при котором одна форма  движения превращается в другую. При  фрезеровании движение электронов в  обмотках электродвигателя (электрическая энергия) превращается в механическое движение вала электродвигателя, передач станка и вращение   фрезы (кинетическую энергию). В механике принято характеризовать проделанную работу произведением силы, приложенной к телу, на путь перемещения тела в направлении действия силы.

Работа всегда совершается  в течение какого-то времени. Чтобы  оценить возможную производительность машины, нужно знать, какую работу она может совершить за определенный промежуток времени. Для этой цели служит величина, называемая мощностью и измеряемая работой, совершенной в единицу времени.

Мы знаем, что  при обработке металлов резанием путь, пройденный режущей кромкой  в единицу времени, называется скоростью  резания. Поэтому мощность фрезерования или, как говорят эффективная  мощность, т.е. мощность, расходуемая непосредственно на процесс резания, будет равна произведению окружной силы на скорость резания: Nэ=Pυ

Какую размерность  имеют величины, входящие в эту  формулу? В 1961 г. утверждена, как Государственный  стандарт (ГОСТ 9867-61), Международная система единиц измерения физических величин (кратко ее называют СИ). В соответствии с этой системой за единицу мощности принимают ватт (вт) - работу в 1 джоуль (дж), совершенную в 1 сек. При этом сила выражается в ньютонах (н), а путь в метрах (м).

Как видно  из приведенной формулы, эффективную  мощность легко определить в производственных условиях, если знать величину силы Р и скорость резания. Величина силы Р указывается в справочниках по режимам резания и находится в зависимости от условий работы. А есть справочники, где прямо указывается величина эффективной мощности для принятого режима резания. Сравнивая эту величину с мощностью электродвигателя станка, указанной в его паспорте, проверяют, можно ли работать с выбранным режимом резания и достаточно ли загружен станок по мощности.

При этом нужно помнить, что мощность двигателя  затрачивается не только на процесс  резания, но и на приведение в движение механизмов станка, поэтому должно быть:

Nэ ≤ Nд · η

где Nд - мощность электродвигателя станка; η - к. п. д. станка.

Вернемся  к фиг. 4. В процессе резания происходит движение стола - подача. Этому движению противодействует сила Рд, равная по величине силе Р, но обратная по направлению. Разложим силу Рд на составляющие: горизонтальную Р_г и вертикальную Р_в. Сравнивая схемы на фиг. 4, а и б, видим, что при встречном фрезеровании фреза стремится оторвать заготовку от стола станка. А при попутном фрезеровании фреза прижимает заготовку к столу и стремится сдвинуть ее в направлении подачи.

Следовательно, фреза помогает движению стола? Действительно, сила подачи при попутном фрезеровании меньше, чем при встречном на 20-30%. Причина этого - действие силы Р_в. При попутном фрезеровании сила Р_в прижимает заготовку к столу и увеличивает трение в направляющих, под действием силы Рд стол станка то затормаживается, то стремится быстро подвинуться вперед (в направлении подачи) - эти явления следуют друг за другом по мере врезания очередного зуба фрезы в заготовку. А если в резьбовом сопряжении винт - гайка продольной подачи стола имеется зазор, стол будет двигаться скачками и нормальный процесс резания нарушится. Вот почему фрезерование с попутной подачей возможно не на всяком станке. Станок должен иметь надежное устройство для выборки зазоров в механизме подачи стола.

Мы  рассмотрели силы, действующие при  работе цилиндрической фрезы с прямыми  зубьями. На практике очень широко применяют  фрезы с винтовыми зубьями; винтовые зубья  более  плавно  врезаются  в металл,  а фреза работает более равномерно.

 

Рис. 3. Схема работы прямозубой фрезы.

На  Рис. 3 изображена упрощенная схема работы прямозубой цилиндрической фрезы. Для простоты фреза показана только с одним зубом; слой металла, срезаемый этим зубом за один оборот фрезы, заштрихован. Из схемы видно, что зуб фрезы врезается в обрабатываемый металл сразу по всей длине. В этот момент фреза испытывает толчок. При дальнейшем повороте фрезы толщина стружки будет постепенно увеличиваться (см. сечения 2, 3, 4). Поэтому и сопротивление металла резанию - сила резания - тоже будет возрастать. На участке 4-5 сила резания упадет до нуля, так как весь зуб фрезы одновременно выйдет из обрабатываемого металла. Таким образом, нагрузка на зуб фрезы в процессе резания сильно изменяется.

Если  изобразить в виде графика изменение  силы резания при разных положениях зуба фрезы, то получится горбообразная  кривая (фиг. 6, а). Обратим внимание на участок кривой 4-5. Здесь на коротком отрезке пути зуба сила резания резко падает. Понятно, что такое явление будет очень затруднять резание, вызывая вибрацию фрезы.

Попробуем представить, как будет изменяться сила резания, если в работе участвует  одновременно два зуба фрезы. Пусть  второй зуб фрезы вступит в  работу тогда, когда первый находится в положении 3. На фиг. 6, б даны кривые, изображающие изменение силы резания при работе двух зубьев. Нетрудно понять, что на участке 3-5, где в резании одновременно участвуют два зуба, сила резания будет равна сумме сил, действующих на каждый зуб. Сложив эти силы, получим кривую изменения силы резания при работе двумя зубьями. На фиг. 6, б эта кривая изображена жирной линией. Сравним кривые на фиг. 6, а и б. При одновременной работе двух зубьев сила резания изменяется меньше. Если же одновременно будет работать три зуба, сила резания изменится еще меньше (фиг. 6, в). 

Рис. 4. Изменение сил резания при   работе  цилиндрической фрезы с прямыми зубьями:

а - одновременно работает один зуб, б-одновременно работают два зуба,  в - одновременно  работают три зуба.

Итак, при работе прямозубой цилиндрической фрезы сила резания не остается постоянной, стало быть, нагрузка на фрезу будет  меняться, работа фрезы будет неравномерной. Но чем больше зубьев фрезы будет  одновременно участвовать в работе, тем более равномерным будет фрезерование. Практика показывает, что фрезерование происходит более или менее спокойно, если одновременно работает не менее двух зубьев.

Цилиндрическая  фреза с винтовыми зубьями  работает иначе. Зуб такой фрезы  врезается в обрабатываемую деталь не сразу по всей длине, а постепенно. Если проследить движение зуба в металле (1-6 на Рис 5), то можно заметить, что на участке 1-3 площадь сечения срезаемого слоя увеличивается, а значит, растет и сила резания. На участке 3-4 площадь сечения срезаемого слоя и сила резания оказываются постоянными. При дальнейшем  движении  зуба   (участок 4-6)  площадь сечения срезаемого слоя и сила резания постепенно уменьшаются. Таким образом, изменение силы резания при работе винтового зуба происходит более плавно, а на некоторых участках сила резания постоянна. Следовательно, винтовой зуб работает более равномерно, чем прямой. Но нельзя ли сделать так, чтобы сила резания при работе фрезы с винтовыми зубьями почти совсем не менялась? Оказывается, можно. Для этого нужно, чтобы суммарная площадь сечения слоя, срезаемого зубьями фрезы, оставалась неизменной в любой момент резания. Как же это сделать?