Силы действующие при сверлении

 

СИЛЫ ПРИ ФРЕЗЕРОВАНИИ

Фрезерование — удаление заданного  на обработку припуска в виде стружки. Процесс образования стружки  состоит из врезания острия зуба в  обрабатываемую заготовку, смещения одних  частиц металла относительно других, образования элементов стружки  и отделения образовавшейся стружки  от обработанной поверхности.  
Основными являются процессы смещения частиц металла и образования элементов стружки, т. е. изменение формы поверхностных слоев металла обрабатываемой заготовки под действием силы, приложенной к зубу фрезы.  
Изменение формы какого-либо тела под действием силы называется деформацией. Если после прекращения действия силы первоначальная форма восстанавливается, деформация называется упругой. Если после прекращения действия силы первоначальная форма не восстанавливается, деформация называется пластической. При резании металлов имеют место главным образом пластические деформации, так как резец, внедряясь в металл под действием приложенной силы, изменяет форму поверхностного слоя металла обрабатываемой заготовки, сдвигая его частицы и превращая их в стружку.  
При фрезеровании затрачивается сила на пластические деформации металла. Величина этой силы зависит от твердости обрабатываемого металла и сечения стружки.  
Кроме того, при фрезеровании затрачивается сила еще на трение сходящей стружки о переднюю поверхность зуба фрезы и на трение задней поверхности зуба фрезы об обработанную поверхность. Величина силы, затрачиваемой на трение, зависит от геометрии режущего инструмента и при правильно выбранных размерах является незначительной.  
От величины силы резания зависит потребная мощность электродвигателя привода станка, прочность силовых узлов станка, размеры оправки и фрезы, конструктивное выполнение зажимных приспособлений.

Рассматривая фрезу в процессе резания, можно установить, что на каждый зуб фрезы, находящийся в  угле контакта ψ, действует своя сила сопротивления срезаемого слоя. На рис. 325, а показаны силы R₁, R₂ и R₃, действующие при фрезеровании против подачи, а на рис. 326, а показаны силы R₁, R₂ и R₃, действующие при фрезеровании по подаче.  
Каждую из этих сил можно разложить на составляющие Р₁, Р₂ и Р₃, действующие тангенциально (по касательной) к зубьям фрезы, и на силы Р_р1, Р_р2 и Р_р3 , действующие по радиусам фрезы.  
На рис. 325, б и 326, б сделано графическое суммирование всех трех составляющих, дающее в результате окружную тангенциальную, или касательную силу Р и радиальную силу Р_р с равнодействующей силой R. Разложим по правилу параллелограмма равнодействующую R на две взаимно перпендикулярные силы — горизонтальную Р_г и вертикальную Р_в.

Для преодоления силы сопротивления  резанию на каждый зуб фрезы должны быть приложены такие же, но противоположно направленные силы реакции с равнодействующими R₁, R₂ и R₃, которые можно разложить на составляющие. На рис. 325, в и 326 в показаны суммарные силы реакции на фрезе, отнесенные к среднему углу контакта ψ/2. Здесь имеются Р — окружная, или тангенциальная, и Р_р — радиальная силы резания, а равно Р_г — горизонтальная и Р_в — вертикальная составляющие силы резания.  
Рассмотрим влияние составляющих сил резания.  
1. Окружная, или тангенциальная, сила Р является наиболее важной, так как она производит основную работу резания. По величине силы Р определяют мощность электродвигателя привода станка и рассчитывают на прочность валы, зубчатые колеса и другие звенья привода станка.  
2. Радиальная сила Р_р представляет то усилие (противодавление), с которым обрабатываемая заготовка стремится оттолкнуть от себя фрезу; эта сила изгибает фрезерную оправку и давит на опоры шпинделя.  
3. Горизонтальная составляющая силы резания Р_г представляет усилие, которое необходимо приложить к столу станка для осуществления рабочей подачи.  
При этом при фрезеровании против подачи направление горизонтальной составляющей Р_г противоположно направлению движения стола. Поэтому механизм, перемещающий стол (механизм винта и гайки), должен преодолеть силу Р_г. Так как при фрезеровании и при перемещении стола вхолостую приходится преодолевать сопротивление движению, витки винта и гайки остаются все время прижатыми друг к другу. Если между ними имеются зазоры, то они на работе вредно не сказываются, так как сила Р_г выбирает эти зазоры.  
При фрезеровании по подаче горизонтальная составляющая Р_г направлена в сторону движения стола. При этом методе фрезерования направление вращения фрезы совпадает с направлением подачи стола, но так как фреза вращается быстрее, чем движется стол, то зуб фрезы подтягивает за собой стол с обрабатываемой заготовкой на величину зазора между ходовым винтом и гайкой. Когда зуб фрезы выходит из контакта с обрабатываемой поверхностью заготовки и резание прекращается, прекращается и действие силы Р_г. Стол на короткое время останавливается, пока винт продольной подачи не выберет зазора в гайке и не возобновит перемещение стола. Тогда вступает в работу новый зуб фрезы и снова проявляется действие силы Р_г) которая потянет за собой заготовку вместе со столом станка, и стол переместится рывком на величину зазора между винтом и гайкой. Следовательно, каждый раз будет получаться рывок вперед, остановка стола, новый рывок и т. д., т. е. работа будет протекать неспокойно. Лишь тогда, когда между винтом и гайкой нет зазора, работа может быть спокойной. Как было изложено ранее, для устранения зазора между гайкой и винтом отечественные фрезерные станки, начиная с модели 6Б82, снабжены компенсирующей гайкой на винте продольного перемещения стола.  
4. Вертикальная составляющая силы резания Р_в направлена вертикально. При этом:  
при фрезеровании против подачи (рис. 325) вертикальная составляющая Р_в стремится поднять закрепленную в приспособлении заготовку вместе со столом и консолью станка. Кроме того, сила Рв вызывает вибрации станка, так как меняется от нуля до максимума вследствие переменной толщины стружки. Поэтому сила Р_в ухудшает процесс фрезерования;  
при фрезеровании по подаче Срис. 326) вертикальная составляющая Р_в прижимает обрабатываемую заготовку к столу; здесь сила Р_в улучшает условия обработки.  
Таким образом, составляющие результирующей силы R необходимо учитывать при работе на станке. Горизонтальную составляющую Р_г необходимо преодолеть, осуществляя рабочую подачу стола станка. Вертикальная составляющая Р_в при фрезеровании по подаче прижимает обрабатываемую заготовку к столу или зажимному приспособлению и, наоборот, при фрезеровании против подачи отрывает обрабатываемую заготовку от стола или из зажимного приспособления.  
При работе фрез с винтовыми зубьями к окружной и радиальной силам прибавляется еще осевая, обозначаемая Р_о, В зависимости от направления винтовой линии осевая сила стремится вытащить оправку из шпинделя или, наоборот, вогнать ее в шпиндель (см. табл. 3 и 4).  
Осевая сила Р_о при работе цилиндрическими или концевыми фрезами с винтовыми зубьями оказывает давление на упорные подшипники шпинделя фрезерного станка, действует на приспособление для закрепления заготовки, нагружает винт поперечной подачи и направляющие станка. Чтобы эта сила не загружала чрезмерно узлы станка, угол наклона винтовых канавок следует выбирать по табл. 36.

Влияние сил при  фрезеровании

Действие рассмотренных сил может  вызвать изгиб фрезерной оправки, вытаскивание фрезы из оправки, вырывание  заготовки из тисков, прижимов и  других приспособлений, вибрацию и  даже поломку станка и другие неприятные явления.  
Поэтому необходимо уметь правильно определять все действующие при фрезеровании силы и соответственно их значению и величине выбирать фрезу и оправку, зажимные приспособления, мощность и жесткость станка.  
Значения отдельных составляющих силы резания в зависимости от окружной силы Р можно ориентировочно определить, исходя из приведенных соотношений.

Составляющие  силы резания 
Цилиндрические, дисковые, фасонные и концевые фрезы, работающие периферией

Цилиндрические  и концевые фрезы, работающие торцом

Для уменьшения влияния сил, возникающих  в процессе фрезерования, в качестве общих правил рекомендуется:  
а) располагать фрезу на оправке ближе к опоре;  
б) ставить добавочную серьгу и применять поддержки при больших сечениях стружки или при работе на больших скоростях резания;  
в) стопорить консоль и поперечные салазки при работе с продольной подачей;  
г) правильно выбирать направление винтовых канавок фрезы;  
д) прочно крепить детали в тисках, приспособлениях и на столе станка.

Давление резания

Окружная сила резания Р, которая должна быть сообщена зубу фрезы для снятия стружки, зависит от сечения срезаемого слоя и твердости обрабатываемого материала.  
Если разделить окружную силу резания Р на сечение срезаемого слоя, получим так называемое удельное давление резания. Определение удельного давления резания впервые установлено И. А. Тиме.  
Удельным давлением резания называется сила резания, которая приходится на единицу площади поперечного сечения срезаемого слоя. Обозначается удельное давление резания буквой р, выражается в килограммах на квадратный миллиметр (сокращенно кГ/мм²) и определяется по формуле:

где Р — окружная сила резания в кГ;  
F_сред — среднее поперечное сечение срезаемого слоя в мм².  
Удельное давление зависит от твердости обрабатываемого металла и толщины срезаемого слоя а. Чем тоньше срез, тем больше удельное давление резания, и, наоборот, чем толще срез, тем меньше удельное давление резания.  
В табл. 33 даны значения удельного давления резания в кГ/мм² для разных материалов в зависимости от наибольшей толщины срезаемого слоя а_наиб.  
Определив по табл. 33 удельное давление резания, легко рассчитать окружную силу резания:

P = P · F_сред кГ.

(37)

При скоростном фрезеровании окружная сила резания Р получается несколько меньшей, чем при определении по формуле (37) в связи с измененными условиями резания. Но с достаточной для цеховых расчетов точностью этой формулой можно пользоваться и для случаев фрезерования при высоких скоростях резания.

Таблица 33

Удельное давление резания р при фрезеровании в кГ/мм²

Пример 23. Определить окружную силу резания Р при обработке стали σ_b = 75 кГ/мм² цилиндрической фрезой диаметром 63 мм, с 14 зубьями, при глубине фрезерования 5 мм, ширине фрезерования 50 мм, подаче 0,06 мм/зуб (данные примера 17).

a_наиб = s_зуб sin φ = 0,06 sin 32°40′ = 0,06 · 0,544 = 0,033 мм.

В табл. 33 нет значения a_наиб = 0,033 мм. Поэтому берем среднее значение между a_наиб = 0,03 и a_наиб = 0,04 мм для стали с σ_b = 75 кГ/мм², т. е. между 475—570 и 455—535 кГ/мм². Принимаем р = 500 кГ/мм². Среднее поперечное сечение срезаемого слоя F Сред определяем по формуле (35) и подставляем все величины в формулу (37) для определения Р: