УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СИЛ ТРЕНИЯ И ДЛИН КОНТАКТОВ ПРИ РЕЗАНИИ МАТЕРИАЛОВ
DEVICE FOR MEASURING FRICTION FORCES AND LENGTH OF CONTACTS AT MATERIAL CUTTING

Изобретение относится к машиностроению, а именно к обработке материалов резанием, и может быть использовано при исследованиях механики процесса резания и трения материалов.
Известен прибор для измерения нормальных и касательных сил по передней и задней граням резца. Прибор снабжен установочными и измерительными опорами, взаимодействующими с элементами разрезного резца и эксцентриковым механизмом, обеспечивающим поворот оправки для перехода от процесса резания к процессу трения задней поверхности резца по обрабатываемой детали, а датчики сил вмонтированы в измерительные опоры (а.с. № 381967, МКИ G01N 3/58, G01l 1/22, опубл. 22.05.1973).
Недостатком этого прибора является то, что на задней грани резца исследуется только трение скольжения, при этом не учитывается процесс схода стружки на передней грани резца и, наоборот, при исследовании процессов трения на передней грани не учитываются процессы трения, протекающие на задней грани резца. Прибор также позволяет измерять нормальные и касательные силы, но не одновременно, а по очереди при изменении положения эксцентрика, что вызывает большую трудоемкость настройки прибора во время проведения эксперимента.
Известен прибор для определения сил трения, возникающих в процессе резания, который выполнен в виде резца, передняя грань которого составляет установленную на шариковых опорах подпружиненную пластину, перемещаемую силами трения, снабженную индукционным датчиком (а.с. № 88039, МКИ G01N 03/58, B23b 27/00, опубл. 29.12.1959).
Недостатком такого прибора является то, что невозможно определить зависимость сил трения при разных длинах контакта стружки с передней гранью подпружиненной пластины, так как длина контакта по передней грани резца в приборе постоянна, а следовательно, измеряемые силы трения будут истинными только на участке контакта стружки с подпружиненной пластиной, а на этом участке они во много раз меньше сил, действующих непосредственно при вершине резца. Кроме того, в приборе нельзя измерить перемещение подпружиненной пластины, а это вносит погрешности в точность измерения зазора, потому что под действием сил трения подпружиненная пластина, перемещаясь, образует дополнительный зазор, который не будет учитываться при измерениях. Также прибор не позволяет регистрировать изменения сил трения автоматически.
Наиболее близким является устройство для измерения сил трения и длин контактов при резании материалов, устанавливаемое вместо резцедержателя на токарно-винторезный станок, которое содержит корпус, резец, подпружиненную пластину с накладкой, установленную на опорах в корпусе, перемещаемую силами трения, датчик для регистрации этих сил, резец, являющийся съемным, к которому прикреплена режущая пластина, подпружиненную пластину с направляющими, прикрепленными к ней по верхней и нижней поверхностям, установленную горизонтально между шариковыми и роликовыми опорами, причем переднюю грань резца составляют режущая и подпружиненная пластины, установленные с зазором, регулируемым при вертикальном перемещении пальцев по наклонным поверхностям горизонтально расположенных винтов (патент № 77972, МКИ G01N 19/02, опубл. 10.11.2008).
Недостатком такого устройства является то, что оно не универсально, так как устанавливается вместо резцедержателя на суппорт токарно-винторезного станка, а у многих станков конструкция суппорта оригинальна. Также при применении разных типов опор снижается устойчивость положения подпружиненной пластины от перемещения относительно ее вертикальной плоскости симметрии, а вследствие применения подпружиненной пластины в устройстве появляется инерционность измерения сил трения, за счет чего снижается достоверность измерения сил трения. В устройстве при выходе из строя режущей пластины или накладки приходится менять целиком резец или подпружиненную пластину соответственно, что достаточно долго и трудоемко. Устройство не имеет возможности измерять перемещения подпружиненной пластины, а это, в свою очередь, приводит к погрешностям при измерении точности длин контактов. Применение передней грани резца в виде режущей и подпружиненной пластины вносит погрешность в точность измерения сил трения при резании материалов. Недостатком устройства является также то, что зазор регулируется только в вертикальной плоскости, а это приводит к погрешностям при регулировании этого зазора и снижению достоверности измерения длин контактов при резании материалов.
Задача изобретения - создание устройства для измерения сил трения и длин контактов при резании материалов, устанавливаемого в резцедержатель токарно-винторезного станка, имеющего съемную режущую пластину и съемную накладку, которое отвечало бы следующим критериям: производило точное измерение сил трения и длин контактов на передней грани резца в широком диапазоне режимов резания, а также имело возможность измерять перемещения пластины.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в повышении достоверности и точности измерения сил трения и длин контактов стружки с передней гранью резца при резании материалов.
Поставленный технический результат достигается в устройстве для измерения сил трения и длин контактов при резании материалов следующим образом: устройство для измерения сил трения и длин контактов при резании материалов, содержащее корпус, резец, являющийся съемным, режущую пластину, накладку, пальцы, взаимодействующие с винтами для регулирования зазора, пластину с направляющей, прикрепленной к ней по верхней поверхности, установленную горизонтально между опорами, перемещаемую силами трения, датчик для регистрации этих сил, отличается тем, что к верхней части резца прикреплена опорная планка для прижатия к нему режущей пластины, являющейся съемной, причем между резцом и корпусом вертикально установлены эластичные элементы для обеспечения постоянного контакта резца со сферическими телами в виде шариков, установленных в отверстиях, выполненных в верхней части пальцев, при этом пластина является направляющей, к ее верхней поверхности прикреплена планка для прижатия к пластине накладки, являющейся съемной, и тяга, соприкасающаяся с датчиком для регистрации перемещений пластины, установленным в корпусе, а к нижней поверхности пластины прикреплены регулировочные планки для регулирования соприкосновения нижней поверхности пластины с поверхностями опор, причем пластина прижата к датчику для регистрации сил трения с помощью установочных элементов, расположенных в верхней части корпуса, при этом переднюю грань резца составляют режущая пластина и накладка, установленные с зазором, регулируемым при горизонтальном перемещении датчика для регистрации сил трения с одновременным его вращением вокруг своей оси симметрии и вертикальном перемещении пальцев со сферическими телами по коническим поверхностям винтов, перемещаемых горизонтально с одновременным их вращением вокруг своей оси симметрии, и контролируемым датчиком для регистрации перемещений.
Благодаря наличию отличий у заявляемого устройства для измерения сил трения и длин контактов при резании материалов появляется возможность за счет прикрепления к верхней части резца опорной планки для прижатия к нему режущей пластины, являющейся съемной, и прикрепления к верхней поверхности пластины планки для прижатия к ней накладки, являющейся съемной, а также использование между резцом и корпусом вертикально установленных эластичных элементов для обеспечения постоянного контакта резца со сферическими телами в виде шариков, установленных в отверстиях, выполненных в верхней части пальцев, приводит к повышению достоверности и точности измерения длин контактов стружки с передней гранью резца при резании материалов.
Применение пластины, которая является направляющей, с прикрепленными к ее нижней поверхности регулировочными планками для регулирования соприкосновения нижней поверхности пластины с поверхностями опор и прижатие пластины к датчику для регистрации сил трения с помощью установочных элементов, расположенных в верхней части корпуса, приводит к повышению устойчивости пластины, относительно ее вертикальной плоскости симметрии, а следовательно, достоверности измерения сил трения стружки с передней гранью резца при резании материалов.
Использование режущей пластины и накладки, установленных с зазором, регулируемым при горизонтальном перемещении датчика для регистрации сил трения с одновременным его вращением вокруг своей оси симметрии и вертикальным перемещении пальцев со сферическими телами по коническим поверхностям винтов, перемещаемых горизонтально с одновременным их вращением вокруг своей оси симметрии, и контролируемым датчиком для регистрации перемещений, установленным в корпусе и соприкасающимся с тягой, прикрепленной к верхней поверхности пластины, позволяет повысить точность измерения сил трения и длин контактов стружки с передней гранью резца при резании материалов.
Выполнение передней грани из режущей пластины и накладки позволяет при измерении сил трения отсекать радиальные и тангенциальные силы, возникающие между режущей пластиной и заготовкой, что приводит к повышению точности измерения сил трения стружки с передней гранью резца при резании материалов.
Расположение сферических тел в отверстиях, выполненных в верхней части пальцев, позволило перейти от контакта резца с пальцами по плоскости к контакту резца со сферическими телами в точке, а это, в свою очередь, повышает точность установки резца в вертикальной плоскости, а следовательно, достоверность измерения сил трения стружки с передней гранью резца при резании материалов.
Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами. На фиг.1 изображен общий вид - разрез устройства, на фиг.2 - вид слева - разрез устройства, на фиг.3 - разрез резца и опорной планки (разрез А-А), на фиг.4 - разрез устройства с видом на регулировочные планки (разрез Б-Б), на фиг.5 - общий вид спереди устройства.
1
Устройство состоит из корпуса 1. К корпусу 1 с обеих его боковых сторон горизонтально прикрепляются боковины 2, в одну из которых вертикально закрепляются опорные винты 3, служащие дополнительными опорными точками устройства, а к другой боковине 2 по верхней поверхности прикрепляется Г-образное основание 4, устанавливаемое в резцедержатель токарно-винторезного станка (на чертежах не показан) и служащее для крепления устройства в резцедержателе. К корпусу 1 в нижней его части горизонтально прикрепляется опора 5. На опору 5 устанавливается симметрично относительно ее вертикальной плоскости симметрии пластина 6, которая является направляющей по опорам 5, при этом к нижней поверхности пластины 6 прикрепляются регулировочные планки 7 для регулирования соприкосновения нижней поверхности пластины 6 с поверхностями опор 5 путем перемещения регулировочных планок 7 в горизонтальной плоскости по направлениям δ, причем к верхней поверхности пластины 6 прикреплена направляющая 8, соприкасающаяся с опорой 9, прикрепленной к внутренней стороне крышки верхней 10, закрепленной в корпусе 1. Такое расположение пластины 6, регулировочных планок 7, направляющей 8 и опор 5 и 9 обеспечивает устойчивое положение пластины 6 от перемещения относительно ее вертикальной плоскости симметрии и свободное перемещение пластины 6 в горизонтальной плоскости, а следовательно, достоверности измерения сил трения стружки (на чертеже не показана) с передней гранью резца 11, состоящей из режущей пластины 12 и накладки 13 при резании материалов. К верхней поверхности пластины 6 прикреплена планка 14, которая прижимает к пластине 6 съемную накладку 13 во время измерения сил трения.
2
3
Такой способ крепления накладки 13 обеспечивает ее быструю смену и приводит к повышению достоверности и точности измерения длин контактов стружки с передней гранью резца 11 при резании материалов. К верхней поверхности пластины 6 прикреплена тяга 15, соприкасающаяся с датчиком для регистрации перемещений 16, установленным в корпусе 1, что позволяет контролировать изменение зазора Δ между режущей пластиной 12 и накладкой 13, а следовательно, повысить точность измерения сил трения и длин контактов стружки с передней гранью резца 11 при резании материалов. К крышке верхней 10 и корпусу 1 прикреплена крышка задняя 17, в которую устанавливается датчик для регистрации сил 18 до соприкосновения с пластиной 6 и контрится винтом 19, вставленным в крышку заднюю 17. Датчик для регистрации сил 18 имеет возможность перемещения в горизонтальном направлении δ с одновременным вращением вокруг своей оси симметрии, что позволяет регулировать в горизонтальном направлении зазор Δ между режущей пластиной 12 и накладкой 13, а следовательно, повысить точность измерения сил трения и длин контактов стружки с передней гранью резца 11 при резании материалов. В верхнюю часть корпуса 1 вставляются установочные элементы 20, состоящие из винта и стопорной гайки, для обеспечения постоянного зазора Δ между режущей пластиной 12 и накладкой 13. Также установочные элементы 20 прижимают пластину 6 к датчику для регистрации сил 18, что обеспечивает безынерционное измерение сил трения при перемещении пластины 6, а следовательно, достоверность измерения сил трения стружки с передней гранью резца 11 при резании материалов. В нижней части корпуса 1 располагаются горизонтально и симметрично относительно его вертикальной плоскости симметрии цилиндрические отверстия, в которые устанавливаются пружины 21, служащие для поджатия винтов 22, имеющих конические поверхности и установленных в отверстия до соприкосновения с ними, к корпусу 1. Винты 22 имеют возможность перемещения в горизонтальном направлении δ с одновременным вращением вокруг своей оси симметрии. На конические поверхности винтов 22 вертикально устанавливаются пальцы 23, в верхней части которых расположены отверстия для установления в них сферических тел 24 в виде шариков, что позволяет регулировать в вертикальном направлении зазор Δ между режущей пластиной 12 и накладкой 13, а следовательно, повысить точность измерения сил трения и длин контактов стружки с передней гранью резца 11 при резании материалов. При этом расположение сферических тел 24, установленных в отверстиях пальцев 23, позволило перейти от контакта резца 11 с пальцами 23 по плоскости к контакту резца 11 со сферическими телами 24 в точке, а это, в свою очередь, повышает точность установки резца 11 в вертикальной плоскости, а следовательно, достоверность измерения сил трения стружки с передней гранью резца при резании материалов. На сферические тела 24 устанавливается резец 11 и прикрепляется к корпусу 1. Между резцом 11 и корпусом 1 вертикально и симметрично относительно их вертикальной плоскости симметрии устанавливаются эластичные элементы 25 для обеспечения постоянного контакта резца 11 со сферическими телами 24, что повышает точность регулирования по высоте резца 11, а следовательно, достоверность и точность измерения длин контактов стружки с передней гранью резца 11 при резании материалов. К верхней части резца 11 прикреплена опорная планка 26, которая прижимает к нему съемную режущую пластину 12, во время измерения сил трения, а это позволяет при измерении сил трения отсекать радиальные и тангенциальные силы, возникающие между режущей пластиной 12 и заготовкой (на чертеже не показана) при резании материалов, а следовательно, повысить точность измерения сил трения и длин контактов стружки с передней гранью резца 11 при резании материалов.
Устройство для измерения сил трения и длин контактов при резании материалов работает следующим образом.
2
3
1
1
1
2
1
2
1
Устанавливают устройство в резцедержатель токарно-винторезного станка. Соединяют датчик для регистрации сил 18 электрическим кабелем (на чертеже не показан) с компьютером. Устанавливают заготовку в патрон токарно-винторезного станка. Настраивают зазор Δ в горизонтальном и вертикальном направлениях δ и δ с помощью датчика для регистрации сил 18, винтов 22, пальцев 23, сферических тел 24 и эластичных элементов 25 между режущей пластиной 12, имеющей наибольшую длину передней грани, и накладкой 13. Производят резание, при этом подбирают такую подачу резца 11 S, при которой длина контакта стружки равна длине передней грани режущей пластины 12. Подбор подачи резца 11 S осуществляют пробными проходами. Фиксируют подобранную подачу резца 11 S. Открепив опорную планку 26 от резца 11, снимают режущую пластину 12 и вставляют такую же режущую пластину 12, но имеющую длину передней грани меньше, чем режущая пластина 12, описанная выше, закрепляют ее опорной планкой 26 к резцу 11. Проверяют зазор Δ между режущей пластиной 12 и накладкой 13, при необходимости корректируют его с помощью датчика для регистрации сил 18, винтов 22, пальцев 23, сферических тел 24 и эластичных элементов 25. Проверяют накладку 13 на наличие износа, при необходимости ее меняют на такую же, для этого открепляют планку 14 от пластины 6, снимают накладку 13, устанавливают другую и закрепляют ее планкой 14 к пластине 6. Производят резание, при этом подбирают такую подачу резца 11 S, при которой длина контакта стружки равна длине передней грани режущей пластины 12. Подбор подачи резца 11 S осуществляют пробными проходами. Фиксируют подобранную подачу резца 11 S. He меняя режущей пластины 12, производят резание с подачей резца 11 S. При этом стружка, нормально сходящая к передней грани накладки 13, воздействует на нее с силой трения F в горизонтальном направлении, на длине контакта, равной разнице длин передней наибольшей грани режущей пластины 12 и передней наименьшей грани режущей пластины 12 с дополнительным вычетом длины зазора Δ между режущей пластиной 12 и накладкой 13, и длины перемещения пластины 6, контролируемой датчиком для регистрации перемещений 16, сигнал с которого автоматически передается в компьютер и регистрируется при помощи специализированного программного обеспечения. Сила трения F передается через пластину 6, которая перемещаясь между опорами 5 и 9, воздействует на датчик для регистрации сил 18. Датчик для регистрации сил 18 под действием на него силы трения F вырабатывает электрический сигнал. Электрический сигнал с датчика для регистрации сил 18 автоматически передается в компьютер и регистрируется при помощи специализированного программного обеспечения. Режущая пластина 12 при проведении измерений сил трения остается неподвижной, тем самым отсекая радиальные и тангенциальные силы резания, действующие в горизонтальном и вертикальном направлениях. Расположение пластины 6, регулировочных планок 7, направляющей 8 и опор 5 и 9 обеспечивает устойчивое положение пластины 6 от перемещения относительно ее вертикальной плоскости симметрии и свободное перемещение пластины 6 в горизонтальной плоскости а следовательно, достоверность измерения сил трения стружки с передней гранью резца 11, состоящей из режущей пластины 12 и накладки 13, при резании материалов. А прижатие пластины 6 с помощью установочных элементов 20 к датчику для регистрации сил 18 позволяет обеспечить безынерционное измерение сил трения при перемещении пластины 6, а следовательно, достоверность измерения сил трения стружки с передней гранью резца 11 при резании материалов.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить достоверность и точность измерения сил трения и длин контактов стружки с передней гранью резца при резании материалов.