СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ РЕЗАНИЯ
DETERMINATION OF CUTTING FORCE

Изобретение относится к измерительной технике и касается, в частности, определения силы, необходимой для обработки резанием металлов и сплавов.
р
м
р
м
м
x
v
n
Известен способ определения силы Р резания по эмпирическому уравнению типа Р=СtsvK, сформированному на основе многократного взвешивания силы Р при последовательном варьировании расширенного диапазона основных параметров резания. (См., например, книгу «Технология конструкционных материалов» под ред. A.M. Дальского, изд. 2-е. - М.: Машиностроение. 1985. Стр. 263-265). Все выполняемые действия сводятся к тому, что назначают параметры резания t (глубина резания), s (подача инструмента), v (скорость резания) и другие условия резания, последовательно ведут пробные резы, каждый раз варьируя величины всех параметров, и для каждого варианта взвешивают силу Р резания. Этим накапливают базу экспериментальных данных, достаточных для построения экспериментальных графиков, подбирают для этих графиков математические зависимости, на основе которых графоаналитически находят как безразмерные числовые величины коэффициентов С, характеризующих механическую прочность обрабатываемого материала, так и безразмерные величины х, y, n - показатели степени параметров резания t, s, v и K соответственно. Здесь коэффициентом K учитывают влияние других параметров резания (материал резца, его стойкость, его геометрические размеры, непосредственно связанные со стружко-образованием).
Основные недостатки этого способа определения силы Р резания:
а) очень большая трудоемкость экспериментальных работ и последующего графико-аналитического анализа результатов эксперимента по формированию расчетного уравнения силы Р; в свою очередь, для последующего вычисления силы Р выбор таблично представленных коэффициентов и показателей степени также оказывается очень трудоемким;
б) получаемое расчетное уравнение не имеет физического смысла и, соответственно, исключена возможность оценивать и степень точности находимой величины силы Р, и выбирать ее оптимальную величину.
o
k
o
k
Наиболее близким прототипом заявленному способу является способ определения силы Р резания на основе последеформационной характеристики в виде коэффициента К усадки стружки. Этот коэффициент представляет собой отношение К=l/l. Здесь l - исходная длина срезаемого припуска, переходящего в стружку при обработке; l - конечная длина стружки, получаемой из этого припуска. (См., например, книгу «Резание материалов» / И.А. Чечета, В.И. Гунин, О.Н. Кириллов. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007.- С.75÷79).
o
k
o
k
Практическая значимость коэффициента К усадки стружки в том, что он является следствием совокупного действия всех параметров, составляющих режим резания (t, s, v, физико-механические свойства обрабатываемого материала, внешнее и внутреннее трение в процессе резания, материал режущего инструмента, геометрические размеры режущих элементов резца и их взаимное расположение, нагрев от трения, влияние смазывающе-охлаждающей жидкости и другие параметры, влияющие на процесс стружкообразования). В свою очередь, принимают во внимание тот факт, что натуральный логарифм отношения l/l представляет собой величину ε - истинную относительную деформацию: ε=ln(l/l), и этим предопределяют функциональную зависимость между величинами К и ε: ε=lnK. В свою очередь, коэффициент К по известному соотношению И.А. Тиме составляет: К=cos(θ-γ)/sinθ, где γ - угол наклона передней грани резца, θ - угол наклона плоскости сдвига стружки.
и
сж
сж
Затем раскладывают вектор силы Р резания на два составляющих вектора: сила Р, расходующая свою работу на искривление стружки, и сила Р, обеспечивающая усадку стружки методом осевого сжатия. В качестве главного составляющего вектора берут Р=σ F=σ t s К, где F - площадь поперечного сечения стружки, σ - возникающее в материале напряжение.
сж
Вектор силы Р сжатия направлен перпендикулярно к плоскости сдвига, являющейся опорной поверхностью очага пластического деформирования стружки. В свою очередь, плоскость сдвига имеет угол θ наклона к горизонтали, вдоль которой действует суммарный вектор силы Р резания.
сж
Тогда сила резания Р=Р/sinθ=σ t s К/sinθ.
Основной недостаток изложенного наиболее близкого способа-прототипа в том, что коэффициент К заранее (до получения стружки) остается неизвестной величиной и этим затруднен мотивированный выбор величины К даже для первичного прикидочного расчета силы резания.
Цель изобретения - создать обоснованный и приемлемый для практики предварительный выбор коэффициента К усадки стружки и этим обеспечить точность определения силы Р резания.
Эта намеченная цель становится достижимой в случае замены стандартной кривой упрочнения, имеющей координаты «напряжение σ - относительная деформация δ», кривой упрочнения с координатами «напряжение σ - истинная относительная деформация ε». Для такой замены принято к сведению:
o
o
1) δ=Δl/l, где Δl - абсолютная деформация изменяющегося начального размера l;
2) связь между величинами ε и δ: ε=ln(1+δ);
ε
3) в отличие от δ величина ε непосредственно связана с коэффициентом К усадки стружки (ε=lnK, то есть К=е). Здесь е - основание натурального логарифма; в свою очередь, в отличие от δ величина ε более приемлема, так как обладает свойством аддитивности.
Тогда способ определения силы резания, основанный на последеформационных показателях, осуществляют в два этапа.
в
в
в
в
ε
Этап первый. Материал, предназначенный для обработки резанием, стандартными испытаниями проверяют на прочность: получают стандартную кривую упрочнения в координатах «напряжение σ - относительная деформация δ» и перестраивают ее в координатах «напряжение (σ) - истинная относительная деформация (ε)». Так как в процессе резания к моменту нарушения сплошности в материале всегда возникает напряжение, имеющее величину, близкую к пределу σ прочности, то по полученной перестроенной кривой упрочнения находят величину предела прочности σ и соответствующую ему степень деформации ε, которой предопределяют максимальную величину коэффициента К усадки стружки посредством зависимости lnK=ε, то есть К=е. Здесь е - основание натурального логарифма. Назначают глубину t резания и подачу s. Тогда наибольшую силу Р резания вычисляют по уравнению:
в
Р=σ t s К/sin θ, причем величину угла θ находят по соотношению:
К=cos(θ-γ)/sin θ, где γ - угол наклона передней грани резца.
o
k
o
k
в
o
k
в
Этап второй. Для проверки полученной величины Р ведут пробное резание, измеряют геометрические размеры, непосредственно связанные с усадкой стружки (начальную l срезаемого припуска и конечную длину l получаемой из него стружки), достаточные для вычисления фактической величины коэффициента К=l/l усадки стружки, и по исходному расчетному уравнению Р=σ t s К/sin θ уточняют величину затраченной силы Р резания с учетом экспериментально найденного значения К=l/l и по нему вычисленного угла θ, поскольку также К=cos(θ-γ)/sinθ. В свою очередь, допускают возможность некоторого увеличения предела прочности σ для материалов, у которых наблюдается эффект местного его повышения (до 10%) в диапазоне температур синеломкости, и учитывают это повышение.
Положительным эффектом созданного изобретения, касающегося определения силы резания, является повышение точности расчета и существенный рост производительности за счет сокращения технико-экономических затрат на его реализацию.