Силы резания и мощность при фрезеровании

ВВЕДЕНИЕ

 

В нашей стране работают тысячи квалифицированных фрезеровщиков. Многие из них являются новаторами производства. Они не только имеют большой опыт и практические знания, позволяющие полностью использовать технологические возможности станка и инструмента, но и изобретают и совершенствуют конструкции фрез, вспомогательный инструмент и приспособления.

Инструмент и приспособления новаторов постоянно экспонируются на Выставке достижений народного хозяйства, получают распространение на многих предприятиях. Каждый новатор-фрезеровщик передает свой опыт, знания, мастерство молодежи и этим способствует решению общей задачи повышения эффективности труда.

 

ПРОЦЕСС ФРЕЗЕРОВАНИЯ

Основные понятия и определения

Различают два основных вида фрезерования: тангенциальное, при котором режущие лезвия вращающегося цилиндрического инструмента образуют обработанную поверхность параллельно оси его вращения, и радиальное, когда лезвия вращающегося инструмента образуют обработанную поверхность перпендикулярно к оси его вращения.

Скоростью резания v (м/мин) называется окружная скорость (м/мин) наиболее удаленных от оси вращения инструмента точек режущего лезвия. Она определяется по формуле

,

где D — диаметр окружности вращения режущего лезвия (в частном случае — диаметр фрезы), мм; n — частота вращения инструмента, об/мин. Фрезеровщику чаще приходится решать обратную задачу — определять потребную частоту вращения (об/мин) фрезы заданного диаметра в зависимости от принятой скорости резания

.

Подачей s называется путь, проходимый заготовкой относительно фрезы (или наоборот) в единицу времени. Различают три вида подач: на зуб, на оборот и минутную. Подача на зуб (мм/зуб) — перемещение заготовки за время поворота фрезы на один зуб. Подачей на оборот (мм/об) является перемещение заготовки за время поворота фрезы на один оборот. Минутная подача (мм/мин) — перемещение заготовки за 1 мин. Зависимость указанных подач выражается формулами:

;

.

Глубина резания t — толщина слоя материала заготовки (мм), срезаемого за один рабочий ход.

Шириной фрезерования B называется ширина (мм) поверхности заготовки, об­рабатываемой за один рабочий ход, измеренная в направлении, перпендикулярном к направлению подачи (движению заготовки).

Сечение стружки (среза), снимаемой одним зубом фрезы, описывается двумя дугами контакта лезвия фрезы с поверхностью лезвия. Оно имеет форму запятой. Расстояние между этими дугами переменное — оно изме­няется от значения, близкого к нулю, до некоторого максимума, близкого к . Это расстояние (мм) принято называть толщиной срезаемого слоя (стружки) а.

Другими элементами, характеризующими срезаемый слой, являются: его ши­рина b (мм), которая представляет собой длину соприкосновения зуба фрезы с заготовкой и измеряется вдоль главного лезвия, в частном случае, при фрезеровании прямозубой цилиндрической фрезой b = B; площадь поперечного сечения слоя, сре­заемого одним зубом, f = ab (мм²); суммарная площадь поперечного сечения среза F (мм²), снимаемого всеми зубьями фрезы, находящимися в данный момент в кон­такте с заготовкой.

Для определения площади поперечного сечения среза при цилиндрическом фре­зеровании необходимо знать следующие величины: — угол кон­такта фрезы — центральный угол, соответствующий дуге соприкосновения окруж­ности фрезы с заготовкой, измеряемый в плоскости, перпендикулярной к оси фрезы; — центральный угол между двумя соседними зубьями фрезы,

.

Число зубьев, одновременно находящихся в работе (контакте с материалом),

.

Угол контакта находится из треугольник АОБ

.

Угол контакта при торцевом фрезеровании

.

Максимальная толщина срезаемого материала

.

Суммарное (среднее) значение площади поперечного сечения среза опреде­ляется в зависимости от числа зубьев, одновременно находящихся в контакте.

.

или от элементов резания

.

Значение используется для определения силы резания при фрезеровании.

Силы резания и мощность при фрезеровании

Силы резания. При фрезеровании каждый зуб фрезы преодолевает сопротивле­ние резанию со стороны материала заготовки и силы трения, действующие на поверх­ностях зубьев фрезы. Обычно в контакте с заготовкой находится не один зуб, и поэтому фреза преодолевает некоторую суммарную силу резания, складывающуюся из сил, действующих на эти зубья. Схема действия сил резания при фрезеровании зависит от принятого способа фрезерования и типа фрезы.

Как тангенциальное (например, цилиндрической фрезой), так и радиальное (например, торцевой фрезой) фрезерование может осуществляться двумя способами: против подачи, так называемое встречное фрезерование, когда направление подачи противоположно направлению вращения фрезы, и фрезерование по подаче — попутное фрезерование, когда направление подачи и вращение фрезы сов­падают.

При встречном фрезеровании нагрузка на зуб возрастает от нуля до макси­мума; при этом зубья фрезы, действуя на заготовку, стремятся «оторвать» ее от стола станка или приспособления, в котором она закреплена. Такое направление силы вызывает в ряде случаев (при больших припусках на обработку) упругие деформа­ции в системе СПИД, что, в свою очередь, приводит к вибрациям и увеличению шероховатости обработанной поверхности. Зубья фрез при этом интенсивно изнаши­ваются, так как в момент врезания в заготовку их задние поверхности трутся об упрочненную, уже обработанную поверхность, преодолевая значительную силу трения.

Преимуществом встречного фрезерования перед попутным является работа зубьев фрезы из-под корки. Режущие лезвия в момент входа в зону хрупкого металла по­вышенной твердости (корки) прекращают контакт своей задней поверхности с за­готовкой в точке Б, так как происходит скол стружки.

При попутном фрезеровании зуб врезается в материал в точке А, начиная работать при максимальной толщине срезаемого слоя и наибольшей нагрузке, что исключает начальное проскальзывание зуба. При попутном фрезеровании полу­чается поверхность с меньшей шероховатостью и более высокой точностью, так как зубьями фрезы во время обработки заготовка прижимается к столу станка, что уменьшает вибрацию.

Для успешного применения попутного фрезерования необходимо беззазорное соединение ходового винта и маточной гайки стола станка.

Учитывая достоинства и недостатки рассмотренных методов, попутное фрезе­рование используют для предварительных и чистовых работ при отсутствии корки, на жестких станках с компенсаторами зазоров в узлах стола. Встречное фрезеро­вание рекомендуется для предварительной обработки, и особенно при работе по корке.

На каждый зуб фрезы, находящийся в пределах угла контакта, действует своя сила сопротивления срезаемого слоя. Каждую из этих сил можно разложить на составляющие, действующие тангенциально (по касательной) к зубьям фрезы и по радиусам фрезы. Суммарная окружная, или касательная, сила и радиальная сила имеют равнодействующую R, которую можно разложить на две силы — горизонтальную и вертикальную .

Окружная, или касательная, сила имеет наиболее важное значение, так как производит основную работу резания. По значению силы определяют мощность электродвигателя привода станка и рассчитывают на прочность валы, зубчатые колеса и другие звенья привода станка.

Радиальная сила характеризует то усилие, с которым обрабатываемая заго­товка стремится оттолкнуть от себя фрезу; эта сила изгибает фрезерную оправку и давит на опоры шпинделя.

Горизонтальная составляющая силы резания определяет усилие, которое необходимо приложить к столу ставка для осуществления рабочей подачи.

При встречном фрезеровании направление горизонтальной состав­ляющей противоположно направлению движения (по стрелке s) стола. При по­путном фрезеровании горизонтальная составляющая направлена в сторону движения стола.

При фрезеровании цилиндрической фрезой с винтовыми зубьями равнодействую­щая силы составляет с осью фрезы острый угол, следовательно, появляется осе­вая сила , направленная параллельно оси фрезы. В зависимости от направления винтовых зубьев фрезы меняется и направление силы . Для созда­ния более благоприятных условий фрезерования целесообразно применять фрезу с таким направлением зуба, чтобы сила была направлена к шпинделю; в противном случае осевая сила будет стремиться вытянуть фрезу с оправкой из посадочного конусного отверстия шпинделя.

Для того чтобы уравновесить действия осевых сил, иногда прибегают к исполь­зованию набора из двух фрез с правым и левым направлениями винтовых канавок между лезвиями.

При фрезеровании торцевыми фрезами действуют те же силы, что и при фрезе­ровании цилиндрическими.

Значение главной составляющей силы резания — окружной силы — опре­деляется по эмпирической, т. е. найденной опытным путем, формуле

,

где — постоянный коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого ма­териала, типа фрезы и ее геометрии; , и — показатели степени, также зави­сящие от механических характеристик обрабатываемого материала, типа и геометрии фрезы. Значения , , и приводятся в справочниках по выбору параметров режимов резания.

Соответственно значениям действующих сил резания выбирают фрезу, оправку, способ закрепления заготовки, жесткость и мощность станка.

Значение отдельных составляющих силы резания можно определить, зная .

1. При встречном фрезеровании цилиндрическими, дисковыми, фасонными и работающими периферией концевыми фрезами:

; ; .

2. При попутном фрезеровании:

; ; .

3. При фрезеровании торцевыми фрезами и работающими торцом концевыми

; ; .

Осевая составляющая силы резания для фрез с винтовыми зубьями находится из соотношения

,

где — угол наклона винтовой канавки.

Для приближенных расчетов иногда пользуются значениями дав­ления р, под которым принято понимать силу резания, приходя­щуюся на единицу поперечного се­чения площади срезаемого слоя. Давление зависит не только от механических свойств обрабатывае­мого материала, но и от наиболь­шей толщины стружки. Для более тонких стружек давление при про­чих равных условиях увеличивается и уменьшается для стружек боль­шей толщины.

Зная крутящий момент фрезы и частоту ее вращения, можно определить мощность

,

В целях обеспечения эффек­тивной мощности на шпинделе не­обходимо, чтобы электродвигатель станка обладал большей мощностью, так как часть ее расходуется на трение в подшипниках, зубча­тых передачах, направляющих и др.

Потери на трение характери­зуются коэффициентом полезного действия станка . Для фрезерных станков общего назначения . Таким образом, на полезную работу, т.е. на работу фрезерования расходуется 75—85 % мощности электродвигателя.

Для определения эффективной мощности , которую можно использовать на резание, следует мощность электродвигателя умножить на КПД станка, т. е.

.

Для расчета потребной мощности электродвигателя станка по эффективной мощности необходимо эффективную мощность разделить на КПД станка, т. е.

.

Равномерность фрезерования. Площадь поперечного сечения стружки при фре­зеровании непостоянна. Она изменяется от значения, близкого к нулю, до некото­рого максимума. Соответственно этому в таких же пределах меняется сила резании. Это, в свою очередь, вызывает неравномерность нагрузки, проявляющуюся в виде вибраций и толчков. Такие явления в процессе фрезерования разрушают режущие лезвия инструмента, способны расстроить станок и снизить срок его службы Осо­бенно резкие колебания силы резания наблюдаются при работе, прямозубыми фре­зами Значительно более равномерным являются фрезерование фрезами с винтовыми зубьями. В особых условиях фрезерование такими фрезами можно вести с постоян­ной площадью суммарного сечения среза, т. е. при отсутствии колебаний силы ре­зания. Такое фрезерование называется равномерным.

Условие равномерного фрезерования фрезами со спиральными зубьями можно кратко выразить так: для равномерного фрезерования ширина фрезерования В должна быть равна осевому шагу фрезы или кратна ему (в целых числах). Это вы­ражается формулой

,

где K = 1, 2, 3 и т.д.; — угол наклона винтового зуба фрезы. При угле = 20° ctg =2,75; при = 40° ctg =1,1; при = 30° ctg =1,73; при = 45° ctg =1. Для заготовок различной ширины условие равномерного фрезе­рования не всегда может быть выполнено В этих обстоятельствах, если принять К = 2 или К = 3, неравномерность становится относительно небольшой — изме­нения силы резания не превышают 20%, что допустимо.