2. Силы резания и мощность, затрачиваемая на резание. Скорость главного движения резания, допускаемая режущими свойствами резцов.

Определение силы резания

В процессе резания на лезвие инструмента действуют силы сопротивления перемещению его по траектории относительного рабочего движения. Результирующая этих сил называется силой резания. Силы сопротивления рабочему движению лезвия не стабильны: их значения могут колебаться на +(5... 10)% от средней величины. По тем же причинам нестабильно и направление действия силы резания, которое изменяется одновременно с текущим значением силы резания. Периодические изменения (колебания) силы резания могут привести к нежелательным вибрациям.

Источники возникновения силы резания. Источниками препятствий рабочему движению лезвий являются: а) сопротивление обрабатываемых материалов пластической деформации стружкообразования; б) сопротивление пластически деформированных металлов разрушению в местах возникновения новых поверхностей; в) сопротивление срезаемой стружки дополнительной деформации изгиба и ломанию; г) силы трения на лезвии и других трущихся поверхностях рабочей части инструмента. Силу резания принято обозначать буквой Р латинского алфавита и выражать в ньютонах (Н) или килоньютонах (кН).

Распределение давления на поверхностях лезвия. Взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом осуществляется через контактные площадки, расположенные на передней и задней поверхностях лезвия. Обрабатываемый материал, оказывая сопротивление рабочему движению инструмента, воздействует на контактные площадки неравномерно распределенной нагрузкой р. Закон распределения давления р по передней поверхности показан на рис. 2.1.

Рисунок 2.1 – Распределение давления на передней и задней поверхностях лезвия резца

Наибольшее давление р_мах действует вблизи главной режущей кромки (точка 1). По мере удаления от нее давление р убывает, и в точке 2, в которой прекращается контакт сбегающей стружки с лезвием, давление р = 0. Ширина 1 — 2 контактной площадки при обработке хрупких металлов, например чугуна, равна или ненамного больше толщины срезаемого слоя. При обработке пластичных металлов ширина контактной площадки в 1,5... 3 раза больше толщины срезаемого слоя.

На заднюю поверхность лезвия также действует неравномерно распределенная нагрузка р', максимальное значение которой наблюдается у главной задней кромки и уменьшается до нуля в месте 3 прекращения контакта задней поверхности лезвия с поверхностью резания и обработанной поверхностью на заготовке (рис. 2.1).

Размеры контактных площадок на передней и задней поверхностях лезвия резца и неравномерный характер распределения на них нормальных сил имеют существенное значение в комплексе тех физических процессов, которые приводят к износу лезвий и потере инструментом режущих свойств.

Результирующая сила резания. Точка ее приложения. Для решения ряда теоретических и практических задач, требуется знание как значения действующей силы резания, так и направления ее действия. Вычислять значения силы резания по размерам контактных площадок на лезвии и распределенному по ним неравномерному давлению сложно и трудоемко. Эти задачи решаются более просто, если нагрузку на лезвия заменить эквивалентной по значению и направлению действия результирующей силой резания, которая может быть выражена вектором Р_р.

Точка приложения силы Р_р может быть условно отнесена к различным участкам режущего лезвия в зависимости от решаемой задачи. Так, если рассматривают действие силы резания Р_р на резец, ее принято относить к вершине резца (рис. 2.2, а); если силу резания относят к обрабатываемой заготовке, точку ее приложения полагают лежащей на окружности наибольшего радиуса заготовки (рис. 2.2, б). Более обоснованно рассматривать результирующую силу Р_р, приложенной к середине фактически режущей части кромки (рис. 2.2, в).

Рисунок 2.2 – Приложение к главной режущей кромке резца приведенной силы резания Р_р

Разложение результирующей силы резания. В общем случае вектор результирующей силы Р_р в зависимости от комплекса условий резания имеет различные значения и направления действия. Для удобства расчетов результирующую силу резания Р_р рассматривают в пространственной декартовой координатной системе xyz. В резании металлов приняты следующие принципы ориентации системы координат. Начало системы координат принято совмещать с точкой 1 вершины резца, установленной на высоте оси вращения заготовки (рис. 2.3). Ось х располагается горизонтально параллельно оси вращения обрабатываемой заготовки; ось у горизонтальна и перпендикулярна оси вращения заготовки (параллельно оси у обычно располагают геометрическую ось державки резца); ось z вертикальна и направлена вниз.

Вектор равнодействующей силы Р_р может быть спроецирован на оси х, у и z. Проекция силы Р_р на ось х называется осевой составляющей Р_х силы резания. Осевая составляющая Р_х равна сопротивлению обрабатываемого метал­ла врезанию резца в направлении подачи S и действующих в этом направлении сил трения. Значение осевой составляющей Р_х необходимо знать при расчетах на прочность опор шпинделя и механизма подачи станка.

Рисунок 2.3 – Составляющие силы резания

Проекция силы Р_р на ось у называется радиальной составляющей P_у силы резания. Она изгибает обрабатываемую заготовку в горизонтальной плоскости, что может служить причиной снижения точности обработки длинных заготовок, а также вызывает нежелательные вибрации.

Проекция силы Р_р на ось z называется вертикальной (главной) составляющей Р_z силы резания. Если точка приложения равнодействующей лежит на высоте оси вращения заготовки, направления вертикальной составляющей P_z и вектора окружной скорости заготовки v совпадают. Вертикальная составляющая силы резания Р_z равна суммарному действию сил сопротивления металла срезаемого слоя пластической деформации стружкообразования, разрушения, связанного с образованием новых поверхностей, изгиба стружки и сил трения, действующих в направлении оси z.

Соотношение между составляющими силы резания.

Это соотношение не постоянно. При резании сталей вновь заточенными резцами с главным углом в плане  = 45° имеют место соотношения P_x/P_z = 1/3 и P_y/P_z = 1/4. За время резания до последующей переточки лезвие резца изнашивается. Износ передней поверхности мало влияет на соотношение составляющих силы резания. Износ же задней поверхности лезвия существенно влияет на значения горизонтальных составляющих Р_х и Р_у. За период стойкости они постепенно возрастают и перед повторной переточкой практически устанавливается равенство всех трех составляющих силы резания, т. е. Р_х  Р_у  P_z.

Все прочностные и мощностные расчеты ведутся по максимально достигаемым значениям составляющих силы резания. Из написанных выше соотношений между ними следует, что наибольшей из составляющих является вертикальная составляющая, и, следовательно, она в основном определяет ход процессов, протекающих в зоне стружкообразования.

В технической литературе по резанию металлов и технологии машиностроения под «силой резания» принято понимать вертикальную (главную) составляющую и обозначать ее буквой Р без указания индекса. Лишь в тех случаях, когда имеются в виду определенные составляющие, употребляются вышеприведенные обозначения Р_х, Р_у и P_z.

Задача 2.1. Определить составляющие силы резания Р_z, Р_у, Р_х при продольном точении заготовки резцом из твердого сплава с глубиной резания t, подачей S₀ и скоростью резания v (табл. 2.1).

Задача 2.2. Определить мощность N_peз, затрачиваемую на резание, и момент, сопротивления резанию М_с.р, если при продольном точении заготовки диаметром D (мм) со скоростью главного движения резания v (м/мин) главная составляющая силы резания составила Р (Табл. 2.2).

Таблица 2.2 – Данные к задаче 2.2

№ варианта	D, мм	V		Pz		№ варианта	D, мм	V		Рz
		м/мин	м/с	Н	кгс			м/мин	м/с	Н	кгс
1 2 3 4 5	140 160 65 45 90	75 130 180 240 64	1,25 2,16 3 4 1,06	2750 2200 3000 1050 3600	275 220 300 105 360	6 7 8 9 10	70 220 85 110 30	110 60 265 90 150	1,83 1 4,42 1,5 2,5	3200 4000 600 3250 500	320 400 60 325 50

Задача 2.3 Определить скорость главного движения резания, допускаемую режущими свойствами резца, при подрезке торца диаметром D до диаметра d для заданных условий обработки. Направление подачи – от периферии к центру. (Табл 2.3).