29Методы определения сил резания

В процессе резания к режущему инструменту прилагаются определенные усилия, или силы резания, которые действуют на срезаемый слой и стружку. Такой же величины, но противоположные по направлению силы действуют на зубья инструмента. Для расчета мощности привода и жесткости станка, а также для определения прочности и жесткости инструмента и приспособления необходимо знать величину этих сил. Исследования, проводимые в этом направлении в области динамики резания, можно разбить на две группы:

• теоретические выводы уравнений для расчета сил резания на основе анализа процесса снятия стружки как одного из частных случаев пластической деформации;

• экспериментальное определение сил резания.

Вывод теоретического уравнения для расчета сил резания мы рассмотрели на предыдущей лекции. Сегодня остановимся на методах экспериментального исследования сил резания.

Как правило, в теоретически выведенные уравнения входят параметры, числовые значения которых неизвестны и зависят от режимов резания и степени износа лезвий резца. Найти значения этих параметров можно лишь экспериментально, выполнив непосредственные измерения силы резания Р специальными динамометрами. Поэтому все теоретически выеденные уравнения предназначены лишь для качественного анализ зависимости силы резания от режимных, геометрических и физических параметров и не используются на практике как рабочий математический аппарат для количественного выражения действующих сил резания.

Нормирование режимов резания для условий производства ведут по уравнениям, математически описывающим результаты определения составляющих Р_х, Р_у и Р_z силы резания специальными динамометрами.

Не зависимо от конструкции они состоят из следующих основных частей:

1. датчика, воспринимающего нагрузку. Упругая деформация датчика непосредственно или с использованием связанных с ней явлений служит основной для измерения сил резания;

2. приемника, осуществляющего регистрацию нагрузки;

3. вспомогательных звеньев, связывающих датчик с приемником.

Принцип действия всех динамометров основан на измерении упругой деформации измерительных элементов динамометров, пропорциональной значению измеряемой составляющей силы резания. Динамометры, имеющие лишь один измерительный элемент, используемый обычно для измерения вертикальной (главной) составляющей Р_Z силы резания, называются однокомпонентными. Динамометры имеющие два взаимно перпендикулярно расположенных измерительных элемента, например, для одновременного измерения вертикальной Р_Z и горизонтальной Р_х составляющих, называются двухкомпонентными. Динамометры, имеющие три взаимно перпендикулярно расположенных измерительных элемента для одновременного измерения всех трех составляющих Р_х, Р_у и Р_Z, называются трехкомпонентными. Динамометры подразделяются на гидравлические, механические и электрические.

Гидравлические динамометры имеют следующее устройство. Резец укреплен в коробке, или люльке, которая может качаться относительно опоры, а также перемещаться на шариках в горизонтальной плоскости. Под действием силы Р_Z люлька стремиться повернуться, и давит через стержень на поршень. Последний под давлением вытесняет глицерин из цилиндра через трубку в манометр, снабженный самопишущим механизмом. Измерение силы Р_у производится аналогичным образом при горизонтальном перемещении люльки.

Гидравлические динамометры находят ограниченное применение по причине большой инерционности рычажно-поршневой системы, из-за чего показания отстают от быстропротекающих процессов и искажают картину изменения сил резания во времени, а также по причине малой чувствительности.

Принцип работы механических динамометров основан на том, что под действием сил резания на резец резцедержатель вследствие деформации упругих стенок корпуса перемещается. Эти перемещения через сухари и ножки индикатора фиксируются индикаторами.

Механические индикаторы имеют те же недостатки, что и гидравлические. Поэтому, несмотря на простоту конструкции, они широкого распространения не получили.

Электрические динамометры являются наиболее чувствительными приборами, так как они мало инерционны и позволяют с помощью осциллографа производить запись на пленку быстропротекающих процессов за тысячные и стотысячные доли секунды. Такие динамометры преобразуют механическое воздействие сил резания в легко измеряемые электрические величины.

Электрические преобразователи подразделяются на следующие основные подразделения, на следующие основные виды:

• емкостные или конденсаторные;

• индуктивные;

• тензометрические.

В емкостных преобразователях сила резания посредством державки резца производит перемещение упругой пластины конденсатора, изменяя воздушный зазор ∆h, а следовательно, и емкость конденсатора. Изменение емкости при помощи высокочастотного устройства приводит к колебанию силы тока, регистрируемой с помощью гальванометра или осциллографа.

Индуктивные преобразователи основаны на изменении индуктивности токонесущего контура, а следовательно, и силы тока в обмотке в зависимости от воздушного зазора ∆h между ферромагнитными телами. Изменение силы резания соответственно влияет на величину регистрируемого тока.

Проволочные или тензометрические первичные преобразователи представляют несколько витков очень тонкой проволоки Ø 0,015…0,06 мм. Их изготавливают из специального сплава нихром-константан, который резко изменяет электрическое сопротивление при деформации преобразователя. Витки или решетку из такой проволоки помещают между двумя склеенными бумажными полосками и наклеивают на упругую деформирующийся элемент (державку). Под влиянием сил резания элемент и приклеенная к нему проволока деформируются. Это вызывает изменение силы тока в электрической цепи, которая увеличивается усилителем и измеряется гальванометром или другим регистрирующим прибором. Упрощенное уравнение силы резания

Для решения некоторых производственных задач иногда требуется ориентировочно определить уровень возможных сил резания при механической обработке. Для этого желательно иметь достаточно простую математическую зависимость

Р=еτf_н

где е – коэффициент, учитывающий влияние всех безразмерных величин;

f_н=ав – площадь поперечного сечения срезаемого слоя

τ – касательные напряжения, возникающие в плоскости скалывания по всей ее площади в тонком слое пластически деформируемого металла

Произведение еτ можно заменить эквивалентным произведением К_рσ_в где: σ_в – предел прочности обрабатываемого металла на растяжение.

Подставив это выражение в уравнение, получаем упрощенное уравнение силы резания

Р=К_рσ_в f_в

В данном уравнении произведение К_рσ_в выражает удельное сопротивление резанию металла обрабатываемой заготовки и его принято называть коэффициентом резания

К_р = 2,3...2,8