CC BY
18
УДК 621.787
Д. Г. Шатуров, С. А. Сухоцкий
МЕТОДИКА ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СИЛ РЕЗАНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТОВ ТРЕНИЯ НА РАБОЧИХ ПОВЕРХНОСТЯХ ПРИЗМАТИЧЕСКОГО РЕЗЦА
UDC 621.787
D. G. Shaturov, S. Â. Sukhotsky
TECHNIQUE FOR DETERMINING CUTTING FORCES AND FRICTION COEFFICIENTS ON WORKING SURFACES OF A PRISMATIC CUTTER
Аннотация
Приведена методика по определению сил резания и коэффициентов трения на передней и задней рабочих поверхностях призматического резца с пластинами из твердого сплава при точении. Определены зависимости сил резания и коэффициентов трения от режимов обработки и профиля передней поверхности режущей пластины инструмента.
Ключевые слова:
сила резания, коэффициент трения, точение, скорость резания, подача, глубина резания.
Abstract
The article provides a technique for determining cutting forces and friction coefficients on the front and rear working surfaces of a prismatic carbide-tipped cutter in turning. The dependence of the cutting forces and friction coefficients on the machining conditions and the profile of the front surface of a cutting tool insert has been determined.
Keywords:
cutting force, coefficient of friction, turning, cutting speed, feed, depth of cut.
Введение
Обработка деталей сопровождается большими контактными усилиями на передней и задней поверхностях режущих пластин инструмента. Для уменьшения сил резания и среднего коэффициента трения при обработке заготовок предлагается использовать пластины из твердого сплава с предварительно нанесенным на их переднюю поверхность рельефом в виде канавки, расположенной параллельно главному режущему лезвию и отстоящей от него на величину, соизмеримую с толщиной срезаемого слоя. В поперечном сечении канавка имеет радиусный профиль.
Были определены оптимальные
© Шатуров Д. Г., Сухоцкий С. А., 2020
режимы резания при токарной обработке. Использовались пластины из твердого сплава с рельефом на передней поверхности и без него.
Определение сил при токарной обработке на задней и передней поверхностях резца
Составляющие силы резания на передней и задней поверхностях призматического резца с твердосплавными пластинами определяли экспериментальным путем согласно авторскому свидетельству [1].
Способ включает измерение составляющих силы резания при уменьшении толщины срезаемого слоя и
определение этих составляющих при нулевой толщине среза. С целью повышения точности и сокращения времени определения сил при обработке отключают подачу и измеряют составляющие силы резания в течение времени одного оборота детали с момента отключения подачи, при этом силы на задней поверхности резца определяют в точке перегиба построенного графика зависимости составляющих силы резания от времени оборота детали.
На рис. 1 изображена схема обработки, на рис. 2 - параметры процесса резания призматическим резцом после отключения подачи: развертка на плоскости траектории вершины резца и изменение текущей подачи за один оборот детали после ее отключения (а); толщины сечения среза и силы резания (б); силы, действующие на задней поверхности резца (в).
Рис. 1. Схема обработки: 1 - резец; 2 - обрабатываемая деталь; 3 - сечение среза; 4 - главное режущее лезвие резца
Рис. 2. Параметры процесса резания призматическим резцом после отключения подачи: 1 - а = / (0;
2 - Р (Рх, Ру, Р2) = /(0; 3 - точка перегиба силы Р; 4, 5 - передняя и задняя поверхности резца соответственно; Р\ (Рх1, Ру1, Рг1) - сила на задней поверхности резца; Ртах - общая сила резания; а1 - величина упругой деформации обрабатываемого материала
Способ определения сил на задней и передней поверхностях резца осуществляют следующим образом.
Резцом 1 обрабатывают деталь 2, снимая припуск глубиной t. Деталь 2 имеет скорость вращения V, а резец пе-
ремещается с подачей, равной Параметры сечения 3 среза для резца (см. рис. 1)
а = 5 sinф; (1)
г
Ь =-, (2)
Sinф
где а - толщина среза, мм; 5 - подача, мм/об; Ь - ширина среза, мм; г - глубина резания, мм; ф - главный угол в плане резца.
Силы, действующие на задней поверхности резца, определяли в момент отсутствия стружкообразования на передней поверхности 4 резца (см. рис. 2). Отсутствие стружкообразования имеет место при толщине среза, равной вели-
чине а1 упругой деформации материала, вызванной его обработкой резцом. Для установления момента отсутствия стружкообразования на передней поверхности резца фиксировали трехком-понентным динамометром М30-3-6к изменение составляющих силы резания после выключения подачи 5 станка в течение одного оборота детали. На рис. 3 представлена схема измерения составляющих сил резания, а на рис. 4 - установка для проведения эксперимента.
С помощью программного обеспечения ПРОФИ-6К (рис. 5) определяли составляющие силы резания на передней и задней поверхностях режущей пластины во время обработки и через время Т1 одного оборота детали после выключения рабочей подачи (см. рис. 2, б).
Рис. 3. Схема измерения составляющих сил резания при точении
Рис. 4. Процесс проведения эксперимента
а)
б)
Ч "|икмс a *
a 10:15:51 DpwMit IO:íftM) Ссдастъм
1-1 1-2 1-3 1-4 1-й 1-6 Loíniw A Список COtitOJIiÚ
•1.48Se*l ♦111 OH) •1.1 ЛИ) 1-Slal 1 Start (2.5404)
fl.lIBfltl ЯДЧмО 1.4tifti»1 i.2»"i 2 End (19.0812)
?Ы1? >1.01 ?Й>1 Я.аЯЫЗ 1.514Ы I^ITn.1 «эдвно «1.079w0
2,5*16 *0,5G4«-1 -1270n0 •1,477e*1 1.2G0í»1 ♦ZW0e-0 *1,105HJ
2,5420 •1,470t*1 1.2 JM ♦Э.ЭЗЭе-0 • l.26te-0
25424 ♦т.м&из •I.SIfoH 12~£h-1 ♦гмге-о ♦IjBMutt
2.W2S -ÜJWHJ •1.4Лв*1 ÍJÜIM *32fM1 ♦IJBÍH)
Л6437 */.1№Н1 tWfatO •l.JSllMl 1.591
?.5*ЭЕ »7.134л.П 1_?15*»1 1.5ЖЫ 1_2WW И.ГКЙчП
?.R440 fillHViQ 1Л»и1 iS.RIfc П .1.1МС.П
2.5444 ЧГСОе-О -WlnO 1.2G0e-l «ЭЛббиО • 1.ЛЭЙИ)
2.54« +1J20s*l -5jBGfr*0 •l,530e*l U3De-l *Э,М7Н) *1j090e<0
2Ü4SZ ♦í.iHüHJ -a.&inj ■3221HJ 12fis»l ♦2.WHJ ♦ÍJHJHJ
2J549S *1.1Кя*1 -1.1ИеИ Í.SSÍHJ 1281 e»l ♦3.11BHJ •12UUHI
?.В4Ю .1.ÍIV.1 п.ЙЯмП 1.4S3ft»1 1,Я9л1 »3.41 &.П il.XfeO V
* Л. ± Ж «
Рис. 5. Окна программы просмотра результатов эксперимента: а - график изменения силы резания от времени; б - таблица измерений сил резания
Измерение составляющих силы резания осуществлялось для резца с пластиной без канавки и с пластиной с канавкой (рельефом) на передней поверхности инструмента. Ширина канавки Ь составляла 2 мм, глубина h - 1 мм, расстояние от края канавки до лезвия -0,2 мм. В поперечном сечении канавка имела радиусный профиль.
При Т1 ~ 1/п в точке 3 (см. рис. 2, б) осуществлялось измерение составляющих силы резания Pxl, Ру1, Рг1, действующих на задней поверхности резца.
Из общих составляющих силы резания путем вычитания сил на задней поверхности находились составляющие силы Px2, Ру2, Рг2, действующие на передней поверхности резца.
Р = Р + Р •
1 г 1 1 г 2'
РХ = Рх1 + Рх 2. (3)
Для определения коэффициентов трения необходимо вычислить силы, приложенные к режущему лезвию и находящиеся в основной плоскости:
Ч Рх2 + Ру1; (4)
N =y¡P2 + P¿ , (5)
где Ni и N2 - силы на задней и передней поверхностях режущего лезвия, действующие в основной плоскости, соответственно; Pxi и Рх2 - осевая составляющая силы резания на задней и передней поверхностях режущего лезвия соответственно; Ру1 и Ру2 - радиальная составляющая силы резания на задней и передней поверхностях режущего лезвия соответственно.
Сила трения на рабочих поверхностях резца определялась по зависимостям
F3 = Pzi • cos аз + N1 • sin аз; (6)
Fn = Pz2 •sin Y, + N2 •cos Y,, (7)
где F3 и Fn - силы трения на задней и передней поверхностях резца соответственно; Pzi и Pz2 - тангенциальная составляющая силы резания на задней и передней поверхностях режущего лезвия соответственно; аз - задний угол заточки режущего лезвия; Y3 - передний угол заточки режущего лезвия.
Силы, действующие перпендикулярно к рабочим поверхностям резца, находили по формулам
N3 =-Pzl -sinал + N1 -cosaл; (8)
Nn = Pz2 - cosyл + N2 - sin Yл, (9)
где N3 и Nn - силы, действующие нормально на заднюю и переднюю поверхности резца соответственно.
Коэффициенты трения на задней и передней поверхностях резца соответственно
р з =
N 3
Р n =
Fn
N n
(10)
(11)
Результаты экспериментальных исследований
Следует отметить, что процесс резания лезвийным инструментом в зоне скоростей наростообразования имеет свои особенности, которые заключаются в том, что инструмент в главной секущей плоскости имеет геометрию, отличную от геометрии, полученной при заточке. А именно, имеет место увеличенный радиус округления режущей кромки (лезвия) за счет свешивающейся за лезвие шапки нароста, контактирующей с поверхностью резания и имеющей в 2-3 раза увеличенную твердость по отношению к твердости обрабатываемого материала. При уменьшении толщины срезаемого слоя от максимума до нуля, после отключения подачи, процесс резания за один оборот заготовки постепенно плавно полностью переходит в процесс поверхностного пластического деформирования (ППД) твердой радиусной шапкой нароста поверхности резания, что приводит к увеличению сил на задней поверхности резца. Повышение при этом температуры в зоне контакта несколько уменьшает данный процесс увеличения сил.
Другая особенность состоит в том, что сходящая стружка контактирует не с передней поверхностью резца, а с промежуточным более или менее неподвижным слоем в виде подошвы нароста. После отключения подачи, из-за кратковременности процесса уменьшения толщины среза до нуля, увеличенные силы адгезии отрыва подошвы нароста с передней поверхности резца фиксируются при максимальном фактическом переднем угле.
В результате экспериментальных исследований при точении стали 45 резцами с пластинами из твердого сплава Т15К6 (у3 = 10°, аз = 9°, ф = 60°, ф1 = 12°) установлено, что с увеличением глубины резания I и подачи 5 имеем увеличение всех составляющих сил (рис. 6), а возрастание скорости резания V приводит к незначительному их изменению (табл. 1-3).
При этом составляющие силы резания для резцов с рельефом значительно меньше таких же сил для резцов без рельефа. Так, при режимах резания V = 41 м/мин, 5 = 0,24 мм/об и I = 1,0 мм имеем уменьшение силы Рх на 28 %, а сил Рх и Р^ примерно на 50 %. На передней поверхности для резца микрорельефа при скорости резания
V = 41 м/мин имеет место экстремальное (максимальное) значение коэффициента трения ця = 1,44, а для резца с рельефом при этой же скорости резания имеем экстремальное (минимальное) значение коэффициента трения цям = 0,64 и экстремальное (максимальное) значение коэффициента трения ця = 0,71 при скорости V = 64 м/мин (рис. 7, табл. 2 и 3). Тогда при скорости резания
V = 41 м/мин следует ожидать для резца без рельефа минимальный коэффициент усадки стружки, максимальный фактический передний угол резца, температуру резания 300 °С и максимальную стойкость инструмента. Эти утверждения согласуются с результатами, представленными в [2, 3].
а)
900
1
Рх
б)
1400
1
Рх
в)
од
0,2
0,3
5
0,4
0,5 мм/об 0,6
1600
1
Рх
0,5
1,5
2 мм 2,5
•без рельефа
-с рельефом
Рис. 6. Влияние режимов обработки на тангенциальную составляющую силу резания Р2 а - от скорости V; б - от подачи 5; в - от глубины резания г
Г
Табл. 1. Значения составляющих сил резания (тангенциальной Рг, осевой Рх и радиальной Ру) от режимов обработки (скорости резания V, подачи Б, глубины резания /)
Режим обработки Рг, Н Рх, Н Ру, Н
без рельефа с рельефом без рельефа с рельефом без рельефа с рельефом
V, м/мин 11 700 800 300 400 360 400
30 680 600 360 260 400 280
41 720 520 440 220 480 250
64 700 540 420 250 430 280
86 680 430 380 230 420 260
Б, мм/об 0,05 150 150 80 70 65 70
0,1 340 300 150 150 170 160
0,24 720 540 420 250 480 250
0,34 930 710 510 320 610 400
0,48 1250 1100 600 500 790 600
г, мм 0,2 130 90 25 15 80 70
0,5 340 270 160 160 260 120
1 700 510 440 220 455 250
1,5 1050 770 670 325 650 350
2 1420 1050 950 500 850 450
Табл. 2. Значения составляющих сил резания, касательных Рз, Р„, нормальных Ыз, Ып и коэффициентов трения Цз и цп на задней (1) и передней (2) рабочих поверхностях резца (с пластиной из твердого сплава без рельефа на передней поверхности) соответственно от режимов обработки
Номер V, Б, 1, Рг, Н Рх, Н Ру, Н М, Н Р, Н М3, Н Цз N2, Н Рп, Н Nп, Н Цп
п/п м/мин мм/об мм 1 2 1 2 1 2
1 11 240 460 110 190 120 240 163 263 123 2,13 306 381 400 0,95
2 30 300 380 120 240 150 250 192 326 143 2,29 347 407 314 1,30
3 41 0,24 1 320 400 150 290 200 280 250 355 197 1,80 403 466 324 1,44
4 64 230 470 140 280 180 250 228 263 189 1,39 375 451 398 1,13
5 86 180 500 130 250 140 280 191 208 161 1,29 375 456 427 1,07
6 0,05 58 92 30 50 25 40 39 63 29 2,15 64 79 79 0,99
7 0,1 170 170 80 70 80 90 113 186 85 2,18 114 142 148 0,96
8 41 0,24 1 360 360 170 250 220 260 278 399 218 1,83 361 418 292 1,43
9 0,34 380 550 200 310 250 360 320 425 257 1,66 475 563 459 1,23
10 0,48 380 870 200 400 260 530 328 427 265 1,61 664 805 741 1,09
11 0,2 35 95 10 15 35 45 36 40 30 1,32 47 63 85 0,74
12 0,5 160 180 80 80 100 160 128 178 101 1,76 179 207 146 1,42
13 41 0,24 1 350 350 180 260 210 245 277 389 218 1,78 357 413 283 1,46
14 1,5 450 600 240 430 210 440 319 494 245 2,02 615 710 484 1,47
15 2 600 820 300 650 300 550 424 659 325 2,03 851 981 660 1,49
Табл. 3. Значения составляющих сил резания, касательных Ез, Е„, нормальных Ыз, Ы„ и коэффициентов трения ц и цп на задней (1) и передней (2) рабочих поверхностях резца (с пластиной из твердого сплава с рельефом на передней поверхности) соответственно от режимов обработки
Номер V, 1, Р, Н Рх Н Ру Н М, Н Н М3, Н цз N2, Н Fп, Н Nп, Н цп
п/п м/мин мм/об мм 1 2 1 2 1 2
16 11 250 550 130 270 150 250 198 275 162 1,70 368 419 512 0,82
17 30 120 480 60 200 100 180 117 135 99 1,37 269 314 452 0,69
18 41 0,24 1 160 360 90 130 120 130 150 179 126 1,42 184 218 341 0,64
19 64 160 380 90 160 130 150 158 180 134 1,34 219 255 357 0,71
20 86 130 300 120 110 140 120 184 154 165 0,94 163 191 283 0,67
21 0,05 40 110 20 50 30 40 36 45 30 1,48 64 74 103 0,72
22 0,1 150 150 80 70 80 80 113 164 91 1,80 106 120 139 0,86
23 41 0,24 1 150 390 90 160 100 150 135 167 112 1,49 219 256 367 0,70
24 0,34 260 450 140 180 150 250 205 286 167 1,71 308 350 418 0,84
25 0,48 380 720 200 300 220 380 297 418 242 1,73 484 551 670 0,82
26 0,2 20 70 5 10 30 40 30 24 27 0,88 41 48 66 0,73
27 0,5 100 170 80 80 55 65 97 113 82 1,37 103 119 159 0,75
28 41 0,24 1 160 350 90 130 120 130 150 179 126 1,42 184 217 331 0,65
29 1,5 190 580 100 225 125 225 160 210 132 1,59 318 372 547 0,68
30 2 350 700 200 300 200 250 283 386 231 1,67 391 456 659 0,69
Заключение
1. Приведена методика определения сил и коэффициентов трения на рабочих поверхностях резца с использованием оригинального метода с остановкой подачи резца в процессе резания.
2. Установлено, что коэффициент трения на задней рабочей поверхности резца без рельефа примерно на 25 % больше, чем на передней: Цз / цп = 1,8 / 1,44 = 1,25 (V = 41 м/мин, £ = 0,24 мм/об, I = 1,0 мм). Этим можно объяснить превалирующий износ задней поверхности резца.
3. Установлено, что коэффициент трения цп на передней поверхности резца без рельефа имеет экстремум (мак-
симальное его значение) при скорости резания V = 41 м/мин.
4. Установлено, что наличие рельефа на передней поверхности приводит к уменьшению коэффициента трения на рабочих поверхностях: на задней цз -в 1,27 (1,8/1,42), а на передней цп -в 2,25 (1,44/0,64) раза.
5. Определено, что коэффициент трения цп на передней поверхности резца для резца с рельефом имеет два экстремума: один с минимальным значением цп = 0,64 при скорости резания V = 40 м/мин, другой с максимальным значением цп = 0,71 при скорости резания V = 64 м/мин. При этом уменьшение коэффициента трения цп, по сравнению с резцом без рельефа, составляет 1,59 (1,13/0,71) раза.
0,00
б)
т
V-П
70 80 м/мин 100
80 м/мин 100
•без рельефа
■ с рельефом
Рис. 7. Влияние скорости резания на коэффициент трения на задней ц (а) и передней цп (б) рабочих поверхностях резца
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
1. Способ определения сил на задней поверхности резца и упругой деформации материала при его обработке: а. с. SU 1207632 / Г. Ф. Шатуров, В. Н. Подураев. - Опубл. 30.01.1986.
2. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов / В. Ф. Бобров. - Москва: Машиностроение, 1975. - 344 с.
3. Кожевников, Д. В. Резание металлов: учебник / Д. В. Кожевников, С. В. Кирсанов; под общ. ред. С. В. Кирсанова. - Москва: Машиностроение, 2007. - 304 с.
Статья сдана в редакцию 13 октября 2020 года
Денис Геннадьевич Шатуров, канд. техн. наук, ст. преподаватель, Белорусско-Российский университет. Тел.: +375-297-46-19-67.
Сергей Александрович Сухоцкий, канд. техн. наук, доц., Белорусско-Российский университет.
Denis Gennadyevich Shaturov, PhD (Engineering), senior lecturer, Belarusian-Russian University. Tel.: +375-297-46-19-67.
Sergey Aleksandrovich Sukhotsky, PhD (Engineering), Associate Prof., Belarusian-Russian University.
