О равновесии сил на резце с уменьшенной передней поверхностью Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА

ИМЕНИ С. М. КИРОВА

Том 188 1974

О РАВНОВЕСИИ СИЛ НА РЕЗЦЕ С УМЕНЬШЕННОЙ ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

М. Ф. ПОЛЕТИКА

Общим недостатком режимов интенсивного наростообразования является плохое качество обработанной поверхности. В условиях устойчивого нароста шероховатость этой поверхности связана, в первую очередь, с трением и глубокими пластическими деформациями, которые вызывает «задняя» поверхность нароста, скользя по поверхности резания.

Все это весьма сложные процессы, анализ которых требует предварительного обстоятельного изучения общих закономерностей наростообразования на резцах с укороченной передней поверхностью, в частности, силовых взаимодействий. Многие результаты этого изучения излагались в работах автора [1, 2, 3]. В настоящей статье мы рассмотрим вопрос о статическом равновесии сил в системе резец —нарост — стружка—деталь.

Реальная картина действующих сил и моментов на резце с уменьшенной передней поверхностью весьма сложна из-за криволинейных очертаний нароста, а также из-за известной неопределенности положения поверхности сдвига вблизи вершины нароста. Упрощая эту картину теми же приемами, как мы это делаем при анализе общего случая стружкообразоваиия, приходим к эквивалентной схеме, изображенной на рис. 1.

На этой схеме показаны силы взаимодействия между четырьмя соприкасающимися телами: резцом, наростом, стружкой и изделием. В отличие от обычной схемы с единственной плоскостью сдвига здесь между резцом и изделием располагается, помимо стружки, еще одно

г г

промежуточное тело — нарост. Силы и и действую-

щие на передней «грани» ОВ нароста, играют по отношению к системе резец — деталь роль «внутренних» сил.

Для сил, «внешних» по отношению к указанной системе, могут быть написаны следующие уравнения статического равновесия:

В соответствии с рис. 1 здесь

Рис. 1. Схема сил, действующих па резец, нарост и стружку

Л^, — силы, действующие на плоскости сдвига;

Ыр — силы, приложенные к передней грани (фаске) резца; — силы, действующие на «заднюю» грань нароста;

Рг, В.ху— суммарные силы (обычные технологические составляющие силы резания);

^н' I/ —расстояния точек приложения действующих сил от вершины резца или нароста (координаты «центров давления») .

Если ввести обозначения:

а%

* 1н=Ун оох

Фн/з1п(ул—у)

соэуд

в которых

"Ф?» Фн—относительные координаты «центров давления», /—длина передней грани (фаски) резца, а — толщина среза, Рг> УГЛЬ1> показанные на рис. 1,

то уравнение (2) примет следующий вид:

этр! созуд

соэу—(1—1{у) эту] Лху=0.

(3)

Только две силы Рг и Rxy из входящих в уравнения (1) и (3) могут быть определены экспериментально с помощью динамометра. Для вычисления остальных сил при известных геометрических параметрах стружкообразования (Рь 7а) уравнений статического равновесия недостаточно. В частности, не могут быть найдены опытным путем и силы FH) NH, ответственные за формирование подрезцовой поверхности.

Попытаемся оценить силы NH и Fh на «задней» поверхности нароста косвенным путем. Для этого будем считать, что среднее касательное напряжение тср в зоне сдвига заранее известно и, следовательно, тангенциальная сила, действующая в плоскости сдвига, может быть вычислена по формуле

(4)

Sin^t

где b — ширина среза.

Решая уравнения (1) и (3) совместно и с учетом выражения (4),' легко выводим

--g-, (Ъ)

Fa = Pz-abxcptg$l-RxYtg$1 +

+ р, C0S¡3,. Pz+ARxr) • • •, (6)

В

где

А = cvfy+f sin pi cos ¡3t tg Yn cosуд— (1 —ty) / sin^ cos pt sin y0;

cos Уд

Далее. Так как оценку интересующих нас сил с точностью ±20% можно считать совершенно достаточной, то примем

Фэ = 0,5;

♦„ = 0,25; (8)

1^ = 0,2-^0,5.

Первое из этих допущений применительно к обычному резцу (без нароста) уже использовалось ранее [4, 5]. Второе основано на изучении характера сопряжения контура нароста с подрезцовой поверхностью по микрофотографиям зоны резания. Это допущение весьма приближенно. Третье допущение основано на анализе эпюр контактных напряжений.

Значение ij^, принимаемое в третьем из допущений (8), приблизительно соответствует всему возможному диапазону изменения этой величины для различных случаев стружкообразования на резце с уменьшенной передней поверхностью. При этом нижний предел (^=0,2) относится к моменту перехода от ограниченного контакта к обычному резанию (малое отношение a/f), а верхний предел ("ф/ = 0,5) соответствует максимальным значениям фактора a/f.

Значение тср принималось по данным опытов с обычным резцом (без фаски) по тому же обрабатываемому материалу, что вполне оправдано, так как тср в зависимости от условий резания изменяется слабо.

Результаты расчетов по формулам (5) и (6) собраны в табл. 1. Их анализ позволяет сделать ряд интересных выводов.

Силы и действующие на нарост со стороны поверхности резания, весьма велики, причем нормальная сила по своей величине чаще всего превосходит горизонтальную составляющую /?хг- Это означает, что второй компонент, входящий в силу Яхг и равный интегральной сумме напряжений па «передней» поверхности нароста, либо мал, либо направлен в сторону, противоположную Яхг- Именно этого и следоваЛо ожидать, ибо передний угол на наросте (уд) очень велик.

/

/

/

/

/

С ростом отношения а/( силы и Д/н возрастают. Изучение микрофотографий зоны резания показывает, что это является следствием изменения очертания нароста. Последний начинает более интенсивно взаимодействовать с поверхностью резания, происходит стабилизация нароста.

В заключение рассмотрим вопрос о связи между углом схода стружки уд и "отношением а//. Из экспериментальных исследований [1, 3] вытекает, что при всех обстоятельствах с ростом отношения аЦ угол схода стружки уя увеличивается. Покажем, что это необходимое следствие условий статического равновесия.

Обратимся к рис. 2, повторяющему схему па рис. 1 для случая у0=0°, и предположим, что толщина среза вдруг значительно увеличилась, став равной а!>а (соответствующие контуры зоны резания показаны пунктиром). Так как напряжения ом и тср в зоне сдвига и относительная координата точки приложения равнодействующей в плоскости сдвига слабо зависят от толщины среза, то увеличение толщины среза вызовет примерно пропорциональный рост силы и координаты

Обрабатываемый материал Материал и геометрия резца Скорость резания V Сечение среза ¿X* Угол схода стружки То Усадка стружки

MjMU.fi мм2 град. -

Сталь 12 0,2x0,3 30° 2,3

мягкая, п 0,5X3 41,5° 1,6

НВ-114 Р9 „ 0,8X3 51° 1,35

и 1,1X3 60° . 1,25

7=60«

Сталь 50, 10 0,2x3 24° 2,3

НВ-170 /=0,6 мм * » 0,5X3 36° 1,6

„ 0,8X3 43° 1,35

» 1.1X3 50° 1,25

Сталь 9,4 0,2X3 23° 2,3

ШХ15, »> 0,5X3 36° 1,6

НВ-240 0,8X3 43° 1,35

»1 1,1X3 50° 1,25

Таблица 1

Силы резания Координата центра давления <]у Среднее касательное напряжение сдвига г Нормальная сила на наросте мн Касательная сила на нарос-те ^

Р-г

кГ кГ - кГ1мм2 кГ кГ

145 75 0,25 50 72,5 66,8

235 80 0,35 93,4 91,7

295 73 0,4 » 118 102,8

355 65 0,45 »> 140 117

185 93 0,25 60 77,5 85,1

297 98 0,35 я 104 116,7

400 95 0,4 * 138 137,5

500 80 0,45 и 160 193,5

245 100 0,25 80 70 107,5

345 113 0,35 ъ 132 _ 113,2

440 97 0,4 п 167 131.5

525 75 0,45 ■ 199 151,5

/р, не изменяя направления Новые значения сил в плоскости сдвига обозначены на рис. 2 через Л/т и

Простое рассмотрение на рис. 2 приводит к выводу, что невозможно уравновесить новую силу Яр только за счет соответствующего увеличения суммарной равнодействующей на фаске. Не восстановит равновесия и увеличение сил .Рн и на наросте в пределах, определяемых данными табл. 1. Сила создает значительный неуравновешенный момент.

На обычном резце подобная ситуация приводит к увеличению длины контакта стружки с резцом и соответствующему увеличению плеча

на котором действует сила Я, в результате чего равновесие восстанавливается. В данном случае возрастанию /7 = 1^ препятствует ограниченный размер передней грани. Поэтому единственным «естественным» путем востановления равновесия будет поворот плоскости сдвига (Р'1>Р1) и неизбежно связанное с ним увеличение угла схода стружки-

ЛИТЕРАТУРА

1. А. М. Розенберг, М. Ф. Полетика. Особенности процесса резания инструментом с фаской при скоростной токарной обработке. «Изв. ТПИ», т. 75, 1954.

2. М. Ф. Полетика. Микроструктура и микротвердость в зоне резания при работе резца с фаской. «Изв. ТПИ», т. 85, 1957.

3. М. Ф. Полетика. О наростообразовании на резце с укороченной передней гранью. «Изв. ТПИ», с. 107, 1963.

4. Н. П. 3 о р е в. Вопросы механики процесса резания металлов. Машгиз, 1956