ДЕЙСТВУЮЩИЕ СИЛЫ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СТРУЖКООБРАЗОВАНИИ

Изучение связи напряжений и деформаций, имеющих место при резании материалов, позволяет по величине степени деформации определять силу резания и ее составляющие, уровень нагрузки на механизмы станка, а главное, силовую и тепловую нагрузку на отдельные части инструмента, установить закономерности износа инструмента и другие важные характеристики процесса резания в их связи с параметрами режима резания v, s, t.

Используя схему резания с условной плоскостью сдвига (см. рис. 3.2), рассмотрим схему силового взаимодействия инструмента с обрабатываемым материалом, представив ее в сечении плоскостью, перпендикулярной к режущей кромке (рис.3.9).

С момента начала контакта инструмента с заготовкой на передней поверхности инструмента возникает сила резания (стружкообразования) R, которую можно представить как геометрическую сумму сил нормального давления N и трения F: R = N + F .

В этом случае угол η между силами N и F - угол трения,а tg η = F/ N = μ -коэффициент трения.

Действие силы R на стружку вызывает появление напряжений в условной плоскости сдвига ОА, для определения величины которых перенесем силу резания R в точку пересечения с условной плоскостью сдвига и разложим ее на составляющие Р_τ, действующую вдоль этой плоскости, и Р_N, перпендикулярную к ней (рис. 3.9). Тогда составляющая

, (3.12)

где τ - касательное напряжение на условной плоскости сдвига; f_c - площадь сдвига, ; a, b - соответственно толщина и ширина срезаемого слоя.

Рис. 3.9. Схемы силового взаимодействия режущего клина с обрабатываемым материалом

Составляющая

, (3.13)

где σ_N - нормальное напряжение сжатия на условной плоскости сдвига.

Многочисленные эксперименты показали, что независимо от условий резания (обрабатываемый материал, скорость резания, толщина и ширина срезаемого слоя, передний угол инструмента) распределение касательного напряжения τ по длине условной плоскости сдвига примерно равномерное (рис. 3.10).

Рис. 3.10. Напряжения в условной плоскости сдвига

Распределение нормальных напряжений σ_N имеет более сложный характер и зависит от степени деформации и режима резания. Примерные значения напряжений сдвига τ, измеренные с помощью динамометра, при резании ряда материалов приведены в табл. 3.1.

Для расчета напряжений сдвига τ воспользуемся схемой сил, действующих на передней поверхности резца (рис. 3.11). Здесь сила резания (стружкообразования) R помещена на вершину режущего клина и представлена в виде двух составляющих: 1) - действует в направлении вектора скорости резания ; 2) - действует в направлении подачи , перпендикулярно к вектору скорости . При этом

или . (3.14)

Таблица 3.1. Значения напряжений сдвига τ для некоторых обрабатываемых материалов

С учетом уравнений (3.12) и (3.13), а также углов действия ω (ω - угол действия, это угол между вектором силы резания (стружкообразования) и вектором скорости резания ) и наклона условной плоскости сдвига Φ (см. рис. 3.9):

; (3.15)

. (3.16)

Из этих зависимостей следует, что касательные напряжения и размеры срезаемого слоя а и b прямо пропорционально влияют на силу резания (стружкообразования) R и ее составляющие Р₁и Р₂. Более сложное влияние на их уровень оказывает деформация срезаемого слоя, определяемая углом наклона условной плоскости сдвига Φ, а также направление действия силы резания (стружкообразования) R,определяемое углом действия ω = η - γ. Величина последнего зависит от условий трения на передней поверхности режущего клина и переднего угла (рис. 3.11).

Силу стружкообразования R можно рассчитать по уравнению (3.14), предварительно замерив динамометром составляющие Р₁и Р₂. Для нахождения угла действия ω нужно найти угол трения η по формуле tgη = F/N. Составляющие этой формулы можно найти по величине силы резания (стружкообразования) R:

; (3.17)

. (3.18)

Рис. 3.11. Схема сил, действующих на передней поверхности резца при свободном резании

Содержащиеся в скобках этих уравнений безразмерные величины можно определить следующим образом: 1) угол Ф определяется по уравнению (2.4) с предварительным замером коэффициента усадки стружки К при заданном значении угла γ; 2) угол η определяется по уравнению tgη = tg(ω + γ), где
tgω = Р₂ /Р₁.

Из схемы действия силы резания (стружкообразования) R и ее составляющих (рис.3.11) видно, что величина силы R изменяется при изменении переднего угла γ и режима резания (v, а, b), а также свойств обрабатываемого материала.