Ключевые факторы, влияющие на режущие усилия при фрезеровании на ЧПУ

Режущие силы и режущая мощность при фрезеровании

1. Природа режущих сил

Сила резания возникает от двух источников:

• Сопротивление материала при упругой и пластической деформации в зоне сдвига (образуется стружка).
• Трение стружки о переднюю поверхность пластины и детали о тыльную поверхность.

2. Декомпозиция полной силы резания

Полная сила F — пространственный вектор. Для расчетов и проектирования раскладывают на три взаимно перпендикулярные компоненты:

• Главная режущая сила Fc (Fz): проекция F на направление главного движения (перпендикулярно базовой плоскости). Основа для расчета мощности шпинделя, прочности инструмента, проектирования приспособлений, выбора режимов. Fc = kc × A = kc × h × Db = kc × ap × fz (kc — удельное усилие резания, Н/мм²).
• Радиальная (нормальная) сила Fp (Fy): перпендикулярна направлению подачи. Главный фактор деформации заготовки и вибраций системы.
• Осевая (податочная) сила Ff (Fx): совпадает с направлением подачи. Основа для расчета привода подачи и его жесткости.

Связи: Ff = FD × sin(kr); Fp = FD × cos(kr), где FD — результирующая сила в плоскости подачи, kr — угол входа фрезы.

3. Режущая мощность

Pm = Fc × vc × 10⁻³ (кВт), где Fc в Н, vc в м/мин (в оригинале м/с — единица несовпадает; правильно: Pm(кВт) = Fc(Н) × vc(м/мин) / 60 000). Учет КПД передачи (η = 0,75–0,85): Pэ = Pm / η — требуемая мощность двигателя.

Основные факторы, влияющие на режущие усилия

1. Материал заготовки

• Рост σв и HB → рост Fc (несмотря на снижение деформации).
• При равной прочности: выше пластичность → выше коэффициент трения → выше Fc.
• Крупнозернистые/хрупкие материалы (чугун) → малая пластическая деформация, малое трение → меньшие Fc.

2. Режимы резания

Глубина резания (ap) и подача на зуб (fz)

Рост ap и fz увеличивает площадь сечения реза → растет Fc. Влияние нелинейное: удвоение ap ≈ удвоение Fc; удвоение fz → прирост Fc на 68–86%. Вывод: для ограничения Fc и мощности эффективнее повышать подачу, чем глубину.

Скорость резания (vc)

• Пластичные металлы: на участке нароста (низкие vc) рост нароста увеличивает эффективный передний угол → снижение Fc. После исчезновения нароста: vc↑ → температура↑ → трение↓ → деформация↓ → Fc↓. Поэтому высокоскоростная резка повышает производительность.
• Хрупкие металлы: vc↑ → Fc незначительно снижается.

3. Геометрия режущего инструмента

Передний угол (γ)

Наибольшее влияние. При пластичных металлах: γ↑ → деформация↓, трение↓, отход стружки улучшается → Fc↓. При хрупких металлах влияние незначительно.

Отрицательная фаска (land / T-land)

Увеличивает прочность ребра → выше ресурс, но увеличивает деформацию металла → Fc↑.

Угол входа фрезы (kr / κr)

Влияет через изменение толщины среза и длины дуги контакта. На Fc влияет слабо. Значительно меняет соотношение Fp/Ff: kr↑ → Ff↑, Fp↓. При точении тонких валов большой kr снижает изгибающую силу Fp.

4. Прочие факторы

• Трение инструмент/материал: Р6М5 → макс. Fc; ВК → средние; керамика → мин. Fc.
• СОЖ: применение снижает Fc; выше смазывающая способность → большее снижение.
• Износ тыльной поверхности (VB): чем больше износ → выше трение → выше Fc.