Факторы, снижающие эффективность режущей силы в ЧПУ-фрезерных станках

При металлорезании на ЧПУ-фрезерном станке сила, необходимая инструменту для врезания в заготовку и деформирования материала заготовки в стружку, называется режущей силой. Режущая сила — важная основа для расчета режущей мощности, проектирования инструментов, станков и оправок, определения режимов резания. В автоматизированном производстве режущая сила также может использоваться для мониторинга процесса резания и рабочего состояния инструмента.

Режущая сила и режущая мощность ЧПУ-фрезерного станка

1. Источник режущей силы ЧПУ-фрезерного станка.

Источник режущей силы с одной стороны — сопротивление, возникающее при упругой и пластической деформации в процессе образования стружки; с другой — сила трения между стружкой и передней поверхностью инструмента и между заготовкой и задней поверхностью инструмента.

2. Режущая сила и ее разложение.

Полная режущая сила F при резании — пространственная сила. Для удобства измерения и расчета, удовлетворения потребностей проектирования станка, оправки, инструмента и технологического анализа, F часто разлагают на три взаимно перпендикулярные компоненты Fc, Fp и Ff.

(1) Главная режущая сила Fc — проекция полной режущей силы F в направлении главного движения, ее направление перпендикулярно базовой поверхности. Fc — важная основа для расчета мощности станка, прочности инструмента, проектирования оправки, выбора режимов резания. Fc можно рассчитать по эмпирической формуле или единичной режущей силе kc (Н/мм²): Fc = kc·A_D = kc·h_D·b_D = kc·a_p·f.

(2) Радиальная сила Fp — компонента полной режущей силы F, перпендикулярная направлению подачи. Главный фактор, влияющий на деформацию заготовки и вызывающий вибрацию системы.

(3) Осевая (податочная) сила Ff — компонента полной режущей силы F в направлении движения подачи. Главная основа для проектирования и проверки механизма подачи станка и мощности подачи.

Режущая сила — полная сила F разложена на Fc и F_D, F_D разложена на Fp и Ff, их связь: Ff = F_D·sin κ_r; Fp = F_D·cos κ_r.

3. Режущая мощность ЧПУ-фрезерного станка.

Режущая мощность — мощность, рассеиваемая режущей силой в процессе резания, обозначается P_m, единица — кВт. При токарной обработке внешней поверхности это сумма мощности главной режущей силы Fc и мощности податочной силы Ff. Поскольку доля мощности Ff мала (всего 1–5%), ее можно пренебречь, а Fp работу не совершает. Получаем формулу P_m = Fc·v_c×10^-3, где Fc — главная режущая сила (Н); v_c — скорость резания (м/с).

Учитывая КПД передачи станка, мощность двигателя P_E станка получается из режущей мощности P_m: P_E ≥ P_m/η, где η — КПД передачи станка, обычно 0.75–0.85.

Основные факторы, влияющие на режущую силу ЧПУ-фрезерного станка

1. Влияние материала заготовки ЧПУ-фрезерного станка.

Чем выше прочность и твердость материала заготовки, хотя режущая деформация незначительно снижается, полная режущая сила все равно увеличивается. Для материалов с похожей прочностью и твердостью, если пластичность велика, коэффициент трения с инструментом тоже велик, поэтому режущая сила увеличивается; для хрупких материалов из-за малой пластической деформации трение стружки о переднюю поверхность инструмента мало, поэтому режущая сила мала.

2. Влияние режимов резания ЧПУ-фрезерного станка

(1) Глубина резания a_p и подача f.

При увеличении f и a_p площадь резания увеличивается и главная режущая сила растет, но степень влияния разная. При токарной обработке, когда a_p удваивается, главная режущая сила примерно удваивается; когда f удваивается, главная режущая сила увеличивается только на 68–86%. Поэтому в процессе резания, если учитывать главную режущую силу и мощность, выгоднее увеличивать подачу, чем глубину резания.

(2) Скорость резания v_c. Кривая влияния скорости резания на режущую силу при обработке стали 45 (a_p=4 мм, f=0.3 мм/об) твердым сплавом YT15. При резании пластичных металлов в зоне нароста нарезка роста нароста может увеличить фактический передний угол инструмента, уменьшить деформацию стружки и снизить режущую силу; наоборот, уменьшение нароста увеличивает режущую силу. Когда нароста нет, с ростом v_c температура резания растет, трение передней поверхности снижается, деформация уменьшается, режущая сила снижается. Поэтому высокоскоростное резание часто используют в производстве для повышения производительности. При резании хрупких металлов v_c растет, режущая сила незначительно снижается.

3. Влияние геометрических параметров инструментов ЧПУ-фрезерного станка

(1) Передний угол. Передний угол оказывает наибольшее влияние на режущую силу. При резании пластичных металлов увеличение переднего угла уменьшает деформацию сдавливания и трение резаемого материала, улучшает отход стружки, снижает полную режущую силу; при резании хрупких металлов влияние переднего угла на режущую силу неочевидно.

(2) Отрицательная фаска. Наточка отрицательной фаски на острой режущей кромке увеличивает прочность кромки, повышая ресурс инструмента, но при этом деформация резаемого металла увеличивается, что повышает режущую силу.

(3) Угол входа в резание. Влияние угла входа на режущую силу осуществляется 주로 через изменение толщины резаемого слоя и длины дуги вершинки, влияя на деформацию, и тем самым на режущую силу. Угол входа мало влияет на главную режущую силу Fc, но значительно влияет на отношение радиальной силы Fp и осевой силы Ff. F'_D — сила реакции заготовки на инструмент. Поскольку F'_p = F'_D·cos κ_r, F'_f = F'_D·sin κ_r, увеличение угла входа κ_r увеличивает осевую силу F'_f и уменьшает радиальную силу F'_p. При токарной обработке тонкостенной заготовки можно выбрать больший угол входа для уменьшения или предотвращения изгибной деформации заготовки.

4. Влияние других факторов. Трение между инструментом и материалом заготовки

При одинаковых условиях резания у высокоскоростных сталей режущая сила наибольшая, за ними — твердые сплавы, наименьшая — у керамических инструментов. Использование СОЖ в процессе резания снижает режущую силу, и чем выше смазывающая способность СОЖ, тем значительнее снижение. Чем сильнее износ задней поверхности инструмента, тем сильнее трение и больше режущая сила.