Влияние низкой производственной эффективности на силу резания в фрезерных станках с ЧПУ

При резании металла фрезерным станком с ЧПУ режущий инструмент врезается в заготовку и деформирует материал заготовки в стружку — это называется силой резания. Сила резания является важной основой для расчета резающей мощности, проектирования режущих инструментов, станков и приспособлений, а также определения режимов резания. В автоматическом производстве процесс резания и рабочее состояние режущего инструмента также можно контролировать по силе резания.

Сила резания и резающая мощность фрезерного станка с ЧПУ

1. Источник силы резания фрезерного станка с ЧПУ

С одной стороны, источником силы резания является сопротивление, вызванное упругой и пластической деформацией в процессе образования стружки. С другой стороны — сила трения между стружкой и передней поверхностью резеца и между заготовкой и задней поверхностью резеца.

2. Сила резания и её декомпозиция

Полная сила резания F при резании является пространственной силой. Для удобства измерения и расчета, а также для удовлетворения потребностей проектирования станка, приспособления и резеца и технологического анализа, F обычно декомпозируют на три взаимно перпендикулярных компонента: Fc, Fp и Ff.

(1) Главная сила резания Fc — проекция полной силы резания F в направлении главного движения, её направление перпендикулярно базовой плоскости. Fc является важной основой для расчета мощности станка, прочности резеца, проектирования приспособления и выбора режимов резания. Fc можно рассчитать по эмпирической формуле или удельной силе резания kc (ед. изм.: Н/мм²): Fc = kc × ap × f = kc × hD × bD = kc × ap × f.

(2) Радиальная сила Fp — компонента полной силы резания F, перпендикулярная направлению подачи. Это основной фактор, влияющий на деформацию заготовки и вызывающий вибрации системы.

(3) Осевая сила подачи Ff — компонента полной силы резания F в направлении подачи. Это основная основа для проектирования и проверки механизма подачи станка и питания подачи станка.

Сила резания F декомпозируется на Fc и Fd, Fd декомпозируется на Fp и Ff, их соотношение: Ff = Fd × sin κr, Fp = Fd × cos κr.

3. Резающая мощность фрезерного станка с ЧПУ

Резающая мощность — это мощность, потребляемая силой резания в процессе резания, обозначается Pm, единицы — кВт. При точении внешней поверхности она равна сумме мощности, потребляемой главной силой резания Fc и силой подачи Ff. Поскольку доля мощности, потребляемой силой подачи Ff, мала (всего 1–5%), обычно её можно игнорировать, а Fp не совершает работу, поэтому Pm = Fc × vc, где Fc — главная сила резания (Н), vc — скорость резания (м/с).

Учитывая КПД передачи станка, мощность двигателя станка Pe можно рассчитать из резающей мощности Pm: Pe ≥ Pm / η, где η — КПД передачи станка, обычно принимают 0,75–0,85.

Основные факторы, влияющие на силу резания фрезерного станка с ЧПУ

1. Влияние материала заготовки фрезерного станка с ЧПУ

Чем выше прочность и твердость материала заготовки, хотя деформация резания незначительно уменьшается, полная сила резания всё равно увеличивается. Для материалов с похожими прочностью и твердостью при обработке, если пластичность велика, коэффициент трения с резецом также велик, поэтому сила резания увеличивается; при обработке хрупких материалов сила резания мала из-за малой пластической деформации и малого трения между стружкой и передней поверхностью резеца.

2. Влияние режимов резания фрезерного станка с ЧПУ

(1) Заглубление резания ap и подача f.

При увеличении f и ap площадь сечения резания увеличивается, и главная сила резания также увеличивается, но степень их влияния различна. При точении, когда ap удваивается, главная сила резания удваивается; когда f удваивается, главная сила резания увеличивается только на 68–86%. Поэтому в процессе резания, если учитывать главную силу резания и резающую мощность, увеличение скорости подачи лучше, чем увеличение заглубления резания.

• Скорость резания vc.

Кривая влияния скорости резания на силу резания при обработке стали 45 (ap = 4 мм, f = 0,3 мм/об) твердым сплавом YT15. При резании пластичных металлов, в зоне нарастающей стружки, рост нароста может увеличить фактический передний угол резеца, уменьшить деформацию стружки и снизить силу резания; наоборот, уменьшение нароста увеличивает силу резания. Когда нароста нет, с увеличением скорости резания vc температура резания повышается, трение на передней поверхности уменьшается, деформация уменьшается и сила резания снижается. Поэтому высокоскоростное резание часто используют в производстве для повышения производительности. При резании хрупких металлов vc увеличивается, а сила резания незначительно снижается.

3. Влияние геометрических параметров резеца на фрезерный станок с ЧПУ

(1) Передний угол. Передний угол оказывает наибольшее влияние на силу резания. При резании пластичных металлов увеличение переднего угла может уменьшить деформацию сдавливания и трение резаемого материала, обеспечить плавное удаление стружки и снизить полную силу резания; при резании хрупких металлов влияние переднего угла на силу резания не очевидно.

(2) Отрицательная фаска. Наточка отрицательной фаски на острой режущей кромке может повысить прочность кромки и улучшить срок службы резеца, но при этом деформация резаемого металла увеличивается и сила резания растет.

(3) Главный угол в плоскости. Влияние главного угла в плоскости на силу резания осуществляется בעיקר через изменение толщины резаемого слоя и длины дуги вершинки резеца, влияя на деформацию, и тем самым на силу резания. Главный угол в плоскости мало влияет на главную силу резания Fc, но заметно влияет на соотношение радиальной силы Fp и осевой силы подачи Ff. F'd — обратная сила заготовки к резецу. Поскольку F'p = F'd × cos κr, F'f = F'd × sin κr, увеличение главного угла κr увеличивает силу подачи F'f и уменьшает радиальную силу F'p. При точении тонкостенной заготовки можно выбрать больший главный угол, чтобы уменьшить или предотвратить изгибную деформацию заготовки.

4. Другие факторы. Трение между режущим инструментом и материалом заготовки

При одинаковых условиях резания сила резания резеца из быстрорежущей стали наибольшая, за ним следуют твердый сплав и керамический резец. Использование охлаждающей смазочной жидкости в процессе резания может снизить силу резания, и чем выше смазывающая способность СОЖ, тем значительнее снижение силы резания. Чем больше трение, тем сильнее износ резеца.