УДК 621.91.01

Определение сил резания при фрезеровании

Меньшов Александр Леонидович – кандидат технических наук, доцент Балтийского государственного технического университета «ВОЕНМЕХ» имени Д. Ф. Устинова.

Аннотация: В статье предложена методика определения сил резания при чистовом, получистовом и высокоскоростном фрезеровании, т.е. при фрезеровании с тонкими срезами. Приведены зависимости для приближенной оценке сил резания, например, при выборе исходных параметров для оптимизации станко- инструментальных систем. Также приведены зависимости, позволяющие рассчитывать силы резания с более высокой точностью, например, при исследовании динамических процессов.

Ключевые слова: силы резания, чистовое и получистовое фрезерование, фрезерный динамометр, динамометрическая фреза.

При чистовом и получистовом фрезеровании концевыми и дисковыми фрезами, при высокоскоростной обработке происходит срезание весьма тонких слоев обрабатываемого материала. В этих случаях определение законов изменения силы резания по обычно применяемым в расчетах и исследованиях зависимостям ее составляющих от подачи, скорости резания и глубины не дает корректных результатов [1]. Например, как показали проведенные исследования, обычно принимаемые постоянными при расчетах коэффициенты пропорциональности между окружной и радиальной, окружной и осевой силами резания являются величинами переменными и зависят не только от подачи и скорости резания, но и от угла поворота резца фрезы. А это особенно важно при исследовании динамических процессов при резании.

В работах [2]- [4] приведены методики определения сил резания, в том числе и при фрезеровании. Например, в работе [2] приведена методика определения сил резания на основе теории взрыва.

При разработке технологических процессов с данными видами обработки и проектировании специального режущего и вспомогательного инструмента полезно оценить достигаемую точность. Особенно важно это при обработке корпусных деталей из труднообрабатываемых материалов. Так, например, при концевом фрезеровании на больших вылетах под действием сил резания происходит отжатие фрезы, что является основной причиной снижения точности обработки. Причем в зависимости от величины снимаемого припуска может быть отжатие инструмента от детали или наоборот врезание фрезы («отрицательное» отжатие). Величина отжатия зависит от многих факторов: режимы резания, конструктивно- технологические параметры инструментальной системы, физико- механические свойства обрабатываемой детали. И в этом случае необходимо корректное определение составляющих силы резания.

Для получения расчетных зависимостей необходимо проведение серии опытов по измерению сил резания с применением фрезерного динамометра или динамометрической фрезы. Целесообразно при этом использовать фрезерные станки с широким диапазоном частоты вращения шпинделя и величины подачи. Причем поле скоростей резания и подач необходимо разбить на диапазоны и для каждого из них получить зависимости для компонент силы резания.

Для каждой области необходимо произвести аппроксимацию тангенциальной, радиальной и осевой сил резания функцией двух переменных, представляющих собой степенной полином, т.е.

p_i=, (1)

где

р_i (i=1,2,3) – погонная сила резания, соответствующая тангенциальной, радиальной и осевой компонентам и приходящаяся на единицу длины режущей кромки,

S_z – подача на зуб,

V – скорость резания.

Коэффициенты в зависимости (1) находятся по разработанной управляющей программе.

Проведенные экспериментальные исследования показали, что силы резания независимо о толщины среза (подачи) и скорости резания практически пропорциональны ширине фрезерования при концевом фрезеровании или глубине при дисковом. Поэтому выше и определяется погонная сила резания.

Данная зависимость может быть использована при динамических расчетах, определении режимов резания и безвибрационных зон при высокоскоростной обработке, исследования автоколебаний.

При приближенной оценке сил резания, например, при выборе исходных параметров для оптимизации станко- инструментальных систем необходимы более упрощенные интегральные характеристики компонент сил резания. Эти характеристики можно представить в виде

P_i=c_pi×V^ϴi× , ( i=1,2.3), (2)

где

c_{pi –} параметр, характеризующий физико- механические свойства обрабатываемого материала,

ϴ_i, µ_{i –} показатели степени, зависящие в общем случае от скорости резания и подачи.

Следовательно, формула (2) имеет вид

P_i=c_pi×V^ϴi(V,Sz)× , ( i=1,2,3). (3)

Значения показателей степени для i-й компоненты силы резания (i=1,2,3) и для каждой из выделенных областей изменения подачи и скорости резания определяются по формулам

=(µ_ikj+µ_i,k+1,j)/2, (k=1,2, … ,n; j=1,2, … , m), (4)

=(ϴ_ikj+ϴ_ikj+1)/2, (k=1,2, … ,n; j=1,2, … , m), (5)

=(c_pikj+c_pik,j+1+c_pi,k+1,j+c_pi,k+1,j+1)/4, (6)

где

µ_ikj=ln(p_ikj/p_i,k+1,j)/lnS_zj/S_zj+1), (7)

ϴ_ikj=ln(p_ikj/p_i,k+1,j)/ln(V_k/V_k+1), (8)

k=1,2, … , n – число областей изменения скорости резания,

j=1,2, … , m – число областей изменения подачи.

Коэффициенты пропорциональности, входящие в формулу (6), вычисляются следующим образом:

c_pikj=p_ikj/(×), (k=1,2, … , n; j=1,2, … , m; i=1, 2, 3), (9)

где показатели степени µ_ikj для k=1,2, … , n и j=1,2, … , m определяются по формуле (7), а ϴ_ilj  для k=1,2, … , n и j=1,2, … , m по (8), при этом µ_ik,j=m=µ_i,k,j=m-1 и ϴ_i,k=n,j=ϴ_i,k=n-1,j.

Данная методика требует проведения большого числа опытов по измерению сил резания в заданных диапазонах изменения скорости резания и подачи и последующей обработки экспериментальных данных. Однако предложенные зависимости затем удобны при расчете сил резания при проектировании технологических процессов фрезерования с тонкими срезами, расчете параметров инструментальных систем и исследовании динамических процессов и дают высокую точность расчетов.

Экспериментальное определение сил резания проводилось с использованием фрезерного динамометра [5] и динамометрической фрезы [6]. Данные устройства позволяют определять с высокой точностью силы резания при фрезеровании с тонкими срезами.

Список литературы

1. Справочник технолога- машиностроителя: в 2-х т. т.2/ Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова. 5-е изд. исправл. М.: Машиностроение, 2003. 944 с.
2. Ярославцев В.М. Новое о процессе резания [Электронный ресурс] // Наука и образование: электр. науч. изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2011. №7. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/novoe-o-prozesse-rezaniya.- (дата обращения : 02.04.24).
3. Грубый С.В., Зайцев А.М. Обоснование условий фрезерования карманов в корпусных деталях из алюминиевых сплавов [Электронный ресурс] // Наука и образование: электр. науч. изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2014. №5. Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-kontsevyh-frez-pri-frezerovanii-korpusnyh-detaley-iz-alyuminievyh-splavov.- (дата обращения : 02.04.24).
4. Бондаренко И.Р. Оценка некоторых подходов к определению силы резания при фрезеровании на высоких и сверхвысоких подачах. // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2017. №7. С. 131- 135.
5. А. с. SU 1 000 800 А1, МПК G01L5/16. Тензометрический динамометр: №3352177/18-10: заявл. 30.10.81: опубл. 28.02.83/ В.И.Петров (СССР). Бюл. №8- 3 с.- Текст: непосредственный.
6. А. с. SU 1 152 721 А1, МПК G01L5/16. Динамометрическая фреза: №3546403/25-08: заявл. 25.01.83: опубл. 30.04.85/ В.И.Петров, С.В.Дженежеруха, М.А.Никитин (СССР). Бюл. №16- 9 с.- Текст: непосредственный.