Силы резания при фрезеровании

При фрезеровании каждый зуб фрезы преодолевает сопротивление резанию со стороны материала заготовки и силы трения, действующие на поверхностях зубьев фрезы. Обычно в контакте с заготовкой находится не один зуб, и поэтому фреза преодолевает некоторую суммарную силу резания, складывающуюся из сил, действующих на эти зубья. Схема действия сил резания при фрезеровании зависит от принятого способа фрезерования и типа фрезы,

Как тангенциальное (например, цилиндрической фрезой), так и радиальное (например, торцевой фрезой) фрезерование может осуществляться двумя способами: против подачи, так называемое встречное фрезерование, когда направление подачи противоположно направлению вращения фрезы (рис. IV.3, а), и фрезерование по подаче — попутное фрезерование, когда направление подачи и вращение фрезы совпадают (рис. IV.3. б). Рис. IV.3. Схемы фрезерования: а — против подачи (встречное); 6 — по подаче  (попутное)

При встречном фрезеровании нагрузка на зуб возрастает от нуля до максимума; при этом зубья фрезы, действуя на заготовку, стремятся «оторвать» ее от стола станка или приспособления, в котором она закреплена. Такое направление силы вызывает в ряде случаев (при больших припусках на обработку) упругие деформации в системе СПИД, что, в свою очередь, приводит к вибрациям и увеличению шероховатости обработанной поверхности. Зубья фрез при этом интенсивно изнашиваются, так как в момент врезания в заготовку их задние поверхности трутся об упрочненную, уже обработанную поверхность, преодолевая значительную силу трения.

Преимуществом встречного фрезерования перед попутным является работа зубьев фрезы из-под корки. Режущие лезвия в момент входа в зону xpупкого металла повышенной твердости (корки) прекращают контакт своей задней поверхности с заготовкой в точке Б (рис. IV.3, а), так как происходит скол стружки.

При попутном фрезеровании зуб врезается в материал в точке А (рис. IV.3, б), начиная работать при максимальной толщине срезаемого слоя и наибольшей нагрузке, что исключает начальное проскальзывание зуба. При попутнем фрезеровании получается поверхность с меньшей шероховатостью и более высокой точностью, так как зубьями фрезы во время обработки заготовка прижимается к столу станка, что уменьшает вибрацию.

Для успешного применения попутного фрезерования необходимо беззазорное соединение ходового винта и маточной гайки стола станка.

Учитывая достоинства и недостатки рассмотренных методов, попутное фрезерование используют для предварительных н чистовых работ при отсутствии корки, на жестких станках с компенсаторами зазоров в узлах стола. Встречное фрезерование рекомендуется для предварительной обработки, и особенно при работе по корке.

Схемы действия сил при попутном и встречном фрезеровании различаются (рис. IV.4); на них показаны силы резания, действующие на заготовку (реакции сил, действующих на зуб). На каждый зуб фрезы, находящийся в пределах угла контакта, действует своя сила сопротивления срезаемого стоя. Каждую из этих сил можно разложить на составляющие, действующие тангенциально (по касательной) к зубьям фрезы и по радиусам фрезы.

Суммарная окружная, или касательная, сила Рок и радиальная сила Рр имеют равнодействующую R, которую можно разложить на две силы — горизонтальную Рг и вертикальную Рв. Рис. IV.4. Схемы действия сил при встречном (а) и попутном (б) фрезеровании цилиндрическими фрезами

Окружная, или касательная, сила Р_ок имеет наиболее важное значение, так как производит основную работу резания. По значению силы Р_ок определяют мощность электродвигателя привода станка и рассчитывают на прочность валы, зубчатые колеса  и другие звенья  привода станка.

Радиальная сила Р_р характеризует то усилие, с которым обрабатываемая заготовка стремится оттолкнуть от себя фрезу; эта сила изгибает фрезерную оправку и давит на опоры шпинделя.

Горизонтальная составляющая силы резания Р_г определяет усилие, которое необходимо приложить к столу станка для осуществления рабочей подачи.

При встречном фрезеровании (рис. IV.4, а) направление горизонтальной составляющей Р_г противоположно направлению движения (по стрелке s) стола. При попутном фрезеровании (рис. IV.4, б) горизонтальная составляющая Р_г направлена в сторону движения стола.

Вертикальная составляющая силы резания Р_в, вектором показанная на рис. IV.4, иллюстрирует ее действия, описанные ранее, в условиях попутного и встречного фрезерования.

При фрезеровании цилиндрической фрезой с винтовыми зубьями равнодействующая силы R' составляет с осью фрезы острый угол, следовательно, появляется осевая сила Р_о, направленная параллельно оси фрезы (рис IV.5, а). В зависимости от направления винтовых зубьев фрезы меняется и направление силы Р_о. Для создания более благоприятных условий фрезерования целесообразно применять фрезу с таким направлением зуба, чтобы сила Р_о была направлена к шпинделю (рис. IV.5, б); в противном случае осевая сила будет стремиться вытянуть фрезу с оправкой из посадочного конусного отверстия шпинделя.

Рис. IV.5. Схемы действия сил на спиральный зуб фрезы: а-осевая сила направлена от шпинделя; б — осевая сила направлена к шпинделю

Для того чтобы уравновесить действия осевых сил, иногда прибегают к использованию набора из двух фрез с правым и левым направлениями винтовых канавок между лезвиями.

При фрезеровании торцевыми фрезами действуют те же силы, что и при фрезеровании цилиндрическими.

Значение главной составляющей силы резания — окружной силыР_ок— определяется по эмпирической, т. е. найденной опытным путем, формуле

               (12)

где С_р — постоянный коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала, типа фрезы и ее геометрии; x_р, у_р, и q_р — показатели степени, также зависящие от механических характеристик обрабатываемого материала, типа и геометрии фрезы. Значения C_р, х_р, у_р и q_р приводятся в справочниках по выбору параметров режимов резания.

Соответственно значениям действующих сил резания выбирают фрезу, оправку, способ закрепления заготовки, жесткость и мощность станка.

Значение отдельных составляющих силы резания можно определить, зная Р_ок.

1. При встречном фрезеровании цилиндрическими, дисковыми, фасонными и работающими периферией концевыми фрезами:

Р_г≈(1,0÷1,2)P_ок; Р_в= (0,2÷0,3)P_ок; Pp ≈ (0,35÷0,4) P_ок

2. При попутном фрезеровании:

Р_г≈(0,8÷0,9)P_ок; Р_в≈(0,75÷0,8) P_ок; P_р≈ (0,35÷0,4)P_ок.

3. При фрезеровании торцевыми фрезами и работающими торцом концевыми фрезами:

P_г≈(0.4÷0,5)P_ок; Р_в ≈ (0,85÷0,95)P_ок;
P_р≈(0,5÷0,55)P_ок .

Осевая составляющая силы резания Po для фрез с винтовыми зубьями находится из соотношения

P_о=0.28P_ок tg ω,             (13)

где ω — угол наклона винтовой канавки.

Для приближенных расчетов иногда пользуются значениями давления р, под которым принято понимать силу резания, приходящуюся на единицу поперечного сечения площади срезаемого слоя. Давление зависит не только от механических свойств обрабатываемого материала, но и от наибольшей толщины стружки. Для более тонких стружек давление при прочих равных условиях увеличивается и уменьшается для стружек большей толщины.

В табл. IV. 1 даны значения давления резания для стали и чугуна с различными пределами прочности при растяжении ов в зависимости от наибольшей толщины срезаемого слоя  amax, вычисленной по формуле (9).

Определив по табл. IV.1 давление, можно приближенно рассчитать окружную силу резания

Р_ок≈pF_ср                       (14)

Таблица IV.l. Давление резания р при фрезеровании, Мпа