Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

Одним из возможных путей совершенствования инструментов является выравнивание нагрузки по длине режущих кромок, разгрузка наиболее нагруженных участков режущих кромок и дополнительная нагрузка малозагруженных участков. Чтобы решать эти вопросы применительно к конкретному инструменту, необходимо определить, как загружены отдельные участки режущих кромок, т. е. определить скорость резания и толщину среза в различных исследуемых точках
кромок.

Проанализируем, например, загрузку режущих кромок спирального сверла (рис. 10.6). При сверлении сверло относительно заготовки совершает два движения: вра-
щение вокруг своей оси с угловой скоростью ω — главное движение резания и поступательное движение подачи сверла вдоль его оси. Движение подачи происходит медленно. Поэтому без большой погрешности при определении скорости резания и формы поверхности резания можно не учитывать движения подачи. Тогда поверхность резания при сверлении будет поверхностью вращения режущих кромок сверла вокруг его оси.

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 

 

Скорость же резания в зависимости от радиуса Ri исследуемой точки режущей кромки

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

Таким образом, эпюра скоростей резания будет треугольной. Скорость на оси сверла равна нулю, а на периферии будет максимальной:

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

Чтобы определить толщину среза в произвольной точке С режущей кромки, проведем два вектора, касающихся поверхности резания. Один вектор Р направим по режущей кромке. Вторым вектором будет вектор скорости v вращения точки С вокруг оси сверла. В системе хуz

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

Вектор нормали к поверхности резания

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

Тогда толщина среза

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

Подставляя вместо N и S их значения, получим

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

По этой формуле подсчитываются в различных точках режущей кромки сверла толщины среза а.

Угол u, характеризующий положение исследуемой точки режущей кромки, находят из формулы

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 

 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

Для сверла с диаметрально расположенными режущими кромка ми, когда угол u = 0, толщина среза

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

Для стандартного сверла, имеющего диаметр сердцевины 2r = = 0,15D, угол при вершине φ = 60°, угол наклона поперечной кромки ψ = 55°, толщина среза изменяется от 0,43S на периферии до 0,35S в точке пересечения режущей кромки с поперечной. Эпюра изменения толщины среза вдоль режущей кромки сверла приведена на рис. 10.6. Как видно, наиболее загруженным участком режущей кромки будет ее периферийная зона. На периферии режущей кромки имеют место максимальная скорость резания и максимальная толщина среза. Скорость резания на периферии изменить за счет изменения конструкции сверла не представляется возможным. Поэтому, чтобы разгрузить периферийную зону режущих кромок сверла за счет изменения его конструкции, нужно идти только по пути уменьшения толщины среза a. Формула для подсчета толщины среза а показывает, что уменьшить толщину среза а можно за счет уменьшения угла при вершине в этой зоне. Это достигается двойной заточкой сверла (рис. 10.7, а), когда нa периферии сверла создается переходная режущая кромка длиной 0,2D сверла с углом при вершине 2φ0 = 70...75°.

 Применение двойной заточки усложняет конструкцию, повышает трудоемкость заточки инструмента, но одновременно с этим приводим к увеличению стойкости сверл. Двойная заточка сверл диаметром более 12 мм при обработке обычной конструкционной стали дает повышение стойкости до 2,5...3 раз, а при обработке чугуна — до 3...5 раз по сравнению с обычной. Для малых диаметров она эффекта не дает. Положительных результатов также не дает двойная заточка при обработке нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов. Это, по-видимому, обусловлено тем, что на периферии сверла создаются в рассматриваемом случае очень малые толщины среза, которые при повышенной способности этих материалов к наклепу вызывают интенсивный износ инструмента.

Переходные кромки в виде отрезка прямой длиной 1...4 мм с уменьшенными углами φ либо в виде дуги окружности сравнительно небольшого радиуса, равного 0,5...3,0 мм, выполняются также на вершине проходных резцов, на периферии зенкеров, на вершинах зубьев торцевых фрез и других инструментах. Переходные кромки снижают интенсивность их загрузки, уменьшают толщину среза, улучшают отвод тепла и приводят к повышению стойкости инструмента до двух-трех раз. Анализ формулы для подсчета толщины среза показывает, что уменьшить толщину среза а можно увеличением угла u, между радиусом, соединяющим исследуемую точку с осью сверла, и проекцией касательной к режущей кромке на плоскость,перпендикулярную к оси сверла. Этого можно достичь за счет винтовой подточки передней поверхности (рис. 10.7, б). По сравнению со стандартными такие сверла имеют на периферии увеличенную активную длину режущих кромок, уменьшенную толщину среза, более целесообразные величины передних углов при их измерении в нормальном к режущей кромке сечении. Рациональное распределение толщины среза вдоль режущих кромок сверла дает также радиусная заточка (рис. 10.7, в). Радиус профиля может приниматься р = 0,5..1,2D сверла. Криволинейная форма режущей кромки позволяет уменьшить толщину среза на периферии сверла, где скорость резания наибольшая, и увеличить ее в центральной зоне, где скорость резания минимальная. Благодаря этому уменьшается нагрузка на периферии (в зоне наиболее интенсивного износа сверла).

Испытания сверл с радиусной формой заточки показывают, что их стойкость в несколько раз превышает стойкость сверл с обычной заточкой при обработке как чугуна, так и стали. Большое влияние на интенсивность износа инструмента, а следовательно, и на загрузку режущей части оказывает форма поперечного сечения среза. Она может иметь форму параллелепипеда или треугольника (рис. 10.8, а), быть Г-образной (рис. 10.8,б) и П-образной (рис. 10.8, в). Наиболее неблагоприятная П-образная форма сечения среза, где имеют место очень сложные условия стружкообразования и ее завивания. Наилучшие условия стружкообразования наблюдаются в том случае, когда сечение среза имеет форму параллелепипеда или треугольника. Поэтому проектируя инструменты, стремятся перейти от П-образной стружки к Г-образной, а если возможно — и к сечению среза в. форме параллелепипеда или треугольника. Так, неблагоприятная форма стружки наблюдается при фрезеровании фрезами, имеющими трапецеи-

 

 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

дальний профиль. Такие фрезы применяются при черновом прорезании впадин зубьев зубчатых колес, при фрезеровании червяков. У фрезы трапецеидального профиля с одинаковыми зубьями каждый зуб срезает стружку вершинной и обеими боковыми режущими кромками, т. е. в этом случае образуются наиболее неблагоприятные П-образные сечения среза. Найдем толщину среза на боковой режущей кромке такой фрезы (рис. 10.9). При определении поверхности резания пренебрегаем движением подачи. Тогда поверхность резания будет поверхностью вращения режущей кромки вокруг оси фрезы. Нормаль N к поверхности резания в точке С лежит в осевой плоскости ху фрезы и перпендикулярна к боковой режущей кромке. Примем длину вектора нормали | N| = 1. Тогда толщина среза
 
 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 
 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 

 

Единичный вектор нормали к поверхности резания

 

 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 

 

На вершинной режущей кромке, у которой угол φ = 90°, толщина среза

 

 

Анализ загрузки режущей части металлорежущего инструмента

 

Таким образом, боковая режущая кромка срезает гораздо меньшие толщины среза, чем вершинная, наиболее нагруженная режущая кромка. Рассмотрение формулы для подсчета толщины среза показывает, что изменить толщину среза на боковой кромке можно только изменяя число г боковых режущих зубьев. Изменить угол в плане φ невозможно, так как в этом случае изменится профиль детали. Поэтому для того чтобы несколько выровнять загрузку режущих кромок у трапецеидальной фрезы, срезают то с одного, то с другого торца боковые режущие кромки. Каждый зуб такой фрезы работает вершинной и одной боковой режущей кромками. В результате сечение среза трансформируется из П-образного в Г-образное. Благодаря частичному срезанию боковых зубьев на боковых малозагруженных режущих кромках толщина среза увеличивается в 2 раза при сохранении общей площади поперечного сечения среза, снимаемого зубом. Это приводит к снижению усилий резания, повышает стойкость инструмента и соответственно производительность обработки.

Чтобы обеспечить срезание режущими кромками рассматриваемой фрезы сечений среза в форме параллелепипеда или треугольника, в конструкцию фрезы вносят следующие изменения. Один зуб выполняют завышенным по высоте, но уменьшенным по ширине. Он срезает материал заготовки только вершинной режущей кромкой. Смежный зуб, наоборот, выполняется с уменьшенной высотой и с требуемой шириной. Он срезает материал заготовки только боковыми режущими кромками.

Аналогичная картина имеет место при обработке зубчатых деталей червячными фрезами. Опыты показывают, что стойкость червячных фрез, у которых часть зубьев срезает стружку только вершинными кромками, а другая — только боковыми, в 2...4 раза выше стойкости стандартных фрез. Таким образом, за счет целесообразной загрузки отдельных участков режущих кромок и обеспечения благоприятной формы поперечного сечения среза можно создавать прогрессивные конструкции инструмента.

 

 

Смотрите также