Белгородская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ББК 345 Общая технология машиностроения. Обработка металлов
Повышение производительности фрезерной обработки, является актуальной задачей и важным направлением исследований в машиностроении. Одним из подходов, направленных на решение данного вопроса, является применение высокопроизводительного инструмента, работающего в диапазоне высоких и сверхвысоких подач. Такие условия работы станков и инструмента устанавливают серьезные требования к параметрам режима обработки, определяющим из которых является сила резания. В данной работе представлен обзор не-которых основных подходов, применяемых для определения силы резания при фрезеровании, отмечены их преимущества и недостатки. Отмечена разобщенность данных, использую-щихся при расчете силы резания, представленных в справочных источниках технической ин-формации. На основании рассмотренных методик произведен ориентировочный расчет си-лы резания, с последующим кратким сопоставительным анализом полученных результатов. Дана оценка возможности применения рассмотренных методик при расчете режимов вы-сокопроизводительного фрезерования.
фрезерование, высокие и сверхвысокие подачи, сила резания, сравнительная оценка, анализ результатов
Фрезерование на высоких и сверхвысоких подачах в настоящее время является одним из наиболее производительных и перспективных видов обработки, который нашел широкое применение при черновой или получистовой обработке различных изделий.
Известен широкий ряд производителей инструмента для данного вида обработки (рис. 1), такие, как: Seco Tools, Sandvik Coromant, Hoffmann Group и др.
а б
Рис. 1. Фрезы для работы на высоких подачах производителей: а – Seco Tools;
б – Sandvik Coromant
Анализ технических источников [7,8] показал, что данный инструмент получил широкое применение при обработке с высокими подачами на зуб от 0,3 до 1,4 мм/зуб, во многих случаях отношение fz/t ≈ 0,75...1,5. В случаях сверхвысоких подач величина fz может доходить до 4 мм/зуб, при глубине резания до 2 мм.
Справедливо отметить, что такие тяжелые условия работы инструмента и всего оборудования требуют серьезного подхода к назначению режимов обработки, важнейшим параметром которых является сила резания. Данный параметр, прежде всего, определяет крутящий момент и мощность привода главного движения, а также является одним из главных при прочностных расчетах инструмента и оборудования.
На данный момент существует несколько основных подходов определения силы резания при различных видах обработки и фрезеровании, в частности.
Так в работе [1] предложено силу резания оценивать с помощью следующей простой зависимости:
, (1)
в которой p0 – удельное давление на лезвие фрезы, определяемое как:
,
где Кр – коэффициент резания, находящий в пределах 2,3…2,8; σр – прочность обрабатываемого материала на растяжение; А – площадь поперечного сечения срезаемого слоя.
Достаточно известной является эмпирическая зависимостьдля расчета тангенциальной составляющей силы фрезерования [4], представленная в виде:
, (2)
где Ср – коэффициент, характеризующий условия обработки; t – глубина резания, мм;
sz – подача на зуб, мм/зуб; B– ширина фрезерования; zр – число зубьев фрезы, находящихся в работе; Kp – общий поправочный коэффициент, представляющий собой произведение коэффициентов, отражающих состояние отдельных параметров, влияющих на значения силы резания; d – диаметр фрезы по наиболее удаленной от оси вращения точке режущей кромки, мм; n – частота вращения фрезы, мин–1; x, y, u, q, w – справочные коэффициенты.
Известна методика, предложенная Кинцле [5], согласно которой, сила резания может быть определена из выражения:
, (3)
где kс1.1 – доля главной составляющей силы резания приходящейся на участок поперечного сечения стружки размером 1×1 мм; a и h – ширина и толщина снимаемой стружки соответственно; mc – коэффициент, учитывающий изменение удельной силы резания от толщины стружки, для сталей равный 0,26 [8].
Следует отметить работы, посвященные определению силы резания, как например [2,3], результаты которых могут найти использование в процессе высокопроизводительного фрезерования. Однако изучение данных работ показало, что методики, изложенные в них, имеют, по нашему мнению, большую научную и теоретическую ценность, нежели практическую, так как включают в себя большой набор физических параметров и характеристик, которые трудно учесть в производственных условиях.
Из рассмотренных нами расчетных методик выражение (1) можно отнести к методу приближенной оценки величины силы резания [1], а область применения выражения (2) сужена за счет использования эмпирических данных, полученных при определенных условиях проведения опытов. Кроме того, подход (2) имеет значимый недостаток, который заключается в том, что при вычислении силы резания возникает неудобство, связанное с большой громоздкостью расчета, обусловленное использованием достаточно большого числа справочных данных, необходимостью предварительного расчета скорости резания, частоты вращения и определения различных поправочных коэффициентов.
При рассмотрении выражения (3) возникают вопросы к корректности величин, входящих в него, как, например, удельной силы резания, определяемой по [10]. В данном источнике представлены величины удельных сил резания для различных групп сталей. При этом для каждой отдельной группы принимается одна величина удельной силы резания, несмотря на то, что в ней могут находиться стали с различным содержанием углерода, а, следовательно, и со значимыми расхождениями физико-механических характеристик. Пример представления данных для определения удельной силы резания по [10] представлен в табл. 1.
Таблица 1
Материалы групп SECO
|
Материал заготовок |
Rm(N/mm2) |
kc1.1 (N/mm2) |
mc |
|
Конструкционные стали. Обычные углеродистые стали с содержанием углерода от малого до среднего (<0,5 %C) |
450 <550 |
1500 |
0,25 |
Для представленной группы материалов расхождение между величиной верхнего граничного значения Rm (прочность при растяжении) и нижнего составляет 22 %, что также косвенно говорит о расхождении и остальных прочностных характеристик сталей, входящих в эту группу, а, следовательно, и о некорректности присвоения величины удельной силы резания всей группе материалов.
Для проведения ориентировочного расчета, с помощью представленных выше методик, были выбраны следующие данные: материал – сталь 45 (соответствует С45 по [8]), глубина резания t = 0,6 мм, при вариации подачи на зуб fz в пределах 0,3…0,5 мм. При этом схема резания для простоты вычислений предусматривалась для прямоугольной режущей пластины (рис. 2), с передним углом γ = 0 ͦ и углом в плане φ = 90 ͦ.
|
Рис.2. К определению геометрических параметров сечения стружки |
Величина силы резания определялась для момента, когда толщина стружки достигала максимального значения, т.е. когда h= fz, а также с учетом того, что для принятой геометрии режущей пластины глубина резания t= a. Результаты расчета представлены в табл. 2.
Таблица 2
Результаты ориентировочного расчета силы резания
|
Механические свойства |
Глубина резания t, мм; подача на зуб fz, мм/зуб. |
Значение силы резания, Н; полученное по |
|||
|
(1) |
(2) |
(3) |
|||
|
σр = 750 МПа, Кр ≈ 2,55, mc = 0,26, kc1.1 = 1680 Н/мм2 |
t = 0,6, fz= 0,3 |
344,3 |
305,7 |
413,5 |
|
|
t = 0,6, fz= 0,4 |
459 |
379,3 |
511,7 |
||
|
t= 0,6, fz= 0,5 |
573,8 |
448,2 |
603,5 |
||
При выполнении сравнительной оценки за критерий соответствия было условно принято выражение, определяющее силу резания по методу Кинцле. Соответствие полученных результатов оценивалось через величину относительного расхождения
, (4)
где PZK– расчетное значение силы резания по Кинцле; PZi– значение силы резания, рассчитанное по остальным методикам. Выбор данного метода в качестве оценочного был продиктован его широкой применимостью ведущими производителями инструмента [7, 8, 10] для расчета силы резания в процессе фрезерования.
Анализ расчетных данных показывает, что величина силы резания, рассчитанная по (2), занижена, по отношению к величинам, определенным по (1) и (3). Силы резания, рассчитанные же по (1) и (3), достаточно хорошо согласуются между собой, и величина расхождения между полученными результатами составляет 5–17%. Сравнение с результатами, полученными по (2), дает расхождение в 26%. О более значительном несоответствии результатов, полученных по (2), к реальной картине можно прийти, опираясь на экспериментальные исследования, представленные в работе Боброва [6]. Так величина силы резания при механической обработке стали 40 (близкой по свойствам к стали 45), при fz= 0,285 мм/зуб и t= 4 мм, составляет порядка 2500Нпри скорости резания, для наших расчетных данных, 94 м/мин (рис. 3).
Уменьшив площадь сечения снимаемого слоя, за счет уменьшения глубины резания в 6,67, до t = 0,6 мм, с последующим пропорциональным уменьшением силы резания, получаем
значение 375 Н. Этот ориентировочный результат также более согласован с результатами, полученными по (1) и (3) (при t = 0,6 и fz= 0,3), и более значимо отличается от результата по (2).
Отсюда можно сделать выводы, что методика, предложенная Кинцле, более отвечает
реальным результатам, а также обладает рядом преимуществ, а именно: малым количеством
справочных величин, позволяет в достаточно простой форме учитывать параметры
режима резания: а (ширина стружки/глубина резания) и h (толщина стружки/подача).
Если рассматривать выражение (1), то, как сказано выше, оно используется, лишь для приближенных вычислений [1], и это скорее всего объясняется достаточно широким ориентировочным диапазоном значений величины Кр.
|
Рис. 3. Результаты обработки экспериментальных данных, представленные в работе В.Ф. Боброва |
Вместе с тем, несмотря на представленные преимущества, методика Кинцле не лишена недостатков в плане определения параметра, характеризующего физико-механические свойства обрабатываемого материала kc1.1, что также отмечалось в обзоре. Так, в существующих источниках, для различных материалов, могут быть выбраны достаточно значимо отличающиеся величины этого параметра. Так для стали 45, в [10] можно зафиксировать kc1.1 = 1500 Н/мм2, а в [9] kc1.1 = 1700…1820 Н/мм2, и этот факт также затрудняет практическое применение данной методики.
Учитывая все вышесказанное, можно сделать вывод о том, что проведение научных поисковых, теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку методики расчета силы резания, обладающей высокой аналитичностью, информативностью, а также учитывающей лишь самые основные параметры режима фрезерования и легко определимые физико-механические характеристики обрабатываемого материала, остается открытым и актуальным вопросом.
1. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Ре-зание металлов: учеб. Для студентов. М. : Высш. шк., 1985. 304 с.
2. Максимов Ю.В. Оленин Л.Д., Шапа-ровская М.А. Сопоставительный анализ ме-тодов расчета процесса резания // Известия МГТУ «МАМИ». 2011. № 1(11). С. 159-169.
3. Ярославцев В. М. Новое о процессе резания [Электронный ресурс] /В. М. Яро-славцев // Наука и образование: электр. науч. изд. МГТУим. Н. Э. Баумана. 2011. №7.Режим доступа: http://cyberleninka.ru/article/n/novoe-o-protsesse-rezaniya. - (дата обращения: 25.05.17).
4. Справочник технолога-машиностроителя: в 2-х т. Т.2 / Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещеряко-ва. 5-е изд., исправл. М.: Машиностроение 1, 2003. 944 с.
5. Справочник по технологии резания материалов: в 2 кн. Кн. 1 ./ред. нем. изд.: Г. Шпур, Т. Штеферле; пер. с нем. В.Ф. Котель-никова и др.; под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Машиностроение, 1985. 616 с.
6. Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. / В.Ф. Бобров. М.: Машинострое-ние, 1975. 344с
7. Торцевое фрезерование. Высокопроиз-водительное фрезерование [Электронный ре-сурс]. Режим доступа: http://www.sandvik.coromant.com/ru-ru/knowledge/milling/application_overview/face_milling/high_feed_milling . - (дата обращения: 18.04.17).
8. GARANT. Справочник по обработке резанием [Электронный ресурс]. - Режим до-ступа: http://lib-bkm.ru/load/21-1-0-1452 . - (дата обращения: 18.04.17).
9. Обрабатываемые материалы [Элек-тронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.sandvik.coromant.com/ruru/knowledge/materials/workpiece_materials/iso_p_steel/pages/default.aspx. - (дата обращения: 18.04.17).
10. Таблицы соответствия матери-алов по ГОСТ материалам стандартов DIN И AISI их принадлежность к группам ма-териалов по классификации SECO [Электронный ре-сурс]. - Режим доступа: http://instrumentinvest.com/2012/%D0%B3%D1%80%D1%83%D0%BF%D0%BF%D1%8B%20%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB%D0%BE%D0%B2%20seco.pdf . - (дата обращения: 18.04.17).
