Величина силы резания при точении определяется непосредственным измерением ее с помощью особых приборов (динамометров) или теоретическим расчетом. При теоретическом расчете силы резания, определение ее величины производится по определенным формулам. Использование для определения силы резания формул в производственных условиях связано с некоторыми затруднениями. Поэтому сила резания обычно указывается во всех справочниках по режимам резания, к которым и следует обращаться, если окажется необходимым определить силу резания.
Сила резания на токарном станке имеет важное значение, так как при умножении ее на радиус обрабатываемой детали мы получаем величину, показывающую, насколько при данных условиях работы нагружен станок и не опасна ли эта нагрузка для наиболее слабых звеньев станка. При умножении силы резания на скорость резания находим мощность, необходимую на выполнение обработки (в кВт или л.с.). Сопоставляя эту мощность с действительной мощностью станка, можно судить о том, насколько рационально используется токарный станок ЧПУ.
Факторы, определяющие расчет силы резания при точении
Под термином точность или надёжность расчёта понимается совпадение (в допустимых пределах, например 10-15%) рассчитанных на стадии проектирования параметров процесса лезвийной обработки с фактическими.
Рассмотрение положений реальной схемы резания применительно для расчета составляющих сил резания при точении показывает, что для повышения точности расчета необходимо кроме марки стали, геометрии режущего инструмента, глубины резания, скорости резания и подачи, учесть ряд дополнительных факторов, которые оказывают влияние на их расчётную величину. Со стороны твёрдосплавного резца такими факторами являются изменение химического и фазового состава твердого сплава, как между марками, так и внутри его марочного состава. Твердосплавные резцы различных марок обладают различной теплопроводностью. Внутри марочного состава теплопроводность, как и режущие свойства, изменяется за счёт различного содержания в кобальтовой связке растворённого вольфрама (2-20%), что допускается техническими условиями на его изготовление.
Со стороны обрабатываемой стали химический, фазовый состав, структурное состояние стали определяют не только её прочностные характеристики, но и теплопроводность, которая через соотношение с теплопроводностью инструмента определяет уровень температуры в зоне резания и степень упрочнения стали в условиях высокоскоростного пластического деформирования. Вульф А.М. в своих работах подчёркивает, что нестабильность физико-механических свойств обрабатываемых сталей одной и той же марки наблюдается тем больше, чем сложнее их химический состав. В качестве примера можно привести широкие диапазоны значений прочности двух марок сталей ЭИ961 и 14Х17Н2, указанных в разных источниках, рекомендованные как справочные величины для расчёта поправки на металл, используемый в математических моделях по расчёту силы резания при точении.
Аналогичная ситуация наблюдается и по другим маркам труднообрабатываемых сталей. В справочниках по расчёту параметров процесса резания рекомендовано перед расчётом режимов обработки провести испытание на разрыв образцов из обрабатываемой стали, для того, чтобы использовать в расчётах истинное значение прочности поставленной партии. В случае использования САПР ТП, это является препятствием на пути автоматизированного способа расчёта режимов обработки.
Сочетание теплофизических свойств контактируемых пар сталь – твердый сплав вместе с технологическими величинами – подачей, глубиной резания, скоростью резания, геометрией резца, наличием или отсутствием СОЖ определяют условия резания. Эти условия, в конечном счёте, влияют на величину составляющих силы резания. В существующих математических моделях для расчёта сил резания при точении применительно к обработке углеродистых и конструкционных сталей эти «условия» оцениваются безразмерными эмпирическими коэффициентами CPz, СPy, СPx, принятыми как средняя величина для каждой составляющей. Ориентация этих эмпирических коэффициентов на среднее значение вместе со средними значениями прочностных свойств обрабатываемых сталей является одной из главных причин ошибок при расчёте. Это подтверждается результатами сравнения измеренных и расчётных величин составляющей Рz при обработке серии коррозионностойких сталей, представленных в таблице (см. "Как рассчитать шероховатость деталей при обработке инструментами, табл. 3"). То есть причины значительных ошибок расчёта составляющих сил резания одни и те же, как для углеродистых, конструкционных, малолегированных, так и для коррозионностойких сталей. При неизбежном, допустимом по ТУ, разбросе свойств со стороны твёрдого сплава и сталей, ориентация при расчёте на средние значения их физикомеханических и теплофизических свойств, неизбежно приведёт к значительным ошибкам. И только обладая полной оперативной информацией о свойствах контактируемой пары и условиях резания, можно значительно повысить точность математических зависимостей для определения составляющих силы резания.
Однако, перечисленные выше факторы со стороны режущего инструмента и обрабатываемой стали, не учитываются существующими методиками расчета элементов режима обработки и обуславливают значительные ошибки в расчетных формулах. Наибольшую вероятность ошибки расчёта составляющих силы резания на стадии проектирования технологического процесса токарной обработки вносит неоднородность твёрдых сплавов по углероду, следствием которой является различное качество кобальтовой связки. Качество её, как было показано выше, зависит от процентного содержания растворённого в ней вольфрама в процессе спекания твердосплавных резцов. Кобальтовая связка, например сплава ВК8, содержащая 2% - 3% растворённого в ней вольфрама (нижняя допустимая граница) имеет высоко значение коэффициента теплопроводности 52 Вт/м С. У связки, содержащей 16-17% вольфрама коэффициент теплопроводности 40 Вт/м С. Кроме влияния качества кобальтовой связки на режущие свойства твёрдосплавного инструмента, оно влияет и на количественные характеристики контактных процессов через различное значение теплопроводности, о чём было сказано выше при рассмотрении контактных процессов с позиций реальной схемы резания. Следует отметить, что диапазон растворимости вольфрама в кобальтовой связке, одинаков для всей группы твёрдосплавных инструментов, что обусловлено типом твёрдых растворов. Кобальтовая связка – это твёрдый раствор вольфрама и углерода в кобальте с ограниченным интервалом концентрации.
Твёрдосплавный режущий инструмент как продукт отечественной цветной металлургии не имеют выходного контроля по качеству связки в пределах, допускаемыми ТУ на их изготовление. Машиностроительные предприятия, как потребители, не имеют входного контроля. Весьма проблематичным является в цеховых условиях определять методами разрушающего или неразрушающего контроля, хотя бы выборочно, химический и фазовый состав, теплофизические характеристики твердосплавных инструментов и стальных заготовок. Проблемным является и перенос результатов контроля свойств одних контактируемых пар на другие из-за большого диапазона колебания их химического и фазового состава. К тому же, как указано в работе “Физические основы процесса резания, изнашивания и разрушения инструмента” Талантова Н.В., значения механических и теплофизических характеристик контактируемых пар в процессе испытания в условиях комнатных температур и в условиях резания различны. Старков В.К. в работе “Физика и оптимизация резания материалов”, приходит к выводу, что надёжные режимы резания можно получить лишь на основе предварительной информации о свойствах стальной заготовки и инструмента. Выдвинутая концепция о соотношении сил резания при точении и токарного инструмента может быть положена в основу разработок по обеспечению стабильности работы и обеспечению качества выпускаемой продукции на автоматизированном станочном оборудовании.
