Сила резания - это результирующая сил сопротивления перемещению, действующих на инструмент. Силы резания являются важными параметрами процесса резания. От их величины зависит мощность, необходимая для осуществления резания. Они оказывают влияние на износ инструмента и вибрации, а значит, и на качество обработанной поверхности. Силы резания являются исходными данными при расчетах на прочность и жесткость режущих инструментов, элементов оснастки, узлов деталей металлорежущих станков.
В статье предлагается новый метод измерения силы резания при точении на токарном станке, который основан на том, что при приложении силы резания к заготовке траектория еѐ оси смещается в пространстве. Специальная программа производит обработку траекторий на холостом ходу и при резании и определяет действующую силу резания по их смещению. Процесс резания является сложным физическим процессом и сопровождается большим тепловыделением, наростообразованием, завиванием и усадкой стружки, а также износом режущей кромки резца. Под действием режущего инструмента срезаемый слой подвергается сжатию и сопровождается упругими и пластическими деформациями. Пластические деформации заключаются в сдвиге одних слоев относительно других по так называемым плоскостям скольжения, которые совпадают в основном с направлением наибольших сдвигающих напряжений.
Из литературных источников известно, что измерение силы резания при точении на токарных станках обычно проводится на резце. Для этого деталь закрепляется в специальном корпусе, подвешенном на трех стойках. На стойках наклеены тензометрические датчики, которые воспринимают ортогональные проекции силы резания. В другом случае чувствительный элемент в виде пьезопакета располагают между деталями суппорта, через которые проходит силой поток.
Опыт измерения траекторий формообразования показал, что действие силы резания при точении на резец оказывает меньшее искажение формы обрабатываемой поверхности, чем действие силы резания на заготовку. Поэтому представляет интерес измерить силу резания, действующую на заготовку.
Эксперименты проводились используя токарный станок ТВ7, для чего использовалась система измерения траекторий формообразования (рис. 1), которая содержала два бесконтактных датчика 1 перемещения, закрепленных на станине токарного станка, расположенных в одной поперечной плоскости и установленных под углом 90 градусов друг к другу. Их чувствительные наконечники взаимодействовали с боковой поверхностью фланца 2 шпинделя, который обработан с высокой точностью. Сигналы от бесконтактных датчиков 1 перемещения подаются на плату 3 входа - выхода и далее на компьютер 4.
Рис.1. Схема измерения силы резания
Устройство измерения силы резания при точении на токарном станке в процессе обработки работает следующим образом. В процессе вращения шпинделя его ось перемещается по траектории. При резании заготовки упругая система станка деформируется под действием силы резания, в результате траектория оси шпинделя смещается в пространстве и при этом смещение траектории будет пропорционально действующей силе резания. Чувствительные наконечники бесконтактных датчиков 1 перемещения взаимодействуют с боковой поверхностью фланца 2 шпинделя и фиксируют это смещение шпинделя. Сигналы от бесконтактных датчиков 1 перемещения через плату 3 входа—выхода подаются на компьютер 4, где обрабатываются по специально разработанной программе Kraft (рис. 2).
Рис. 2. Определение силы резания R и угла ее наклона
Учитывая, что процесс резания является стохастическим, проводится обработка сигналов методами математической статистики; при этом выборка составляет 30 оборотов шпинделя. Сначала производится обработка и построение траектории на холостом ходу. Затем в соответствии со стандартом DIN ISO 1101 выполняются расчет и построение базовой окружности по варианту LSC, который рекомендует определять радиус базовой окружности как окружность, имеющую минимальную величину суммы квадратов расстояний от базовой окружности до траектории. Построенная базовая окружность имеет центр, который в дальнейшем является центром ортогональных координат XOY; радиус - вектор из этого центра будет пропорционален действующей силе резания. В процессе резания снимается выборка в 30 оборотов, обрабатывается статистическими методами, строится новая траектория, рассчитывается и строится новая базовая окружность с центром О(Xб;Yб). Радиус = вектор R = O(Xб;Yб) будет соответствовать средней величине и направлению α силы резания за 30 оборотов в поперечном сечении заготовки. Таким образом, силы резания при точении измеряются многократно по длине заготовки в процессе ее обработки.
