УДК 621.91.02

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ СИЛ РЕЗАНИЯ ПРИ РОТАЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ ФАСОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

 

THE DISTRIBUTION OF THE CUTTING FORCES WITH ROTARY MACHINING OF SHAPED SURFACES

 

Попов М. Ю., Юдинцев И.В., Караваев А.В.

(ФГБОУ ВПО «ЮУрГУ» (НИУ), г. Челябинск, РФ)

 

Popov M.U., Udinsev I.V., Karavaev A.V.

(South Ural state University, Chelyabinsk, Russia)

 

Рассмотрены особенности распределения составляющих сил резания при обработке фасонных поверхностей ротационным режущим инструментом. Представлены возможности варьирования величин сил резания в зависимости от условий ротационной обработки, а также использования в расчетах деформаций и напряжений ротационных инструментов методом конечных элементов.

Peculiarities of distribution of the components of cutting forces with machining of shaped surfaces of the rotary cutting tool. Presents opportunities for the variation of the values of cutting forces depending on the conditions of the rotary processing, and use in the calculation of deformations and stresses rotary tools by the finite element method.

 

Ключевые слова: ротационный режущий инструмент, силы резания, фасонные поверхности.

Key words: rotary cutting tools, cutting forces, shaped surfaces.

 

Введение. В настоящее время одним из перспективных инструментов для обработки труднообрабатываемых материалов и композитов является ротационный режущий инструмент (РРИ). Преобладающие его достоинства  в сравнении с традиционно применяемыми инструментами (повышенная скорость резания и стойкость, малый износ) позволяют говорить о его перспективном широком использовании. Разработка применения РРИ, как правило, для каждого конкретного случая требует внимательного изучения протекающих процессов резания, поведения инструмента, его влияния на обрабатываемую поверхность [1]. Особенно это актуально при формировании фасонных поверхностей. Известно, что в основе процесса резания является взаимодействие инструмента и заготовки. Силы резания действуют на ротационные режущие инструменты в результате контакта режущих вращающихся режущих элементов (РЭ) с заготовкой в процессе обработки. Возникающие силы оказывают непосредственное влияние в первую очередь на величины деформаций РЭ, а в последствие на точность формируемых размеров. Это особенно актуально при обработке изделий, имеющих фасонные, а также сопрягаемые поверхности.

Состояние вопроса. При определении величин сил резания необходимо учитывать отличия процесса работы РРИ от традиционных режущих инструментов. Это обусловлено вращением режущих элементов ротационных инструментов. В процессе обработки происходит не постоянный контакт одного и того же участка режущей кромки из-за вращения РЭ. Указанное приводит к отличным нагрузкам на РЭ в сравнении с традиционными режущими инструментами, а также к другим площадкам нагружения силами вблизи режущей кромки. При формировании фасонных поверхностей может наблюдаться съем большого объема металла (черновая обработка, характерная для второй схемы резания РРИ) и окончательное формирование профиля (чистовая обработка, соответствующая, как правило, первой схеме резания РРИ). Последнее позволяет говорить о различных величинах сил резания на поверхностях РЭ РРИ.

Основные положения по распределению составляющих сил резания режущих элементов ротационных инструментов. Характер действия сил резания вблизи режущих кромок является основной проблемой для последующего определения, например, деформаций режущих элементов ротационных инструментов. В настоящее время известны работы [2,3,4,5], определяющие максимальные силы резания, действующие на РЭ. Правильное распределение сил по поверхностям РЭ, соответствующее процессу резания, достаточно трудно определяемо и практически не поддается экспериментальным исследованиям из-за малости площади исследования и постоянно обновляемой режущей кромкой в процессе работы РРИ. Поэтому для определения распределения истинных значений величин составляющих сил резания, действующих на РЭ в процессе резания, в первую очередь следует выявить области РРИ, на которые действуют составляющие силы резания. Далее необходимо определить значения составляющих сил резания, приходящихся на каждую область, в зависимости от характера обработки (черновая, чистовая) или от схемы резания РРИ (первая, вторая). В конечном итоге требуется проведение распределения составляющих сил резания внутри нагружаемой области.

Определение составляющих сил резания при ротационной обработке фасонных поверхностей. Для определения областей РЭ РРИ, контактируемых с заготовкой и подвергаемых воздействиям сил резания, следует учитывать проводимые ранее исследования [6, 7]. Данные работы позволяют установить истинные области контакта с заготовкой, следовательно, и области приложения составляющих сил резания. Второй этап требует рассмотрения распределения составляющих сил резания вблизи режущей кромки РЭ по выявленным областям для возможной предварительной обработки фасонного профиля (вторая схема резания РРИ) и окончательного его формирования (первая схема резания РРИ). Учитывая обеспечение вращения РЭ РРИ за счет сил резания, а также принимая во внимание максимально возможную нагрузку по соответствующим схемам резания, можно предположить следующее. При реализации второй схемы резания на торцовую (заднюю) поверхность РЭ (со стороны большего диаметра) приходится 60% от всех составляющих сил резания, а на боковую (переднюю) – 40%, поскольку по ней сходит стружка. При использовании первой схемы резания на торцовую (переднюю) поверхность РЭ (со стороны большего диаметра) действует 90% от всех составляющих сил резания (по ней наблюдается сход стружки), а на боковую (заднюю) поверхность 10%. При этом в качестве максимальных (100%) значений всех трех составляющих сил резания: Px, Py, Pz следует рассматривать эмпирическую модель [3]. Итоговое распределение составляющих сил резания в каждой области следует проводить с учетом следующего положения. Поскольку как традиционными, так и ротационными инструментами осуществляется процесс резания, сопровождающийся снятием стружки и формированием новой поверхности, то можно утверждать о родственном характере возникающих напряжений вблизи работающих режущих кромок. К настоящему времени достаточно хорошо изучены напряжения, возникающие при работе обычных резцов [8]. Установленный в данной работе характер распределения нормальных и касательных напряжений по передней и задней поверхностях на основании выдвинутого положения позволяет сделать предположение о распределении возникающих сил применительно для РРИ. Здесь максимальные значения составляющих сил резания находятся в непосредственной близости к режущей кромке (как при распределении по передней, так и по задней поверхностям), убывание их значения происходит по соответствующим поверхностям РЭ до окончания контакта РЭ с заготовкой или стружкой.

Заключение. Представленное распределение составляющих сил резания учитывает особенности работы ротационных инструментов при обработке фасонных поверхностей. Имеется возможность варьирования величинами сил резания по поверхностям режущих элементов ротационных инструментов с учетом особенностей их работы. Характерным использованием данного распределения могут служить задачи по рассмотрению величин деформаций и напряжений, возникающих в ротационных инструментах в процессе обработки, методом конечных элементов. Рассмотренное распределение сил резания можно осуществлять с учетом возможных «загущений» сгенерированных сеток ротационных инструментов, что позволит повысить адекватность получаемых результатов.

 

Список используемых источников

1. Землянский В.А., Лупкин Б.В. Обработка высокопрочных материалов инструментами с самовращающимися резцами. К.:Технiка, 1980. 120 с.

2. Li, L., Kishawy H.A. A model for cutting forces generated during machining with self-propelled rotary tools// International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2006. № 46. -P. 1388-1394.

3. Коновалов, Е.Г., Сидоренко В.А., Соусь А.В. Прогрессивные схемы ротационного резания металлов. Минск: Наука и техника, 1972. 272 с.

4. Wangshen Hao, Xunsheng Zhu, Xifeng Li, Gelvis Turyagyenda. Prediction of cutting force for self-propelled rotary tool using artificial neural networks // Journal of  Materials Processing Technology. 2006. №180. -P. 23-29.

5. Ходжибергенов  Д. Т.  Влияние различных факторов на силы Px, Py, Pz при точении ротационным резцом/ Д. Т. Ходжибергенов// Техника машиностроения. - 2012. - № 1. - С. 12-15.

6. Kishawy H.A., Li L., EL-Wahab A.I. Prediction of chip flow direction during machining with self-propelled rotary tools// International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2006. №46. -P. 1680-1688.

7. Ледяев, В.В. Площадка контакта стружки с круглым резцом // Вестник машиностроения. 1968. №3. С. 72-74.

8. Бобров, В.Ф. Основы теории резания металлов / В.Ф. Бобров. – М.: Машиностроение, 1975. – 344 с.