СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1997 года по МПК G01L5/16 

Изобретение относится к области обработки металлов резанием, в частности к токарной обработке, и может быть использовано в научных целях при исследовании процесса резания для выявления уточных значений радиальной и тангенциальной составлящих силы резания.

В настоящее время определение сил резания при токарной обработке осуществляют тремя группами способов: экспериментально-расчетными, либо экспериментальными без последующих вычислений измерением сил с помощью динамометров, либо с использованием динамометров и последующими вычислениями сил. В соответствии с этим, устройства для реализации способа либо включают в себя динамометры, либо нет [1, с. 17 18]
Существующие способы и устройства не обеспечивают необходимой достоверности результатов либо из-за приблизительности применяемых расчетных зависимостей, либо из-за несовершенства используемых устройств. Снижение достоверности получаемых результатов, в конечном счете, определяется вынужденным неучетом взаимовлияния составляющих силы резания.

Известен, например, способ определения сил резания, состоящий в одновременном измерении составляющих силы резания с применением динамометра и последующих вычислений [1, с.12] По этому способу в процессе эксперимента допускаются ограниченные перемещения резца, закрепленного в резцедержателе в трех взаимно перпендикулярных (приблизительно) направленных. Эти перемещения вызывают вдавливание твердых тел закаленных шариков) в пластины из пластинчатого материала. После измерения отпечатков расчетом (или по тарировочным таблицам) определяют величину вдавливающей силы.

Этот способ дает грубые результаты, так как одновременное перемещение резца в трех направлениях дает любой отпечаток как результат воздействия всех трех составляющих силы резания. Кроме того, любое смещение резца против исходного теоретического положения означает изменение углов резания и измерение, следовательно, уже "не тех" сил. Дополнительная погрешность появляется и при измерении отпечатков. Таким образом, снижение достоверности результатов определяется несовершенством как самого способа так и применяемого устройства.

Известно также устройство, состоящее из корпуса, резцедержателя жестко связанного с корпусом и неподвижной стойки, несущей датчик перемещений [1, с. 20] Датчик предназначен для измерения упругих перемещений разцедержателя в одном направлении в направлении действия радиальной составляющей сиры резания. По назначению это устройство представляет собой однокомпонентный динамометр.

Недостатком устройства является то, что оно позволяет определить только одну составляющую силы резания (радиальную). Кроме того, крепление резцедержателя с корпусом таково, что резцедержатель совершает не поступательное перемещение в направлении радиальной составляющей силы резания, а сложное плоско-парелльное перемещение (поступательное плюс вращательное). Это приводит к искажению истинного значения измеряемой с помощью датчика силы.

Целью изобретения является повышение достоверности (точности) определения величины тангенциальной и радиальной составляющих силы резания при токарной обработке.

Цель достигается тем, что в известном способе, состоящем в одновременном измерении составляющих силы резания с применением динамометра и последующих вычислений, непосредственным измерением с помощью динамометра определяют величину радиальной составляющей силы резания, определяют направление действия результирующей радиальной и тангенциальной составляющих и, из силового треугольника расчетным путем, вычисляют величину тангенциальной составляющей, причем измерение радиальной составляющей и определение направления результирующей производят одновременно.

Для реализации способа используется устройство, состоящее из корпуса, резцедержателя и динамометра, отличающееся тем, что резцедержатель содержит подвижную каретку, несущую свободно вращающиеся на осях катки, совокупность которых определяет горизонтальную опорную поверхность резца, а динамометр, воспринимающий радиальную составляющую силы резания, установлен на другой подвижной каретке, перемещающейся независимо от первой. Причем резец в резцедержателе установлен так, что обеспечивается возможность его плоскопараллельного (поворот относительно опорной линии на каретке ближайшей к обрабатываемой заготовке плюс перемещение в направлении радиальной составляющей силы резания) перемещения в вертикальной плоскости (плоскости радиальной и тангенциальной составляющих силы резания) в пределах минимально необходимого для регистрации этого перемещения зазора. Перемещение резца под действием осевой составляющей силы резания не допускаются.

Кроме того, устройство снабжено двумя стрелочными указателями закрепленными соответственно на резце и на каретке, несущей резец, которые в паре с линейной шкалой, размещенной на неподвижной части устройства, позволяют определить перемещения резца и каретки в направлении действия радиальной составляющей силы резания. Качательное перемещение резца в вертикальной плоскости регистрируется датчиком перемещений.

Теоретические основы способа и пример его практической реализации поясняются с помощью фигур графического изображения (фиг.1-8).

На фиг. 1 дана теоретическая схема неподвижного крепления резца; на фиг. 2 преобразованная схема крепления резца; на фиг. 3 5 схемы установки резца в корпусе устройства для различных положений результирующей силы относительно горизонтальной точки опоры; на фиг. 6 8 пример конкретного выполнения устройства для реализации способа;
На фиг. 1 представлена схема укрепления резца, обеспечивающая его неподвижность в процессе резания при условии исключения влияния на это положение осевой составляющей силы резания. Последнее условие должно обеспечиваться устройством. В этом случае на резец воздействует плоская система сил, состоящая из результирующей силы P результирующей радиальной P_r и тангенциальной P_t составляющих сил резания, реакции R_А подвижной горизонтальной опоры и реакции неподвижной опоры B, представленной ее составляющими X_B и Y_B Из схемы видно, что реакция X_B всегда равна по величине и обратна по направлению радиальной составляющей силы резания P_r.

Это позволяет преобразовать исходную схему в эквивалентную ей представленную на фиг. 2. Здесь неподвижная опора B заменена на подвижную, дающую одну реакцию R_B, а действие радиальной составляющей силы резания компенсируется приложением внешней силы (через динамометр, например) X_B. Запишем условия неподвижности (равновесия) резца для схемы его установки по фиг. 2.

Из первого уравнения с учетом того, что Pcosα=Pr как уже отмечалось, следует:
X_B P_r.

Совместное решение (2) и (3) дает:

и, если принять b 0 (т.е. переместить силу X_B в горизонтальную опорную плоскость резца то, выражение (4) приводится к виду:

где a плечо силы P относительно точки А
Из (5) следует, что при a 0, R_B 0.

Из схемы (фиг. 2) видно, что a__→0 по мере приближения точки А к точке g
точке пересечения направления силы P с горизонтальной опорной поверхностью резца. Такое приближение можно осуществить, перемещая горизонтальную опору влево при сохранении неподвижности резца. Очевидно также, что дальнейшее перемещение опоры А влево приведет к положению, когда точка g окажется справа от А. Это вызовет изменение направления момента силы Р относительно точки А, что приведет к изменению направления реакции R_B к отрыву резца от верхней опоры В. Чтобы обеспечить равновесие резца в этом положении, нужно заменить верхнюю опору на нижнюю (на фиг. 2 эта опора изображена штриховыми линиями).

Таким образом, момент опрокидывания резца (нарушая его равновесие) означает, что опора А находится в положении, когда сила P проходит через опорную точку (точнее, проходит бесконечно близко от этой точки). Зная положение этой точки относительно, например, оси обрабатываемой заготовки, нетрудно вычислить направление действия результирующей P, а при измеренной, например, динамометром силы X_B, равной P_r, вычисляется тангенциальная составляющая P_t.

На фиг. 3 схематично показано равновесие положения резца в устройстве для реализации способа, когда направление действия силы P проходит правее передней опоры (через точку g). Между верхней плоскостью резца и корпусом устройства обеспечен зазор для ограниченного движения резца в момент нарушения его равновесия. Это движение регистрируется датчиком (например, индикаторной главной). К резцу приложена и регистрируется сила X.

На фиг. 4 показано положение резца, предшествующее его выходу из равновесного положения, когда передняя опора перемещена в точку g. Теперь любое, сколь угодно малое перемещение опоры вправо вызывает опрокидывание резца в положение, показанное на фиг. 5. По фиг. 4 определяется угол α между результирующей силой P и горизонтальной (радиальной) составляющей P_r (не показано). Этот угол находится из треугольника efq при известных H, D, l_i, где H расстояние от вершины резца до его нижней опорной поверхности; D диаметр обработки (диаметр заготовки за вычетом двойной глубины резания); l_i расстояние от точки g до осевой плоскости обрабатываемой заготовки в направлении силы X_b(p_r).

Этот угол равен:
и из силового треугольника (фиг. 1) с учетом того, что P_r перпендикулярна P_t вычисляется тангенциально составляющая силы резания:
P_t=P_rtgα. (7)
В итоге, с учетом (6):

На фиг. 5 показано положение резца после выхода его из равновесия. Исходный зазор между корпусом устройства и верхней плоскостью резца сведен к нулю, что зарегистрировано датчиком. Сила X_b по-прежнему приложена к резцу, но она не равна исходной силе P_r, так как, во-первых, положение резца не соответствует исходному ("правильному") и, во-вторых, возникает дополнительная сила трения между корпусом устройства и верхней плоскостью резца в точке (линии) их контакта. Однако измерять силу P_r в этом положении нет необходимости она определена ранее. Датчик также служит не для измерения величины перемещения резца, а лишь для установления факта этого перемещения, поэтому упомянутый зазор должен быть предельно малым (зависит от цены деления шкалы датчика и погрешности измерения им).

На фиг. 6 представлен главный вид устройства для реализации способа; на фиг. 7 вид сверху (вид. В); на фиг. 8 профильный разрез Б-Б.

На корпусе 1, имеющем продольный направляющий вырез типа "ласточник хвост" размещены две каретки. Каретка 2 несет катки 3 свободно вращающиеся на неподвижных осях 4. На катки 3 опирается резец 5. К правому торцу резца жестко прикреплена промежуточная деталь 6 несущая шаровую опору 7. Через последнюю к резцу прикладывается усилие со стороны динамометра 8. Это усилие направлено параллельно радиальной составляющей силы резания и действует в горизонтальной опорной поверхности резца. Динамометр 8 жестко укреплен на каретке 9. Каретки 2 и 9 могут независимо друг от друга перемещаться в направляющем вырезе корпуса. Перемещение каретки 2 осуществляется с помощью зубчатой реечной передачи, состоящей из зубчатой рейки 10, укрепленной на корпусе каретки и вала-шестерни 11, установленного на подшипниках (не показаны) в корпусе устройства 1. Вращение вала-шестерни осуществляют с помощью рукоятки 12. Перемещение каретки 9 осуществляют с помощью винтовой пары, состоящей из винта 13 и, неподвижно укрепленной на корпусе 1, гайки 14. Вращение винта выполняют рукояткой 15. В Г-образной крышке 16 корпуса установлен датчик 17. Для исключения влияния осевой составляющей силы резания, и свободного, в то же время перемещения резца под действием радиальной и тангенциальной составляющих предусмотрены сепараторы 18 с шариками 19. Необходимый натяг между шариками и боковыми поверхностями резца обеспечивается регулируемым положением крышки относительно корпуса (подробности крепления крышки не показаны). Стрелочные указатели 20, 21 закреплены на каретке 2 и детали 6 соответственно. Соответствующие им линейные шкалы 22, 23 жестко соединены с корпусом 1 устройства.

С помощью описанного устройства способ реализуется следующим образом.

Устройство устанавливают на место "штатного" резцедержателя и закрепляют рукояткой 24 (фиг. 4) -по типу крепления резцедержателя. Резец устанавливают на катки 3 и крепят с помощью крышки 16 (через детали 18, 19), оставляя свободу перемещений в плоскости действия радиальной и тангенциальной составляющих сил резания. В это время каретка 9 с динамометром отведена в крайнее правое положение поверхности динамометра и резца не контактируют. Перемещение резца по каткам (опрокидывание исключается с помощью винта 25, выбирающего зазор между верхней плоскостью резца и крышкой 16) устанавливают вершину резца на заданном удалении от оси заготовки (например, с помощью детали шаблона). Это положение резца регистрируется в виде расстояния М (фиг. 6) по шкале 23. Вращением рукоятки 12 каретка 2 отводится в предельно допустимое левое положение, так, чтобы предлагаемая точка g (фиг. 3) оказалась между катками (последующий эксперимент покажет, так ли это). Затем в патрон станка устанавливают заготовку и вращением 15 перемещают каретку 9 до тех пор пока вершина резца (толкаемого контактной поверхностью динамометра через шаровую опору 7) не коснется обрабатываемой поверхности заготовки. После этого вращением 15 в том же направлении нужно сделать предварительный натяг между вершиной резца и обрабатываемой поверхностью. Величина натяга, контролируемого по шкале динамометра, зависит от глубины резания и может приниматься в пределах 20 100 H. Затем включается вращение заготовки с заданным числом оборотов и подачей и начинается резание с глубиной, определяемой предварительным натягом. Чтобы установить требуемую глубину резания нужно вращением рукоятки 15 (в ту или иную сторону) добиться установки указателя 21 на шкале 23 против деления, отмечающего ранее определенное расстояние М. В этом положении показания динамометра будут соответствовать радиальной составляющей силы резания зарегистрировать эти показания. Затем, вращая рукоятку 12 начать перемещение каретки 2 вправо, следя за шкалой датчика 17 - начало выхода стрелки датчика из равновесного положения является сигналом к прекращению движения каретки. В этом положении каретки зарегистрировать показания по шкале 22 расстояние m. Для более точного определения величины m нужно несколько раз переместить из левого в правое положение, регистрируя всякий раз величину m (в итоге берется средне-арифметическое m_i).

При заранее известных величинах L, H, D, где L расстояние нулевой точки шкалы 22 от осевой плоскости заготовки; H расстояние от вершины резца до его нижней опорной плоскости; D диаметр обработки, определяется угол α для результирующей;

По формуле (7) определяется тангенциальная составляющая силы резания:

Предложенный способ позволяет получить величины сил, более близкие к их истинным значениям. Значение истинных значений сил резания необходимо в процессе конструирования узлов металлорежущего станка и влияет, в конечном счете, на металлоемкость и качество станкостроительной продукции. В научном плане уточнение величин сил резания может являться предпосылкой для уточнения зависимостей, описывающих процессы в зоне резания, влияющие на точность обработки и качество обрабатываемого изделия в целом. Предложенное устройство может применяться в качестве резцедержателя при серийной (или единичной) обработке деталей, так как оптимальное положение нижней опоры резца (при фиксации резца в этом положении) сводят к минимуму изгибные деформации самого резца, что повышает точность обработки и качество обрабатываемой поверхности.

Сущность изобретения: динамометром измеряют величину радиальной составляющей силы резания, определяют направление результирующей радиальной и тангенциальной составляющих и из силового треугольника расчетным путем определяют величину тангенциальной составляющей. Определение направления результирующей и измерение радиальной составляющей производят одновременно. Устройство для определения сил резания содержит первую подвижную каретку для резца с вращающимся на осях катками, динамометр для измерения радиальной составляющей силы резания установлен на второй каретке, перемещающейся независимо от первой, а резец установлен с возможностью плоскопараллельного перемещения в продольной вертикальной плоскости в пределах минимального для измерения этого перемещения зазора. Устройство содержит также стрелочные указатели, закрепленные на первой каретке и резце и линейную шкалу на неподвижной части устройства. 1 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Способ определения сил резания, состоящий в одновременном измерении составляющих силы резания с применением динамометра и последующих вычислениях, отличающийся тем, что непосредственным измерением с помощью динамометра определяют величину радиальной составляющей силы резания, определяют направление результирующей радиальной и тангенциальной составляющих и из силового треугольника расчетным путем вычисляют величину тангенциальной составляющей, причем измерение радиальной составляющей и определение направления результирующей производят одновременно. 2. Устройство для определения сил резания, состоящее из корпуса, резцедержателя и динамометра, отличающееся тем, что оно содержит подвижную каретку, несущую свободно вращающиеся на осях катки, являющиеся горизонтальной опорной поверхностью для резца, а динамометр, воспринимающий радиальную составляющую силы резания, установлен на другой каретке, перемещающейся независимо от первой, причем резец установлен с возможностью плоскопараллельного перемещения в продольной вертикальной плоскости в пределах минимально необходимого для регистрации этого перемещения зазора. 3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что для регистрации перемещений каретки, несущей резец, и резца в направлении радиальной составляющей силы резания предусмотрены стрелочные указатели, закрепленные на каретке и резце соответственно, и линейная шкала на неподвижной части устройства, а качательное перемещение резца в вертикальной плоскости регистрируется с помощью датчика.