СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СИЛЫ РЕЗАНИЯ Российский патент 2015 года по МПК G01N3/58 

Изобретение относится к измерительной технике и касается, в частности, определения силы, необходимой для обработки резанием металлов и сплавов.

Известен способ определения силы Р резания по эмпирическому уравнению типа Р=С_рt^xs^vvⁿK_м, сформированному на основе многократного взвешивания силы Р при последовательном варьировании расширенного диапазона основных параметров резания. (См., например, книгу «Технология конструкционных материалов» под ред. A.M. Дальского, изд. 2-е. - М.: Машиностроение. 1985. Стр. 263-265). Все выполняемые действия сводятся к тому, что назначают параметры резания t (глубина резания), s (подача инструмента), v (скорость резания) и другие условия резания, последовательно ведут пробные резы, каждый раз варьируя величины всех параметров, и для каждого варианта взвешивают силу Р резания. Этим накапливают базу экспериментальных данных, достаточных для построения экспериментальных графиков, подбирают для этих графиков математические зависимости, на основе которых графоаналитически находят как безразмерные числовые величины коэффициентов С_р, характеризующих механическую прочность обрабатываемого материала, так и безразмерные величины х, y, n - показатели степени параметров резания t, s, v и K_м соответственно. Здесь коэффициентом K_м учитывают влияние других параметров резания (материал резца, его стойкость, его геометрические размеры, непосредственно связанные со стружко-образованием).

Основные недостатки этого способа определения силы Р резания:

а) очень большая трудоемкость экспериментальных работ и последующего графико-аналитического анализа результатов эксперимента по формированию расчетного уравнения силы Р; в свою очередь, для последующего вычисления силы Р выбор таблично представленных коэффициентов и показателей степени также оказывается очень трудоемким;

б) получаемое расчетное уравнение не имеет физического смысла и, соответственно, исключена возможность оценивать и степень точности находимой величины силы Р, и выбирать ее оптимальную величину.

Наиболее близким прототипом заявленному способу является способ определения силы Р резания на основе последеформационной характеристики в виде коэффициента К усадки стружки. Этот коэффициент представляет собой отношение К=l_o/l_k. Здесь l_o - исходная длина срезаемого припуска, переходящего в стружку при обработке; l_k - конечная длина стружки, получаемой из этого припуска. (См., например, книгу «Резание материалов» / И.А. Чечета, В.И. Гунин, О.Н. Кириллов. - Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2007.- С.75÷79).

Практическая значимость коэффициента К усадки стружки в том, что он является следствием совокупного действия всех параметров, составляющих режим резания (t, s, v, физико-механические свойства обрабатываемого материала, внешнее и внутреннее трение в процессе резания, материал режущего инструмента, геометрические размеры режущих элементов резца и их взаимное расположение, нагрев от трения, влияние смазывающе-охлаждающей жидкости и другие параметры, влияющие на процесс стружкообразования). В свою очередь, принимают во внимание тот факт, что натуральный логарифм отношения l_o/l_k представляет собой величину ε - истинную относительную деформацию: ε=ln(l_o/l_k), и этим предопределяют функциональную зависимость между величинами К и ε: ε=lnK. В свою очередь, коэффициент К по известному соотношению И.А. Тиме составляет: К=cos(θ-γ)/sinθ, где γ - угол наклона передней грани резца, θ - угол наклона плоскости сдвига стружки.

Затем раскладывают вектор силы Р резания на два составляющих вектора: сила Р_и, расходующая свою работу на искривление стружки, и сила Р_сж, обеспечивающая усадку стружки методом осевого сжатия. В качестве главного составляющего вектора берут Р_сж=σ F=σ t s К, где F - площадь поперечного сечения стружки, σ - возникающее в материале напряжение.

Вектор силы Р_сж сжатия направлен перпендикулярно к плоскости сдвига, являющейся опорной поверхностью очага пластического деформирования стружки. В свою очередь, плоскость сдвига имеет угол θ наклона к горизонтали, вдоль которой действует суммарный вектор силы Р резания.

Тогда сила резания Р=Р_сж/sinθ=σ t s К/sinθ.

Основной недостаток изложенного наиболее близкого способа-прототипа в том, что коэффициент К заранее (до получения стружки) остается неизвестной величиной и этим затруднен мотивированный выбор величины К даже для первичного прикидочного расчета силы резания.

Цель изобретения - создать обоснованный и приемлемый для практики предварительный выбор коэффициента К усадки стружки и этим обеспечить точность определения силы Р резания.

Эта намеченная цель становится достижимой в случае замены стандартной кривой упрочнения, имеющей координаты «напряжение σ - относительная деформация δ», кривой упрочнения с координатами «напряжение σ - истинная относительная деформация ε». Для такой замены принято к сведению:

1) δ=Δl/l_o, где Δl - абсолютная деформация изменяющегося начального размера l_o;

2) связь между величинами ε и δ: ε=ln(1+δ);

3) в отличие от δ величина ε непосредственно связана с коэффициентом К усадки стружки (ε=lnK, то есть К=е^ε). Здесь е - основание натурального логарифма; в свою очередь, в отличие от δ величина ε более приемлема, так как обладает свойством аддитивности.

Тогда способ определения силы резания, основанный на последеформационных показателях, осуществляют в два этапа.

Этап первый. Материал, предназначенный для обработки резанием, стандартными испытаниями проверяют на прочность: получают стандартную кривую упрочнения в координатах «напряжение σ - относительная деформация δ» и перестраивают ее в координатах «напряжение (σ) - истинная относительная деформация (ε)». Так как в процессе резания к моменту нарушения сплошности в материале всегда возникает напряжение, имеющее величину, близкую к пределу σ_в прочности, то по полученной перестроенной кривой упрочнения находят величину предела прочности σ_в и соответствующую ему степень деформации ε_в, которой предопределяют максимальную величину коэффициента К усадки стружки посредством зависимости lnK=ε_в, то есть К=е^ε. Здесь е - основание натурального логарифма. Назначают глубину t резания и подачу s. Тогда наибольшую силу Р резания вычисляют по уравнению:

Р=σ_в t s К/sin θ, причем величину угла θ находят по соотношению:

К=cos(θ-γ)/sin θ, где γ - угол наклона передней грани резца.

Этап второй. Для проверки полученной величины Р ведут пробное резание, измеряют геометрические размеры, непосредственно связанные с усадкой стружки (начальную l_o срезаемого припуска и конечную длину l_k получаемой из него стружки), достаточные для вычисления фактической величины коэффициента К=l_o/l_k усадки стружки, и по исходному расчетному уравнению Р=σ_в t s К/sin θ уточняют величину затраченной силы Р резания с учетом экспериментально найденного значения К=l_o/l_k и по нему вычисленного угла θ, поскольку также К=cos(θ-γ)/sinθ. В свою очередь, допускают возможность некоторого увеличения предела прочности σ_в для материалов, у которых наблюдается эффект местного его повышения (до 10%) в диапазоне температур синеломкости, и учитывают это повышение.

Положительным эффектом созданного изобретения, касающегося определения силы резания, является повышение точности расчета и существенный рост производительности за счет сокращения технико-экономических затрат на его реализацию.

Изобретение относится к измерительной технике и касается, в частности, определения силы, необходимой для обработки резанием металлов и сплавов. Сущность: стандартную экспериментальную кривую упрочнения перестраивают в координаты «напряжение (σ) - истинная относительная деформация (ε)», максимальным значением деформации ε_в предопределяют предельно возможное значение коэффициента усадки стружки K, как lnK=ε_в, а расчет предельно возможной величины силы резания вычисляют по уравнению Р=σ_в t s К/sinθ, затем ведут пробную резку, измеряют параметры для вычисления фактического коэффициента К усадки стружки, по нему определяют угол θ и по исходному уравнению находят фактическую величину силы резания. Технический результат: повышение точности расчета и существенный рост производительности за счет сокращения технико-экономических затрат на его реализацию. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ определения силы резания, основанный на последеформационных показателях, отличающийся тем, что экспериментально получаемый стандартный график кривой упрочнения в координатах «напряжение σ - относительная деформация δ» перестраивают в координатах «напряжение σ - истинная относительная деформация ε»: (ε=ln(1+δ)), находят в этой кривой упрочнения числовое значение предела прочности σ_в и соответствующую ему истинную относительную деформацию ε_в, в свою очередь предопределяющие максимально возможную величину последеформационного показателя, которым является коэффициент усадки стружки lnK=ε_в (то есть К=е^ε, где е - основание натурального логарифма), назначают исходные параметры резания t (глубина резания), s (подача), вычисляют силу резания Р=σ_в t s К/sinθ (здесь θ - угол наклона плоскости сдвига), затем для перепроверки величины Р выполняют пробное резание со снятием стружки, измеряют геометрические размеры (исходную l_o длину срезаемого припуска и конечную длину l_k полученной стружки) для вычисления величины получающегося в этом случае коэффициента К=l_o/l_k и определяют величину силы Р=σ_в t s К/sinθ с учетом фактически найденного после пробного резания значения К и вычисленного угла θ наклона плоскости сдвига из формулы: К=cos(θ-γ)/sinθ, где γ - угол наклона передней грани резца.

2. Способ определения силы резания по п.1, отличающийся тем, что допускают возможность увеличения предела прочности σ_в для материалов, у которых наблюдается эффект его местного повышения (до 10%) в диапазоне температур синеломкости, и вычисляют силу Р по той же расчетной формуле: Р=σ_в t s К/sinθ.