Силы и энергия при ортогональной механообработке

Хотя большинство производственных процессов механообработки являются не ортогональными (т.е. имеющими три составляющие силы), модели ортогональной (т.е. имеющей две составляющие силы) механообработки полезны для понимания базовых механизмов и могут быть распространены на производственные процессы.

Силы. Классическая механика тонких слоев была разработана для материалов, которые образуют сливную стружку при плоском сдвиге, связанном со следующими допущениями [4, 5]:

· Вершина инструмента острая, и отсутствует трение между инструментом и заготовкой;

· Преобладают условия плоского сдвига (т.е. не происходит увеличения стороны в поперечном направлении);

· Напряжения в плоскости сдвига распределены равномерно;

· Результирующая сила R на стружке равна, коллинеарна и противоположна силе R’ на стыке инструмента и стружки (Рис. 1).

Моделирование процесса ортогонального резания определяет две области деформации (первичную и вторичную), каждая описывается собственной парой перпендикулярных сил, как показано на рисунке 1 (б). Из-за того, что данные составляющие силы не могут быть напрямую измерены (за исключением сил на передней поверхности инструмента когда α=0°), динамометр должен быть использован для измерения первичной (горизонтальной) силы резания F_c и тангенциальной (вертикальной) силы F_t. Таким образом, измеренные силы могут быть приведены к плоскости сдвига через угол сдвига ϕ и к передней поверхности через передний угол α.

Угол сдвига ϕ является углом поверхности первичной деформации, который образуется относительно горизонтального движения инструмента. Хотя и возможно исследовать и измерить данный угол при помощи специальных экспериментов с использованием высокоскоростной фотографии или обрабатывающих установках внутри сканирующего электронного микроскопа, ϕ обычно рассчитывается через отношение глубины резания t к толщине стружки t_c как следует из формулы 1.

Необходимая деформация сдвига, чтобы срезать обрабатываемый материал вдоль этого угла ϕ равна выражению 2.

Анализируя процесс первичной сдвиговой деформации на рисунке 1, сдвиг и нормальные силы в плоскости сдвига могут быть записаны как функции измеренных (динамометром) горизонтальной и вертикальной сил и угла сдвига по формулам 3 и 4.

В то же время силы на передней поверхности могут быть записаны как функции тех же измеренных составляющих силы резания и переднего угла по формуле 5 и 6.

Результирующая сила R, которая действует на стружку и показана на рисунке 1 (б), может быть записана как векторная сумма измеренных сил, действующих на плоскости сдвига сил или сил, действующих на передней поверхности. Таким образом, она определяется по формулам 7, 8, 9.

Энергия стружкообразования. В процессе резания вся энергия за единицу времени (или мощность) может быть рассчитана просто как произведение первичной силы резания F_c и скорости резания V. Однако из-за варьирования многих параметров в процессе резания, которые изменяют общий расход энергии, это значение энергии чаще всего нормируется делением на количество удаленного материала. Значение удаленного материала рассчитывается умножением области среза (t∙w для случая пластины с шириной w, показанной на рис. 1 а) на скорость, перпендикулярную к той области, в которой материал удаляется (V в данном случае). Таким образом, энергия в единицу времени или удельная энергия u может быть рассчитана как:

(Формула 10)

Удельная энергия может быть разделена на четыре составляющие [6, 7]:

· Энергия сдвига на единицу объема, u_s;

· Энергия трения на единицу объема, u_r;

· Кинетическая энергия (импульс) на единицу объема, u_m;

· Энергия поверхности на единицу объема, u_a;

Энергия сдвига на единицу объема может быть рассчитана подстановкой энергии на единицу времени, необходимой на сдвиг материала, на место полной энергии в единицу времени в формуле 8. Таким образом, она рассчитывается по формуле 11, где V_s – это скорость деформации (где V_s=V cos α/cos(ϕ-α), как показано в статье «Механика стружкообразования» в этом Разделе: смотри обсуждение измерения угла сдвига при ортогональной механообработке). Эта энергия сдвига на единицу объема наибольшая из четырех компонентов, она как правило составляет более чем 75% от общей.

Энергия трения на единицу объема поглощается при скольжении стружки по передней поверхности инструмента. Эта составляющая очень чувствительна к скорости резания и может быть записана как формула 12, где V_c – это скорость стружки, движущейся вдоль инструмента
(V_с=V sinϕ/cos(ϕ-α), как показано в формуле 4 в статье «Механика стружкообразования» в этом Разделе).

Кинетической энергией (импульсом) на единицу объема, необходимой для ускорения стружки, обычно пренебрегают, но ее значение возрастает при высокоскоростной обработке. Она может быть записана как формула 13, где F_m это импульсная сила = ρV²twγ sinϕ, где ρ это плотность срезаемого материала, а γ – деформация сдвига.

Дополнительная энергия необходима для создания новой срезанной поверхности. Поверхностная энергия на единицу объема, нужная для создания этой новой поверхности, может быть записана как формула 14, где T – это поверхностная энергия срезаемого материала. Этим компонентом обычно также пренебрегают.

Следовательно, для большинства методов механообработки удельная энергия может быть точно оценена как формула 15, исключая высокие скорости (выше 900-1200 м/мин или 3000-4000 фут/мин), для которых удельная кинетическая энергия должна быть учтена. Удельная энергия может быть использована для расчета мощности на единицу объема или на единицу времени (удельная в л.с.) и легко вычисляется для большинства инженерных материалов. Они являются хорошей мерой трудоемкости, включающей в себя механообработку отдельного материала.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: