Силы при фрезеровании

Фрезерование является распространенным процессом обработки разнообразных металлических и не металлических материалов методом срезания части их слоя. В результате фрезерования образуется стружка, которая появляется за несколько этапов. Сначала зубья инструмента совершают врезание в жёстко закреплённую на станке заготовку, затем происходит предсказуемое смещение частиц материала относительно себе подобных и как следствие формирование элементов стружки с последующим отделением.

Вследствие процессов связанных со смещением частиц металла и выделения стружки, что является основным фактором обработки, преобразуются формы поверхностных слоев материала под воздействием силы, приложенной к каждому зубу фрезы.

Изменение первоначальной формы какого-либо тела, вызванное приложенной силой, называется деформацией. Если после окончания воздействия силы происходит восстановление исходной формы, деформация в таком случае считается упругой. Если же изначальная форма не восстанавливается после прекращения воздействия приложенной силы, деформация считается пластической.

При обработке материала методом резания задействованы в большей степени пластические деформации, в виду того что резец внедряясь в заготовку под воздействием определённой силы видоизменяет её форму сдвигая часть поверхностного слоя преобразуя его в стружку. На пластические деформации вызываемые фрезерованием затрачиваются определённая сила, величина которой зависит от сечения стружки и показателя твёрдости обрабатываемого материала.

Помимо всего прочего, при фрезеровании сила прикладывается на преодоление трения сходящей стружки об рабочие поверхности зубьев фрезы, а так же на трение об обработанную поверхность задними поверхностями режущих элементов. Величина подобных сил обычно несущественна при условии соблюдения правильной геометрии обрабатывающего инструмента. От того какова будет задействована величины силы резания используемая при технологическом процессе зависит характеристика, как электрических, так и механических силовых элементов станка.

На трёх изображениях ниже представлены схемы сил резания и сил реакции, возникающие при фрезеровании против подачи.

R1, R2 и R3, – силы действующие при фрезеровании;

Р1, Р2 и Р3 – силы действующие тангенциально (по касательной) к зубьям фрезы;

Pp1, Pр2, и Pp3 – силы действующие по радиусам фрезы.

Как для фрезерования по подаче, так и против подачи на изображениях суммарной силы давления отображено графическое суммирование всех имеющихся составляющих, дающее в результате тангенциальную силу Р и радиальную силу Рр с равнодействующей силой R.По правилу параллелограмма силу R можно разложить на две перпендикулярно расположенные силы – горизонтальную Рг и вертикальную Рв.

У каждого зуба фрезы имеется зона контакта с обрабатываемой поверхностью, где действует индивидуальная сила сопротивления каждого срезаемого слоя. Если провести линии от точек входа и выхода зубьев фрезы из зацепления с заготовкой к её центру то образуется угол, который обычно обозначается греческой буквой φ.

Для того чтобы преодолеть силу сопротивления резанию для каждого зуба фрезы должны быть приложены силы реакции аналогичного характера но в противоположном направлении.

На изображениях для обоих типов подач показаны суммарные силы реакции на рабочей фрезе, отнесенные к среднему углу контакта φ/2.

Здесь имеются:

Р – окружная сила

Рр – радиальная силы резания

Рг – горизонтальная и Рв – вертикальная составляющие силы резания.

Далее изображены схемы сил резания и сил реакции, образующиеся при фрезеровании по подаче.

R1, R2 и R3, – силы при фрезеровании;

Р1, Р2 и Р3 – тангенциальные силы;

Pp1, Pр2, и Pp3 – силы по радиусам фрезы.

Окружная, или как её ёщё называют тангенциальная, сила Р считается наиболее значимой в виду того что она задействована в основной работе резания. По её величине определяется мощность главного привода станка, ведутся расчёты на прочность деталей других сопутствующих звеньев механизмов.

Радиальная сила Рр представляет собой тот потенциал, с которым заготовка оказывает противодействие, стараясь оттолкнуть от себя фрезу. Данная сила и изгибает фрезу и давит на остальные сопрягаемые части в области шпинделя станка.

Горизонтальная составная часть силы резания Рг представляет собой усилие необходимое для осуществления движения установочного стола с некоторой рабочей подачей.

Стоит отметить, что при фрезеровании против подачи направление горизонтальной силы противоположно движению рабочей подачи, а при фрезеровании по подаче они совпадают.

Движение стола фрезерного станка осуществляется с помощью ходового винта и гайки, которые в свою очередь тоже преодолевают горизонтальные силы. Так как между винтом и гайкой имеются допустимые зазоры нужно учитывать работу фрезы в зависимости от выбранного направления обработки. Если выполняется встречное фрезерование, то люфт между гайкой и винтом не оказывает отрицательного влияния на процесс обработки, а вот при попутном фрезеровании, при наличии большого зазора, возникают рывки, так как направление горизонтальных сил совпадают и при этом скорость фрезы больше чем у движения стола.

Вертикальная часть силы резания Рв есть не что иное, как усилие, направленное по вертикали. К особенностям вертикальной силы относится то, что при фрезеровании против подачи инструмент стремится приподнять обрабатываемый материал, а при фрезеровании по подаче прижать его к столу.