4. Сила і потужність при різанні

 

4.1. Система сил при різанні

 

Рисунок 4.1 – Сили різання, що виникають на передній поверхні та у площині зсуву

В умовах прямокутного вільного різання, коли площина стружкоутворення P_c (площина, проведена в точці, що розглядається, ріжучої кромки інструменту через вектори швидкостей різання V і сходу стружки V_с) збігається з головною січною площиною P_τ. на передній поверхні різця в кожній точці її контакту зі стружкою діють елементарні нормальні напруги та дотичні до неї питомі сили тертя. Їх можна звести до однієї рівнодіючої R₁, яка є сумою сили N₁ – нормальної до передньої поверхні, та сили тертя F₁, які називають фізичними складовими сили різання на передній поверхні (рис. 4.1).

Сила R₁, нахилена під кутом дії ω до напрямку швидкості різання, врівноважується силою опору оброблюваного матеріалу руху різання R₁¢, що є геометричною сумою напружень, виникаючих у зоні стружкоутворення (площині зсуву). Сила R₁¢ складається із двох складових – сили зсуву R_t, що діє у площині зсуву АВ, і нормальної до неї сили тиску R_n.

Рисунок 4.2 – Сили різання, що виникають на задній поверхні

Попередня пружна і пластична деформації стиску під дією сили стружкоутворення R₁ поширюються на область, що лежить частково нижче лінії зрізу АС (рис. 4.2). При проходженні ріжучого леза деформований шар щойно утвореної поверхні різання починає пружно відновлюватися, діючи на задню поверхню леза. Сили на цій поверхні виникають навіть при різанні дуже гострим інструментом. При наявності ж значного радіуса округлення кромки r вони збільшуються, тому що частина зрізуваного шару не зрізується, а втискується у поверхню різання. Таким чином, у результаті пружно-пластичного контактування поверхні різання і задньої поверхні на останній виникає нормальна сила N₂ і сила тертя F₂. Ці сили називаються фізичними складовими на задній поверхні. Сила R₂ є сумарною силою, що діє на задню поверхню леза. Геометричну суму сили R₁, що діє на передній поверхні, і R₂ – на задній, називають силою різання R, тобто

У загальному випадку величина сили R  та її положення у просторі визначаються величиною і співвідношенням нормальних сил і сил тертя, що залежать від геометричних параметрів інструмента та умов різання, тобто її положення заздалегідь невідомо. Внаслідок цього і безпосереднє вимірювання цієї сили за допомогою приладів неможливе.

Рисунок 4.3 – Схема розкладання рівнодіючої сили R на складові Pz, Py, Px

Тому прийнято визначати не саму силу різання R, а її технологічні складові P_z, P_y і P_x, що є проекціями сили R на заздалегідь визначені напрямки (координатні осі z, y та x) (рис. 4.3). Ці координатні осі призначаються у такий спосіб: вісь z, що визначає напрямок найбільшої (головної або тангенціальної) складової сили P_z, збігається з вектором швидкості головного руху V; вісь x протилежна напрямку вектора швидкості подачі V_S і визначає напрямок сили опору подачі P_x; напрямок сили P_y – перпендикулярний робочій площині P_s або обробленій поверхні. Тоді при зміні геометричних параметрів інструмента і режиму різання змінюються тільки величини сил P_z, P_y і P_x, а їхнє положення у просторі буде залишатися незмінним і визначатися напрямками швидкостей різання і подачі. Знаючи величини складових P_z, P_y і P_x, легко визначити величину і самої сили різання:

Складові сили різання мають свої назви: силу P_z, називають окружною (тангенціальною) силою або головною складовою сили різання; силу P_y – радіальною силою; силу P_x – осьовою силою або силою опору подачі.

 

4.2. Методи визначення складових сили різання

 

Для визначення технологічних складових P_z, P_y та P_x, сили різання R використовують три групи методів: визначення складових сили з  допомогою теоретичних розрахунків; експериментальні виміри динамометрами; визначення складових сили за допомогою емпіричних залежностей (за довідниками).

Зв'язок між умовами різання, що змінюються, і складовими сили різання P_z, P_y і P_x, зазвичай знаходять експериментально.

Прилади, призначені для вимірювання складових сили різання, називають динамометрами. Якщо динамометр вимірює одну складову, то він називається однокомпонентним, дві – двокомпонентним і три – трикомпонентним. До динамометрів пред'являють наступні основні вимоги:

1. Точність виміру. При вимірах сил, необхідних для визначення потужності, що витрачається на різання, розрахунків на міцність і жорсткість інструментів та деталей верстатів, похибка виміру не повинна перевищувати 2…3%. Для дослідження фізичних процесів різання точність вимірів повинна становити 1…1,5%, а у деяких випадках доходити до 0,5%.

2. Мала інерційність. Для цього частота власних коливань динамометра повинна значно перевершувати частоту коливань вимірюваної системи.

3. Вібростійкість при будь-яких швидкостях різання. Для цього пружні ланки динамометрів, що сприймають дію сил, повинні мати максимально можливу жорсткість.

4. Відсутність взаємного впливу складових сили різання, тобто датчик динамометра, що сприймає дію однієї зі складових сили різання, не повинен реагувати на дію інших складових.

За принципом дії розрізняють динамометри: гідравлічні, пружно-механічні і пружно-електричні. Перший гідравлічний динамометр був сконструйований ад'юнкт-професором К.О.Зворикіним у 1890 році у майстернях при фізичному кабінеті Харківського технологічного інституту. Гідравлічні динамометри міцно увійшли до практики досліджень динаміки сил різання. В даний час гідравлічні динамометри не знаходять застосування через велику інерційність важільно-поршневої системи, через що показання відстають від швидкоплинних процесів і спотворюють картину зміни сил різання в часі та за величиною, а також через малу чутливість. Пружно-механічні динамометри прості за конструкцією, але мають ті ж недоліки, що і гідравлічні, і тому набули обмеженого поширення. У всіх конструкціях динамометрів знаходиться пружна ланка, деформація якої під дією сили реєструється механічними чи електричними датчиками. На сьогодні найбільше застосування одержали пружно-електричні динамометри. Їхня дія базується на перетворенні переміщення або деформації пружних ланок динамометра в електричний сигнал за допомогою електричних датчиків.

У кращих закордонних динамометрах використовують п'єзоелектричні датчики. Використання п'єзоелектричних перетворювачів у п'єзоелектричних динамометрах не вимагає наявності пружних елементів конструкції пристроїв. Вимірюване зусилля безпосередньо сприймається п'єзоелектричним елементом, виконаним у вигляді плоских пластин. Особливість цих динамометрів – неможливість виміру статичних і повільно змінюваних сил.

Динамометри з індуктивними перетворювачами засновані на перетворенні неелектричної величини (наприклад, переміщення стри-жня під дією навантаження) на зміну напруженості магнітного поля, створюваного котушкою. Для отримання можливо більшої індуктивності котушки сердечник виконують із феромагнітного матеріалу. Зміна індуктивності перетворювачів найчастіше здійснюється у вигляді зміни повітряного зазору чи зміни площі повітряного зазору.

а                        б

Рисунок 4.4 – Схема наклеювання дротяного датчика 1 на пружний елемент 2 (а – робочий датчик, б – компенсаційний датчик)

Динамометри з ємнісними перетворювачами це пристрої, що містять не менше двох поверхонь, між якими діє електричне поле, створюване прикладеною напругою. Основним елементом у цих перетворювачах є конденсатор змінної ємності, яка змінюється в залежності від площі електродів, діелектричної проникності середовища та відстані між електродами. Для вимірювання малих переміщень (до одиниць мікрометрів), а також точного вимірювання сил, що швидко змінюються, і тисків (наприклад, в динамометрах) застосовуються диференціальні ємнісні перетворювачі зі змінним зазором.

Найбільше поширення знайшли тензодатчики, що відносяться до параметричних електричних датчиків. Вони компактні і дозволяють у якості показуючих і записуючих пристроїв застосовувати універсальні гальванометри, магнітоелектричні і електронні осцилографи, комп'ютери. Дротові, або тензометричні, первинні перетворювачі являють собою кілька витків дуже тонкого дроту, що виготовляється зі спеціального сплаву, який змінює електричний опір при деформації перетворювача. Витки або грати з такого дроту поміщають між двома склеєними паперовими смужками і наклеюють або безпосередньо на ріжучий інструмент (державку) або на пружну ланку динамометра (рис. 4.4).

Під впливом сил різання елемент 2 та приклеєний до нього дріт 1 деформуються. Це викликає зміну сили струму в електричному ланцюзі. Для посилення електричного сигналу на виході вимірювальної схеми між динамометром 1 (рис. 4.5) і щитком приладів 3 з гальванометрами або осцилографом 4 передбачений електронний підсилювач 2. Завдяки підсилювачу динамометри можуть мати більшу жорсткість пружних ланок, що підвищує загальну жорсткість і вібростійкість динамометрів і зменшує їх габарити. 

Рисунок 4.5 – Схема включення динамометра УДМ і вимірювальної апаратури у мережу

Розташування пружних опор і схема наклеювання датчиків майже повністю усувають вплив кожної сили на датчики, що сприймають дію інших сил. Розвиток інформаційних технологій та обчислювальної техніки дозволяє записувати миттєві значення сил у цифровому виді за допомогою аналогово-цифрового перетворювача з їх подальшим обробленням після закінчення запису на персональному комп’ютері. Оцифровані сигнали, попередньо пройшовши через фільтр, записуються в файл і після цього обробляються з можливістю подальшого аналізу результатів.

Рисунок 4.6 – Схема універсального динамометра типу УДМ

Найбільш широке поширення серед електричних динамометрів отримав універсальний динамометр УДМ (модифікації УДМ-100, УДМ-600, УДМ-1200). Він дозволяє вимірювати складові сили різання при точінні, фрезеруванні, шліфуванні, осьову силу і крутний момент при свердлінні, зенкеруванні, розгортанні, нарізанні різьби мітчиком і розрахований на максимальне значення 1, 6 або 12 Кн. Принципова схема динамометра зображена на рис. 4.6. Основою його є квадратна пластина, встановлена в корпусі динамометра на 16 пружних опорах, на яких наклеєні тензометричні перетворювачі. Опори мають трубчасту форму і мають високу жорсткість вздовж осі і малу жорсткість у напрямку, перпендикулярному до осі. На вертикальні опори, що сприймають сили, спрямовані по осі z, наклеєно по одному перетворювачу; на горизонтальні опори, що сприймають сили, що діють вздовж осей х і y, і момент, що крутить, – по два. Перші перетворювачі служать для вимірювання горизонтальних сил, а другі – крутного моменту.

Перетворювачі з'єднані між собою таким чином, що сигнал на виході вимірювальної схеми є алгебраїчною сумою реакції опор. Це забезпечує незалежність показань динамометра від вильоту різця. Динамометр укомплектований тензометричним підсилювачем і записуючим пристроєм.

Динамометри не дозволяють визначити безпосередньо сили різання; їх показання відповідають деформаціям, пропорційним чинній силі. Тому перед роботою необхідно проторувати динамометр. Тарування полягає в тому, що динамометр навантажують у напрямку сил різання спочатку зростаючими, а потім зменшуючими силами, які відомі. Покази динамометра, відповідні певним силам, реєструються. На основі цих даних по середній лінії навантаження і розвантаження будують тарировочний графік, яким в подальшому користуються при розшифровці показань динамометра.

Дані вимірювань сил різання, як правило, апроксимуються емпіричними залежностями, що використовуються для подальшого розрахунку чи прогнозування сил різання для будь-яких умов різання. Ці залежності, що відображають взаємозв'язок досліджуваних величин у процесі різання, прийнято виражати степенними функціями. Знаходження таких функцій дуже полегшується при застосуванні подвійної логарифмічної системи координат, де по осях абсцис і ординат відкладаються не самі величини, а їхні логарифми.

Графоаналітична обробка полягає у побудові графіків залежностей, наприклад, складових сили різання від елементів режиму різання t, S, V, а також у визначенні постійної C_p та показників ступенів х_р, z_р, y_р із рівнянь:

Методика графоаналітичної обробки всіх трьох складових сили різання P_z, P_x, Р_у аналогічна, тому обмежуються побудовою і розрахунком залежностей лише тангенціальної складової сили різання P_z.

Загальне рівняння

                                              

можна розбити на три часткові:

Для визначення коефіцієнтів С_t, C_S і C_V, а також показників степенів x_p, y_p, z_p необхідно провести перетворення координат таким чином, щоб графіки функцій P_z = f(t), P_z = f(S) і P_z = f(V) були б прямими лініями. Перетворення системи координат для статечних функцій полягає у заміні лінійних координат на логарифмічні. Логарифмують вирази залежності сили P_z від глибини різання, подачі і швидкості різання. Отримають рівняння прямих ліній:

Показники х_р, z_р, y_р у при цьому стають чисельно рівними тангенсам кутів нахилу відповідних до позитивного напряму осі абсцис.

Для визначення невідомих коефіцієнтів та показників ступенів будують в логарифмічних координатах з однаковим масштабом по осях абсцис та ординат графіки залежності сили P_z  від глибини різання, подачі та швидкості різання (рис.4.7).

Показники ступенів мають вигляд: x_P = tgα₁, y_P = tgα₂, z_P = tg α₃

де α₁, α₂, α₃ – кути нахилу прямих залежностей складових сили різання від глибини різання, величини подачі та швидкості різання до позитивного напрямку осі абсцис.

У зв'язку з тим, що α₃ > 180°  показник ступеня має негативне значення.

Значення коефіцієнтів С_t, C_S і C_V дорівнюють силі P_z при значенні

При необхідності екстраполюють прямі до перетину з відповідними ординатами.

Рисунок 4.7 – Залежність складових сили різання P_z від елементів режиму
різання t, S і V в логарифмічній системі координат

Коефіцієнт C_pz визначають для кожної серії дослідів:

Внаслідок неминучих похибок експерименту величини C_pz, отримані для кожної серії дослідів, будуть відрізнятися один від одного. Остаточне значення постійної C_pz, визначається як середнє арифметичне трьох значень:

Недоліком викладеного графічного методу є суб'єктивність у проведенні апроксимуючої прямої, яка найбільш відповідає нанесеним на графік дослідним точкам. Слід особливо зазначити, що, незважаючи на широке поширення у теорії різання степенних залежностей, всякий раз до їхнього використання треба підходити з великою обережністю, тому що їх можна застосовуватися тільки у тому діапазоні зміни факторів, де вони були отримані, і по суті своїй вони не можуть відобразити загальний зв'язок і взаємозалежності явищ.

 

4.3. Вплив різних факторів процесу точіння
на складові сили різання і потужність

 

Теоретичними та експериментальними дослідженнями доведе-но, що на складові сили різання P_z, P_y і P_x впливають в основному наступні фактори: режими різання, геометрія ріжучого інструменту, знос різця, властивості оброблюваного та інструментального матеріалів, мастильно-охолоджуючі рідини.

Вплив глибини різання та подачі. Чим більша глибина різання t (ширина зрізу b) і подача S (товщина зрізу a), тим більше площа поперечного перерізу зрізу F (рис 4.8) і обсяг деформованого металу, тим, отже, більший опір металу стружкоутворенню, і процес різання буде протікати з більшими складовими сили різання P_z, P_y і P_x.

При поздовжньому точінні глибина різання більш впливає на силу різання, ніж подача. При збільшенні глибини різання, наприклад в 2 рази, ширина зрізу збільшується також у 2 рази (при збереженні значення товщини зрізу (рис. 4.8, б), а отже, у стільки ж збільшиться і навантаження на різець, що викликається силами, діючими на передню та задню поверхні різця.

При збільшенні подачі в 2 рази (рис. 4.8, в) площа поперечного перерізу зрізу збільшується також в 2 рази; при постійному значенні ширини зрізу тут підвищується вдвічі товщина, тобто збільшуються лише елементи, що визначають в основному сили, що діють на передню поверхню різця (сили, що діють на задню поверхню, залишаються приблизно тими ж). Чинить вплив і те, що найбільші напруга і деформація по товщині шару, що зрізається, мають місце у кромки різця, тобто у шарах, близько розташованих до площині зрізу; з віддаленням шару від площини зрізу напруги і деформації поступово зменшуються, що зменшує і сили, що діють на різець з боку шару, що зрізається. Все це призводить до того, що зі збільшенням подачі (а отже, і товщини зрізу) у 2 рази сила збільшується менше, ніж у 2 рази.

а                                 б                                        в

Рисунок 4.8 – Схеми до визначення впливу a і b на силу різання:

а – ширина зрізуваного шару b, товщина зрізуваного шару а;

б – ширина зрізуваного шару 2b, товщина зрізуваного шару а;

в – ширина зрізуваного шару b, товщина зрізуваного шару 2а

Залежність складової сили різання P_z від подачі і глибини різанняможна виразити такими формулами: P_z = C₁t^x, P_z = C₂S^y. Значення показників ступеня: х = 1 для всіх оброблюваних матеріалів; при обробці сталі та чавуну звичайними прохідними різцями y = 0,75; при роботі відрізними і прорізними різцями y = 1. Різниця в значеннях показника ступеня при поздовжньому точенні та відрізанні пояснюється тим, що при відрізанні та прорізанні знімаються менші товщини зрізу. При малих значеннях товщин зрізу великий вплив на напруги і деформації в зрізаному шарі надає радіус округлення різальної кромки різця r_в.

Так як ширина зрізу b = t/sin φ, а товщина зрізу a = S sin φ, то вплив ширини зрізу аналогічно впливу глибини різання, а вплив товщини зрізу аналогічно впливу подачі. При точiнні з однаковою площею поперечного перерізу зрізу F = a∙b сили різання будуть менше у разі більшої подачі і меншої глибини різання (при t > S).

Вплив швидкості різання на силу різання. Раніше вважалося, що швидкість різання практично не впливає на силу. Пояснюється це проведенням робіт у порівняно вузькому діапазоні швидкостей, а також недостатньою чутливістю використовуваних при цьому динамометрів. В даний час відомо, як змінюється сила різання в широкому діапазоні швидкостей. Насамперед, слід зазначити повну ідентичність залежностей P_z = f(V) і K_L = f(V). У тих областях швидкостей різання, де зменшується коефіцієнт усадки стружки, знижується сила різання, і навпаки (рис. 4.9). Однак це не випадковий збіг, а закономірність. Зростання значення K_L свідчить про зменшення кута зсуву f і, відповідно, збільшення поверхні, по якій відбувається зсув. При цьому підвищується ступінь деформації металу, тобто відбувається його зміцнення, отже, зростають напруги, при яких відбувається зрушення. Збільшення напруги та площі зсуву призведе до зростання сили різання. Крім того, сила різання і коефіцієнт усадки залежать від коефіцієнта тертя при деформуванні шару, що зрізається.

Рисунок 4.9 –  Вплив швидкості різання V на висоту наросту H, коефіцієнт усадки KL і силу різання Pz для матеріалів, схильних до наростоутворення	Рисунок 4.10 –  Вплив швидкості різання на силу різання для матеріалів, не схильних до наростоутворення

Складний характер кривих P_z = f(V) пояснюється появою наросту на передній поверхні леза інструменту. Мінімальні значення сили на кривій P_z = f(V) відповідають максимально можливому наросту. При малій швидкості різання, коли нарост не утворюється, сила різання велика. У діапазоні швидкостей, де є максимальне наростоутворення, сила різання і усадка стружки зменшуються, так як зі збільшенням розмірів наросту зростає дійсний передній кут інструменту. У міру подальшого підвищення швидкості різання висота наросту, а отже, і дійсний передній кут зменшуються. Одночасно з цим зростають коефіцієнт усадки стружки і сили різання.

Різання на високих швидкостях приводить до значного підвищення температури різання, зникненню наросту, у результаті чого зменшується коефіцієнти тертя, усадки, а, отже і P_z. Аналогічно виглядають залежності P_z = f(V) для матеріалів, не схильних до наростоутворення – міді, жароміцних і нержавіючих сталей і сплавів, титанових сплавів, чавуну (рис. 4.10). Все сказане відноситься і до зміни складової сили різання P_x.

Вплив головного кута у плані. На (рис. 4.11) показана залежність складової сили різання P_z від головного кута в плані φ при обробці легованої сталі різцем (швидкорізальна сталь Р18) з радіусом при вершині різця r_в = 2 мм (крива 1), різцем з r_в = 0 (крива 2) і при вільному різанні (крива 3).

Рисунок 4.11 – Залежність складової сили різання Рz від головного кута у плані φ

Головний кут у плані інструмента φ змінює співвідношення між шириною і товщиною зрізуваного шару b/a (див. рис. 1.7) і положення ріжучої кромки відносно напрямку руху подачі. Тому для вільного різання або, коли радіус при вершині інструмента r_в дорівнює нулю, з огляду на більш сильний вплив на силу різання b(t), чим a(S), зі збільшенням j сила різання падає Це підтверджується експериментами при різанні будь-яких пластичних матеріалів (див. рис. 4.11, криві 2 і 3).

Для різця з r_в = 2 мм (див. рис. 4.11, крива 1) складова сили різання P_z спочатку зменшується зі збільшенням кута φ (φ = 30...60°), а потім збільшується.

Зі збільшенням кута j в умовах невільного різання при наявності перехідного леза зі значним радіусом вершини зростає роль перехідної криволінійної ріжучої кромки np (рис. 4.12). На цій ділянці частини стружки, переміщаючись по передній поверхні у напрямках, перпендикулярних до перехідної кромки, заважають один одному і, додатково деформуючись, збільшують загальну ступінь деформації зрізуваного шару. Тому, починаючи з деякого значення j, сила різання починає зростати. При обробленні чавуну та інших крихких матеріалів, що дають стружку надлому, роль радіуса при вершині незначна.

Рисунок 4.12 – Вплив головного кута в плані на відношення довжини перехідної ріжучої кромки до довжини головної ріжучої кромки

Крім уже відзначеного, при зменшенні головного кута в плані від 90° з'являється третя складова сили різання Py (сила відштовхування), причому, чим менше j , тим більшою стає сила Py і зменшується сила подачі Px (рис. 4.13).

Рисунок 4.13 – Схема впливу кута в плані j на величини сил Px і Py. АВ – активна довжина ріжучої кромки

При розрахунку складових сили різання вплив головного кута в плані враховують коефіцієнтом – k_j, окремим для кожної складової.

Збільшення радіуса r_в кривизни вершини викликає зменшення перехідних кутів у плані у різних точках леза. Крім того, збільшення довжини перехідного леза погіршує умови стружкоутворення біля вершини різця. Внаслідок цього сили P_z і P_y зростають, а сила P_x зменшується. При розрахунку складових сили різання вплив раіуса r_в враховують коефіцієнтом – k_r, окремим для кожної складової.

Вплив переднього і заднього кутів інструмента. У будь-якому випадку зменшення переднього кута g завжди викликає ріст степеню деформації стружки (коефіцієнта усадки), а значить, і сили різання. Та зі всіх складових найбільш сильний ріст спостерігається у сили P_x.

При розрахунку складових сили різання вплив переднього кута враховують коефіцієнтом – k_g, окремим для кожної складової.

Задня поверхня інструмента у стружкоутворенні участі не бере. Отже, вплив заднього кута a на складові сили різання може проявлятися тільки через зміну сил, що діють на задній поверхні. Експерименти показують, що якщо задній кут різця більше 8…10°, то складові сили різання від нього не залежать. При менших кутах зменшення заднього кута викликає незначне зростання сил P_z, P_x і особливо – P_y, що відштовхує інструмент від обробленої поверхні.

Кут нахилу головної ріжучої кромки l змінює напрямок сходу стружки, збільшує робочу довжину головної кромки, а також при будь-якому знакові кута l, приводить до додаткової поперечної деформації стружки уздовж ріжучої кромки, збільшуючи тим самим її загальну степінь деформації. На головну складову сили різання P_z зміна кута l впливає порівняно мало. При зростанні позитивного кута l сила P_z трохи зростає, при l > 30° (внаслідок збільшення степеню деформації зрізуваного шару). Так як у більшості токарних різців зміна кута l не виходить за межі ±10°, то його впливом на силу P_z можна знехтувати. На сили P_y і P_x кут l впливає значно сильніше. При переході від негативних кутів l до позитивних через зміну кута напрямку сходу стружки сила відштовхування P_y зростає, а сила подачі P_x – зменшується. При розрахунку складових сили різання вплив кута l враховують коефіцієнтом – k_l, окремим для кожної складової.

Збільшення зношування інструмента по задній поверхні приводить до підвищення сили різання, особливо її горизонтальних складових P_y і P_x. Цей вплив при розрахунку сил різання враховують коефіцієнтом – k_h, окремим для кожної складової.

Вплив оброблюваного матеріалу. Фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу і його стан багато в чому визначають процес стружкоутворення і супутні йому деформації, а отже, і сили опору, які повинен подолати різець і верстат. Чим більше межа міцності σ_ч і твердість НВ оброблюваного металу, тим більше складові сили різання P_z, P_y і P_x. Важається встановленим, що якщо при збільшенні міцності оброблюваного матеріалу усадка стружки K_L зменшується мало, то сили P_z, P_y і P_x зростають. Якщо K_L зменшується значно, то це приводить до зменшення сил.

При обробці незагартованих сталей твердосплавними різцями складова сили різання P_z може бути виражена залежністю P_z = C₁σ_ч^0.35, а при обробці твердосплавними різцями сірих чавунів P_z = C₂HB^0.4.

Вплив оброблюваного матеріалу на величини складових сили різання враховують коефіцієнтом – k_M. При обробці твердосплавними пластинами незагортованих сталей k_M = (σ_ч/750)^0,35, при обробці сірих чавунів твердосплавними пластинами k_M = (HB/190)^0,4, а при обробці ковкихчавунів k_M = (HB/150)^0,4.

Інструментальний матеріал впливає через зміну коефіцієнта зовнішнього тертя на передній і задній поверхнях, а також через адгезійну здатність поверхні інструмента до матеріалу заготовки. Останній фактор змінює довжину контактної ділянки на передній поверхні, перерозподіляючи на ній нормальні і дотичні напруження. Тому сили різання при обробленні алмазним різцем завжди менші (при рівних інших умовах), чим різцем зі швидкорізальної сталі, що має більший коефіцієнт тертя і адгезійну здатність. Цим же фактом пояснюється зниження сил при різанні інструментами з покриттями.

Мастильно-охолоджувальні середовища здійснюють двояку дію на процес різання. З одного боку вони зменшують коефіцієнт зовнішнього тертя, а також, проникаючи в зону контакту, зменшують сили адгезійного схоплювання із загальмованим шаром, укорочуючи його та загальну довжину контакту. Все це сприяє зменшенню сили тертя. З іншого боку – охолоджувальна дія мастильно-охолоджувальної рідини приводить до зниження температури різання і збільшення границі плинності на зсув матеріалу стружки у зоні вторинної пластичної деформації, що може бути причиною росту сили тертя. Як правило, перша дія переважає, тому використання мастильно-охолоджувальної рідини зменшує сили різання.

Позитивний ефект від застосування мастильно-охолоджувальної рідини зменшується при підвищенні швидкості різання і подачі, причому чим більше подача, тим менша швидкість різання, при якій втрачається ефект від застосування мастильно-охолоджувальної рідини.

Вплив мастильно-охолоджувальних середовищ на зниження сил різання враховують коефіцієнтом – k_w, окремим для кожної складової. Середні коефіцієнти k_w зменшення сили різання в залежності від роду мастильно-охолоджувальної рідини: рослинні олії 0,7; осернені олії (сульфофрезоли) 0,8; мінеральні олії 0,9; активовані емульсії 0,85; емульсії 0,95; вода 1; робота всуху 1.

Потужність різання. Для того щоб підрахувати потужність, що витрачається на різання (ефективну потужність), необхідно підсумувати потужності на подолання кожної сили P_z, P_y і P_x, тобто:

Так як потужність є добутком сили на швидкість переміщення у напрямку її дії, то вводячи відповідні перевідні коефіцієнти, одержимо:

При повздовжньому точінні переміщення жорстко закріпленого різця зі швидкістю V_y в напрямку складової сили різання P_y не відбувається, тому потужність, обумовлена дією цієї складової, може бути прирівняна нулю. Потужність від дії складової сили різання P_x складає 1…2 % від загальної потужності, тому ефективна потужність, що витрачається на процес різання

Для реалізації процесу різання на заданому верстаті необхідно, щоб потужність електродвигуна верстата N_е.д. була більшою або, у крайньому випадку, дорівнювала розрахунковій потужності різання, з урахуванням коефіцієнта корисної дії коробки швидкостей верстата h » 0,8...0,85:

Питання для самоперевірки

1. Які сили називають фізичними складовими сили різання?

2. Які сили називають технологічними складовими сили різання?

3. Перелічити складові сили різання.

4. Які вимоги висуваються до динамометрів при вимірюванні технологічних складових сили різання?

5. Призначення, влаштування та принцип дії динамометра УДМ600.

6. У чому полягає суть графоаналітичної обробки результатів експериментального дослідження залежності P_z = f(t, S, V) ?

7. Назвати фактори, що впливають на силу різання.

8. Поясніть вплив глибини, подачі і швидкості різання на величину технологічних складових сили різання.

9. Як впливають зміна головного кута в плані, радіуса перехідної ріжучої кромки, переднього і заднього кутів інструмента на величину складових сил різання?

10. Поясніть вплив властивостей оброблюваного матеріалу на величину сили різання.

11. Запишіть узагальнені емпіричні формули для розрахунку складових сили різання.

12. Як розрахувати потужність, затрачувану при різанні?