Теоретические основы цилиндрического фрезерования

    Фрезерование – процесс обработки древесины вращающимися резцами, в котором траекторией резания является циклоида, и в результате которой от материала отделяется часть в виде стружки серповидной формы. Фрезерованием обрабатывают плоские и профильные поверхности деталей, концы деталей для образования присоединительных поверхностей, формируют гнезда и отверстия, изготавливают стружку-продукт. По принципу фрезерования работают фуговальные, рейсмусовые, фрезерные, копировально-фрезерные, брусующие станки и автоматы. 

    При цилиндрическом фрезеровании поверхность вращения, образуемая лезвием инструмента, представляет цилиндр, ось вращения инструмента параллельна обрабатываемой поверхности.

    Процесс фрезерования (рисунок 4.1 а) происходит при равномерном вращении инструмента (главное движение резания) и равномерном перемещении заготовки (движение подачи). Главное движение резания характеризуется скоростью главного движения резания V (м/с), движение подачи – скоростью движения подачи V_s (м/мин) .  

    Если движение подачи направлено навстречу вращения инструмента, то подачу называют встречной, если совпадает – попутной.

При изучении процесса цилиндрического фрезерования рассматривают три вида касательных и радиальных сил: мгновенную, среднюю и окружную.

Мгновенная фактическая касательная сила резания Р_х , H, имеющая место в данный момент, может быть определена по формуле:

                                   Р_х = K× b × a ,                                 (1)

где K - удельная сила резания, Н/мм²;

     b - ширина фрезерования, мм;

     a - толщина срезаемого слоя (стружки), мм.

    Удельная сила резания определяется по формуле:

                             K= K_т × а_n× а_d ×а_m ×а_r ×а_w’ ,                    (2)

где К_т - табличное значение удельной силы резания, Н/мм² (таблица 4.1);

    а_п - поправочный коэффициент на породу (таблица 4.2);

     а_d -поправочный коэффициент на угол резания (при d = 65-75^о для сосны

          а_d = 1,2; для дуба a_d = 1,33);  

    а_т - поправочный коэффициент на трение (принимают при открытом

          фрезеровании равным 1; при выборке четверти а_т = 1,1; при

          выборке шпунта глубиной до 15 мм а_т = 1,2);

    a_r - коэффициент, учитывающий влияние затупления резцов, его значение

           в зависимости от времени работы ножей после заточки приведены в

           таблице 4.3;

   a_w - поправочный коэффициент на влажность древесины (таблица 4.4).

Величина удельной силы резания К во время срезания одной стружки меняется по мере изменения угла встречи j_в резца с волокнами древесины (рисунок 4.1 в), т.е. угла, под которым перерезаются волокна древесины.

    В процессе срезания одной стружки величина удельной силы резания К изменяется также по мере уменьшения толщины срезаемого слоя (стружки).

    Толщина стружки а, мм, есть величина переменная, она изменяется по радиусу, проведенному в данную точку. В точке входа 1 (рисунок 4.1 б) толщина стружки а = 0. С увеличением угла j величина а возрастает, достигая максимума в точке 2. Связь между толщиной стружки и углом j выражается уравнением:

                                 а = S_z× sin j .                               (6)

Рисунок 4.1 - Процесс цилиндрического фрезерования: а - схема взаимодействия цилиндрической фрезы и древесины, б - срезаемый слой стружки в сечении, получаю­щийся при  цилиндрическом фрезеровании; в - схема к определению угла встречи резца с волокнами древесины (условно принято, что движение подачи придается инструменту)

Величина S_z - подача на зуб, мм, или расстояние между предыдущей и последующей траекториями, взятое по направлению подачи, равна:

                             S_z = 1000 × V_s / z × n ,                         (7)

где Vs - скорость подачи, м/мин;

    z - число резцов (ножей), шт;

   n - частота вращения ножевого вала, мин^-1.

    Максимальная толщина срезаемого слоя будет в точке 2 при j = j_вых, мм                     

                                   а_max» S_z× sin j_вых ,                                    (8)

Угол выхода, j_вых, град:

                             j_вых = arccos [(R – t) / R] ,                         (9)

где R - радиус окружности резания, мм;

    t - глубина фрезерования, мм

                                             t = t₁ - t_{2 ,}                                           (10)

где t₁ - толщина образца до обработки, мм;

   t₂ - толщина образца после обработки, мм.                                

Из формул (1) и (6) имеем:

                          Р_х = K × b × S_z× sin j,                           (11)

Если приближенно считать, что в пределах значений j от j_вх до j_вых  , т.е. на длине стружки, величина К не зависит от j, а величина sin j пропорциональна j , то:           

Р_х » f ( j ).

    Эта зависимость может быть изображена на графике (рисунок 4.2 а) в виде треугольника, у которого основание равно длине стружки l , а высота равна максимальному значению фактической силы резания P_х max.      

Средняя сила резания Pх ср, Н, совершает за время срезания одной стружки ту же работу, что и переменная фактическая сила резания (рисунок 4.2б):

                                      Р_х.ср. = 0,5 × P_х max ,                         (12)

    Кроме того, средняя сила резания, Р_{х ср} Н, может быть определена по формуле:

                                    Р_{х ср} = К × b × а_ср ,                             (13)

где а_ср - средняя толщина срезаемого слоя (стружки), мм.

                                   а_ср = S_z× t / l ,                                 (14)

где t - глубина фрезерования, мм;

    l - длина срезаемого слоя (длина дуги контакта), мм.

                                 l = p × D × j_к / 360 ,                        (15)

где j_{к -}  угол контакта :       

       j_к = j_вых + j_вх ,                             (16)

При j_вх= 0            j_к = j_вых .

Рисунок 4.2 - Диаграммы касательных силрезания: а - мгновенной; б - средней; в - окружной

Окружная сила резания Р_х окр, Н, (рисунок 4.2 в) – условная, постоянная по величине сила, которая как будто действует при резании непрерывно во все время полного оборота ножевого вала, определяется по формуле:

                             Р_х.окр = К × b × t × V_s / 60 × V ,                 (17)

    Скорость главного движения резания, V, м/с, равна           

                                     V = p × D × n / 60 × 1000 .                     (18)

Окружная касательная сила резания, Р_х.окр, Н, может быть также определена по формуле:      

                             Р_{х окр} = Р_{х ср} × l × z / π × D .                    (19)

    После определения касательных сил ( Р_х.ср, Р_х.max, Р_х.окр) вычисляются значения соответствующих им радиальных сил Р_{z ср}, Р_{z max}, Р_{z окр} по формуле:                   

                                    Р_z  = m × Р_{x ,}                                (20)

где m - переходный множитель, зависящий, главным образом от остроты резца; значения m приведены в таблице 4.5.

    Мощность, затрачиваемая на резание N_рез, кВт, определяется по формуле:

                          N_рез = Р_х.окр × V / 1000                         (21)

Таблица 4.1 - Удельная сила резания К_т (приближенно) при открытом                  цилиндрическом фрезеровании острыми резцами сухой, W = 10¸15 %, сосновой древесины при средних режимах (d=55⁰;D =125 мм; t = 1,5 … 4,5 мм)

Таблица 4.2 - Поправочный коэффициент на породу а_n       

Таблица 4.3 - Поправочный коэффициент на затупление инструмента а_r

 Таблица 4.4 - Поправочный коэффициент на влажность древесины а_w

 Таблица 4.5 - Переходной множитель m

4.2 Порядок выполнения работы:

Работа выполняется на рейсмусовом станке СР6-7 в следующей последовательности:

а) Изучить теоретическую часть работы, изложенную в лекциях и методических указаниях.

б) С участием преподавателя или учебного мастера ознакомиться с конструкцией ножевого вала (на примере ножевого вала станка СФ4-4).

в) Произвести осмотр обрабатываемых заготовок: определить породу заготовки, наличие трещин, сколов, разнотолщинности более 4 мм, конусности, несросшихся сучков.

г) Замерить толщину и ширину обрабатываемых заготовок штангенциркулем.

д) Отрегулировать положение стола на требуемую толщину детали штурвалом управления (достигается подъемом стола, но не опусканием).

е) С помощью преподавателя или учебного мастера произвести настройку станка: установить требуемую скорость подачи, диаметр окружности резания D, число ножей z, частоту вращения ножевого вала n взять из технической характеристики станка.

ж) Произвести фрезерование заготовок.

з) Получив разрешение преподавателя или учебного мастера, приступить к выполнению лабораторной работы.

и) После обработки заготовок необходимо замерить толщину обработанных заготовок штангенциркулем в трех местах по длине и найти среднее значение толщины заготовок.

к) Результаты измерения необходимо систематизировать в журнале результатов измерений и расчетов (таблица 4.6).

л) По результатам замеров произвести расчет необходимых параметров процесса цилиндрического фрезерования , сделать соответствующие выводы и оформить отчет по выполненной работе в представленной форме.

Таблица 4.6 – Журнал результатов измерений и расчетов

Контрольные вопросы

Лабораторная работа № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ШЕРОХОВАТОСТИ

ФРЕЗЕРОВАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

Цель работы - теоретическое и экспериментальное изучение студентами микрогеометрических параметров поверхности; определение шероховатости фрезерованной поверхности заготовки, обработанной на рейсмусовом станке СР6-7.

Оборудование, инструмент и материалы - станок рейсмусовый СР6-7; мерительный инструмент: штангенциркуль, микрометр, угломер, образцы древесины.