RU2538068C2

RU2538068C2 - Determination of cutting force

Info

Publication number: RU2538068C2
Application number: RU2012124401/28A
Authority: RU
Inventors: Иван Алексеевич Чечета; Антон Евгеньевич Чечета
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2015-01-10
Also published as: RU2012124401A

Abstract

FIELD: process engineering.

SUBSTANCE: invention relates to instrumentation, particularly, to determination of required metal and alloy cutting force. Standard experimental hardening curve is reconstructed to coordinates "voltage (σ) - true relative deformation (ε)". Maximum deformation ε_p predefines maximum possible chip shrinkage factor K as lnK=ε_p. Note that calculation of maximum possible cutting force is calculated by equation P=σ_pt s K/sinθ. Then, trial cutting is performed to measure parameters for calculation of actual chip shrinkage factor K. The latter is used to determine angle θ and to define the cutting actual force by initial equation.

EFFECT: higher accuracy of calculation and efficiency, lower implementation costs.

2 cl

Description

Изобретение относится к измерительной технике и касается, в частности, определения силы, необходимой для обработки резанием металлов и сплавов.The invention relates to measuring technique and relates, in particular, to the determination of the force required for processing by cutting metals and alloys.

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).A known method for determining the cutting force P according to an empirical equation of the type P = C _p t ^x s ^v v ⁿ K _m , formed on the basis of multiple weighing of the force P with successive variation of the extended range of the main cutting parameters. (See, for example, the book "Technology of structural materials" under the editorship of AM Dalsky, ed. 2nd. - M.: Mechanical Engineering. 1985. pp. 263-265). All the actions taken are reduced to the fact that they assign the cutting parameters t (cutting depth), s (tool feed), v (cutting speed) and other cutting conditions, conduct test cuts in sequence, varying the values of all parameters each time, and weigh cutting force P. This accumulates a database of experimental data sufficient to construct experimental graphs, selects mathematical dependencies for these graphs, on the basis of which graphically analytically find both the dimensionless numerical values of the coefficients С _p characterizing the mechanical strength of the processed material and the dimensionless x, y, n - degree indicators cutting parameters t, s, v and K _m respectively. Here, the coefficient K _m takes into account the influence of other cutting parameters (material of the cutter, its resistance, its geometrical dimensions, directly related to chip formation).

Основные недостатки этого способа определения силы Р резания:The main disadvantages of this method of determining the cutting force P:

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;a) the very great complexity of the experimental work and the subsequent graphical and analytical analysis of the results of the experiment on the formation of the calculated equation of force P; in turn, for the subsequent calculation of the force P, the choice of tabulated coefficients and exponents is also very laborious;

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.b) the resulting calculation equation does not have physical meaning and, accordingly, the possibility of estimating the degree of accuracy of the found value of the force P and excluding its optimal value is excluded.

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).The closest prototype of the claimed method is a method for determining the cutting force P based on a post-deformation characteristic in the form of a chip shrinkage coefficient K. This coefficient represents the ratio K = l _o / l _k . Here l _o - the initial length of the cut allowance, turning into chips during processing; l _k - the final length of the chips obtained from this allowance. (See, for example, the book “Cutting materials” / I. A. Chechet, V. I. Gunin, O. N. Kirillov. - Voronezh: GOUVPO “Voronezh State Technical University”, 2007.- P.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.The practical significance of the chip shrinkage coefficient K is that it is a consequence of the combined action of all the parameters that make up the cutting mode (t, s, v, physicomechanical properties of the processed material, external and internal friction during cutting, material of the cutting tool, geometric dimensions of the cutting elements of the cutter and their relative position, heating from friction, the influence of cutting fluid and other parameters affecting the process of chip formation). In turn, take into account the fact that the natural logarithm of the ratio l _o / l _k represents the quantity ε - the true relative deformation: ε = ln (l _o / l _k ), and this predetermines the functional dependence between the quantities K and ε: ε = lnK. In turn, the coefficient K according to the well-known relation I.A. Timé is: K = cos (θ-γ) / sinθ, where γ is the angle of inclination of the front edge of the cutter, θ is the angle of inclination of the plane of shear shavings.

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.Then the cutting force vector P is decomposed into two components of the vector: the force P _and , which expends its work on the curvature of the chip, and the force P _cr , which provides shrinkage of the chip by axial compression. As the main component of the vector, take P _cr = σ F = σ ts K, where F is the cross-sectional area of the chip, σ is the stress arising in the material.

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.Compression force F _{compression channel} vector is directed perpendicular to the shear plane, is the support surface hearth plastic deformation of the chips. In turn, the shear plane has an inclination angle θ to the horizontal, along which the total cutting force vector P acts.

Тогда сила резания Р=Р_сж/sinθ=σ t s К/sinθ.Then cutting force P = P _SJ / sinθ = σ ts K / 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.The main disadvantage of the described closest prototype method is that the coefficient K in advance (before receiving the chips) remains an unknown value and this makes it difficult to reasonably choose the value of K even for the initial rough calculation of the cutting force.

Цель изобретения - создать обоснованный и приемлемый для практики предварительный выбор коэффициента К усадки стружки и этим обеспечить точность определения силы Р резания.The purpose of the invention is to create a reasonable and acceptable for practice preliminary selection of the coefficient K of shrinkage of the chips and thereby ensure the accuracy of determining the cutting force P.

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:This goal is achieved if the standard hardening curve having the coordinates “stress σ - relative strain δ” and the hardening curve with coordinates “stress σ - true relative strain ε” are replaced. For such a replacement, it is noted:

1) δ=Δl/l_o, где Δl - абсолютная деформация изменяющегося начального размера l_o;1) δ = Δl / l _o , where Δl is the absolute deformation of the changing initial size l _o ;

2) связь между величинами ε и δ: ε=ln(1+δ);2) the relationship between the quantities ε and 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.3) in contrast to δ, ε is directly related to the chip shrinkage coefficient K (ε = lnK, i.e., K = ε ^ε ). Here e is the base of the natural logarithm; in turn, in contrast to δ, the quantity ε is more acceptable, since it has the property of additivity.

Тогда способ определения силы резания, основанный на последеформационных показателях, осуществляют в два этапа.Then the method of determining the cutting force, based on post-deformation indicators, is carried out in two stages.

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:Stage One. The material intended for cutting by standard tests is checked for strength: a standard hardening curve is obtained in the coordinates "stress σ - relative deformation δ" and rebuild it in the coordinates "stress (σ) - true relative deformation (ε)". Since during the cutting process at the time of discontinuity in the material, a voltage always arises, having a value close to the limit of σ _in strength, then the value of the tensile strength σ _in and the corresponding degree of deformation ε _in , which determine the maximum coefficient K shrinkage of the chips through the dependence lnK = ε _in , that is, K = e ^ε . Here e is the base of the natural logarithm. Assign cutting depth t and feed s. Then the greatest cutting force P is calculated by the equation:

Р=σ_в t s К/sin θ, причем величину угла θ находят по соотношению:P = σ _in ts K / sin θ, and the angle θ is found from the relation:

К=cos(θ-γ)/sin θ, где γ - угол наклона передней грани резца.K = cos (θ-γ) / sin θ, where γ is the angle of inclination of the front edge of the cutter.

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.Stage Two. To verify the obtained value of P, test cutting is carried out, geometric dimensions are measured that are directly related to the shrinkage of the chips (the initial l _{o of the} cut allowance and the final length l _k of the chips obtained from it), sufficient to calculate the actual value of the coefficient K = l _o / l _{k of} shrinkage , and using the initial calculation equation P = σ _in ts K / sin θ, the value of the cutting force P spent is adjusted taking into account the experimentally found value K = l _o / l _k and the calculated angle θ from it, since also K = cos (θ-γ) / sinθ. In turn, they allow the possibility of some increase in the tensile strength σ _in for materials for which there is a local increase effect (up to 10%) in the temperature range of cinematography, and this increase is taken into account.

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.A positive effect of the invented invention regarding the determination of cutting force is to increase the accuracy of the calculation and a significant increase in productivity by reducing the technical and economic costs of its implementation.

Claims

1. A method for determining the cutting force based on post-deformation indicators, characterized in that the experimentally obtained standard graph of the hardening curve in the coordinates "stress σ - relative strain δ" is rebuilt in the coordinates "stress σ - true relative strain ε": (ε = ln ( 1 + δ)), find in this hardening curve the numerical value of the tensile strength σ _in and the corresponding true relative strain ε _in , which in turn determine the maximum possible value of the post-deformation of the indicator, which is the shrinkage coefficient of the chip lnK = ε _in (that is, K = e ^ε , where e is the base of the natural logarithm), the initial cutting parameters t (cutting depth), s (feed) are assigned, the cutting force P = σ _in ts is calculated K / sinθ (here θ is the angle of inclination of the shear plane), then to check the P value, test cutting with chip removal is performed, geometric dimensions are measured (initial l _o length of the cut allowance and final length l _{k of the} resulting chip) to calculate the value obtained in this case coefficient K = l _o / l _k and determine the values the other force P = σ _in ts K / sinθ, taking into account the value of K actually found after test cutting and the calculated angle of inclination of the shear plane from the formula: K = cos (θ-γ) / sinθ, where γ is the angle of inclination of the front edge of the cutter.

2. The method of determining the cutting force according to claim 1, characterized in that it allows the possibility of increasing the tensile strength σ _in for materials that have the effect of its local increase (up to 10%) in the temperature range of chenol, and calculate the force P according to the same calculated formula: P = σ _in ts K / sinθ.