Расчёт силовых параметров процесса формообразования заготовок концевыми фрезами

Цель – создание и апробация оперативной методики расчета силовых параметров и характеристик инструмента и процесса фрезерования конструкционных материалов концевыми фрезами. При разработке методики предварительного расчета суммарной осевой силы, действующей на режущей кромке концевых фрез, использованы структурные схемы механообработки и силовые модели процессов косоугольного резания в режимах осевой подачи инструмента и непрерывного пластического деформирования обрабатываемого материала. Опыты с вращающимся инструментом проведены на 3-осевом обрабатывающем центре UWF 1202 H фирмы «Hermle», дополненном пьезоэлектрическим динамометром фирмы «Kistler» (модель 9272). Предложена, разработана и апробирована методика предварительного расчета силовых характеристик процесса механической обработки заготовок концевыми фрезами, учитывающая влияние величины энергетической мощности вязкого разрушения обрабатываемого материала. Обусловлено, что контактное трение, возникающее на передней и задней поверхностях режущего инструмента, не достигает предельной величины и подчиняется закону Кулона-Амонтона, то есть оценивается зависимостью прямо пропорциональной нормальному давлению. В результате выполненных вычислений предопределены материалы заготовки для фрезерной обработки – сталь 45 (AISI 1045), и концевой двузубой фрезы – сплав Т14К8 без покрытия, из которого были изготовлены опытные образцы. Установлены режимы фрезерной обработки: глубина засверливания – 4 мм; скорости резания – 50, 100 и 150 м/мин; подача режущего инструмента – 0,05 и 0,1 мм/об. Выявлено, что отклонение измеренных значений осевой силы резания от расчетных в диапазоне изменения значений скорости подачи инструмента составляет не более 11%, а в диапазоне изменения значений скорости резания не более 15%. Разработанная расчетно-аналитическая методика оценки силовых параметров процесса формообразования заготовок концевыми фрезами обеспечивает повышение оперативности и достоверности предварительного прогностического расчета рабочих параметров и характеристик режущих элементов концевых фрез.

1. Jawahir I.S., Schoop J., Kaynak Y., Balaji A.K., Ghosh R., Lu T. Progress toward modeling and optimization of sustainable machining processes // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2020. Vol. 142. Iss. 11. P. 110811. https://doi.org/10.1115/1.4047926.

2. Aslantas K., Ülker S., Şahan Ö., Pimenov D.Y., Giasin K. Mechanistic modeling of cutting forces in high-speed microturning of titanium alloy with consideration of nose radius // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 119. P. 2393–2408. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08437-w.

3. Sim Choonggun, Yang Minyang. The prediction of cutting force in ball end milling // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1993. Vol. 33. Iss. 2. P. 267–284. https://doi.org/10.1016/0890-6955(93)90079-a.

4. Budak E., Altintaş Y., Armarego E.J.A. Prediction of milling force coefficients from orthogonal cutting data // Journal of Manufacturing Science and Engineering. 1996. Vol. 118. Iss. 2. P. 216–224. https://doi.org/10.1115/1.2831014.

5. Engin S., Altintas Y. Mechanics and dynamics of general milling cutters. Part I: helical end mills // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2001. Vol. 41. Iss. 15. P. 2195–2212. https://doi.org/10.1016/S0890-6955(01)00045-1.

6. Lee P., Altintaş Y. Prediction of ball-end milling forces from orthogonal cutting data // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 1996. Vol. 36. Iss. 9. P. 1059–1072. https://doi.org/10.1016/0890-6955(95)00081-x.

7. Sahoo P., Patra K., Singh V.K., Gupta M.K., Song Qinghua, Mia M., et al. Influences of TiAlN coating and limiting angles of flutes on prediction of cutting forces and dynamic stability in micro milling of die steel (P-20) // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 278. P. 116500. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116500.

8. Arrazola P.J., Özel T., Umbrello D., Davies M., Jawahir I.S. Recent advances in modelling of metal machining processes // CIRP Annals. 2013. Vol. 62. Iss. 2. P. 695–718. https://doi.org/10.1016/j.cirp.2013.05.006.

9. Ozlu E., Molinari A., Budak E. Two-zone analytical contact model applied to orthogonal cutting // Machining Science and Technology: An International Journal. 2010. Vol. 14. Iss. 3. P. 323–343. https://doi.org/10.1080/10910344.2010.512794.

10. Sonawane H.A., Joshi S.S. Analytical modeling of chip geometry and cutting forces in helical ball end milling of superalloy Inconel 718 // CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology. 2010. Vol. 3. Iss. 3. P. 204–217. https://doi. org/10.1016/j.cirpj.2010.11.003.

11. Wang S., Zhang T., Deng W., Sun Z., Sandy T. Analytical modeling and prediction of cutting forces in orthogonal turning: a review // The international journal of advanced manufacturing technology. 2022. Vol. 119. P. 1407–1434. https://doi.org/10.1007/s00170-021-08114-y.

12. Бобров В.Ф. Влияние угла наклона главной режущей кромки инструмента на процесс резания металлов. М.: Машгиз, 1962. 152 с.

13. Li H.Z., Zhang W.B., Li X.P. Modelling of cutting forces in helical end milling using a predictive machining theory // International Journal of Mechanical Sciences. 2001. Vol. 43. Iss. 8. P. 1711–1730. https://doi.org/10.1016/S00207403(01)00020-0.

14. Moufki A., Dudzinski D., Coz G. Le. An analytical thermomechanical modelling of peripheral milling process using a predictive machining theory // Advanced Materials Research. 2011. Vol. 223. P. 93–100. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.223.93.

15. Fontaine M., Devillez A., Moufki A., Dudzinski D. Predictive force model for ball-end milling and experimental validation with a wavelike form machining test // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006. Vol. 46. Iss. 3-4. P. 367–380. https://doi.org/10.1016/j.ijmachtools.2005.05.011.

16. Fu Zhongtao, Yang Wenyu, Wang Xuelin, Leopold J. Analytical modelling of milling forces for helical end milling based on a predictive machining theory // Procedia CIRP. 2015. Vol. 31. P. 258–263. https://doi.org/10.1016/j.procir.2015.03.013.

17. Atkins A.G. Modelling metal cutting using modern ductile fracture mechanics: quantitative explanation for some longstanding problems // International Journal of Mechanical Sciences. 2003. Vol. 45. Iss. 2. P. 373–396. https://doi. org/10.1016/S0020-7403(03)00040-7.

18. Dargnat F., Darnis Ph., Cahuc O. On the adaptability of cutting model to drilling // 12th CIRP conference on modelling of machining operations. 2009. Режим доступа: https://www.researchgate.net/publication/296705241_On_the_adaptability_of_cutting_model_to_drilling (дата обращения: 11.06.2023).

19. Оленин Л.Д. К анализу механики резания упрочняемого материала. Стружкообразование // Известия МГТУ «МАМИ». 2008. № 1. С. 183–190.

20. Оленин Л.Д., Сторчак М.Г., Леквеишвили М.А. К разработке аналитической модели косоугольного резания // Известия МГТУ «МАМИ». 2014. T. 8. № 1-2. С. 123–128. https://doi.org/10.17816/2074-0530-67804.

21. Merchant M.E. Mechanics of the metal cutting process II. Plasticity conditions in orthogonal cutting // Journal of Applied Physics. 1945. Vol. 16. Iss. 6. P. 318–324. https://doi.org/10.1063/1.1707596.

22. Оленин Л.Д. К анализу механики процесса резания. Резание инструментом с притупленной режущей кромкой // Известия МГТУ «МАМИ». 2009. № 2. С. 143–151.

23. Tsai Chung-Liang, Liao Yunn-Shiuan. Prediction of cutting forces in ball-end milling by means of geometric analysis // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 205. Iss. 1-3. P. 24–33. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.11.083.

24. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. 368 с.