Analysis of the effect of varying the cutting ratio on force components and surface roughness in face milling

Abstract

Traditional machining processes, such as face milling, still play a very important role in the production of machine parts and are the subject of ongoing research. One important area of research is the investigation of high-feed milling processes. However, due to the increased feed per tooth value fz, it is advisable to reduce the depth of cut (aₚ) in order to maintain the cutting forces at an appropriate level. In this way, the ratio of these two technological parameters, the so-called cutting ratio, changes and we can move into the range of inverse machining, where aₚ / fz < 1. In this paper, the consequences of this change is investigated on the surface roughness and the components of the cutting force, and it is discussed how the optimal cutting ratio can be found.

Традиційні процеси механічної обробки, такі як торцеве фрезерування, як і раніше, відіграють дуже важливу роль у виробництві деталей машин і є предметом постійних досліджень. Одним з важливих напрямків досліджень є вивчення процесів різання з високою подачею. Однак у зв'язку зі збільшеним значенням подачі на один зуб fz доцільно зменшити глибину різання (aₚ), щоб підтримувати зусилля різання на належному рівні. Таким чином, змінюється співвідношення цих двох технологічних параметрів, так званий коефіцієнт різання, і ми можемо перейти в діапазон зворотної обробки, де aₚ / fz < 1. У даній роботі досліджуються наслідки дії цієї зміни на шорсткість поверхні і складових сили різання, а також обговорюється, як можна знайти оптимальне співвідношення умов різання. Результати проведених експериментів і вимірювань показують, що значення шорсткості монотонно збільшуються зі збільшенням швидкості подачі, що в першу чергу впливає на шорсткість поверхні. По-справжньому великий стрибок відбувається при fz = 0.5 мм, де вже в 4,5 рази вищі значення Rₐ і в 3,3 рази вищі значення Rz. А на 1 мм подачі вже спостерігається приріст приблизно в 18 разів у Rₐ і майже в 12 разів у Rz. Для параметрів тривимірної шорсткості ці значення дуже схожі (зазначені числа є значеннями fz в мм): Sₐ 0,1→0,5: 4,6; Sₐ 0.1→1: 16; Sz 0,1→0,5: 2,6; Sz 0.1→1: 8.9. Значення силових складових значно зменшуються при малих швидкостях подачі (до fz = 0,316 мм). При цьому між fz = 0,5 і 1 мм спостерігається лише незначне зменшення, а криві силових складових Fₓ і Fᵧ майже горизонтальні. Це означає, що значне збільшення швидкості подачі вже не робить істотного впливу на силові складові за умови, що теоретичний поперечний переріз стружки залишається постійним. Однак величина застосовуваної швидкості в основному обмежена величиною параметрів шорсткості, прописаних для оброблюваної поверхні: з перевищенням подачі, шорсткість в значній мірі погіршується. У цих дослідах це відбувається приблизно після fz = 0,316 мм. Однак потрібно також зазначити, що різання металів є дуже складним процесом, в ході якого необхідно враховувати надзвичайно велику кількість факторів з метою пошуку оптимальних технологічних параметрів, що вимагає великих знань і ретельного вивчення заданих умов різання.