Лекция 6

1. Общие принципы работы режущего инструмента и построение их конструкции.

2. Режущий клин – основа режущей части режущего инструмента.

3. Геометрические параметры режущего инструмента; общие положения их выбора.

4. Углы режущей части режущего инструмента.

Общие принципы работы режущих инструментов и построение их конструкции

Обработка резанием заключается в удалении с заготовки определенного количества материала с целью получения требуемой формы детали с заданными (по техническим условиям) точностью размеров и качества обработанных поверхностей.

Для обработки различного рода поверхностей применяют различные методы обработки резанием (см. рис. 17).

точение

отделоч-

ные операции

суперфи-ниширова-ние

В соответствии с этими методами обработки существуют различные режущие инструменты. Однако надо иметь ввиду, что одну и ту же обработанную поверхность можно получить различными инструментами. Например, после развертывания и после протягивания или резьбу наружную можно получить резцом, плашкой, резьбовой фрезой, шлифовальными кругами.

Несмотря на индивидуальные и специфические особенности, режущие инструменты имеют большое количество общих геометрических и конструктивных элементов.

Геометрические элементы это:

• главный задний угол α,

• вспомогательный задний угол α₁,

• передний угол γ,

• главный угол в плане φ,

• вспомогательный угол в плане φ₁,

• угол наклона главной режущей кромки λ,

• радиус закругления режущей кромки ρ.

Основные конструктивные элементы:

• зубья, несущие на себе режущие элементы;

• канавки, предназначенные для помещения и отвода стружки;

• стружколоматели и стружкозавиватели, предназначенные для облегчения отвода стружки;

• каналы для охлаждения , подводящие СОЖ к режущим элементам;

• элементы крепления инструмента и элементы баз при изготовлении, контроле и переточках инструмента.

Основную роль в процессе резания играет клин с режущими кромками. Клин образован двумя важными поверхностями:

• передней, по которой сходит стружка,

• задней, обращенной в процессе резания к обрабатываемой поверхности.

Чтобы режущие кромки формировали обрабатываемую поверхность, они должны располагаться на поверхности, касающейся поверхности заготовки в процессе обработки. Эта поверхность называется исходной инструментальной поверхностью – И.

То есть режущий инструмент можно рассматривать как тело, ограниченное исходной инструментальной поверхностью, на которой располагаются профилирующие участки режущих кромок, непосредственно формирующие поверхность детали.

Фреза – это тело вращения, которое ограничено поверхностью вращения N, и в процессе обработки касается поверхности детали. После прорезания стружечных канавок и образования задней поверхности это тело вращения превращается в режущий инструмент.

Метчик – это винт, сопряженный с обрабатываемой гайкой. После образования стружечных канавок и создания задних поверхностей этот винт превращается в режущий инструмент.

Деталь (заготовку) и инструмент можно представить как своеобразный механизм, состоящий из двух сопряженных звеньев, касающихся друг друга в процессе обработки. Траектория движения точек режущей кромки инструмента относительно заготовки – это результат сочетания движений, которые совершают инструмент и обрабатываемая деталь.

Кинематическая схема резания – это движения, сообщаемые в процессе резания инструменту и заготовке.

В настоящее время в промышленности используют разнообразные кинематические схемы резания и соответствующие им металлорежущие станки и инструменты. Для упрощения кинематики рабочих органов станков кинематические схемы резания основаны на сочетании двух элементарных движений заготовки и инструмента – прямолинейного и вращательного.

Согласно классификации принципиальных кинематических схем (по Г. И. Грановскому) все используемые в настоящее время кинематические схемы резания основываются на сочетании трех элементарных движений: прямолинейного, вращательного и в пространстве.

При профилировании инструментов и определении формы и размеров его режущих элементов считаем, что:

• система СПИД является абсолютно жесткой:

• нет отклонений от принятого закона движения заготовки и инструмента;

• инструмент и станок в процессе работы не изнашиваются;

• не имеют места тепловые деформации технологической системы.

Точность образования заданной формы поверхности детали будет зависеть от точности воспроизведения исходной инструментальной поверхности, то есть от точности изготовления соответствующих размеров инструмента. Для этого необходимо, чтобы поле допуска размеров инструмента находилось в пределах поля допуска соответствующих размеров детали. Ориентировочно допуски на размеры инструмента, влияющие на форму и размеры обработанных поверхностей, принимаются в пределах 1/3…1/4 допуска на соответствующие размеры детали.

Из поверхностей, применяемых для оформления режущих инструментов, основными являются:

• плоскости,

• поверхности вращения,

• винтовые поверхности.

Плоскости – для оформления стержневых резцов, зуборезных гребенок и пр.

Поверхности вращения:

1. с образующей в виде прямой, параллельной оси вращения (цилиндрические фрезы, развертки и т.д.);

2. с образующей в виде прямой, наклоненной под некоторым углом к оси вращения (угловые фрезы, конические развертки);

3. с криволинейной образующей (фасонные фрезы, фасонные резцы);

4. винтовые поверхности (резьбонарезные инструменты, червячные зуборезные фрезы).

Основные части режущего инструмента

Любой из режущих инструментов включает рабочую часть и зажимную, или соединительную часть.

Рабочая часть – основная часть инструмента. Ее можно рассматривать как исходную поверхность, в которой образованы режущие зубья. У большинства режущих инструментов рабочую часть можно разбить на режущую и калибрующую (метчик, развертка, протяжка). Резец, фреза не имеют калибрующей части. Рабочая часть предназначена для снятия стружки с заготовки.

Соединительная (зажимная) часть – для передачи усилий от станка к рабочей части. На практике используют несколько способов закрепления инструментов и соответствующих им конструкций зажимных частей.

1. Зажимная часть – имеет вид конического или цилиндрического хвостовика (сверла, зенкеры, развертки, концевые фрезы).

2. Инструменты типа резцов имеют зажимную часть в форме призмы квадратного, прямоугольного или круглого сечения.

3. Насадные фрезы, дисковые долбяки и шеверы, круглые фасонные резцы имеют базовое цилиндрическое или коническое отверстие и насаживаются на цилиндрическую или коническую оправку в процессе эксплуатации.

При обработке резанием выделяют следующие плоскости (рис. 18):

• плоскость резания – это плоскость, которая является касательной к поверхности резания и проходит через главную режущую кромку;

• основная плоскость – это плоскость, параллельная продольному и поперечному перемещению резца;

• главная секущая плоскость – это плоскость, перпендикулярная к проекции главной режущей кромки на основную плоскость;

• вспомогательная секущая плоскость – это плоскость, перпендикулярная к проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость.

Рис. 19. Углы режущего клина

α – главный задний угол – угол между плоскостью резания и касательной к главной задней поверхности в рассматриваемой точке (см. рис. 19);

α₁ – вспомогательный задний угол – угол между вспомогательной задней поверхностью и плоскостью, проходящей через вспомогательную режущую кромку, перпендикулярно основной плоскости;

γ – передний угол – угол между передней поверхностью и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания и проходящей через главную режущую кромку;

β – угол заострения – угол между передней и главной задней поверхностью резца;

δ – угол резания – угол между плоскостью резания и передней поверхностью;

φ – главный угол в плане – угол между направлением подачи и проекцией главной режущей кромки на основную плоскость;

φ₁ – вспомогательный угол в плане – угол между направлением подачи и проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость;

ε – угол при вершине в плане – угол между проекциями главной и вспомогательной режущей кромок на основную плоскость;

λ – угол наклона главной режущей кромки – угол между главной режущей кромкой и линией, проведенной через вершину резца, параллельно основной плоскости (см. рис. 20).

Задние поверхности различают (рис. 21):

1. – с одним углом α – при однородности материала режущей части и державки;

2. – с двумя углами α – твердосплавные или из минералокерамики: сокращается объем работы при заточке и доводке;

3. – с тремя углами α (криволинейная поверхность) – применяется чаще всего при расточных работах для устранения задевания головкой резца обрабатываемой поверхности в процессе резания.

Возможные формы передней поверхности

1. Плоская с положительным передним углом γ. Рекомендуется:

   • для резцов всех типов при обработке чугуна и медных сплавов;

   • для резцов из быстрорежущей стали при обработке сталей с подачами до 0,2 мм/об;

   • для фасонных резцов со сложным контуром режущей кромки (из-за простоты изготовления).

2. Плоская с отрицательной фаской (f=0,2…0,3 мм); фаска предназначена для упрочнения наиболее нагруженного участка резца (около режущей кромки). Рекомендуется:

   • для резцов из быстрорежущей стали при обработке стали с подачей S>0,2 мм/об или S>0,2 мм/дв. ход – при строгании;

   • для резцов, оснащенных пластинами из твердого сплава при недостаточной жесткости системы СПИД.

3. Криволинейная с фаской. Обладает следующими недостатками: ослабленная режущая кромка, сложность переточки, увеличенный расход твердого сплава при переточке. Рекомендуется:

   • для резцов из быстрорежущей стали всех типов (за исключением фасонных) при обработке сталей;

   • для резцов с пластинами твердых сплавов при обработке стали с пределом прочности σ_в≤100 кг/мм² (и тогда f=0,2…0,3 мм – для чистовой обработки; f=1,2 мм – для черновой обработки; γ_f=–10°, где γ_f – передний угол по фаске f).

4. Плоская с отрицательным передним углом. Недостатки: для облегчения отвода стружки надо применять специальные стружколоматели-завиватели. Рекомендуется при обработке резцами, оснащенными пластинами твердых сплавов:

   • более прочных сталей, то есть σ_в>100 кг/мм²;

   • стального литья с коркой;

   • при работе с ударами.

Выбор углов резца

1. Задний главный угол α – основное назначение: обеспечить свободное перемещение резца по обрабатываемой поверхности, то есть уменьшить силы трения. Влияет на:

   • деформацию обрабатываемой поверхности;

   • силы резания;

   • прочность;

   • стойкость;

   • скорость резания;

   • качество обрабатываемой поверхности.

С увеличением α возрастает стойкость резца, чистота обрабатываемой поверхности, но угол α следует увеличивать до определенного предела, после чего из-за уменьшения угла заострения β, прочность лезвия уменьшается, появляется выкрашивание. Оптимальное значение – α=6…12°.

2. Задний вспомогательный угол α₁ – назначение: уменьшить трение по вспомогательной задней поверхности. Принимают равным главному заднему углу α, кроме прорезных и отрезных резцов, где α₁=1…2°.

3. Передний угол γ – назначение: уменьшение деформации стружки и обрабатываемой поверхности. Влияет на:

   • направление и величину сил резания;

   • прочность режущей кромки;

   • стойкость резца;

   • качество обрабатываемой поверхности.

Для облегчения процесса стружкообразования принимают γ положительным, но: чем больше угол γ, тем меньше угол заострения β, что делает режущее лезвие резца недостаточно прочным; чем мягче обрабатываемый материал, тем меньшие силы действуют на резец, тем большим может быть взят передний угол γ.

Передний угол γ уменьшают в целях упрочнения режущей кромки при обработке твердых материалов, когда в процессе резания будут действовать значительные силы :

• при обработке прерывистых поверхностей;

• при обработке хрупких материалов (серый чугун);

• при обработке твердых и прочных сплавов (γ = –10°).

Например: для обработки сталей с σ_в≤80 кг/мм² для быстрорежущих сталей γ=25°, для твердых сплавов γ=12…15°; чугун – 0…5°; алюминий – 20°…30°.

4. Угол наклона главной режущей кромки λ – назначение: влияет на направление отходящей стружки; на место начального соприкосновения срезаемого слоя с режущей кромкой при прерывистом резании, а следовательно, на прочность.

λ=0: чаще всего для токарных резцов (то есть главная режущая кромка располагается параллельно опорной плоскости).

λ>0 (то есть угол λ положительный). Место контакта резца с заготовкой удаляется от вершины, что способствует упрочнению резца. Рекомендуется:

• при фрезеровании жаропрочных сталей λ=60°;

• при наличии неравномерного припуска λ=+12…+15°;

• при работе с ударной нагрузкой λ=+12…+15°;

• для строгальных резцов λ=+10…+15°;

• при обработке закаленных сталей λ=+25…+35°.

λ<0° (λ= –4°) – для резцов чистовой обработки, так как в этом случае сход стружки осуществляется в направлении подачи.

4. Главный угол в плане φ – назначение: облегчение процесса резания. Влияет на:

   • стойкость резца;

   • чистоту обрабатываемой поверхности;

С уменьшением главного угла в плане φ при постоянной подаче стойкость резца резко увеличивается, так как это приводит к увеличению активной длины кромки. Тогда сила и температура, приходящиеся на единицу длины кромки, уменьшаются, а следовательно, снижается и износ резца. Рекомендуется:

• чистовая обработка в жестких условиях φ=10…20°;

• работа в жестких условиях, то есть l/d<6 30…40°;

• работа в нежестких условиях, то есть l/d=6…12 φ=60…70°;

• работа с длинными заготовками малого диаметра, то есть l/d>12 φ=90°;

где l – длина обработки, d – диаметр заготовки.

4. Вспомогательный угол в плане φ₁ – назначение: в основном играет роль калибрующего и зачищающего фактора для обрабатываемой поверхности, полученной в результате работы главной режущей кромки. С уменьшением φ₁ положительное влияние возрастает. Но это требует жесткости системы и отсутствия вибраций. Рекомендуется:

   • при жестких условиях φ₁=10…15°;

   • при нежестких условиях φ₁=20…25°;

   • для прорезных и отрезных резцов φ₁=1…3°.

5. Радиус закругления вершины при вершине резца r – это сопряжение главной режущей и вспомогательной режущей кромок. Назначение – повысить прочность режущей кромки у вершины, повысить стойкость резца, уменьшить шероховатость обработанной поверхности. Недостаток – увеличение радиуса закругления приводит к резкому возрастанию сил отжима резца от заготовки и возникновению вибраций. Рекомендуется:

   • для токарных резцов r=0,5…3 мм;

   • для строгальных резцов r=1…6 мм.

Углы резца в процессе резания

Углы резца в статическом состоянии – это углы, полученные после заточки в соответствии с назначенной для них величиной. Углы резца в динамическом состоянии, то есть в процессе резания, отличаются от углов в статическом состоянии. Рассмотрим значения главного заднего угла α и главного переднего угла γ в динамическом состоянии, то есть в процессе резания. Обработка производится проходным упорным резцом с φ=90° и λ=0°.

При продольном точении, когда заготовка вращается, а резец имеет движение продольной подачи, поверхность резания представляет собой винтовую поверхность.

Действительная плоскость резания К–К расположена относительно теоретической плоскости резания К₀–К₀ под некоторым углом μ, представляющим собой угол подъема винтовой поверхности и поэтому α_дин=α_ст–μ и γ_дин= γ_ст–μ, где α_{дин ,} γ_дин – углы в процессе резания (в динамике); α_ст, γ_ст – углы заточки (в статике) (рис. 22, а).

Винтовая линия при развертывании ее на плоскости представляет собой гипотенузу прямоугольного треугольника (рис. 22, б):

.

С увеличением подачи и уменьшением диаметра μ – увеличивается. При φ≠90°, когда направление подачи не совпадает с положением главной секущей плоскости, α_дин и γ_дин будут отличаться от α_ст и γ_ст на угол μ_φ:

tg μ_φ=tg μ·sin φ.

П ри точении с S≤ 2 мм/об угол μ измеряется в минутах и в расчетах не учитывается.

Учитывается μ:

• при отрезных работах;

• расточных работах;

• при нарезании резьб с большим шагом на тонких винтах;

• при затыловании задних поверхностей фасонных фрез.

Углы резца в динамическом состоянии отличаются от углов в статическом состоянии и в тех случаях, когда вершина резца смещена относительно линии центра детали(см. рис. 23).

Следовательно:

α_дин=α_ст –μ_φ τ_φ,

γ_дин=γ_ст +μ_φ τ_φ,

где , причем принимают для α_дин: +τ – если вершина резца расположена ниже центра обрабатываемой заготовки, –τ – если установка выше центра; для γ_дин – наоборот; h – величина смещения от центра.

При φ≠90°:

τ_φ φ.