2. Выбор режимов резания при токарной обработке в судовой механической мастерской

1. Цель работы

Приобретение практических навыков в выборе режимов обработки деталей на токарных станках в условиях судовой механической мастерской.

2. Знания и практические навыки, получаемые при выполнении работы

В результате выполнения работы курсант должен:

знать — основные элементы режима резания и методику их выбора при токарной обработке;

уметь — выбирать инструмент для обработки детали на токарном станке и его оптимальную геометрию, определять кинетические параметры обработки и настраивать станок для их реализации.

3. Общие положения

3.1. Принципы выбора режимов обработки резанием

Обработка резанием широко применяется при изготовлении и восстановлении деталей в условиях судовой механической мастерской (валы, диски, оси, кольца, втулки, гайки, муфты и др.). Ее основным преимуществом перед другими видами обработки является высокая точность получаемых деталей, недостижимая при других технологических операциях. Основой для реализации этого преимущества является правильный выбор оптимальных элементов режима резания как совокупности контролируемых при обработке параметров.

О ни зависят от многих факторов (физико-механических свойств обрабатываемого материала, жесткости системы СПИД "станок – приспособление – инструмент – деталь", требуемого качества поверхности и пр.) и могут быть сведены в 3 группы (рис. 2.1).

При выборе режима и фактическом проведении обработки резанием эти группы элементов взаимодействуют друг с другом. Это, в конечном счете, определяет качество обработанной детали и надежность соответствующего узла или механизма судна.

Рассмотрим детально отдельные элементы, входящие в состав указанных групп.

3.2. Элементы режима резания, определяемые чертежом изготавливаемой (восстанавливаемой) детали

Чертеж (эскиз) детали, подлежащей изготовлению, содержит важную для выбора элементов режима резания исходную информацию. Прежде всего, она позволяет выбрать необходимые для формирования поверхностей детали резцы (рис. 2.2).

Наиболее часто применяют проходные и упорные проходные резцы. Первые – для проточки гладкой наружной поверхности "на проход" деталей большой жесткости. Вторые – для обработки цилиндрической поверхности на деталях малой жесткости (условно , где L и D – длина и диаметр обрабатываемой поверхности соответственно). Торцовые поверхности формируют подрезными или проходными отогнутыми резцами при поперечной подаче. Для прорезания канавок в детали используют прорезные (канавочные), а для ее отрезания от прутка – отрезные резцы. Резьбовые резцы позволяют нарезать различные резьбы, преимущественно наружным диаметром 30…40 мм и больше. Иногда для получения поверхностей вращения со сложной образующей, на токарных станках применяют фасонные резцы.

Резцы, предназначенные для обработки внутренних поверхностей, называют расточными с указанием характера выполняемой работы: расточной упорный, расточной канавочный и др. При выборе инструмента этой группы важны длина и диаметр отверстия в детали – они определяют размеры резцов.

П осле выбора типа резца необходимо обратить внимание на материал его режущей части – как правило, он отличается от материала державки (табл. 2.1).

Таблица 2.1 – Основные свойства и область применения

материалов режущей части инструментов

Материал, тип	Твердость HV, ГПа	Тепло- стойкость, 0С	Относительная скорость резания	Область применения
Углеродистые и низколегированные стали (У10А, ХВГ)	12…13	200…270	1 (0,3 м/с)	Напильники, зубила, шаберы, метчики, плашки, ножовочные полотна и др.
Быстрорежущие стали (Р18, Р6М5)		600…650	2,5	Резцы, сверла, зенкеры, развертки, фрезы и др. или только их режущая часть
Твердые сплавы (ВК8, Т15К6)	16…28	850…950	8…10	Режущая часть резцов, зенкеров, разверток, фрез и др.
Алмазы (А, АС)	98,7	700	3…4	Режущие элементы различных резцов, карандаши для правки абразивных кругов
Эльбор	90,7	1300	12…15

Так как скорости обработки на современных металлорежущих станках велики, то углеродистая и низколегированная сталь для режущей части инструмента не применяется. Наиболее часто для нее используют пластинки из металлокерамических твердых сплавов, представляющих собой композицию карбидов вольфрама, титана и тантала, объединенных кобальтовой связкой. Пластинки напаиваются или механически крепятся к державке. На ее боковую сторону цифровыми и буквенными клеймами наносится конкретная марка твердого сплава, выбираемого с учетом материала обрабатываемой детали (см. табл. 2.2).

Таблица 2.2 – Марки твердого сплава

для различных условий токарной обработки

Вид и характер обработки	Марка твердого сплава для обработки
	углеродистой и низколегированной стали	закаленной стали	коррозионно-стойкой стали (нержавеющей)	чугуна		цветных металлов и их сплавов
				НВ≤2400 МПа	НВ>2400 МПа
Черновое точение по корке и окалине при прерывистом резании с ударами	Т5К10 ВК8	-	Т5К12 ВК8	ВК8 ВК4	ВК8	ВК8 ВК6 ВК4
То же, при непрерывном резании без ударов	Т15К6 Т14К8		ВК4 ВК8	ВК8 ВК6 ВК4	ВК6 ВК4	ВК4 ВК6
Чистовое точение при прерывистом резании	Т15К6 Т14К8 Т5К10	Т5К10 ВК4 ВК8			ВК6М	ВК3 ВК4
Чистовое точение при непрерывном резании	Т30К4	Т30К4 Т15К6 ВК6М	ВК6М	ВК3 ВК3М	ВК6М ВК3	ВК3 ВК3М

Продолжение табл. 2.2

Отрезка и прорезка канавок	Т15К6 Т14К8 Т5К10	ВК6М ВК4		ВК8 ВК6 ВК4		ВК4 ВК3 ВК3М
Нарезание резьбы резцом	Т15К6	ВК6М ВК4	ВК6М	ВК3 ВК4	ВК6М ВК3

Анализ приведенных данных показывает, что при выборе марки твердого сплава имеется тенденция к увеличению доли кобальтовой связки при обработке, сопровождающейся неравномерными и ударными нагрузками. Так, марка Т5К12 содержит около 12 % Со, марка ВК8 – только 8 % Со. Это несколько снижает режущую способность инструмента, зато значительно уменьшает его выкрашивание. Помимо этого, существуют достаточно универсальные режущие материалы, позволяющие выполнять широкий круг работ. К ним относятся, прежде всего, сплавы Т5К10, Т30К6, ВК8, ВК4. Это обстоятельство особо важно, так как позволяет существенно упростить организацию снабжения судна.

3.3. Геометрические элементы режима при токарной обработке

П од геометрией резца понимают совокупность образующих его режущую часть конструктивных элементов (углов, величины и формы кромок, радиуса их сопряжения и др.), позволяющих эффективно осуществлять обработку на станке (рис. 2.3). Изготавливающие режущий инструмент заводы производят его стандартную, однотипную заточку, не учитывающие особенности конкретной работы и обрабатываемого материала. Поэтому в судовой механической мастерской часто производят его переточку в соответствии с выполняемым в настоящее время заданием. Аналогичная задача стоит и при заточке резцов, затупившихся во время работы.

Выбор геометрии токарных резцов начинают с главного угла в плане φ – угла, образуемого главной режущей кромкой резца и направлением продольной подачи. Как правило, этот угол при переточке не изменяется. Его величина зависит вида выполняемой работы и жесткости детали – способности сопротивляться изгибающему действию силы резания. Чаще всего для деталей средней и большой жесткости берут резцы с φ = 45⁰. При обработке же длинных изделий небольшого диаметра используют проходные упорные резцы с углом φ = 90⁰.

Вспомогательный угол в плане φ₁ корректируют в интервале от 2…5⁰ до 30⁰: малые значения используют для получения поверхностей с низкой шероховатостью (высотой микронеровностей), большие – для уменьшения прогиба детали при точении и повышения точности обработки.

Основное внимание при заточке уделяют углам, лежащим в главной секущей плоскости (табл. 2.3). Передний угол γ – двугранный угол, образованный передней поверхностью резца (по ней сходит стружка) и плоскостью, параллельной основной (на ней лежит резец). Задний угол α – угол между задней поверхностью резца (обращена к детали) и плоскостью резания (образована главной режущей кромкой и вектором скорости резания).

На величину этих углов большое влияние оказывает материал режущей части резца и свойства обрабатываемого материала (табл. 2.3). Так, в зависимости от указанных факторов заточка переднего угла может производиться в интервале –10…25⁰ (при отрицательных значениях вершина резца является самой низкой точкой главной режущей кромки). Для угла α это влияние менее заметно.

Таблица 2.3 – Рекомендуемые углы заточки углов в главной секущей

плоскости в зависимости от материала обрабатываемой детали и режущей части резцов

Материал обрабатываемой детали	Значения углов заточки, град
	Быстрорежущая сталь		Твердый сплав
	γ	α	γ	α
Конструкционная сталь с пределом прочности, МПа:
σв≤600	25	6…12	12…25	8…12
600<σв≤1000	20	8…12	10	8…12
σв>1000	- 10	8…12	-10	10
Жаропрочные стали и сплавы	20	8	10	10
Чугуны	5	8…10	5	8…10
Медь, алюминий и их сплавы	12	8…12	12	8…12
Примечание: меньшие значения углов соответствуют черновой обработке, большие - чистовой

Дополнительно следует помнить о том, что получению гладкой поверхности при токарной обработке способствует вершины резца по радиусу – от 0,5 мм и более.

3.4. Кинематические элементы режима токарной обработки

К кинематическим элементам режима следует отнести такие параметры обработки, которые характеризуют исходную установку резца относительно детали и его перемещения, обеспечивающие непрерывность снятия стружки - глубину и скорость резания, подачу.

Выбор этих контролируемых факторов начинают с глубины резания t – толщины срезаемого с заготовки за 1 проход слоя материала. При токарной обработке на судах она обычно выбирается в пределах 0,5…5 мм и может быть рассчитана по формуле:

,

где D и d – диаметры обрабатываемой и обработанной поверхностей заготовки (детали) соответственно (см. рис. 2.3). При этом учитывают, что избыточный слой материала – припуск – удаляется обычно за 2 и более проходов.

Подача S характеризует перемещение режущей кромки резца относительно заготовки за один оборот (мм/об). В зависимости от направления ее перемещения она может быть продольной (см. на рис. 2.3) или поперечной.

При черновом обтачивании подача возрастает с увеличением глубины резания и диаметра обрабатываемой поверхности (табл. 2.4). При чистовом – основное влияние на выбор оказывает требуемая шероховатость поверхности детали (табл. 2.5).

После выбора глубины резания и подачи переходят к определению скорости резания V. Это – длина пути, проходимого режущей кромкой инструмента относительно поверхности резания (соединяет обрабатываемую и обработанную поверхности) в единицу времени (м/с):

,

где D – диаметр заготовки, мм;

п – частота вращения шпинделя станка, об/мин.

Таблица 2.4 – Подача при продольном черновом обтачивании (мм/об)

Глубина резания, мм	Диаметр обрабатываемой детали, мм
	До 18	18…30	31…50	51…80	81…120	121…180	181…260	Свыше 260
1	0,1…0,3	0,1…0,3	0,1…0,3	0,1…0,3	0,1…0,3	0,1…0,3	-	-
2	0,1…0,3	0,4…0,5	0,5…0,6	0,6…0,8	0,6…0,9	0,6…0,9	0,6…0,9	-
3	0,1…0,3	0,4…0,7	0,6…1,0	0,6…0,9	0,7…1,1	0,8…1,2	0,8…1,3	-
4	0,2…0,4	0,3…0,6	0,5…0,9	0,7…1,1	0,9…1,3	0,9…1,5	1,2…1,6	-
6	-	0,2…0,5	0,4…0,8	0,8…1,0	0,8…1,2	1,3…1,7	1,6…2,0	-
8	-	-	0,3…0,7	0,5…0,9	0,7…1,1	1,0…1,4	1,3…1,8	1,6…2,2
12	-	-	-	-	0,5…0,9	0,8…1,2	1,1…1,6	1,4…2,0

Таблица 2.5 – Подача при продольном чистовом обтачивании (мм/об)

Радиус при вершине, мм	Шероховатость поверхности, мкм
	Rz ≥ 20…40	Ra = 3,2…6,3	Ra ≤1,6…3,2
0,5	0,30…0,50	0,20…0,35	0,10…0,20
1,0	0,45…0,60	0,25…0,45	0,12…0,39
2,0	0,55…0,70	0,30…0,55	0,15…0,40

Скорость резания при токарной обработке зависит от многих факторов и может быть выражена следующей формулой:

,

где V_табл – табличное значение скорости резания (табл. 2.1);

К₁ – коэффициент, зависящий от марки материала детали (табл. 2.6);

К₂ – коэффициент, учитывающий состояние материала детали и ее поверхности (табл.2.7);

К₃ – коэффициент, зависящий от главного угла в плане (табл. 2.8);

К₄ – коэффициент, учитывающий условия охлаждения при обработке (табл. 2.9).

Сравнительный анализ табличных данных показывает, что наибольшее влияние на расчетную скорость резания оказывает обрабатываемость материалов, учитываемая коэффициентом К₁. Для коэффициента К₄ рекомендуются лишь два фиксированных значения: а) при обработке всех материалов (кроме чугуна) без охлаждения К₄ = 0,75; б) при использовании охлаждения К₄ = 1,0. Чугун всегда обрабатывается резанием без охлаждения.

Таблица 2.6 – Значения коэффициента К₁,

учитывающего марку материала детали

Материал обрабатываемой детали	Значения К1
Конструкционная сталь с пределом прочности, МПа:
σв≤600	1,0
600<σв≤1000	0,8…0,9
σв>1000	0,6…0,8
Жаропрочные стали и сплавы	0,5…0,8
Чугуны	0,7…1,0
Медь и сплавы на ее основе	0,7…2,0
Алюминий и сплавы на его основе	0,8…1,2

Таблица 2.7 – Значения коэффициента К₂,

учитывающие состояние поверхности заготовки

Без корки	С коркой
	Прокат	Поковка	Отливки стальные и чугунные при корке		Сплавы меди и алюминия
			нормальной	загрязненной
1,0	0,9	0,8	0,8…0,85	0,5…0,6	0,9

Таблица 2.8 – Значения коэффициент К₃,

зависящие от главного угла в плане

Материал детали	Угол , град.	К3
Сталь	30	1,26
	45	1,00
	60	0,84
	90	0,66
Чугун, цветные металлы и сплавы на их основе	30	1,20
	45	1,00
	60	0,88
	90	0,73

После выбора всех необходимых коэффициентов и нахождения расчетной скорости резания нужно найти соответствующую ей расчетную частоту вращения шпинделя станка:

,

а затем перейти к настройке станка с учетом его паспортных данных (табл. 2.9).

Таблица 2.9 – Основные паспортные данные токарных станков,

устанавливаемых на морских судах

Техническая характеристика	Модель станка
	16К20	1М16
Мощность главного электродвигателя, кВт	10	7
Высота центров, мм	200	160
Расстояние между центрами, мм	2000	1000
Частота вращения шпинделя, об/мин	12,5-16-20-25-31,5-40-50-63-80-100-125-160-200-250-315-400-500-630-800-1000-1250-1600	12,5-16-20-25-22-35,5-45-56-63-80-100-125-160-200-250-315-355-450-560-710-800-1000-1250-1600
Продольная подача, мм/об	0,05-0,06-0,075-0,09-0,1-0,125-0,15-0,175-0,2-0,25-0,3-0,35-0,4-0,5-0,6-0,7-0,2-1-1,2-1,4-1,5-2-2,4-2,8	0,02-0,09-0,10-0,11-0,12-0,13-0,15-0,17-0,19-0,21-0,23-0,25-0,29-0,33-0,32-0,42-0,46-0,50-0,52-0,66-0,76-0,84-0,92-1,0-1,2-1,32-1,44-1,56-1,90
Поперечная подача, мм/об	Значения подачи равны ½ продольной

3.5. Настройка токарного станка для обработки по выбранному режиму

Настройка станка заключается в закреплении выбранных резцов в резцедержателе и установке рукояток управления коробками скоростей и подач в заданное положение. Так как устанавливаемые в судовых механических мастерских станки, как правило, имеют ступенчатое регулирование (табл. 4.9), то положение рукояток должны обеспечивать:

• действительную подачу в пределах выбранного интервала,

• действительную частоту вращения (скорость резания), равную или ближайшую меньшую к расчетной: n_действ ≤ n_расч.