Проектирование инструментов и оборудования. Учебное пособие, Часть 1. Пачевский В.М., Корнеев В.И

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Воронежский государственный технический университет

В.М. Пачевский В.И. Корнеев

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНСТРУМЕНТОВ И ОБОРУДОВАНИЯ

Часть 1

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2003

УДК 621.7.669

Пачевский В.М., Корнеев В.И. Проектирование инструментов и оборудования: Учеб. пособие, Часть 1. Воронеж: Воронеж. гос.

техн. ун-т, 2003. 136 с.

В учебном пособии представлены основные материалы по разделу «Проектирование режущих инструментов» курса «Проектирование инструментов и оборудования», включающие следующие темы: инструментальные материалы; основные принципы работы и конструктивные элементы режущих инструментов; общие вопросы конструирования режущих инструментов; расчет и конструирование токарных резцов, осевых инструментов, фрез, резьбовых, зуборезных и других инструментов. Пособие предназначено для студентов специальности 220300 «Системы автоматизированного проектирования» дневной и заочной форм обучения и соответствует рабочей программе дисциплины «Проектирование инструментов и оборудования».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD и содержится в файле «Пособие ПИО Ч1».doc.

Табл. 10. Ил. 49. Библиогр.: 7 назв.

Научный редактор проф. В.М. Пачевский Рецензенты: Кафедра «Технология машиностроения» ВГТУ;

д-р техн. наук, проф. Бреев Ю.М.

©Пачевский В.М., Корнеев В.И., 2003

©Оформление. Воронежский государственный технический университет, 2003

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие разработано в связи с введением дисциплины «Проектирование инструментов и оборудования» в учебный план подготовки инженеров по специальности 220300 «Системы автоматизированного проектирования». Изучение этой дисциплины должно дать будущим специалистам сведения, необходимые при разработке современных технологических процессов и проектировании станков и инструментов.

Учебное пособие, подготовлено к изданию в электронной версии в трех частях:

1.Проектирование режущих инструментов;

2.Проектирование технологической оснастки;

3.Проектирование металлорежущих станков и станочных сис-

тем.

Впервой части рассмотрены: инструментальные материалы; основные принципы работы и конструктивные элементы режущих инструментов; общие вопросы конструирования режущих инструментов; расчет и конструирование токарных резцов, осевых инструментов, фрез, резьбовых, зуборезных и других инструментов.

Во второй части рассматриваются виды технологической оснастки и методы ее проектирования; принципы расчета точности приспособлений, сил закрепления; выбор силовых устройств; вопросы проектирования вспомогательного инструмента и загрузочноориентирующих устройств.

Втретьей части рассмотрены этапы проектирования станков; вопросы оптимизации проектных решений; компоновка станков; выбор технических характеристик станков; приводы главного движения и подач; классификация и основные типы станочных систем и другие вопросы.

3

1.ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1Основные свойства инструментальных материалов

Для изготовления рабочей части режущих инструментов применяют пять групп инструментальных материалов: инструментальные углеродистые и легированные стали, быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамику и сверхтвердые материалы.

В процессе резания инструменты испытывают большие удельные усилия, подвергаются нагреву и износу, поэтому инструментальные материалы должны обладать определенными физикомеханическими и технологическими свойствами, из которых основными являются: твердость, прочность и пластичность, теплостойкость и теплопроводность, сопротивляемость схватыванию с обрабатываемым материалом, износостойкость, а также закаливаемость и прокаливаемость (для инструментальных сталей), устойчивость против перегрева и окисления, свариваемость или способность к соединению пайкой, склонность к образованию трещин при пайке и шлифуемость.

От указанных свойств этих материалов зависят такие важные технологические показатели, как производительность обработки резанием, стойкость, надежность инструмента и др.

Практически не существует таких материалов, которые бы обладали одновременно высокими твердостью, прочностью, тепловыми характеристиками и т. д.

Чтобы правильно выбрать инструментальный материал для конкретных условий обработки или правильно использовать имеющийся материал при отсутствии возможности такого выбора, необходимо знать влияние его свойств на процесс резания.

Твердость. Осуществление процесса резания возможно в том случае, если твердость режущего инструмента значительно выше твердости обрабатываемого материала. Чем выше твердость инструмента, тем выше его стойкость и скорость резания. С увеличением твердости повышается сопротивляемость инструмента меха-

4

ническому износу и более длительное время сохраняется острота режущей кромки.

Однако не для всех инструментов и условий обработки целесообразно выбирать инструментальный материал с наивысшей твердостью, так как с ее увеличением повышаются хрупкость и склонность к образованию трещин при пайке и заточке, ухудшается шлифуемость. Поэтому при выборе инструментального материала необходимо учитывать не только твердость, но и другие его свойства.

Прочность. В процессе резания на инструмент действуют силы, которые подвергают его сжатию, изгибу, скручиванию и другим видам деформации. Способность инструмента сопротивляться деформации является очень важным свойством и характеризуется пределом прочности. Понятие прочности инструмента имеет двоякое значение: прочность режущих элементов, находящихся в зоне резания и подвергающихся воздействию сходящей стружки и образующегося тепла, и прочность нережущих элементов инструмента. В первом случае прочность характеризует такие режущие свойства инструмента, как сопротивление хрупкому и пластическому разрушению режущей части; во втором — жесткость, виброустойчивость и надежность инструмента в целом.

Теплостойкость. Механические свойства инструментального материала изменяются под воздействием температуры резания. С увеличением температуры выше определенного значения твердость и прочность материала уменьшаются и достигают таких значений, когда инструмент начинает быстро размягчаться, изнашиваться и теряет свою режущую способность.

Температура, до которой инструментальный материал сохраняет свою режущую способность, называется теплостойкостью (в государственных стандартах на инструментальные и быстрорежущие стали применяют термин «красностойкость», который идентичен с термином «теплостойкость»).

Для быстрорежущих сталей и твердого сплава это температура, при которой твердость снижается до HRA 58…60.

5

Учитывая, что температура режущего лезвия в значительной мере зависит от скорости резания (повышается с увеличением последней), материалы, имеющие бóльшую теплостойкость, даже при равной твердости могут работать с более высокими скоростями резания и обрабатывать более твердые материалы.

Теплопроводность — этой свойство, влияющее на температуру режущего лезвия в процессе обработки. Чем выше теплопроводность, тем лучше отводится тепло из зоны контакта инструмента с обрабатываемым материалом и тем меньше температура резания. Кроме того, материалы с большей теплопроводностью меньше склонны к образованию трещин при заточке и пайке.

Адгезионная стойкость — это устойчивость против схватывания. Низкая адгезионная стойкость инструментального материала приводит к увеличению интенсивности износа инструмента, особенно при высоких температурах и давлениях в зоне резания.

Износостойкость — это свойство инструментального материала сопротивляться механическому, тепловому и химическому воздействию обрабатываемого материала в процессе резания. Важнейшими факторами, влияющими на износостойкость, являются рассмотренные выше свойства — твердость, теплостойкость, теплопроводность, адгезионная стойкость.

При выборе инструментального материала необходимо стремиться к оптимальному значению его износостойкости с учетом химического состава и прочности, обрабатываемого материала, характера операции и конструкции инструмента, жесткости оборудования, возможности применения СОЖ и др.

Физико-механические свойства основных групп инструментальных материалов приведены в табл. 1.

6

Таблица 1 Физико-механические свойства основных групп

инструментальных материалов

1.2. Инструментальные стали

По химическому составу, степени легированности инструментальные стали разделяют на инструментальные углеродистые, инструментальные легированные и быстрорежущие стали. Физикомеханические свойства этих сталей при нормальной температуре достаточно близки, различаются они теплостойкостью и прокаливаемостью при закалке.

Распад мартенсита при нагреве (во время резания) закаленных углеродистых сталей происходит при температуре 200 °С. В легированных и быстрорежущих сталях разупрочнение мартенсита сдерживается наличием легирующих элементов. В инструментальных легированных сталях массового содержания легирующих элементов недостаточно, чтобы связать весь углерод в карбиды, поэтому теплостойкость сталей этой группы лишь на 50...100 °С превышает теплостойкость инструментальных углеродистых сталей. В быстрорежущих сталях стремятся связать весь углерод в карбиды легирую-

7

щих элементов, исключив при этом возможность образования карбидов железа. За счет этого разупрочнение быстрорежущих сталей происходит при более высоких температурах.

1.2.1. Инструментальные углеродистые стали

Инструментальные углеродистые стали обозначаются буквой У, за ней следует цифра, характеризующая массовое содержание углерода в стали, умноженное на 10. Буква А в конце соответствует высококачественным сталям с пониженным массовым содержанием примесей. Эти стали приобретают высокую твердость после термической обработки (60...62 НRСэ), однако эта твердость при сравнительно невысокой температуре (200...250 °С) в зоне резания резко падает. Стали имеют ограниченное применение, так как допустимые скорости резания не превышают 15…18 м/мин. Из этих сталей изготовляют метчики, плашки, развертки и другие режущие инструменты, работающие с малыми скоростями резания.

1.2.2. Инструментальные легированные стали

Инструментальные легированные стали обозначаются цифрой, характеризующей массовое содержание углерода в десятых долях процента (если цифра отсутствует, содержание углерода 1 %), за которой следуют буквы, соответствующие легирующим элементам (Г

— марганец, Х — хром, С — кремний, В — вольфрам, Ф — ванадий), и цифры, обозначающие содержание элемента в процентах.

Легированные инструментальные стали, вследствие наличия легирующих элементов обладают по сравнению с углеродистыми сталями повышенной вязкостью в закаленном состоянии, более глубокой прокаливаемостью, меньшей склонностью к деформациям и трещинам при закалке.

Режущие свойства легированных сталей несколько выше, чем углеродистых. Допустимые скорости резания 15…25 м/мин. Для из-

8

готовления протяжек, сверл, метчиков, плашек, разверток используют стали 9ХВГ, ХВГ, ХГ, 6ХС, 9ХС и др.

1.2.3. Быстрорежущие стали

Быстрорежущие стали обозначаются буквами, соответствующими карбидообразующим и легирующим элементам (Р — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, А — азот, К — кобальт, Т — титан, Ц — цирконий). За буквой следует цифра, обозначающая среднее массовое содержание элемента в процентах. Массовое содержание азота указывается в сотых долях процента. Цифра, стоящая в начале обозначения стали, указывает содержание углерода в десятых долях процента.

Режущие свойства быстрорежущих сталей определяются объемом основных карбидообразующих элементов — вольфрама, молибдена, ванадия — и легирующих элементов — кобальта, азота. Ванадий в связи с малым массовым содержанием (до 3 %) обычно не учитывается, и режущие свойства сталей определяются, как правило, вольфрамовым эквивалентом, равным (W + 2Мо) %. Эти стали могут работать со скоростями резания до 80 м/мин.

Взависимости от химического состава быстрорежущие стали разделены на вольфрамовые, вольфрамомолибденовые, молибденовые, стали с высоким содержанием ванадия (вольфрамованадиевые), кобальтовые, а также безвольфрамовые стали.

По эксплуатационным свойствам современные быстрорежущие стали можно классифицировать на три группы: обычной (теплостойкость 620° С), повышенной (630…640°С) и высокой (700…725°С) производительности.

Впервую группу входят вольфрамовые, вольфрамомолибденовые и безвольфрамовые стали; во вторую — вольфрамованадиевые, вольфрамомолибденовые с повышенным содержанием углерода и кобальтовые; в третью — стали с интерметаллидным упрочнением.

Быстрорежущие стали Р18 и Р9 хорошо сохраняют твердость 62...64 HRCэ при многократном нагреве до 615...620 °С и особенно

9

эффективны для обработки сталей с пределом прочности до 900...1000 МПа и чугунов с твердостью НВ 270...280.

Сталь Р18 в большинстве случаев превосходит сталь Р9 по производительности при резании конструкционных сталей повышенной прочности. Основное преимущество стали Р18 — меньшая чувствительность к перегреву, кроме того, она лучше обрабатывается шлифованием, чем Р9. Поэтому, несмотря на большую стоимость стали Р18, ее следует применять для инструментов, подвергающихся значительному, профильному шлифованию.

Сталь Р9 рекомендуют для изготовления инструментов простой формы (резцов, фрез, зенкеров). Для фасонных и сложных инструментов (для нарезания резьб и зубьев), для которых основным требованием является высокая износостойкость, рекомендуют использовать сталь Р18.

Сравнительно новой является быстрорежущая сталь Р12, в которой сочетаются несколько более высокие прочность, пластичность и красностойкость. Режущие свойства стали Р12 чуть выше, чем у стали Р18, в инструментах с тонкой рабочей кромкой (протяжки, метчики, фрезы и т. п.) и немного ниже в инструментах простой формы, например резцах для обработки более твердых материалов. Сталь Р12 на 30% дешевле, чем сталь Р18, и применяется для изготовления всех видов инструмента.

Кобальтовые быстрорежущие стали (Р9К5, Р9К10) применяют для обработки деталей из труднообрабатываемых коррозионностойких и жаропрочных сталей и сплавов, в условиях прерывистого резания, вибраций, недостаточного охлаждения.

Ванадиевые быстрорежущие стали (Р9Ф5, Р14Ф4) рекомендуют для изготовления инструментов для чистовой обработки (протяжки, развертки, шеверы). Их можно применять для обработки труднообрабатываемых материалов при срезании стружек небольшого поперечного сечения.

Вольфрамомолибденовые стали (Р9М4, Р6М5) используют для инструментов, работающих в условиях черновой обработки, а также

10