2.3. Геометрические параметры инструмента

Режущая часть резца имеет форму клина, заточенного под определенными углами. Для определения углов резца при точении устанавливаются исходные плоскости: плоскость резания и основная плоскость.

Плоскостью резания при точении называется плоскость, касательная к поверхности резания и проходящая через главную режущую кромку (на рис. 2.6 показан след этой плоскости).

Основной плоскостью при точении называется плоскость, параллельная продольному (параллельно оси заготовки) и поперечному (перпендикулярно к оси заготовки) перемещению. У токарных резцов с призматическим телом за эту плоскость может быть принята нижняя (опорная) поверхность резца (см. рис. 2.6).

Главные углы резца измеряются вглавной секущей плоскости, т.е. в плоскости, перпендикулярной проекции главной режущей кромки на основную плоскость. К главным углам резца относятся задний угол, угол заострения, передний угол и угол резания (см. рис. 2.6).

Рис. 2.6. Поверхности заготовки и углы резца

Главным задним углом α называется угол между касательной к главной задней поверхности резца в рассматриваемой точке режущей кромки и плоскостью резания. При плоской задней поверхности резца можно сказать, что α – угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания. Задние углы уменьшают трение задних поверхностей инструмента о поверхность резания и обработанную поверхность.

Углом заострения β называется угол между передней и главной задней поверхностями резца.

Главным передним углом γ называется угол между передней поверхностью резца и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания и проходящей через главную режущую кромку. Он может бытьположительным(+γ), когда передняя поверхность направлена вниз от плоскости, перпендикулярной плоскости резания;равным нулю, когда передняя поверхность перпендикулярна плоскости резания, иотрицательным(–γ), когда передняя поверхность направлена вверх от плоскости, перпендикулярной плоскости резания. Положительный передний угол делается для облегчения процесса резания (стружкообразования) и более свободного схода стружки по передней поверхности. Однако на практике угол +γ не всегда оказывается лучшим, и его приходится уменьшать (до 0, а иногда делать отрицательным).

Углом резания δ называется угол между передней поверхностью резца и плоскостью резания.

При положительном значении угла γ между углами клина существуют следующие зависимости:

α + β + γ = 90°; α + β = δ;

δ + γ = 90°; δ = 90° – γ.

При отрицательном значении угла γ угол δ > 90°.

Кроме рассмотренных главных углов, резец характеризуется и другими углами: вспомогательным задним и передним в плане, а также углом наклона главной режущей кромки λ (см. рис.2.6 и 2.7).

а)б)в)

Рис. 2.7. Углы наклона главной режущей кромки резца λ: а) положительный; б) равен нулю; в) отрицательный

Вспомогательным задним углом α₁ называется угол между вспомогательной задней поверхностью и плоскостью, проходящей через вспомогательную режущую кромку перпендикулярно к основной плоскости. Вспомогательный задний угол измеряется во вспомогательной секущей плоскости, перпендикулярной проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость. В этой же плоскости рассматривается и вспомогательный передний угол γ₁.

Главным углом в плане φ называется угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи. Угол φ делается для того, чтобы главная режущая кромка могла воздействовать на глубину срезаемого слоя; он влияет на износостойкость резца.

Вспомогательным углом в плане φ₁ называется угол между проекцией и направлением подачи; он делается для исключения трения на большей части вспомогательной режущей кромки.

Углом при вершине в плане ε называется угол между проекциями режущих кромок на основную плоскость; в сумме φ + ε + φ₁ = = 180°.

Углом наклона главной режущей кромки λ называется угол, заключенный между режущей кромкой и линией, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости. Этот угол измеряется в плоскости, проходящей через главную режущую кромку перпендикулярно к основной плоскости (см. рис. 2.6 и 2.7). Угол наклона главной режущей кромки считается отрицательным, когда вершина резца является наивысшей точкой режущей кромки (см. рис. 2.7,а); равным нулю – при главной режущей кромке, параллельной основанию плоскости (см. рис. 2.7,б), и положительным, когда вершина резца является наинизшей точкой режущей кромки (см. рис. 2.8,в). Угол λ делается для изменения направления стружки; он влияет на прочность головки резца и режущей кромки.

Статические углы. Углы резца как геометрического тела измеряются в предположении, что вершина лезвия находится на уровне центров станка, ось резца перпендикулярна направлению движения подачи , совершается только главное движение резания со скоростьюV, относительно которой и ориентируется статическая система координат.

а)

б)

Рис. 2.8. Геометрические параметры системы резания:

а) обработка плоскостей; б) обработка тел вращения

Ниже приводятся общие определения углов лезвия резца.

Главный передний угол  – угол в главной секущей плоскости между передней поверхностьюлезвия и основной плоскостью (рис. 2.8, 2.9).

Главный задний угол –угол в главной секущей плоскости между задней поверхностьюлезвия и плоскостью резания (см. рис. 2.8, 2.9).

Угол заострения – угол в главной секущей плоскости между переднейи заднейповерхностями лезвия (см. рис. 2.8, 2.9).

Рис. 2.9. Статические углы токарного резца

Главный угол в плане (см. рис. 2.9) – угол в основной плоскости между плоскостью резания и рабочей плоскостью. Можно дать более простое определение этого угла: главный угол в плане – угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения подачи.

Вспомогательный угол в плане (см. рис. 2.9) – угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения подачи.

Угол наклона главной режущей кромки – угол в плоскости резания между режущей кромкой и основной плоскостью (см. рис. 2.7, 2.9).

Углы режущей части резца, как и любого другого инструмента, влияют на процесс резания. Правильно назначив углы резца, можно значительно уменьшить интенсивность износа его режущей части (увеличить стойкость) и обработать в единицу времени большее количество деталей. От величины углов резца зависит также величина сил, действующих при резании на технологическую систему станок – приспособление – инструмент – заготовка (СПИ3), потребная мощность станка и качество обработанной поверхности.

Задний угол служит для уменьшения трения между задней поверхностью резца и поверхностью резания. С уменьшением трения уменьшается нагрев резца, а следовательно, и его износ со стороны задней поверхности. Однако, если задний угол значительно увеличен, резец получается менее прочным.

При выборе заднего угла приходится считаться со свойствами обрабатываемого материала и материала инструмента, а также с условиями резания. При обработке мягких и вязких металлов задний угол резца принимают обычно большим, для твердых и хрупких металлов – меньшим.

На практике величину заднего угла выбирают в пределах 6...12°.

Передний угол имеет большое значение в процессе образования стружки. С увеличением переднего угла облегчается врезание резца в металл, уменьшается деформация срезаемого слоя, облегчается сход стружки, уменьшаются сила резания и расход мощности. Вместе с тем увеличение переднего угла приводит к уменьшению угла , т.е. к ослаблению режущего клина и снижению его прочности, что вызывает увеличение износа резца как вследствие выкрашивания режущей кромки, так и вследствие менее интенсивного отвода тепла от поверхностей нагрева резца. Поэтому при обработке твердых и хрупких металлов с целью повышения прочности и стойкости инструмента следует применять меньшие передние углы; при обработке мягких и вязких металлов передние углы имеют большие значения.

Вследствие повышенной хрупкости твердых сплавов и минералокерамики для инструмента, оснащенного такими материалами, величину переднего угла необходимо назначать меньшей, чем для инструмента с режущей частью из инструментальных сталей.

При обработке закаленных сталей инструментами, оснащенными пластинами из твердого сплава, а также при ударной нагрузке (прерывистое резание) следует для увеличения прочности режущей кромки применять даже отрицательные передние углы.

Величину переднего угла выбирают в зависимости от механических свойств обрабатываемого материала, материала резца и формы передней поверхности.

Угол наклона главной режущей кромки служит для отвода стружки в определенном направлении: при () – к обработанной поверхности; при () – к обрабатываемой поверхности (рис. 2.10). При положительном угле наклона режущей кромки(см.  рис 2.10,а) для любой ее точкиМвектор скорости срезания стружкиV, нормальный к радиусуОМ, может быть разложен на вектор, нормальный к режущей кромке, и вектор , направленный вдоль режущей кромки к вершине резца. Под действием вектора стружка отклоняется в сторону обработанной поверхности. При отрицательном угле наклона режущей кромки(см. рис. 2.10,б) вектор направлен вдоль режущей кромки к обрабатываемой поверхности и отклоняет стружку в ту же сторону.

а)б)

Рис. 2.10. Влияние угла на направление схода стружки: а) при угле +;б) при угле –

Положительный угол +λслужит также для упрочнения режущей кромки, поэтому при ударных работах (прерывистом резании) резцами с твердосплавными пластинками, а также при обработке закаленных материалов необходимо уголλделать положительным в пределах 5...20°. При положительном значении угла λ (рис. 2.11,а) ударная сила в момент врезания резца приходится не на вершину резца, а на более прочное место режущей кромки, удаленное от вершины.

а)б)

Рис. 2.11. Соприкосновение заготовки с резцом: а) при угле + ; б) при угле –

Главный угол в планеφ оказывает существенное влияние на стойкость режущего инструмента и шероховатость обработанной поверхности. С уменьшением углаφувеличивается длина активной части режущей кромки (ширина срезаемого слоя) и уменьшается толщина срезаемого слоя, что приводит к уменьшению термодинамической нагрузки резца. Вследствие этого уменьшается и износ инструмента. При слишком малом значении углаφрезко возрастает отжим резца от заготовки и часто наблюдаются вибрации, в результате чего ухудшается качество обработанной поверхности и увеличивается износ инструмента.

Обычно угол φвыбирают в пределах 30...90° в зависимости от вида обработки, типа резца, жесткости заготовки и резца и способа их крепления. При черновой обработке большинства материалов проходными резцами можно принимать уголφ=45°; при обработке недостаточно жестких деталей в центрах необходимо применять резцы с углом в плане 60, 75 и даже 90° (во избежание вибраций).

Вспомогательный угол в плане служит для уменьшения трения вспомогательной задней поверхности об обработанную поверхность. Для получения большей стойкости резца и уменьшения шероховатости обработанной поверхности угол надо выбирать возможно меньшим, учитывая при этом условия жесткости системы СПИЗ.

Для проходных резцов, обрабатывающих без врезания жесткие заготовки, угол ; при обработке нежестких заготовок и работе с врезанием.

Кинематические углы. Статические углы не совпадают по абсолютной величине с углами резца в процессе резания (кинематическими углами). Это объясняется двумя причинами: во-первых, наряду с главным движением резания, при точении одновременно совершается движение подачи, следовательно, истинная траектория результирующего движения не совпадает с траекторией главного движения; кинематическая система координат, в которой рассматриваются углы резца в процессе резания, не совпадает со статической, так как она ориентирована относительно направления скорости результирующего движения ; во-вторых, вершина лезвия в реальном процессе резания может располагаться не на уровне оси центров станка, а ось резца не всегда перпендикулярна или параллельна направлению движению подачи. Рассмотрим влияние этих факторов на изменение углов лезвия инструмента в процессе резания.

Трансформация заднего угла в процессе резания.Допустим, что резец совершает лишь главное движение резаниясо скоростью V(рис. 2.12,а). Резец имеети . Работа таким резцом в принципе возможна, хотя при задней поверхностью резец будет плотно прилегать к обработанной поверхности и между ними возникнет значительное трение.

Пусть теперь резец одновременно с главным движением совершает движение подачи со скоростьюV_s (рис. 2.12,б). В результате двух движенийирежущее лезвие совершает путь по наклонной траектории результирующего движениясо скоростью. Для данного случая плоскость резаниясовпадает с обработанной поверхностью и с поверхностью резания. Следовательно, при отсутствии заточки задней поверхности (при) задний угол, выражающий величину зазора между относительно перемещающимися в процессе резания задней поверхностью и плоскостью резания, имел бы отрицательное значение, поскольку плоскость резания проходит через тело резца. Реально это означает, что инструмент без заточки задней поверхности при сложном рабочем движении работать не сможет. Поэтому для нормальных условий работы резца необходим хотя бы некоторый обязательный задний угол, который называетсякинематическим минимально необходимым задним углом.

Если резец имеет в статическом состоянии задний угол равный , то при резании задний угол будет равен нулю, что приведет к большому сопротивлению и трению задней поверхности об обработанную поверхность. Для уменьшения трения задний уголлезвия резца должен быть больше углана желае-мую величину кинематического заднего угла.

а)

, или .

б)

Рис. 2.12. Схема к расчету кинематического заднего угла: а) при α = 0; б) при α > 0

Рассмотрим трансформацию переднего и заднего углов при продольном точении. При определении величин изменения углови предположим вначале, что продольное точение осуществляется проходным упорным резцом (), имеющими установленным по центру заготовки (рис. 2.13,а).

При наличии двух движений, из которых одно является вращательным движением заготовки со скоростью V, а другое – поступательным движением резца со скоростью, изменяется направление вектора относительной скорости(см. рис. 2.12,б). Траекторией движения каждой точки режущей кромки является винтовая линия с шагомs, а поверхностью резания – винтовая поверхность (см. рис. 2.13,б).

а)б)в)

Рис. 2.13. Изменение углов ив процессе резания:

а) и б) при продольном точении; в) при работе отрезным резцом

Как показано на рис. 2.13, в, действительным следом плоскости резания будет прямая линия(касательная к винтовой линии), составляющая с теоретической плоскостьюугол. Вследствие этого задний угол уменьшается, а передний угол увеличивается на величину, и кинематические углы в процессе резания

и .

Величина угла определяется из прямоугольного треугольника (см. рис. 2.13,б):

.

Если же направление движения подачи не совпадает с главной секущей плоскостью (), тогда уголв этой плоскости определится по формуле

.

Таким образом,

.

Следовательно, кинематические углы в процессе резания

;

.

Для обычных условий обработки резцами эти изменения углов незначительны, и ими можно пренебречь. Так, например, при обработке заготовки D= 50 мм с подачейs = 1 мм/об проходным упорным резцом с углом в планеφ= 90° величина tg=s/D= = 0,005, а= 22''. Но в некоторых случаях обработки, например, при нарезании резьбы с большим шагом, резании с большой подачей (s5 мм/об), эти изменения более существенны, и с ними приходится считаться.

При работе отрезным резцом, установленным по центру, в результате сочетания вращательного движения заготовки и поперечного перемещения резца траекторией движения точек режущей кромки является архимедова спираль, касательная к которой будет действительной плоскостью резания (см. рис. 2.13,в). Чем ближе режущая кромка к центру заготовки, тем круче спираль и тем больше будет отклоняться касательнаяк спирали от плоскости резания, касательной к окружности в статическом состоянии. Вследствие этого кинематический задний угол будет непрерывно уменьшаться, т.е.. То же самое будет наблюдаться с увеличением подачи резца.

Чтобы избежать трения задней поверхности резца о заготовку, необходимо заднюю поверхность отрезных резцов заточить так, чтобы действительный задний угол всегда был положительный.

На рис. 2.14 показаны все углы лезвия резца в процессе резания, т.е. в кинематической системе координат.

Рис. 2.14. Кинематические углы токарного резца

Изменение углов резца за счет погрешности установки.Рассмотрим, как влияет на углы резца его установка относительно оси детали. При наружном и внутреннем точении (еслии вершина резца установлена по оси детали) плоскость резаниябудет расположена вертикально, а основная плоскость – горизонтально и будет проходить через ось заготовкиО(рис. 2.15,а). В этом случае действительные углы соответствуют статическим углам. Если вершину резца установить выше или ниже оси детали, то плоскость резанияотклонится от вертикального положения на уголи займет положение (рис. 2.15,б,в). Одновременно плоскость отклонится на такой же уголи займет положение. В результате величина действительных углов в процессе резания будет отличаться от углов резца в статическом состоянии.

Рис. 2.15. Влияние установки резца относительно оси детали на его углы: а) установка по центру; б) выше центра; в) ниже центра

При наружном точении с установкой резца выше оси детали действительный передний угол увеличивается, ауменьшается на угол, т.е. , .

При установке резца ниже оси детали уменьшается, аувеличивается, т.е.

,.

При внутреннем точении углы изменяются в обратном направлении:

• при установке резца выше оси детали

,;

• при установке резца ниже оси детали

, .

Угол можно определить из построения, показанного на рис. 2.15(исходя из условия, чтои режущая кромка параллельна оси детали, т.е.)

,

где h– величина смещения вершины резца относительно оси детали;R– радиус детали.

На рис. 2.16 показано изменение углов в плане и в зависимости от положения оси резца относительно линии центров станка. Когда ось резца расположена под угломк оси центров, величина действительных углов в плане изменится, а именно:

; .

Рис. 2.16. Изменение углов в плане ив зависимости от положения оси резца относительно оси заготовок

Когда имеют место все рассмотренные причины, действительные углы лезвия резца в реальном процессе резания:

, .

В этих формулах верхние знаки при относятся к резцу, установленному выше, нижние – ниже линии центров станка.