Скорость резания 1 страница

ЛЕКЦИИ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ»

ЛИТЕРАТУРА

1 Металлорежущие инструменты. Учебник для вузов. / Г.Н.Сахаров, О.Б.Арбузов, Ю.Л.Боровой и др. – М., 1989

2 Резание конструкционных материалов, режущие инструменты и станки. /Под ред. Петрухи П.Г. – М., 1974

3 Шатин В.П., Денисов В.С. Режущий и вспомогательный инструмент. М.: Машиностроение, 1968

4 Протяжки для обработки отверстий / Д.К.Маргулис, М.М.Тверской и др. – М.: Машиностроение, 1986

5 Абразивная и алмазная обработка материалов: Справочник. Под ред. А.Н.Резникова – М.: Машиностроение, 1977

6 Расчет и конструирование фасонных затылованных фрез с применением ЭВМ. Метод. Указания к курсовому проектированию / Составители: В.М.Ильин, Н.В.Баринова – Владимир, 1988

7 Алексеев Г.А., Аршинов В.А., Кричевская Р.М. Конструирование инструмента. – М., 1979

8 Горбунов Б.И. Обработка металлов резанием, металлорежущий инструмент и станки. – М., 1981

9 Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. – М., 1985

10 Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. – М., 1975

Введение (0, 5 ч.)

Основное содержание курса

Дисциплина «Режущий инструмент» состоит из следующих разделов:

1. Точение и инструмент

2. Строгание, долбление и инструмент

3. Протягивание и инструмент

4. Сверление и инструмент

5. Зенкерование, развертывание и инструмент

6. Фрезерование и инструмент

7. Резьбонарезание и резьбонарезной инструмент

8. Зубонарезание и зуборезный инструмент

9.Процесс шлифования и абразивный инструмент

10. Проектирование фасонного резца с державкой

11. Проектирование протяжки для обработки гладкого или шлицевого отверстия

12. Проектирование фасонной фрезы для обработки заданной поверхности

13. Проектирование зуборезного долбяка

14. Проектирование червячной фрезы

Значение изучения процессов резания и режущих инструментов

для изготовления деталей машин

Знание теоретических основ процессов резания и конструкций режущих инструментов необходимы для того, чтобы:

1. Спроектировать научно обоснованный технологический процесс

2. Дать оценку его эффективности.

Краткий исторический обзор науки о режущих инструментах

История развития режущих инструментов начинается с простых орудий древнейших времен. На заре развития техники инструменты были примитивными, малопроизводительными, неточными. Они основывались на применении камня как материала детали и инструмента. Например, люди каменного века сверление отверстий производили с помощью деревянного вращающегося стержня, на торцовую поверхность которого насыпался порошок из кремния. Обрабатываемый камень прижимался с определенным усилием к деревянному стержню, и таким образом производилась обработка.

В последующие этапы развития наблюдается переход от каменных орудий к более производительным металлическим инструментам.

В мануфактурный период происходит специализация инструментов, приспособление их к обособленным функциям работников.

Особенно резкий скачок в развитии металлорежущих инструментов наблюдается при переходе к машинному производству. В инструментальном производстве сущность промышленной революции 18 века заключалась в переходе от ручного к машинному инструменту. Это стало возможным благодаря изобретению суппорта – механизма, который держал резец и освободил руки человека.

Токарные станки с суппортом впервые были построены в России гениальным механиком Нартовым.

С применением машинного инструмента резко увеличились мощности станков и производительность труда.

Были созданы новые типы режущих инструментов. Во второй половине 19 века появляются такие инструменты как спиральное сверло, развертка, зенкер, разнообразные фрезы. В конке 19 – начале 20 века стали использоваться такие сложные инструменты как червячные фрезы, зуборезные долбяки, гребенки и др.

В двадцатые годы 20 века появился такой инструмент как протяжка, а также комбинированные инструменты и наборы инструментов, позволяющие совмещать целые операции.

В начале 20 века были созданы методы обработки зубчатых колес посредством червячных фрез, зуборезных гребенок, долбяков, шеверов, зуборезных обкаточных резцов, специальных протяжек.

Разработка новых инструментальных материалов позволила увеличить скорости резания и повысить производительность труда.

До начала 20 века основным материалом была углеродистая инструментальная сталь. Инструменты из этой стали позволяли работать со скоростью резания 5 – 10 м/мин. С появлением быстрорежущей стали появилась возможность повысить скорость резания до 30 – 40 м/мин.

Инструментальное производство в СССР развивалось по двум направлениям:

1. Организация специализированных инструментальных заводов по производству нормализованных инструментов

2. Организация внутризаводского производства инструментов в инструментальных цехах предприятий.

В дореволюционное время в Росси не было ни одного специализированного инструментального завода. 90% всего инструмента ввозилось из-за границы.

В 1919 г. был создан Московский инструментальный завод (МИЗ).

В период восстановления народного хозяйства организованы инструментальные заводы:

1. Завод им. Воскова (Сестрорецк)

2. Комбинат им.Ленина (Златоуст)

3. Заводы по изготовлению напильников (Миасс, Луганск, Серпухов)

4. Завод «Фрезер».

В послевоенные годы были созданы мощные инструментальные заводы в Виннице, Львове, Минске, Ленинграде, Челябинске. Запорожье.

Задачи, стоящие перед инструментальным производством

1. Полное удовлетворение всего народного хозяйства нормализованными режущими инструментами и прекращение их изготовления в инструментальных цехах предприятий

2. Увеличение выпуска как универсальных, так и специальных инструментальных станков и приспособлений к ним для заточки режущих инструментов

3. Создание новых инструментальных материалов

4. Проектирование прогрессивных режущих инструментов новых конструкций

5. Совершенствование технологических процессов изготовления инструментов.

Точение и инструмент

Назначение и основные типы резцов

Резцы являются наиболее распространенными режущими инструментами.

Они применяются при точении, растачивании, строгании, долблении.

Кинематика процесса точения характеризуется быстрым вращением заготовки вокруг своей оси (главное движение резания) и медленным движением подачи резца.

Прямолинейное поступательное движение подачи может быть направлено вдоль оси заготовки. В этом случае резцом обрабатывают круглые цилиндрические поверхности (рис.1) или цилиндрические поверхности отверстий (рис.2).

Движение подачи может быть направлено перпендикулярно к оси заготовки. Это соответствует подрезке торцев (рис.3), отрезке заготовок (рис. 4), точению фасонных поверхностей (рис.5).

Движение подачи резца может быть направлено наклонно к оси заготовки (при обработке конических поверхностей) или иметь строгую кинематическую связь с вращением заготовки (при нарезании резьбы).

В зависимости от вида выполняемой работы применяют резцы различных типов. Для обработки наружных цилиндрических поверхностей и конических поверхностей большой длины применяют проходные резцы. Они используются также при точении сложных фасонных поверхностей. В этом случае движение подачи резца является сложным, соответствующим профилю обработанной детали. Проходные резцы бывают прямые (рис.3) и отогнутые (рис.4).

Отогнутые проходные резцы получили широкое применение из-за их универсальности, большей жесткости, возможности вести обработку в труднодоступных местах. Проходным отогнутым резцом можно не только вести продольную обточку, но и подрезать торцы, снимать фаски. Стандартные проходные резцы выполняются с углами в плане = 30, 45 и 60⁰. Проходные резцы могут также иметь главный угол в плане = 90⁰. Такие резцы называются проходными упорными (рис.5).

Они используются для обтачивания ступенчатых деталей с одновременной обработкой буртиков, т.е. торцовой плоскости заготовки. Кроме того, их применяют при точении нежестких деталей, так как при их работе возникают относительно небольшие по величине радиальные усилия, которые отжимают заготовку от резца.

Если необходимо получить особенно чистую и гладкую поверхность, применяют широкие лопаточные резцы (рис.6). Однако из-за значительной длины контакта режущей кромки с заготовкой они склонны к вибрациям.

Для обточки плоскостей, перпендикулярных к оси вращения заготовки и подрезки торцов, применяют подрезные токарные резцы (рис.7).

Расточку сквозных и глухих отверстий, подрезку уступов в отверстиях производят расточными резцами (рис.8).

Они работают в менее благоприятных условиях, чем проходные резцы для наружной обточки. Эти резцы должны иметь меньшие поперечные размеры, чем обрабатываемое отверстие. Значительный вылет расточного резца, который должен быть больше длины обрабатываемого отверстия, также снижает его прочность и жесткость. Расточные резцы для сквозных отверстий изготавливаются с углами в плане = 45 и 60⁰ и вспомогательными углами в плане =45 и 30⁰, а для глухих отверстий с =95⁰ и =15⁰.

При расточке длинных отверстий и отверстий большого диаметра, особенно на расточных станках, применяются державки (оправки) со вставными резцами круглого или квадратного сечения относительно малых размеров. Пользуясь державками, расточку отверстия можно производить при помощи одно- или двухстороннего резца, а также головки, состоящей из нескольких резцов.

При обработке отверстий на расточных станках заготовка неподвижна, а инструмент, закрепленный в оправке, вращается вместе с ней. По такой схеме обрабатывают отверстия на агрегатных станках. Этот метод обеспечивает более точное отверстие как по форме, так и по размерам. Однако при вращающемся инструменте сложнее получить точное положение оси отверстия.

Конструктивные элементы и геометрические параметры резцов

Резцы состоят из двух основных частей:

1. Рабочей части (головки резца)

2. Тела резца или стержня (державки), служащего для закрепления.

Элементы головки резца показаны на рис.12.

Резцы обычно имеют две режущие кромки:

1. Главную, выполняющую основную работу резания

2. Вспомогательную.

Место сопряжения главной режущей кромки со вспомогательной называется вершиной резца. Отрезные резцы имеют две вспомогательные режущие кромки. Вершина резца в плане может быть закругленной или иметь переходную режу­щую кромку.

Геометрические параметры головки резца, характеризующие положение передних и задних поверхностей относительно его опорной, основной плоскости, показаны на рис.13.

Габаритные размеры резцов

Державки резцов могут быть:

1. Прямоугольного поперечного сечения

2. Квадратного поперечного сечения

3. Круглого поперечного сечения.

Основной формой сечения является прямоугольная, допускающая меньшее ослабление тела резца при постановке пластины.

Резцы с квадратной формой сечения лучше сопротивляются деформациям сложного изгиба. Поэтому расточные и автоматно-револьверные резцы имеют сечение квадратной формы.

Чаще всего расточные, резьбовые, токарно-затыловочные резцы выполняются круглого сечения. Оно позволяет поворачивать резец при закреплении и таким образом менять установку резца.

Размеры прямоугольного поперечного сечения державки резца обычно принимают стандартными:

10х16; 12х20; 16х25; 20х30; 25х40; 30х45; 40х60.

Стандартные размеры квадратного поперечного сечения державки:

6х6; 10х10; 12х12; 16х16; 20х20; 25х25; 30х30; 40х40.

Стандартные размеры круглого сечения державки резца:

10; 12; 16; 20; 25; 30; 40.

Размеры сечения резца можно определить из расчета на прочность. На практике вместо расчета на прочность выбирают необходимое сечение резца на основании опытных данных в зависимости от сечения стружки или высоты центров токарного станка. При обработке стали средней твердости сечение резца можно выбирать по таблице:

Сечение среза, мм………1, 5 2, 5 4 6 9 12 16-25

Размеры прямоугольного

Сечения, мм²…………….10х16 12х20 16х25 20х30 25х40 30х45 40х60

Размеры квадратного

Сечения, мм² …………….12 16 20 25 30 40 50

Проверка прочности тела резца проводится по формуле:

[М _изг] ≥ М _изг.

[М _изг] –допускаемый изгибающий момент от главной составляющей силы резания Р _Z;

М _изг – расчетный изгибающий момент от Р _Z.

Допускаемый изгибающий момент определяется по формуле:

[М _изг] = W R _B.

W – момент сопротивления, мм ².

R _B – допускаемое напряжение на изгиб, принимаемое равным 20-25 кгс/мм².

Расчетный изгибающий момент определяется как:

М _изг = Р _Z l.

… - длина резца, мм.

Схема к расчету на прочность державки резца показана на рис.14.

Длины резцов выбираются равными 125; 150; 175; 200; 225; 250; 30; 350; 400; 450; 500; 600 мм. Ориентировочно длина резца должна быть в 10 раз больше высоты его поперечного сечения

Строгание и долбление. Инструмент (1.5 ч.)

Схемы резания при строгании и долблении

Наряду с токарными используются резцы на строгальных и долбежных станках с прямолинейно-поступательным движением резания. Такие резцы работают в более тяжелых условиях, чем токарные. Врезаясь в обрабатываемый материал с полным сечением среза, резец испытывает удар, что отрицательно сказывается на его стойкости. Из-за прерывистой работы скорость резания при обработке строгальными или долбежными резцами, даже оснащенными твердым сплавом, не превышает 15…40 м/мин. Схемы работы резцов при строгании и долблении показаны на рис. 15 и 16.

Особенности резания при строгании

В процессе резания на продольно-строгальных станках стол с заготовкой перемещается вдоль неподвижно закрепленных резцов, поэтому здесь приходится иметь дело с большими инерционными массами. Это заставляет применять пониженные режимы резания. Кроме того, сечения строгальных резцов принимаются примерно в 1, 25 – 1, 5 раза больше, чем для токарных при одинаковых сечениях снимаемой стружки, несмотря на то, что отвод тепла из зоны резания здесь более благоприятен, так как снятие стружки происходит только при рабочем ходе.

Для избежания прижатия резца к обрабатываемой поверхности резцедержатель сделан поворотным относительно точки О (рис.17).

Это позволяет резцу несколько отойти от поверхности заготовки во время обратного хода и предохранить его заднюю поверхность от повышенного износа. Под действием составляющей силы Р _Z резец подвергается изгибающему моменту, который растет с увеличением вылета резца h. Вершина резца описывает дугу окружности с центром в точке С и стремится углубиться в обрабатываемый материал.

Чем больше плоскость 1 - 1, в которой расположена вершина резца, отходит от плоскости 2 -2, проходящей через центр С, тем больше опасность углубления и тем ниже виброустойчивость резца.

Наиболее оптимальным положением вершины резца является такое, при котором обе плоскости 1 – 1 и 2 – 2 совпадают друг с другом. В этом случае резец должен быть снабжен изогнутой головкой с вершиной, расположенной в опорной плоскости. Такой резец позволяет иметь большую величину вылета по сравнению с прямым. Как минимальная величина вылета для изогнутых резцов принимается равной 1, 8 – 2, 0, а для прямых – 0, 8 – 1, 0 высоты сечения резца.

Прямые резцы удобны в изготовлении, но менее виброустойчивы по сравнению с изогнутыми, в особенности с повышением величины вылета. Поэтому они не могут применяться для таких работ, где конфигурация детали не позволяет использовать малую величину вылета (45 – 60 мм.).

Изогнутые резцы отличаются большей универсальностью, поэтому они получили большее распространение на практике, несмотря на сложность изготовления.

Несмотря на недостатки резца с вершиной, выступающей вперед за плоскость 2 – 2, все же иногда его используют на практике в том случае, если требуется произвести обработку до уступа, который не допускает подхода резцам другой формы.

Конструкции строгальных резцов и углы их заточки

По роду выполняемой работы строгальные резцы делятся на:

1. Проходные (обдирочные и чистовые)

2. Отрезные

3. Подрезные

4. Пазовые

5. Специальные.

Проходные строгальные резцы предназначены для строгания плоскостей с горизонтальной подачей (рис. 18).

Подрезные строгальные резцы применяются для обработки вертикальных плоскостей с вертикальной подачей (рис.19).

Отрезные и прорезные строгальные резцы применяются при отрезке и прорезке узких пазов (рис.20).

Чистовые широкие лопаточные строгальные резцы применяются для чистовой обработки плоскостей с большой подачей (рис.21).

Для плавного врезания и выхода инструмента применяют строгальные резцы с углом наклона режущей кромки = 10 … 60 ⁰ в зависимости от условий обработки.

Главный угол в плане обычно принимается равным 45 ⁰. Для возможностей использования повышенных величин подач и больших припусков угол понижается до 20 – 30 ⁰.При этом главная режущая кромка соединяется со вспомогательной, направленной под углом 8 -10 ⁰, через проходную кромку, расположенную под углом 12 – 15 ⁰. Длина этих кромок составляет 5 – 6 мм. Переходная кромка предохраняет твердосплавную пластинку от сколов.

Конструкции долбежных резцов

Долбежные резцы применяются на долбежных станках при долблении поверхностей, пазов, канавок различных форм.

Они изготавливаются в основном с пластинками из быстрорежущей стали, реже – с пластинками из твердых сплавов. Геометрические параметры режущей части выбираются по тем же правилам, что и для строгальных резцов.

В зависимости от характера выполняемой работы применяют двухсторонний шпоночный долбежный резец (рис.22) или прорезной долбежный резец (рис.23).

Схемы резания при протягивании

Наибольшее распространение получила Ι схема протягивания. По этой схеме работают универсальные протяжные станки. При обработке отверстий протяжка имеет форму стержня с расположенными вдоль его оси зубьями. Размеры диаметров режущих зубьев увеличиваются к концу протяжки, благодаря чему происходит срезание металла при поступательном движении протяжки относительно детали.

При обработке наружных поверхностей протяжка напоминает призматическое тело. На ее рабочей поверхности образованы зубья, размеры которых увеличиваются к концу протяжки.

В целях повышения производительности труда на специальных станках используются Ι Ι и Ι Ι Ι схемы непрерывного протягивания. В этом случае нет потерь времени на обратный ход инструмента. Деталь устанавливается в зажимное приспособление с входной стороны протяжки и, проходя сквозь протяжку, обрабатывается, а затем снимается со станка.

Протягивание винтовых канавок (винтовых шлицев) производится по схеме Ι V. Обработка шлицев с углом наклона до 10 ⁰ проводится без принудительного вращения детали или протяжки. В этом случае устанавливается шариковая опора под деталь на планшайбе станка или в зажимной патрон протяжки и обеспечивается самовращение протяжки или детали. Шлицы с углом наклона более 10 ⁰ следует протягивать с принудительным вращением протяжки или детали. Принудительное вращение осуществляют различными способами. Например, с помощью пальца или ролика, скользящего по винтовой канавке на протяжке.

Протягивание поверхностей вращения может производиться призматическими или спиральными протяжками. В процессе обработки осуществляется быстрое вращение детали и относительно медленное движение протяжки.

Спиральная протяжка представляет собой диск, на который как бы навернута призматическая протяжка. Режущие кромки зубьев такой протяжки располагаются на разных расстояниях от оси. Разность радиусов соседних зубьев определяет подачу на зуб.

Основные части протяжек

Основные части протяжки для обработки цилиндрических отверстий показаны на рис. 25.

Хвостовик служит для крепления протяжки в патроне протяжного станка. Он может иметь различную форму. Размеры хвостовиков при проектировании протяжек выбираются по нормалям. Диаметр хвостовика должен быть меньше диаметра предварительно обработанного отверстия на 0, 5 – 1 мм.

Шейка необходима для того, чтобы вставленную в деталь протяжку можно было легко присоединить к тяговому патрону в наиболее близком его положении к столу протяжного станка. Диаметр шейки берется на 0, 3 – 1 мм меньше диаметра хвостовика. У некоторых типов хвостовой части шейка является продолжением хвостовика, и ее поперечные размеры берутся равными поперечным размерам хвостовика. Длина шейки вычисляется по формуле:

l _ш = (10 – 15) + n + m – l _К,

где n – толщина станины,

m – толщина опорного фланца приспособления,

l _К – длина переходного конуса.

Переходный конус способствует свободному надеванию детали на переднюю направляющую часть. Его длина обычно колеблется от 5 до 20 мм. Длина протяжки до передней направляющей части зачастую при конструировании протяжек принимается 160 – 200 мм.

Передняя направляющая часть служит для направления протяжки в начале ее работы. Форма передней направляющей части должна соответствовать предварительно обработанному отверстию в детали. Длина ее берется равной длине протягиваемого отверстия, а диаметр – равным наименьшему диаметру предварительно обработанного отверстия.

Режущая часть предназначена для срезания металла с заготовки и является основной частью протяжки. Она представляет собой совокупность режущих зубьев с разными диаметрами. Диаметр первого зуба принимается равным диаметру передней направляющей части. Диаметр каждого последующего режущего зуба увеличивается на d = 2а.

Толщина среза а, равная подъему на зуб, зависит главным образом от обрабатываемого материала, конструкции протяжек и жесткости детали. Для цилиндрических протяжек при обработке стальных деталей толщина среза принимается от 0, 02 до 0, 05 мм.

Толщина среза а оказывает влияние на:

1. Качество протянутой поверхности

2. Износ и стойкость протяжек

3. Усилия протягивания.

Меньшие толщины среза способствуют повышению чистоты обработанной поверхности, снижению интенсивности износа зубьев, требуют меньших протяжных усилий. Однако при очень малой толщине среза, когда радиус округления режущих кромок соизмерим с толщиной среза, может происходить выдавливание металла отдельными зубьями. Это приводит к увеличению загрузки следующих за ними зубьев и ухудшению условий процесса протягивания. При уменьшении толщины среза увеличивается длина протяжки, что приводит к уменьшению производительности.

Для обеспечения высокого качества протянутой поверхности последние два или четыре режущих зуба выполняют с уменьшающимся до 0, 025 – 0, 01 мм подъемом на зуб.

Последний зачищающий зуб окончательно формирует обрабатываемое отверстие, обеспечивая заданную точность обработки и качество поверхности. Диаметр последнего зуба берется с учетом разбивания отверстия при протягивании. Максимальный диаметр последнего зуба равен максимальному диаметру протягиваемого отверстия минус величина разбивания .

Величина разбивания определяется опытным путем. Для протяжек длиной 700 – 800 мм = 0, 005 – 0, 01 мм, при большей длине протяжки = 0, 01 – 0.015 мм.

Общее число режущих зубьев протяжки рассчитывается по формуле:

Z _P = + (2 3),

Где А – припуск, снимаемый режущими зубьями.

Форма режущих зубьев протяжки, получившая наибольшее распространение, показана на рис.26.

Элементы профиля зуба зависят от шага зубьев t и подсчитываются по формулам:

h = (0, 35 0, 4) t,

g = (0, 3 0, 4)t,

r = (0, 2 0, 25) t,

= 45 50 ⁰,

w = 30 35 ⁰.

Величина переднего угла выбирается в зависимости от свойств обрабатываемого материала.

Задний угол принимается сравнительно малым – равным 2 – 4 ⁰. Большие задние углы приводят к быстрой потере размера по диаметру при переточках и выходу протяжки из строя.

Важнейшим конструктивным элементом протяжки является шаг режущих зубьев. При выборе шага необходимо обеспечить свободное размещение стружки во впадине зуба и достаточную прочность протяжки. Кроме того, минимальное число одновременно работающих зубьев должно быть равно двум. Обычно шаг зубьев рассчитывается, исходя из условия вместимости стружки (рис.27).

Площадь продольного сечения среза равна:

f _CP = aL.

Площадь активной части канавки для стружки:

f _K = .

При обработке металлов образующаяся стружка не может плотно заполнить стружечную канавку. Для обеспечения нормальных условий стружкообразования и свободного размещения стружки необходимо, чтобы площадь канавки f _K была больше площади продольного сечения среза f _СР.

Отношение площади канавки к площади среза называют коэффициентом заполнения канавки:

k = /

Коэффициент заполнения канавки определяется опытным путем и находится в пределах от 2 до 4, 5. Он зависит от свойств обрабатываемого материала, толщины среза и т.д. При сливной стружке коэффициент заполнения следует брать большим, чем при стружке надлома.

С увеличением толщины среза коэффициент k растет. При выбранном k легко рассчитать необходимую глубину впадины по формуле: