Основы обработки материалов резанием

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Основы обработки материалов резанием

1.1 Основные понятия о процессе точения, режущем инструменте и режимах токарной обработки

При работе на токарных станках используют различные режущие инструменты: резцы, сверла, зенкеры, развертки, метчики, плашки, фасонный инструмент и др. Токарные резцы - это наиболее распространенный инструмент, предназначенный для черновой, получистовой, чистовой и тонкой (алмазной) обработки плоскостей наружных и внутренних цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, в том числе резьбовых.

В основе классификации токарных резцов использованы следующие признаки:

· вид обработки. Проходные резцы для обработки наружной цилиндрической поверхности могут быть прямыми (рис. 2.13, а; см. также рис. 2.3; 2.4; 2.5 и 4.19) и отогнутыми (рис. 2.13, б; см. также рис. 4.20, а и б). Отогнутые резцы получили широкое распространение из-за их универсальности, позволяющей вести обработку с поперечной подачей не только цилиндрических, но и торцовых поверхностей. Проходные упорные резцы (рис. 2.13, в\ см. также рис. 4.20, в) имеют угол в плане ф = 90°, их применяют при обтачивании ступенчатых валиков и при обработке нежестких деталей. Подрезные резцы (рис. 2.13, г; см. также рис. 4.23) предназначены для обработки торцовых поверхностей, перпендикулярных оси вращения детали; эти резцы работают с поперечной подачей. Расточные резцы (рис. 2.13, д) предназначены для обработки отверстий на токарных станках; отрезные (рис. 2.13, е\ см. также рис. 4.25) -- для отрезки заготовок или обработанных из прутка деталей (например, на прутковых токарных автоматах); резьбонарезные (рис. 2.13, ж) -- для нарезания резьбы. Резцы для контурного точения (рис. 2.13, з) используют при обработке тел вращения с фасонной образующей на станках с копировальными устройствами и ЧПУ. Эти резцы имеют увеличенные вспомогательные углы в плане ср,. Фасонные резцы (рис. 2.13, и) предназначены для обработки деталей сложного профиля на токарных и револьверных станках, автоматах и полуавтоматах;

· характер обработки: черновые, чистовые и резцы для тонкого точения;

· установка относительно детали: радиальные и тангенциальные резцы;

· направление движения подачи: правые и левые резцы;

· конструкция головки: прямые, отогнутые, изогнутые и оттянутые резцы;

· поперечное сечение: прямоугольные, квадратные и круглые резцы (для унификации присоединительных размеров резцедержателей станков сечения резцов стандартизированы);

· конструкция: цельные, составные и сборные резцы;

· материал рабочей части: инструментальные стали, твердые сплавы, керамические материалы, СТМ (алмаз и эль- бор);

Нарезание резьб на токарных станках в условиях единичного или мелкосерийного производства и нарезание крупных резьб производят резьбовыми резцами: стержневыми (рис. 2.14, я, б и в), призматическими однониточными и многониточными (рис. 2.15, а и б), круглыми (дисковыми) однониточными и многониточными (рис. 2.15, в и г).

Стержневые быстрорежущие резцы применяют для нарезания цилиндрических и конических наружных резьб на токарно-винто- резных станках. При скоростном нарезании этих же резьб используют резцы, оснащенные твердосплавной пластинкой. Стержневые отогнутые резцы служат для нарезания внутренних резьб (см. рис. 2.14, в).

При нарезании резьбы на автоматах и полуавтоматах применяют призматические и круглые резцы. Призматические резцы служат для изготовления наружной резьбы, круглые -- для наружной и внутренней.

Нарезание резьбы однониточными резцайи производят за несколько повторных проходов. При помощи многониточных резцов резьба изготавливается за один проход.

Круглые плашки (рис. 2.16) применяют как для работы вручную, так и на токарно-револьверных станках и автоматах для нарезания крепежных резьб (преимущественно на болтах, винтах и шпильках). Способ нарезания резь бы круглыми плашками малопроизводителен, не обеспечивает получение точной резьбы, но еще распространен на некоторых заводах. В массовом и крупносерийном производствах нарезание резьб плашками заменяют более производительными способами.

Рис. 2.14. Резьбовые стержневые резцы: а -- быстрорежущий; б -- оснащенный твердым сплавом; в -- отогнутый; \|/ -- угол профиля резьбы

Рис. 2.15. Типы резьбовых фасонных резцов: а -- призматический однониточный; б -- призматический многониточный; в -- круглый (дисковый) однониточный; г -- круглый многониточный; у -- угол профиля резьбы

Рис. 2.13. Типы резцов: а -- прямые; б -- отогнутые; в -- упорные; г -- подрезные для обработки торцовых поверхностей; д -- расточные; е -- отрезные; ж -- резьбонарезные; з -- для контурного точения; и -- фасонные; L -- длина резца; Н -- высота резца; В -- ширина резца; 5, -- ширина головки резца; <р -- угол в плане; Д1|Г -- диаметр заготовки; с -- ширина режущей части резца; D -- диаметр посадочной поверхности резца

Рис. 2.16 Конструктивные элементы круглой плашки: 1 -- задняя поверхность; 2-- зуб; 3 -- спинка зуба; 4 -- стружечное отверстие; 5 -- передняя поверхность; 6 -- режущая кромка

1.2 Основные понятия о процессе фрезерования, инструменте и режимах фрезерной обработки

Фрезерование -- это лезвийная обработка с главным вращательным движением резания, сообщаемым инструменту и имеющим постоянный радиус траектории, а также хотя бы одно движение подачи, направленное перпендикулярно оси главного движения.

Фрезерование является производительным и универсальным технологическим способом механической обработки заготовок резанием. В машиностроении фрезерованием обрабатывают плоскости, уступы, канавки прямоугольного и профильного сечения, пазы, фасонные поверхности и т.д. Фрезерование также используют для разрезания катаных прутков, резьбо- и зубофрезе- рования (эти процессы в данной книге не рассматриваются).

Для обработки плоских и фасонных поверхностей на фрезерных станках применяют фрезы -- многозубый (многолезвийный) инструмент. Каждый зуб фрезы представляет собой простейший резец.

Назначение фрез. Основные типы фрез приведены на рис. 2.17. Для обработки открытых плоскостей на горизонтально-фрезерных станках применяют фрезы цилиндрические цельные (рис. 2.17, а) и сборные с вставными ножами (рис. 2.17, б).

Для высокопроизводительной обработки сплошных и прерывистых плоскостей на вертикально-фрезерных и специальных станках используют торцовые фрезерные головки (рис. 2.17, в), оснащенные твердосплавными ножами.

Обработку сопряженных плоскостей, расположенных на разных уровнях, параллельных или наклонных (грани куба, шестигранники, скосы, уступы и т.п.), производят торцовыми насадными фрезами цельными (рис. 2.17, г) и с вставными ножами (рис. 2.17, д).

Фрезерование пазов и уступов осуществляют концевыми (рис. 2.17, е, ж), шпоночными (рис. 2.17, з) и дисковыми (рис. 2.17, и) фрезами. Для обработки полуоткрытых плоскостей, канавок и для копировальных работ широко применяются концевые фрезы (см. рис. 2.17, е). Для обработки закрытых шпоночных канавок применяют шпоночные фрезы (см. рис. 2.17, з).

Прорезку шлицев и узких щелей производят отрезными (рис. 2.17, к) и шлицевыми фрезами.

Угловые фрезы (рис. 2.17, л) применяют для фрезерования прямых и винтовых канавок между зубьями при изготовлении фрез, разверток, зенкеров и других инструментов. Фрезерование фасонных поверхностей производят фасонными фрезами (рис. 2.17, м).

При классификации фрез, кроме назначения, учитывают их конструкцию; способ их закрепления на станке; конструкцию зубьев; расположение зубьев относительно оси; направление зубьев.

фрезерный станок токарный инструмент

Рис. 2.17 Основные типы фрез: а, б -- цилиндрические; в, г, д -- торцовые; е, ж -- концевые; з -- шпоночные; и -- дисковые двух- и трехсторонние; к -- прорезные и отрезные; л -- угловые; м -- фасонные; А насадные фрезы, имеющие цилиндрические или конические отверстия; Т -- торцовые базы крепления фрез; П -- фрезы с продольными и поперечными шпоночными пазами; К и Ц -- концевые фрезы с коническими и цилиндрическими хвостовиками

Существуют следующие конструкции фрез: цельные; составные, (например, с припаянными или приклеенными режущими элементами); сборные (например, оснащенные многогранными пластинами из твердого сплава); наборные (наборы фрез), состоящие из нескольких отдельных стандартных или специальных фрез и предназначенные для одновременной обработки нескольких поверхностей.

Закрепление фрез на станках. Соединительными частями -- базами крепления -- у фрез могут служить цилиндрические отверстия с продольными или поперечными шпоночными пазами, конусные и цилиндрические хвостовики (см. рис. 2.17).

Цилиндрические, дисковые, торцовые насадные, угловые и фасонные фрезы закрепляют на фрезерных оправках. Для уменьшения биения фрезерной оправки опорные торцы фрез должны быть строго параллельны друг другу и перпендикулярны оси фрезы. Отклонение опорных торцовых поверхностей от оси фрезы не должно превышать 0,04...0,05 мм. Вращение фрезам, закрепленным на оправке, передается продольной или торцовой шпонкой.

Торцовые насадные фрезы с мелким зубом крепят на укороченных оправках при помощи винта, а с крупным зубом и вставными ножами -- на специальных оправках.

Концевые и шпоночные фрезы диаметром до 20 мм, для которых базой крепления служит цилиндрический хвостовик, закрепляют на концевых оправках при помощи цангового зажима. Концевые, торцовые и шпоночные фрезы диаметром свыше 200 мм, для которых базой крепления является конический хвостовик, устанавливают в шпинделе станка непосредственно или при помощи переходных конусных втулок. Затяжка конического хвостовика в коническом гнезде шпинделя производится винтом.

Торцовые фрезерные головки (см. рис. 2.17, в) крепят непосредственно на шпинделе станка. Базовое отверстие, шпоночный паз и отверстие для крепежных винтов выполняют согласно размерам передних концов шпинделей фрезерных станков.

Зубья фрезы могут быть острозаточенными (рис. 2.18, а) и за- тылованными (рис. 2.19, а). Острозаточенные зубья затачивают по задней поверхности под задним углом а (см. рис. 2.18, линии Т-- Т). Эти зубья просты в изготовлении и обеспечивают высокую чистоту обработанной поверхности. Недостатками остроконечных зубьев являются уменьшение высоты зуба и потеря размеров профиля после переточки.

Применяются три типа острозаточенных зубьев: с прямой спинкой (рис. 2.18, б), двухугловой спинкой (рис. 2.18, в) и криволинейной спинкой (рис. 2.18, г). Зубья с прямой спинкой характерны для мелкозубых фрез, допускающих 6...8 переточек зубьев и предназначенных для легких работ.

Зубья с двухугловой спинкой распространены у фрез с крупными зубьями, предназначенных для тяжелых работ. Спинка зуба, образованная двумя поверхностями, строится так, чтобы зуб имел форму, близкую к параболе. Фрезы с зубьями такого типа при большой прочности зуба имеют больший объем канавки.

Рис. 2.18 Формы зубьев острозагочен- ных фрез: а -- острозаточенная; б -- с прямой спинкой; в -- с двухугловой спинкой; г -- с криволинейной спинкой (парабола); а -- задний угол; у -- передний угол; Н -- высота зуба; е -- угловой шаг зубьев; Т-- Т -- линия заточки

Зубья с криволинейной спинкой, выполненной по параболе, обладают равной прочностью во всех сечениях, что позволяет увеличить высоту зуба, а следовательно, повысить число переточек и увеличить объем канавки.

У затылованных фрез с задней поверхностью, образованной по спирали Архимеда (см. рис. 2.19, а), заточка ведется по передней поверхности (линия Т -- Т). Зуб у этих фрез сохраняется неизменным по форме (рис. 2.19, б) и размерам фасонного профиля при всех переточках до полного использования фрезы. Затылован- ный зуб применяется главным образом у фасонных фрез.

По расположению зубьев относительно оси различают: фрезы цилиндрические с зубьями, расположенными на поверхности цилиндра (см. рис. 2.17, а и б); фрезы торцовые с зубьями, расположенными на торце цилиндра (см. рис. 2.17, г и д); фрезы угловые с зубьями, расположенными на конусе (см. рис. 2.17, л)\ фрезы фасонные с зубьями, расположенными на поверхности с фасонной образующей (см. рис. 2.17, м) (с выпуклым и вогнутым профилем). Некоторые типы фрез имеют зубья как на цилиндрической, так и на торцовой поверхности, например дисковые двух- и трехсторонние (см. рис. 2.17, и и к), концевые (см. рис. 2.17, е), шпоночные (см. рис. 2.17, з).

По направлению зубьев фрезы могут быть: прямозубыми (см. рис. 2.17, и и к); косозубыми (см. рис. 2.17, м) и с винтовым зубом (см. рис. 2.17, а). Угол наклона винтового зуба служит для обеспечения спокойного (без вибраций) фрезерования.

При осуществлении фрезерования применяются две схемы:

· встречное фрезерование (рис. 2.20, а). Направления движения подачи Ds и скорости фрезы v -- встречные. Резание начинается в точке / (нулевая толщина срезаемого слоя) и заканчивается в точке 2 (наибольшая толщина срезаемого слоя);

· попутное фрезерование (рис. 2.20, б). Направление движения подачи Ds совпадает с направлением скорости v фрезы. Резание начинается в точке 2 (наибольшая толщина срезаемого слоя) и заканчивается в точке 1 (нулевая толщина срезаемого слоя).

При работе но первой схеме резания врезание затруднено, так как происходит скольжение зуба и большое выделение тепла, что ускоряет затупление фрезы. При работе по второй схеме обеспечивается более высокое качество обработанной поверхности и медленное затупление фрезы. Однако работа происходит толчками (в момент врезания зуба в металл), поэтому попутное фрезерование возможно только на специально приспособленных для этих целей станках.

Геометрические параметры фрез выбираются в зависимости от следующих факторов: материала заготовки и режущей части фре зы, ее конструкции, условий фрезерования. Передний у и задний а углы резания образуются заточкой фрез (рис. 2.21).

Наличие переднего угла у облегчает врезание инструмента и отделение стружки. При увеличении переднего угла улучшаются условия работы инструмента, уменьшается усилие резания, повышается его стойкость.

Однако слишком большой передний угол ослабляет тело режущего инструмента, прилегающее к лезвию, и оно будет легко выкрашиваться и ломаться. Отвод тепла в этом случае ухудшается. На основании этого для каждого инструмента рекомендуются вполне определенные значения переднего угла.

При малых углах а повышается трение, возрастают силы резания и температура резания, задние поверхности инструмента быстро изнашиваются и его стойкость снижается. При очень больших значениях углов а уменьшается прочность инструмента, ухудшается отвод тепла. Угол между передней и задней поверхностями лезвия фрезы называют углом заострения р в секущей плоскости.

Рис. 2.19 Затылованная фреза:а -- с задней поверхностью, образованной по спирали Архимеда; б -- конструктивные элементы; Ц, -- диаметр посадочного отверстия; D -- наружный диаметр; Н -- высота зуба; г, -- высота профиля; к -- величина падения затылка; Т-- Т -- линия заточки; а -- угол заточки фрезы.

Рис. 2.20 Схемы фрезерования: а -- встречное фрезерование; б -- попутное фрезерование; D,. -- направление движения резания; Ds -- направление движения подачи; 1 -- точка с нулевой величиной срезаемого слоя; 2 -- точка с наибольшей толщиной срезаемого слоя; v -- скорость резания; t -- глубина резания; ср -- угол зоны резания; с -- ширина стружки.

Рис. 2.21 Геометрические параметры режущей части цилиндрической фрезы: у -- передний угол; а -- задний угол; р -- угол заострения; 8 -- угол резания

Для примера рассмотрим методику расчета режимов резания на одношпиндельных фрезерных станках с прямолинейной подачей.

Расчет длины рабочего хода Lpx, мм (при обработке нескольких деталей их комплект рассматривается как одна деталь), с учетом длин L, рассчитанных для отдельных инструментов, и последовательности их работы производится по формуле

Lp.x = Lp + Ln + Z/fl

где Lp -- длина резания, равная длине обработки, измеренной в направлении подачи; Ln -- величина подвода, врезания и перебега инструмента; La -- дополнительная величина хода, вызванная в ряде случаев особенностями наладки и конфигурации деталей.

Назначение расчетной подачи на зуб фрезы S., мм/зуб, производят по карте Ф-2. При этом учитывают следующие исходные данные: обрабатываемый материал и его твердость; тип и инструментальный материал фрезы; в зависимости от типа фрезы -- глубина резания t, ширина фрезерования В, диаметр фрезы d и число зубьев z. Например, при обработке чугуна торцовыми и дисковыми фрезами подачу на зуб фрезы Sz можно выбрать (см. табл 2.8), а соответствующую ей подачу S0 определить по формуле

S0 = S:Z.

Назначение стойкости инструмента Тр, мин, производится в зависимости от типа фрезы и ее диаметра d, площади фрезеруемой поверхности F и коэффициента загрузки фрезы К по формуле

тр=тмхк.

где TM -- стойкость в минутах основного времени; X -- коэффициент времени резания; К -- коэффициент, учитывающий неравномерность загрузки инструмента.

Расчет скорости резания v, м/мин, частоты вращения шпинделя п, об/мин, и минутной подачи SM, мм/мин, для различных фрез производится в четыре этапа в зависимости от обрабатываемого материала, типа и инструментального материала фрезы, диаметра фрезы d и числа зубьев z, подачи ,51, глубины резания г или ширины фрезерования В, а также стойкости инструмента Тр.

Расчет частоты вращения шпинделя п, соответствующей рекомендуемой скорости v, для каждого инструмента по формуле

п = 1000г^/(л d)

Назначение частоты вращения шпинделя п по паспорту станка (не рекомендуется превышать минимальные значения, определенные на этапе 4.2, более чем на 15 %).

Таблица 2.8 Обработка чугуна (серого, ковкого и высокопрочного) торцовыми и дисковыми фрезами

Примечания. 1. Большие значения подач необходимо применять при жесткой технологической системе, меньшие -- при ее пониженной жесткости.

2. Меньшие значения подач необходимо применять при прорезывании глубоких пазов и при работе фрезами небольших размеров.

Скорость резания v, м/мин, определяется по формуле

Г = гтабл К1 K2

Где К1 -- коэффициент, зависящий от марки обрабатываемого чугуна и инструментального материала; К2 -- коэффициент, зависящий от стойкости инструмента Тр.

Расчет минутной подачи 5М, мм/мин, по формуле

5М = S9n

и уточнение ее по паспорту станка.

Расчет основного времени Т0, мин, при обработке комплекта деталей, установленных на столе станка,

То = р.х/

где Lpx -- длина рабочего хода, мм (см. этап 1); SM -- минутная подача, мм/мин.

Выполнение проверочных расчетов по мощности резания Np состоит из двух этапов.

Определение значения Np, кВт, для каждой фрезы по формуле

N„ = NrK,

где N,. -- мощность резания по данным графика, определяемая в зависимости от объема срезаемого слоя Q в единицу времени (при колеблющихся значениях мощности резания из-за переменного числа одновременно работающих зубьев значение ^принимают равным среднему значению мощности); К -- коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала и его твердости.

Значение Q, см3/мин, определяют по формуле

Q = tBSJ 1000

где t -- глубина резания, мм; В -- ширина фрезерования.

1.3 Силы, действующие на режущий инструмент

Зная силы, действующие в процессе резания, можно рассчитать и выбрать режущий инструмент и приспособления, определить мощность, затрачиваемую на резание, а также осуществлять рациональную эксплуатацию станка, инструмента и приспособлений.

Образование стружки в процессе резания происходит под действием силы резания, преодолевающей сопротивление металла. Силу Р резания, при обработке точением можно разложить на три составляющие (рис.1): тангенциальную Pz, направленную вертикально вниз и определяющую мощность, потребляемую приводом главного движения станка; радиальную Ру, направленную вдоль поперечного движения подачи (эта сила отжимает резец и учитывается при расчете прочности инструмента и механизма поперечного движения подачи станка); осевую Рх, направленную вдоль продольного движения подачи (эта сила стремится отжать резец в сторону суппорта и учитывается при определении допустимой нагрузки на резец и механизмы станка при продольном движении подачи).

Рис. 1. Силы, действующие на резец: --резец; 2 -- заготовка; Р -- сила резания; Р„ Ру и Р. -- составляющие силы резания; D,. -- направление главного движения резания; Ds -- направление движения подачи; t -- глубина резания

Между тремя составляющими силы резания существуют примерно следующие соотношения

Ру= (0,25 ...0,5) Pz; PX=(0,1...0,25)PZ

В большинстве случаев Р2 ~ 0,9Р, что позволяет производить многие практические расчеты не по силе Р резания, а по тангенциальной ее составляющей Pz

В процессе резания на значение Рz, Ру и Рх влияют следующие факторы: обрабатываемый металл, глубина резания, подача, передний угол, главный угол в плане, радиус скругления режущей кромки, СОЖ, скорость резания и износ резца.

Физико-механические свойства обрабатываемого металла существенно влияют на значение силы резания. Чем больше предел прочности при растяжении ав и твердость обрабатываемого металла, тем больше Pz, Ру и Рх.

Увеличение глубины резания и подачи также приводит к увеличению составляющих силы резания, причем глубина резания больше влияет на силу резания, чем подача.

Чем меньше передний угол лезвия у, тем больше сила резания.

При увеличении главного угла ф в плане сила Ру резко уменьшается, а сила Px увеличивается. Для твердосплавных резцов при увеличении ф от 60 до 90° сила Pz практически не изменяется. При увеличении радиуса r скругления режущей кромки силы Px и Ру возрастают, а сила Рх уменьшается.

СОЖ уменьшают силу Р, при небольшой толщине срезаемой стружки, увеличение толщины среза и скорости резания снижает эффект применения СОЖ.

При увеличении скорости резания от 50 до 500 м/мин сила Р. значительно уменьшается; дальнейшее повышение скорости резания дает лишь небольшое уменьшение силы Pz.

Износ резца по задней поверхности значительно увеличивает силы Ру и Рх.

Материал режущей части резца также оказывает влияние на силу резания; например, твердосплавные резцы снимают стружку с несколько меньшей силой резания, чем резцы из быстрорежущей стали.

Размещено на Allbest.ru