Высокое качество изготавливаемой детали и её низкую стоимость, выполняют расчет режима резания. Из данной статье вы узнаете, как правильно его рассчитывать и какие данные использовать при вычислениях.
Что такое режим резания
Чаще всего под этим термином имеют в виду вычисление глубины, подачи и скорости резания. Это основные параметры, без которых выточить деталь невозможно. Кроме того, также в расчет могут входить припуски на обработку, частота вращения шпинделя, масса заготовки и другие элементы обработки, которые оказывают влияние на условия протекания процесса точения.
Рассчитать режим резания можно несколькими способами. Первый и самый точный - это аналитический, и он предполагает собой использование эмпирических формул. Второй способ - табличный. Для его осуществления требуется изучение и анализ большого количества информации из различных справочников. Кроме того, для расчета режимов резания также могут быть использованы различные программы. Они значительно упрощают вычисление. Для этого требуется только ввести все известные параметры, и программа сама выполнит расчет.
Для чего необходимо выполнять расчет
Технологический маршрут обработки детали или поверхности включает в себя наименования необходимых операций и состоит из переходов. Для каждого из них необходимо рассчитать режим резания, определить оборудование, на котором будет производиться обработка, выбрать режущий инструмент, сделать чертеж и назначить необходимые размеры. Это необходимо для того, чтобы минимизировать затраты на производство и получить качественную деталь. Так, не выполнив расчет режима резания при точении, можно как сломать режущий инструмент, так и повредить деталь. Все это принесет убытки компании или предприятию, где выполнялась обработка. Выполнив расчет глубины, скорости резания и подачи, токарь с легкостью сможет выполнить свою работу.
Режущий инструмент при токарной обработке
Токарная работа выполняется на токарных станках при помощи резцов. Их существует огромное множество. Они классифицируются по виду обработки, по материалу, по виду конструкции. Отрезной резец - один из самых популярных. Из названия становится понятным, что он предназначен для отрезания торцов под прямым углом. Еще один наиболее популярный - расточной. Он предназначен для растачивания отверстий. Глубина резания для такого резца равна величине отгиба его рабочей части. Выбор режущего инструмента, прежде всего, зависит от требуемой операции и материала заготовки. Так, например, для чугунных изделий рекомендуется выбирать вольфрамовые резцы (ВК6М,ВК2, ВК3), для ковочных и жаропрочных сталей - титано-тантало-вольфрамовые (ТТ20К9, ТТ8К6, Т14К8). Чаще всего для обработки обычной стали используют инструмент из быстрорежущей стали (Р18,Р9) и с добавлением легирующих элементов (Р18К5Ф2, Р6МЗ, Р18Ф2). Кроме того, возможно применение резцов из углеродистой стали (У10А и У12А), однако следует учитывать, что при нагревании этого материала выше 200 °С он теряет стойкость и становится непригодным для дальнейшей работы. Режимы резания при обработке поверхностей обязательно учитывают режущий инструмент и его материал.
С чего начать
Прежде чем приступить к расчету режимов резания, необходимо выбрать режущий инструмент и определить, из какого материала выполнена его режущая часть и сама заготовка. Так, для хрупких металлов выбирают наименьшие значения. Кроме того, нужно знать, что при точении деталь нагревается и если скорость резания будет слишком высокая, из-за повышения температуры может деформироваться сама деталь. Далее, определяют вид обработки (черновая, чистовая). Для этих двух операций режим резания существенно отличается. Для чистовой обработки выбирают наименьшие допустимые значения, для получения необходимого класса точности. В зависимости от толщины срезаемого слоя также выбирают и количество проходов, за которые будет обработана поверхность.
Глубина
Одним из важных элементов режима резания является толщина срезаемого слоя за один проход - глубина. Если выполняется подрезание торца, то за глубину необходимо принимать всю снимаемую поверхность - её диаметр. Как уже было сказано ранее, немаловажным является и количество проходов. Они рассчитываются в зависимости от припусков на обработку. При этом около 60 % уходит на черновую обработку, 20-30 % - на получистовую и на чистовую (последний проход) - 10-20 %. Для цилиндрических поверхностей глубина резания t завит от диаметров детали. Так, расчет выполняют по формуле t = (D - d) / 2. Для плоских деталей, в расчете вместо диаметра используют длину. Для черновой обработки глубина принимается больше 2 мм, при получистовом - 1-2 мм, а при чистовом 0,3-1 мм. В целом, конечно же, этот параметр зависит от необходимого качества получаемой поверхности. Чем меньший класс точности необходим, тем меньшая должна быть глубина резания и тем больше будет проходов.
Подача
Величина перемещения резца за один оборот заготовки именуется подачей. При черновом точении этот параметр выбирается максимально допустимым. При чистовой обработке величина подачи будет зависеть от требуемого квалитета шероховатости. Конечно же, подача зависит и от глубины резания и размера детали. Чем меньше деталь, тем меньшее число необходимо выбрать. Что же касается срезаемого слоя, то чем он больше, тем подача меньше. Для удобства существуют специальные таблицы. В них можно увидеть зависимость величины этого значения от других параметров. Кроме уже вышеописанных элементов, иногда требуется знать размер державки резца, так он также влияет на величину подачи. При выборе этого параметра существуют и определенные исключения. Так, при токарных режимах резания с ударными нагрузками, значение из таблицы необходимо умножить на коэффициент 0,85. А если обрабатывается жаропрочная сталь, то подача не должна превышать 1 мм/об.
Скорость резания
Еще один важный элемент режимов резания - это скорость. В первую очередь она зависит от выполняемой операции. Например, отрезание торца можно производить на достаточно высокой скорости. Режимы резания при сверлении и точении весьма отличаются. По этой причине перед выполнением расчета необходимо точно знать название слесарной операции, используемый инструмент и материал заготовки. При токарной обработке для вычисления скорости диаметр детали умножают на количество её оборотов в минуту и на π. Полученное число делят на 1000. Как уже говорилось ранее, используя табличный метод можно не выполняя расчет подобрать скорость резания.
Проверка режима резания
После того как подача, глубина и скорость резания назначены, их необходимо проверить. Полученные значения не должны превышать те, которые записаны в паспорте станка. В противном случае при точении может быть поврежден не только режущий инструмент, но и сам станок.
Первый и самый важный показатель, который необходимо проверить, - это мощность двигателя станка и её необходимо вычислить по формуле: P x V / 1000, где Р - это сила резания, а V - уже рассчитанная действительная скорость резания. Теперь полученную мощность необходимо сравнить с допустимой по паспорту станка. Если она не превышает это значение, значит, расчет выполнен верно. Можно приступать к обработке. Если же расчетная мощность больше паспортной, то необходимо корректировать скорость резания, подачу и глубину.
Методические указания
Для выполнения контрольной работы по дисциплине
«Процессы формообразования и инструмент»
Пермь – 2005
Цель работы: практически овладеть методикой назначения режима резания и расчета машинного времени при токарной обработке.
Шифр задания , (приложение I).
I, II, III и т. д. – вид операции механической обработки: предварительная продольная обточка стальных или чугунных заготовок, чистовая обточка стальных или чугунных деталей и т. д.
1, 2, 3 и т. д. – номера вариантов задания.
Например, шифр задания I-10 означает, что следует назначить элементы режима резания и рассчитать машинное время при предварительной продольной обточке стальной заготовки при следующих условиях: обрабатываемый материал – сталь хромокремнистая прочностью 980 МПа (прокат горячекатаный), диаметр заготовки D 1 = 148 мм, диаметр обработанной детали D 2 = 140 мм, длина обработанной поверхности L = 400 мм, на поверхности заготовки корка, обработка производится без охлаждения. Резец правый, прямой, проходной, материал режущей части твердый сплав Т5К10, α = 8º, γ = -10º, φ = 30º, φ 1 = 15º, λ = 0º, r В = 1 мм.
Период стойкости Т = 30 мин., допустимый износ по главной задней поверхности h 3 = 1,0 мм.
Оборудование.
Все варианты задания выполняются на токарно-винторезном станке модели 16К20.
Технические характеристики станка:
Высота центров 215 мм
Расстояние между центрами 2000 мм
Мощность электродвигателя
главного движения N ст = 10 кВт
КПД станка η = 0,75
Частоты вращения шпинделя:
12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250;315; 400; 500; 630; 800; 1000; 1250; 1600 об/мин.
Продольные подачи: 0,05; 0,06; 0,075; 0,09; 0,10; 0,125; 0,15; 0,175; 0,20; 0,25; 0,30; 0,35; 0,40; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 1,0; 1,2; 1,4; 1,6; 2,0; 2,4; 2,8 мм/об.
Поперечные подачи: 0,025; 0,03; 0,0375; 0,045; 0,05; 0,0625; 0,075; 0,0875; 0,10; 0,125; 0,15; 0,175; 0,2; 0,25; 0,3; 0,35; 0,40; 0,50; 0,60; 0,70; 0,80; 1,10; 1,20; 1,40 мм/об.
Элементы режима резания при токарной обработке.
К элементам режима резания относятся (рис. 1):
Скорость резания:
где
- диаметр обрабатываемой поверхности
детали, мм;
- частота вращения
шпинделя станка, об/мин.
При заданной скорости резания частота вращения шпинделя станка определяется по формуле:
(2)
Подача назначается в мм на один оборот детали S , мм/об.
Минутная подача: S м = S·n , мм/мин. (3)
Глубина резания
(4)
Совокупность этих элементов (v, s, t ) называется режимом резания.
Назначение элементов режима резания.
Наивыгоднейшим называется режим резания, обеспечивающий наивысшую производительность процесса при наименьшей его себестоимости. Наивысшая производительность процесса достигается при наибольших значениях глубины резания, подачи и скорости резания. Наименьшая себестоимость достигается при обеспечении экономически обоснованного периода стойкости резца. Эта величина указана в задании.
Задание предусматривает расчет наивыгоднейшего режима резания при токарной обработке. Для других видов механической обработки (сверления, зенкерования, фрезерования и т. д.) используются аналогичные методики. При этом существует единая последовательность, суть которой заключается в следующем: в первую очередь назначаются элементы режима резания наименьшим образом влияющие на период стойкости инструмента – глубина резания и подача.
По этим двум элементам и заданной экономически обоснованной величине периода стойкости рассчитывается скорость резания. По назначенному таким образом режиму резания производятся различные проверочные расчеты. В данной работе предусмотрена проверка по мощности главного привода станка.
Режим резания назначается по формулам и таблицам, приведенным в тексте данных методических указаний и в приложении II.
Ниже приведена последовательность назначения режима резания при токарной обработке.
Рис. 1
Под режимом резания подразумевается совокупность глубины резания, подачи, скорости резания и стойкости инструмента.
Элементы режима резания устанавливаются в такой последовательности: сначала определяется максимально возможная глубина резания (допустимая технологией обработки); по выбранной глубине определяется максимальная величина подачи (допустимая технологией обработки); по выбранной глубине и подаче, задавшись определенным периодом стойкости инструмента, находят допустимую скорость резания. Затем производится проверка выбранных элементов режима резания. Подачу контролируют по прочности механизмов станка, ско рость - по соответствию мощности резания и мощности станка.
Глубина резания определяется в основном припуском, оставленным на обработку. Если нет ограничений по точности и шероховатости обработки, то весь припуск срезают за один рабочий ход. Если технические условия не позволяют производить обработку за один рабочий ход, припуск разбивают на черновые и чистовые рабочие ходы. Черновые рабочие ходы выполняют с максимальной глубиной резания, а на чистовые оставляют минимальный припуск, обеспечивающий изготовление детали с заданной шероховатостью и допуском.
Подача. Для повышения производительности труда целесообразно работать с максимально возможной подачей. Величина подачи, как правило, ограничивается крутящим моментом станка, прочностью слабого звена механизма подачи, жесткостью обрабатываемой детали, прочностью инструмента и требованиями шероховатости обрабатываемой поверхности. Величины подач на практике обычно берутся из справочников.
Скорость резания. После определения глубины резания и подачи определяется скорость резания.
Частота вращения шпинделя п (в об/мин) станка определяется по формуле
Расчетная частота вращения корректируется с учетом действительной частоты вращения станка. По действительной частоте вращения подсчитывается действительная скорость резания. Действительная частота вращения станка не должна отличаться от расчетной более чем на 5 %.
Проверка выбранных элементов режима резания
Проверка
скорости.
Проверка скорости
производится по мощности станка. Может
оказаться, что мощности данного
станка будет недостаточно для того,
чтобы вести обработку с выбранными
основными элементами режима резания.
Расчетная мощность электродвигателя
станкаN
рез
должна быть меньше или, по крайней мере,
равна мощности электродвигателя станкаN
ст
, т. е.N
рез
N
ст
.
Если окажется, что мощности станка не хватает, то принятую скорость необходимо уменьшить.
Проверка
подачи.
При черновой обработке
назначенная подача обязательно
проверяется по прочности деталей
механизма подачи станка. Определяется
осевая составляющая силы резанияР
x
при принятой подаче. Она должна быть
меньше или, по крайней мере, равна
наибольшей силе, допускаемой прочностью
механизма станкаP
ст
,
которая указывается в паспорте станка
завода-изготовителя, т. е. Р
x
Р
ст
.
В случае еслиР
x
Р
ст
,
необходимо подачу уменьшить.
§ 14. Сведения об инструментальных материалах. Требования, предъявляемые к ним
В конце прошлого. и в начале нашего столетия процессы снятия стружки в металлообрабатывающей промышленности были на очень низком уровне развития.. Главным инструментальным материалом была углеродистая сталь, обладающая низкой износостойкостью и недостаточной способностью противостоять тепловым нагрузкам. В процессе резания режущая кромка инструмента, изготовленная из инструментальной стали с содержанием углерода 1,2 % и закаленная до твердости 66 HRC, могла противостоять температурам 200-250 °С и допускать обработку со скоростями резания 10-15 м/мин.
Несколько позднее появились инструментальные стали, легированные присадками хрома, вольфрама, молибдена, ванадия и др., которые позволили работать со скоростями 20- 25 м/мин. Резцы из углеродистых и легированных сталей изготовляются цельными, из одного куска металла.
В первые два десятилетия двадцатого столетия была открыта быстрорежущая сталь (1906), которая при содержании в ней вольфрама около 19 % могла работать при температуре до 650 °С. Быстрорежущие стали допускают работу при скоростях резания, в 2-3 раза превышающих скорости, возможные при использовании инструментов, изготовленных из инструментальных углеродистых сталей.
Дальнейшие эксперименты с материалами, имеющими повышенное содержание кобальта (Со), хрома (Сг) и вольфрама (W), привели к получению сплава из этих металлов - стеллита (1915) с температурным пределом 800 °С.
Эти два новых материала явились большим достижением в области обработки резанием. Для обточки стального валика диаметром 100 мм и длиной 500 мм резцом из инструментальной стали требовалось 100 мин машинного времени. Быстрорежущая сталь позволила сократить это время До 26 мин, а резцы из стеллита довели его до 15 мин.
В 1920 г. впервые был получен металлокерамический твердый сплав. Этому открытию суждено было сыграть самую важную роль в развитии режущего инструмента. В 30-е годы металлокерамические твердые сплавы нашли широкое применение в металлообработке. Уже первые инструменты из твердых сплавов позволили уменьшить время обработки образцового валика до 6 мин. Сейчас этот инструментальный материал занимает доминирующее положение в области резания металлов.
Твердые сплавы сохраняют относительно высокую твердость при нагреве до температуры 800-900 °С и позволяют вести обработку на высоких скоростях резания. При соответствующих геометрических параметрах инструмента скорость резания достигает 500 м/мин при обработке сталей марки 45 и 2700 м/мин при обработке алюминия. Твердосплавным инструментом можно обрабатывать детали из закаленной (HRC до 67) и труднообрабатываемых сталей.
Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок, стандартизованных по форме и размерам, и сплошных или пустотелых столбиков. Важным событием в инструментальной промышленности было создание на основе принципа «неперетачиваемости» в середине 50-х годов инструментов с поворотными неперетачиваемыми пластинками.
При износе одной режущей кромки пластинка не снимается на переточку, а поворачивается, и новая режущая кромка продолжает резание. В 50-е годы появился минералокерамический материал. Его производство очень схоже с процессом изготовления металлокерамических твердых сплавов. Основой минералокерамических материалов является очень часто корунд (окись алюминия Аl 2 О 3). Минералокерамика не нашла, однако, широкого применения. Главной причиной тому является недостаточная прочность.
В 1969-1973 гг. появились поворотные пластинки с покрытием, сущность которого заключается в том, что на прочную твердосплавную основу наносится слой износостойкого карбида. Первые твердосплавные пластинки имели слой карбида титана толщиной 4-5 мкм. Применение покрытия увеличило срок службы пластинок примерно на 300 %. Столь существенное улучшение объясняется тем, что наносимый слой действует как диффузионный барьер, имеющий высокую химическую стабильность при повышенных температурах.
В 1976 г. были созданы пластинки с двухслойным покрытием (типа GG015) с использованием окиси алюминия. Наружный слой толщиной в 1 мкм делается из окиси алюминия, а промежуточный слой толщиной и 6мкм - из карбида титана.
Твердосплавные пластинки с двухслойным, покрытием этого типа обладают отличными режущими свойствами при высоких, средних и низких режимах резания при обработке стали, чугуна при температурах до 1300 °С.
Особое место среди инструмёнтальных материалов занимают алмазы, являющиеся самыми твердыми, самыми износостойкими материалами, но хрупкими и самыми дорогими из всех материалов.
В нашей стране на основе кубического нитрида бора (вещества, состоящего из атомов азота и бора) создан новый сверхтвердый; синтетический материал эльбор, обладающий большой твердостью (до 9000 кгс/мм 2) и высокой теплостойкостью (1400 С). Эльбор химически инертен по отношению к углеродсодержащим материалам и более прочен, чем алмаз. Инструмент, изготовленный из эльбора, имеет высокую износостойкость. Эльбор в виде порошка используют для изготовления шлифовальных кругов и другого абразивного инструмента, а эльбор в виде столбиков - для изготовления резцов.
На рис.19 развитие инструментальных материалов изображено в форме
Рис. 19. Диаграмма развития инструментальных материалов
графика, на котором по оси абсцисс отложены годы, а по оси ординат - время, требовавшееся для обточки одного и того же валика в разные годы нынешнего столетия. Как видно из Графика, время обработки образцового валика сократилось со 100 мин в начале 1900-х г. до 1 мин в середине 1970."х г.
Требования, предъявляемые к инструментальным материалам. Режущие материалы должны удовлетворять следующим основным требованиям:
высокой твердости, значительно превосходящей твердость обрабатываемого металла;
высокой механической прочности - режущая поверхность инструмента должна выдерживать большое давление, без хрупкого разрушения и заметного пластичного деформирования;
высокой теплостойкости - материал должен сохранять при нагреве твердость, достаточную для осуществления процесса резания;
высокой износоустойчивости - способности материала работать продолжительное время при высокой температуре.
Для изготовления инструмента применяют следующие группы материалов, в различной степени (в разных условиях) удовлетворяющие этим требованиям: 1) инструментальные углеродистые стали; 2) инструментальные легированные стали; 3) быстрорежущие стали; 4) металлокерамические твердые сплавы; 5) минералокерамические материалы; 6) алмазы; 7) абразивные материалы; 8) конструкционные стали.
В табл. 2 приведены свойства основных инструментальных материалов, а на диаграмме (рис. 20) - твердость их в зависимости от температуры резания.
Инструментальные углеродистые стали . Для изготовления режущих инструментов применяются углеродистые стали марок: У7, У8, ..., У13, У7А, У8А, ..., У13А. Буква У указывает, что сталь углеродистая; цифры-среднее содержание в процентах углерода;
2. Свойства основных инструментальных материалов
|
Инструментальный материал |
материал |
Твердость, HRA |
Предел прочности на изгиб, Н/м 10 7 |
Предел прочности на сжатие Н/м 10 7 |
Теплопроводность, Вт/м*К |
Теплостойкость. град |
Коэффициент относительной допустимой скорости резания |
|
Углеродистая сталь | |||||||
|
Быстрорежущая сталь | |||||||
|
Твердый сплав | |||||||
|
Минералокерамика |
Рис. 20. Зависимость твердости инструментальных материалов от температуры
буква А показывает, что сталь повышенного качества с минимальным (небольшим) содержанием вредных примесей. Марки и их состав даны в ГОСТ 1435-54.
Инструмент, изготовленный из углеродистой стали, позволяет вести обработку при скоростях резания 10- 15 м/мин и при температурах резания 200-250°С.
Из углеродистых сталей изготовляют слесарные и режущие инструменты, работающие на низких скоростях. Из стали У9А изготовляют зубила, из стали У13 - шаберы, напильники. Учитывая, что углеродистая сталь хорошо шлифуется, сталь У12А применяют для изготовления метчиков, необходимых, для обработки точных резьб с мелким шагом.
Легированные инструментальные стали. Легированные инструментальные стали отличаются от углеродистых наличием в них легирующих элементов - хрома, вольфрама, молибдена, ванадия, марганца, кремния. Стали с такими добавками называются легированными инструментальными сталями. Легированные стали выдерживают температуру нагрева 250-300°С и дают возможность работать со скоростью резания 20-25 м/мин. Наибольшее распространение получили марки ХВ5, ХВГ, 9ХС, ХГ. Из стали ХВ5 изготовляются развертки и фасонные резцы. Из стали ХВГ изготовляются протяжки крупных размеров Сталь 9ХС отличается высокой карбидной однородностью. Из нее изготовляются инструменты с тонкими режущими элементами - сверла, раз вертки, метчики, плашки, концевые фрезы небольших диаметров. Химический состав легированных сталей группы и марки даны в ГОСТ 5950- 63.
Быстрорежущие стали. Быстрорежущие инструментальные стали отличаются от легированных большим со держанием в них вольфрама, ванадия хрома, молибдена. Быстрорежущие стали обладают более высокой твердостью, прочностью, износостойкость и теплостойкостью. Они не теряют своих режущих свойств при температур 550-600 °С и позволяют работать со скоростью резания в 2,5-3 раза выше, чем инструменты, изготовленные из углеродистых сталей, и в 1,5 раз, выше, чем инструменты, изготовленные из легированных сталей. Быстро режущие стали подразделяются н, стали нормальной производительности (Р18, Р9 и др.) и стали повышенной производительности (Р18Ф2К5, Р9Ф2К5 и др.). Наибольшее распространение получили стали Р9 и Р18. Твердость этих сталей - HRC 62-64 Быстрорежущие стали нормальной производительности позволяют работать со скоростью резания до 60 м/мин, а повышенной производительности - до 100 м/мин. Из быстрорежущих сталей изготовляются инструменты многих наименований: резцы, сверла, зенкеры, развертки, цилиндрические фрезы, червячные фрезы, долбяки, протяжки и др.
Твердые сплавы. Для изготовления режущей части инструмента применяют металлокерамические твердые сплавы. Металлокерамические сплавы получают спеканием порошков карбидов тугоплавких металлов: вольфрама, титана, тантала и связывающего их кобальта. Твердые сплавы обладают высокой теплостойкостью (до 1000°С) и износостойкостью. Они позволяют работать со скоростями резания в 3-4 раза большими по сравнению с инструментами из быстрорежущей стали. Твердые сплавы выпускаются в виде пластинок определенной формы и стандартных размеров (ГОСТ 2209-69).
Область применения твердых сплавов указана в ГОСТ 3882-74. Из твердых сплавов изготовляются резцы различных типов, сверла, зенкеры, развертки, торцовые фрезы, червячные фрезы, метчики и др.
Минералокерамические материалы. Для изготовления режущей части инструмента применяют минералокерамические материалы (микролит, терликорунд). Микролит, так же как и твердые сплавы, получают спеканием. Пластинки минеральной керамики обладают высокой твердостью (HRA=91-93), высокой теплостойкостью (до 1200 °С) и износостойкостью. Недостатками керамических материалов являются хрупкость и пониженная прочность. Наиболее высокими режущими свойствами обладает материал марки ЦН-332.
Керамические материалы применяют главным образом при получистовом и чистовом точении и при чистовом и тонком фрезеровании торцовыми фрезами с неперетачиваемыми пластинками.
Алмаз . Алмаз является самым твердым из всех инструментальных материалов. Твердость алмаза в 7 раз превосходит твердость карбида вольфрама и в 3,5 раза - карбида титана. Алмаз обладает высокой теплопроводностью и высокой износостойкостью. Недостатками алмаза являются хрупкость, низкая критическая температура (700-750 °С) и дороговизна.
Алмазы бывают естественные и синтетические. В природе алмазы встречаются в виде кристаллов и сросшихся кристаллических зерен и кристалликов. Искусственные (синтетические) алмазы получают из обычного графита воздействием на него высоких температур и давления. Синтетические алмазы типа «Карбонадо», «Баллас» выпускаются в виде кристаллов и порошков. Шлифовальные круги из синтетических алмазов применяются для заточки и доводки твердосплавных режущих инструментов.
Алмазом оснащаются резцы, торцовые фрезы и перовые сверла. В режущих инструментах применяются кристаллы массой от 931 до 0,75 карата (1 карат равен 0,2 г).
Кубический нитрид бора. Отечественная промышленность выпускает синтетические материалы того же назначения, что и искусственные алмазы. К ним относится в первую очередь кубический нитрид бора. Он представляет собой химическое соединение бора и азота. Технология его изготовления аналогична с производством синтетических алмазов. Исходным материалом является нитрид бора, свойства которого сходны со свойствами графита. Промышленные марки кубического нитрида бора «эльбор Р», «композит», «кубинит» обладают высокой твердостью, высокой теплоемкостью и высокой износостойкостью.
Марки типа «эльбор Р» обладают свойствами, значительно превосходящими минеральную керамику и твердые сплавы. Резцы из эльбора применяют для тонкого чистового точения закаленных сталей (с твердостью HRC45-60), хромоникелевых чугунов. Торцовые фрезы из эльбора позволяют производить чистовое фрезерование закаленных сталей и получать шероховатость поверхности доRa 1,25 мкм.
В последнее время освоено производство крупных поликристаллических образований нитрида бора с диаметром 3-4 мм и длиной 5-6 мм, обладающих высокой прочностью. Оснащение такими поликристаллами резцов и торцовых фрез позволяет обрабатывать закаленные стали с твердостью HRC до 50 и высокопрочных чугунов с параметрами шероховатости до Ra 0,50 мкм.
Конструкционные стали. Для изготовления державок, корпусов хвостовиков и деталей для клеймения составного инструмента применяют конструкционные стали: Ст5» Стб, стали 40, 45, 50 и др.
Элементами процесса резания являются скорости движений резания и глубина резания. Совокупность этих элементов называется «режим резания».
Скорость резания V - путь, пройденный наиболее отдаленной от оси вращения точкой поверхности резания относительно режущей кромки резца за единицу времени (м мин). Скорость резания зависит от частоты вращения и диаметра обрабатываемой заготовки. Чем больше диаметр D заготовки, тем больше скорость резания при одной и той же частоте вращения, так как за один оборот заготовки (или за одну минуту) путь, пройденный точкой А на поверхности резания (рис. 1.2), будет больше пути, пройденного точкой Б (πD>πd) .
Рис. 1.2. Данные для определения скорости резания при точении
Размерность скорости резания: для лезвийной обработки - м/мин, для абразивной обработки - м/с. Если главное движение является вращательным, то для лезвийной обработки
V = πDn/1000 ;
для шлифования
V= πDn/(1000*60),
где D - наибольший диаметр обрабатываемой поверхности заготовки или диаметр вращающегося инструмента, мм; п - частота вращения заготовки (инструмента), об/мин.
Если известна скорость резания, допускаемая режущими свойствами инструмента v и диаметр заготовки D , можно определить требуемую частоту вращения заготовки и настроить на частоту шпинделя:
n=1000v/πD , об/мин
Если главное движение является возвратно-поступательным, а скорости рабочего и холостого ходов разные, средняя скорость, м/мин, равна
V cp =(K + 1)Lm/1000,
где К = V px /V xx - коэффициент отношения скорости рабочего хода V px к скорости холостого хода V x х;
L - расчетная длина хода резца, мм;
т - число двойных ходов резца в минуту.
Скорость движения подачи (подача) S - путь точки режущего лезвия инструмента относительно заготовки в единицу времени в направлении движения подачи. Различают:
подачу в минуту (минутную) S м - перемещение режущего инструмента в минуту, мм/мин;
подачу на оборот S 0 - перемещение режущего инструмента за один оборот заготовки или инструмента, мм/об;
для многозубых инструментов - подачу на зуб S z - перемещение режущего инструмента за время поворота на угол, равный угловому шагу зубьев, мм/зуб;
подачу на двойной ход S 2x - перемещение режущего инструмента за один двойной ход, мм/2х.
S M = S O n= S z nz = S 2х,
где z - число зубьев инструмента.
При точении различают продольную подачу, направленную вдоль оси заготовки; поперечную подачу, направленную перпендикулярно оси заготовки; наклонную подачу под углом к оси заготовки (при обработке конической поверхности).
Глубина резания t - кратчайшее расстояние между обработанной и обрабатываемой поверхностями, мм. При точении (рис. 1.3, а) глубина резания равна
t = 0,5(D 3 - d),
где D 3 и d - соответственно диаметры заготовки и обработанной поверхности, мм.
При растачивании (рис. 1.3, б) глубина резания представляет собой полуразность между диаметром отверстия после обработки и диаметром отверстия до обработки. При подрезании глубиной резания являемся величина срезаемого слоя, измеренная перпендикулярно к обработанному торцу (рис. 1.3, в) и при отрезании и прорезании глубина резания равна ширине канавки, образуемой резцом (рис. 1.3, г).
Рис. 1.3. Глубина резания при различных видах обработки. а - наружное точение (обтачивание), б - растачивание, в - подрезание торца, г - отрезание
3. Виды резцов и их геометрические параметры
Токарные резцы подразделяются по назначению, материалу рабочей части, форме головки и направлению подачи, конструкции, сечению стержня и т.д.
По назначению различают резцы проходные, подрезные, отрезные, расточные, галтельные, фасонные и резьбовые.
Токарные резцы применяют:
Проходные – для обтачивания наружных цилиндрических и конических поверхностей;
Расточные – проходные и упорные – для растачивания глухих и сквозных отверстий;
Отрезные – для отрезания заготовок и точения канавок;
Резьбовые – для нарезания наружных и внутренних резьб;
Фасонные – для обработки фасонных поверхностей;
Галтельные – для обтачивания переходных поверхностей между ступенями валов по радиусу.
По направлению подачи проходные резцы подразделяют на правые и левые.
По форме головки и ее расположению резцы подразделяются на прямые, отогнутые и изогнутые.
По конструкции резцы могут быть цельные, с приваренной встык головкой, с припаянной пластинкой и с механическим креплением режущих пластин. В качестве материала рабочей части обычно используют быстрорежущие стали, твердые сплавы и металлокерамику.
По сечению стержня различают резцы прямоугольные, квадратные и круглые.
Токарный прямой проходной резец (рис. 3.1) состоит из рабочей части (головки) 2 и тела (стержня) 3. Тело резца служит для его установки и закрепления в резцедержателе. Рабочая часть резца образуется при его заточке и содержит следующие элементы: передняя поверхность 4 (поверхность, по которой сходит стружка); главная задняя поверхность 7 (она наиболее развита и направлена по движению подачи); вспомогательная задняя поверхность 7 (направлена против движения подачи). Пересечение передней и главной задней поверхностей дает главную режущую кромку 6, пересечение передней и вспомогательной задней поверхностей дает вспомогательную режущую кромку 5. Режущие кромки пересекаются в вершине резца 8. Расположение поверхностей и кромок резца определяется его заточкой (геометрия инструмента).
Рис. 3.1. Элементы и части прямого токарного проходного резца:
1 - вспомогательная задняя поверхность; 2 - головка резца; 3 - тело резца; 4 - передняя поверхность; 5, 6 - вспомогательная и главная режущие кромки соответственно; 7 - главная задняя поверхность; 8 - вершина резца
Для определения углов, под которыми располагаются элементы инструмента, вводят координатные плоскости. Рассматривают три системы координат: инструментальную, статическую и динамическую. В инструментальной системе координат инструмент рассматривается как геометрическое тело. В статической системе координат скорость главного движения отлична от нуля, а скорость движения подачи равна нулю. В динамической системе координат скорости главного движения и движения подачи отличны от нуля.
Рис 3.2. Координатные плоскости токарного проходного резца:
D r – движение резания; D S – движения подачи; P v - основная плоскость; P n – плоскость резания
Рассмотрим геометрию режущей части инструмента в статической системе координат на примере токарного проходного резца (рис. 3.3).
Главные углы рассматриваются в главной секущей плоскости Р х. Главный задний угол α - угол между касательной к главной задней поверхности в рассматриваемой точке главной режущей кромки и плоскостью резания. Наличие угла уменьшает трение между обработанной и главной задней поверхностями, что увеличивает стойкость инструмента. Однако чрезмерное увеличение угла приводит к уменьшению прочности режущего лезвия. Величина угла - в пределах 5... 10° и выбирается в зависимости от упругих свойств обрабатываемого материала. Для тех видов обработки, при которых скорость подачи соизмерима со скоростью главного движения (нарезание резьбы), угол выбирается в пределах 8... 14°.
Углом заострения β называется угол между передней и главной задней поверхностями резца.
Главный передний угол γ - угол между основной плоскостью и передней поверхностью. Он может быть положительным (если передняя поверхность расположена ниже основной плоскости), равным нулю (передняя поверхность совпадает с основной плоскостью) и отрицательным (если передняя поверхность расположена выше основной плоскости). При обработке низкоуглеродистых и низколегированных сталей быстрорежущим инструментом угол γ выбирают в пределах 12... 18°. При обработке вязких материалом угол увеличивают, а при обработке хрупких и твердых материалов - уменьшают вплоть до отрицательных значений.
Рис. 3.3. Углы резца в статической системе координат:
D r - движение резания; D s - движение подачи; P v - основная плоскость; Р n - плоскость резания; Р τ - главная секущая плоскость; α, γ - главные задний и передний углы; φ , φ 1 - главный и вспомогательный углы в плане; λ - угол наклона главной режущей кромки
Углы в плане рассматриваются между направлением движения подачи и проекцией соответствующей режущей кромки на основную плоскость. Главный угол в плане φ - угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения подачи. Вспомогательный угол в плане φ 1 - угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением движения подачи. При обработке деталей малой жесткости угол φ берут близким или равным 90°, так как в этом случае радиальная сила, вызывающая изгиб детали, минимальна. В зависимости от условий работы принимают φ= 10. . .90°. Наиболее распространенной величиной угла резца в плане при обработке на универсальных токарных станках является φ=45°. Вспомогательный угол в плане φ 1 =0...45°; наиболее распространен φ 1 =12...15°.
Угол наклона главной режущей кромки λ - это угол между главной режущей кромкой и основной плоскостью, проведенной через вершину резца. Если вершина резца является высшей частью главной режущей кромки, λ > 0; если совпадает с основной плоскостью, λ = 0; если вершина является низшей частью главной режущей кромки, λ < 0. С увеличением угла ухудшается качество обработанной поверхности. Но чаще всего выбор величины и знака угла определяется направлением схода стружки. При отрицательных значениях угла λ стружка сходит по направлению движения подачи, что безопасно при работе на универсальных станках; при положительных - стружка сходит по направлению против движения подачи, что безопасно при работе на станках с автоматическим и полуавтоматическим циклом. Положительные углы применяются при обработке отверстий для того, чтобы стружка выходила из отверстия.
Угол наклона главной режущей кромки λопределяет направление схода стружки. При положительном к стружка имеет направление на обработанную поверхность, при отрицательном λ- на обрабатываемую поверхность.
Парфеньева И.Е. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ. М.: Учебное пособие, 2009
3. Классификация и характеристика движения резания. Режимы резания. Качество обработанной поверхности Параметры процесса резания. Общая характеристика способа точения.
3.1. Классификация и характеристика движения резания
Чтобы с заготовки срезать слой металла, необходимо режущему инструменту и заготовке сообщить относительные движения. Эти относительные движения обеспечиваются рабочими органами станков, в которых заготовка и инструмент устанавливаются и закрепляются.
Движения рабочих органов станков делят на рабочие или движения резания, установочные и вспомогательные.
Рабочие или движения резания – это движения, которые обеспечивают срезание с заготовки слоя металла. К ним относят главное движение резания и движение подачи.
За главное движение резания принимают движение, определяющее скорость деформирования металла и отделения стружки. За движение подачи принимают движение, которое обеспечивает непрерывность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки. Эти движения могут быть непрерывными или прерывистыми, по своему характеру – вращательными, поступательными, возвратно-поступательными. Скорость главного движения обозначают буквой V , скорость движения подачи (величину подачи) - S .
Установочные движения – движения, обеспечивающие взаимное расположение инструмента и заготовки для срезания с нее определенного слоя материала.
Вспомогательные движения – движения рабочих органов станков, не имеющие прямого отношения в процессу резания. Примерами служат: быстрые перемещения рабочих органов, переключение скоростей резания и подач и др.
Для любого процесса резания можно составить схему обработки . На схеме условно обозначают обрабатываемую заготовку, ее установку и закрепление на станке, закрепление и положение инструмента относительно заготовки, а также движения резания. Инструмент показывают в положении, соответствующем окончанию обработки поверхности заготовки. Обработанную поверхность на схеме выделяют утолщенными линиями. Показывают характер движений резания.
На заготовке различают: обрабатываемую поверхность 1, с которой срезается слой металла; обработанную поверхность 3, с которой металл уже срезан; поверхность резания 2, образуемую в процессе обработки главной режущей кромкой инструмента.
Рис.1. Схемы обработки заготовки точением и сверлением
3.2. Режимы резания
Основными элементами режима резания являются: скорость резания V , подача S и глубина резания t . Элементы режима резания рассмотрим на примере токарной обработки.
Рис.2. Элементы режима резания и геометрия срезаемого слоя
Скорость резания V – это расстояние, пройденное точкой режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении главного движения в единицу времени. Скорость резания имеет размерность м/мин или м/сек.
При точении скорость резания равна:
М/ мин
где D заг – наибольший диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм; n – частота вращения заготовки в минуту.
Подачей S называют путь точки режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении движения подачи за один оборот или один ход заготовки или инструмента.
Подача в зависимости от технологического метода обработки имеет размерность:
мм/об – для точения и сверления;
мм/об, мм/мин, мм/зуб – для фрезерования;
мм/дв.ход – для шлифования и строгания.
По направлению движения различают подачи: продольную S пр , поперечную S п , вертикальную S в , наклонную S н , круговую S кр , тангенциальную S т и др.
Глубиной резания t называют расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, измеренное перпендикулярно последней. Глубину резания относят к одному рабочему ходу инструмента относительно обрабатываемой поверхности. Глубина резания имеет размерность мм. При точении цилиндрической поверхности глубина резания определяется по формуле:
где d –диаметр обработанной цилиндрической поверхности заготовки, мм.
Глубина резания всегда перпендикулярна направлению движения подачи. При подрезании торца глубиной резания является величина срезаемого слоя измеренная перпендикулярно к обработанному торцу. При прорезании и отрезании глубина резания равна ширине канавки, образуемой резцом.
Глубина резания и подача являются технологическими величинами, которыми оперируют в производственных условиях (при нормировании). Для теоретических исследований имеют значение геометрические величины срезаемого слоя: ширина, толщина и площадь срезаемого слоя.
Шириной срезаемого сло я «b » называется расстояние в мм между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания.
где - главный угол в плане.
Толщиной срезаемого слоя «a » называется расстояние в мм между двумя последовательными положениями поверхности резания за один оборот обрабатываемой детали, измеренное перпендикулярно к ширине срезаемого слоя
Площадь срезаемого слоя «f » равна
Мм2 .
Эта площадь сечения срезаемого слоя называется номинальной . Действительная площадь срезаемого слоя будет меньше номинальной за счет гребешков, оставляемых резцом на обработанной поверхности. Высота и форма остающихся гребешков влияет на шероховатость обработанной поверхности.
3.3. Качество обработанной поверхности
Качество обработанной поверхности определяется геометрическими и физическими характеристиками поверхностного слоя. Геометрические характеристики поверхности дают представление о погрешностях механической обработки. К этим погрешностям относятся:
· макрогеометрия поверхности, характеризуемая погрешностями формы, как, например, выпуклостью или вогнутостью плоских поверхностей и конусностью, бочкообразностью, седлообразностью, овальностью и огранкой цилиндрических поверхностей;
- микрогеометрия поверхности (шероховатость);
- волнистость.
Физические свойства поверхностного слоя отличаются от физических свойств основного материала. Это объясняется тем, что при обработке резанием поверхностный слой подвергается воздействию высоких температур и значительных сил, которые вызывают упругие и пластические деформации. Толщина деформированного слоя составляет при шлифовании порядка 50000Ао , при полировании 15000Ао (Ао =10-7мм). Таким образом, даже при такой чистовой обработке, как шлифование, поверхностный слой толщиной более 5 мкм отличается от основного металла.
Шероховатость поверхности определяет продолжительность нормальной работы деталей и машин. От степени шероховатости поверхности зависят износостойкость поверхностей трущихся пар, антикоррозионная стойкость деталей машин, стабильность посадок.
Чем грубее обработана деталь, тем меньше ее износостойкость. Наличие микронеровностей вызывает концентрацию напряжений во впадинах гребешков, что приводит к появлению трещин и снижает прочность деталей (особенно работающих при знакопеременных нагрузках).
Шероховатость на деталях после обработки оказывает значительное влияние на коррозионную стойкость. Очаги коррозии образуются в первую очередь во впадинах. Чем чище обработана поверхность, тем выше ее коррозионная стойкость.
Шероховатость оказывает влияние на стабильность подвижных и неподвижных посадок. Значительная шероховатость изменяет расчетную величину зазора или натяга.
Высота неровностей на обработанной поверхности зависит от величины подачи, геометрии резца (радиуса резца при вершине, главного и вспомогательного углов в плане и ). Кроме того, высота неровностей зависит от обрабатываемого материала, скорости резания, нароста, износа резца, вибраций и т.д.
Общая высота неровностей складывается из расчетной (теоретической) части шероховатостей и шероховатостей, возникающих от технологических факторов.
При обработке резцом, для которого радиус при вершине =0, теоретическая высота неровностей равна
где S – подача, мм/об; , - главный и вспомогательный углы в плане, град.
При :
Зависимость приближенная, так как не учитывает влияние технологических факторов. Высота неровностей возрастает с увеличением подачи, а также углов и и уменьшается с увеличением радиуса .
Влияние технологических факторов на шероховатость поверхности:
1.Скорость резания. В диапазоне скоростей резания, где нарост имеет максимальное значение, получается наибольшая шероховатость. Так, для стали средней твердости наибольшая шероховатость поверхности получается в диапазоне 15-30 м/мин.
2.Глубина резания непосредственно не влияет на высоту микронеровностей.
3.Чем выше вязкость обрабатываемого материала, тем больше высота шероховатостей.
4.Применение СОЖ уменьшает размеры неровностей.
На шероховатость обработанной поверхности влияет шероховатость на режущей кромке инструмента. Она копируется и непосредственно переносится на обработанную поверхность.
3.4. Параметры процесса резания
Параметры процесса резания – это переменные, используемые для описания и анализа процесса резания. К ним относят множество размеров обработанной поверхности (линейные, угловые), множество параметров шероховатости; основное время, непосредственно затраченное на резание То , стойкость инструмента Т , эффективную мощность резания, скорость резания, геометрические параметры резцов и т.д.
Основное технологическое время обработки То –это время, затрачиваемое непосредственно на процесс изменения формы, размеров и шероховатости обрабатываемой поверхности заготовки.
Для токарной обработки
где -путь режущего инструмента относительно заготовки в направлении подачи; l –длина обработанной поверхности, мм; –величина врезания () и перебега резца (1–2), мм;
i – число рабочих ходов резца, необходимое для снятия материала, оставленного на обработку;
n – частота вращения заготовки, об/мин;
S – подача, мм/об.to –основное (технологическое) время, затрачиваемое на резание;
t в - вспомогательное время, необходимое для установки и снятия детали, измерения ее, управления станком и др.;
t об - время обслуживания станка и рабочего места, отнесенное к одной детали;
t п - время перерывов на отдых и естественные надобности, отнесенное также к одной детали.
Отдельные составляющие штучного времени определяются по нормативно-справочным данным.
Элементы режима резания назначают следующим образом:
1. сначала выбирают глубину резания. При этом стремятся весь припуск на обработку снять на один проход режущего инструмента. Если по технологическим причинам необходимо сделать два прохода, то при этом на первом проходе снимают 80% припуска, при втором 20%;
2. выбирают величину подачи. Рекомендуют назначать наибольшую допустимую величину подачи, учитывая требования точности и шероховатости обработанной поверхности, а также режущие свойства материала инструмента, мощности станка и другие факторы;
3. определяют скорость резания по эмпирическим формулам. Например, для точения
где СV - коэффициент, зависящий от обрабатываемого и инструментального материалов и условий резания;
Т – стойкость резца в минутах;
m - показатель относительной стойкости;
XV , YV –показатели степеней.
4. по найденной скорости определяется число оборотов шпинделя станка и по паспорту станка выбирается ближайшее меньшее
Загрузка...