Машиностроение является важнейшей отраслью промышленности, производящей различные машины, станки, приборы и металлические предметы культурно-бытового назначения. Уровень развития машиностроения в решающей степени определяет состояние всех других отраслей промышленности, производительность труда и, в конечном итоге, уровень жизни людей.
Обработка металлов и других конструкционных материалов резанием на металлорежущих станках — это весьма распространенный производственный процесс. Его назначение заключается в придании заготовкам с помощью режущего инструмента правильной геометрической формы, требуемых размеров и чистоты поверхности. Современное состояние науки о резании металлов характеризуется глубокими исследованиями физико-химических явлений в зоне резания, изучением процессов взаимодействия обрабатываемого материала и инструмента, созданием новых инструментальных материалов и освоением сверхскоростного резания.
Классификация видов обработки резанием
Все виды механической обработки металлов и материалов резанием подразделяются на два основных класса:
- Лезвийная обработка — осуществляется лезвийным инструментом, имеющим четко выраженные режущие кромки.
- Абразивная обработка — производится абразивными инструментами, где резание ведется множеством случайно расположенных зерен.
В данной (первой) части статьи мы подробно рассмотрим основные виды лезвийной обработки и применяемый при этом режущий инструмент.
Основные виды лезвийного инструмента и способы обработки
Сверление
Наиболее распространенным методом получения отверстий резанием является сверление. Главное движение (движение резания) при сверлении — вращательное, движение подачи — поступательное.
В качестве инструмента при сверлении применяются сверла. Самые распространенные из них, спиральные сверла, предназначенные для сверления и рассверливания отверстий, глубина которых не превышает 10 диаметров сверла.
Характеристики обработки:
- Шероховатость поверхности: Ra = 12,5…6,3 мкм
- Точность: 11-14 квалитет
Фрезерование
Фрезерование — один из самых производительных методов обработки. Главное движение (движение резания) при фрезеровании — вращательное; его совершает фреза. Движение подачи обычно прямолинейное. Фрезерованием можно получить деталь точностью по 6-12 квалитету и шероховатостью до Ra = 0,8 мкм.
Фрезерование осуществляется при помощи многозубого инструмента — фрезы. Классификация фрез обширна:
По виду различают фрезы:
- Цилиндрические
- Торцевые
- Дисковые
- Прорезные и отрезные
- Концевые
- Фасонные
По конструкции фрезы бывают:
- Цельные
- Составные
- Сборные
Протягивание
Протягивание применяется как окончательный вид обработки деталей, обеспечивающий высокую точность размеров и качество обработанных поверхностей. Метод высоко производительный, поскольку полная обработка изделия производится за один проход инструмента.
Инструментами служат протяжки и прошивки. Протяжки протягиваются через обрабатываемое изделие, а прошивки продавливаются (прошиваются) через него. Главным движением является движение протяжки, а скорость его — скоростью резания.
Точение
Точение, технологический способ обработки резанием наружных и внутренних цилиндрических и конических, а также плоских торцовых поверхностей тел вращения. Характерным признаком точения является непрерывность резания.
Точение ведется токарными резцами на металлорежущих станках (универсальных, специальных, станках с ЧПУ, карусельных, револьверных, автоматах и автоматических линиях).
По своему технологическому назначению точение разделяется на:
- Предварительное
- Межоперационное формообразующее
- Чистовое формообразующее
- Окончательное формообразующее
Токарные резцы: классификация и особенности
В качестве режущего инструмента при точении используются резцы, конструкция, размеры и форма которых соответствуют выполняемой операции.
Классификация по технологическому назначению
- Проходные резцы — для обработки наружных цилиндрических и конических поверхностей.
- Расточные резцы — для растачивания внутренних цилиндрических и конических поверхностей.
- Подрезные резцы — для обтачивания торцовых плоскостей.
- Резьбовые резцы, для нарезания наружных и внутренних резьб.
- Отрезные резцы — для разрезки заготовок на части.
Классификация по направлению подачи
- Правые резцы — работают с движением подачи, направленным справа налево (к шпинделю станка).
- Левые резцы — имеют направление движения подачи слева направо (от шпинделя станка).
Классификация по расположению рабочей части
- Прямые резцы — рабочая часть является продолжением корпусной части без искривления общей оси.
- Отогнутые резцы — геометрические оси корпуса и рабочей части пересекаються под углом (чаще всего равным 45°).
Резцы с неперетачиваемыми пластинами
Проходные токарные резцы часто оснащаются неперетачиваемыми твердосплавными пластинками трех-, четырех- и пятигранной формы. Пластинки выпускают различных типоразмеров: с плоскопараллельными поверхностями, с отформованным задним углом или без него, с центральным отверстием или без него, а также со стружкозавивающими и стружколомающими канавками вдоль лезвий. Все типоразмеры пластинок имеют закругленные вершины.
Из-за необходимости обеспечения жесткости сборных токарных резцов, на практике реализуется лишь несколько значений главного угла в плане (φ): 45, 60, 75 и 90°.
Проходные резцы имеют главный угол в плане φ < 90°. Благодаря этому толщина (а) срезаемого слоя всегда меньше подачи (S), а ширина (b) срезаемого слоя всегда больше глубины резания (t). Такая связь способствует снижению силового и температурного напряжения на лезвии резца.
Выбор геометрии заточки режущего инструмента
Форма режущей части инструмента обеспечивает его механическую прочность, теплостойкость и влияет на условия процесса резания: степень пластической деформации, количество образующейся теплоты, условия ее отвода и силы резания.
Формы передней поверхности
Форму передней поверхности назначают в зависимости от свойств обрабатываемого материала:
- Плоская с положительным передним углом, рекомендуется для обработки заготовок из стали с σв > 800 МПа, серого чугуна с НВ > 220, бронзы и хрупких материалов.
- Плоская с увеличенным передним углом (до 14°), рекомендуется для обработки заготовок из стали с σв < 800 МПа и чугуна с НВ < 220.
- Криволинейные формы, обеспечивают завивание и дробление стружки при обработке вязких металлов.
Влияние геометрических параметров на процесс резания
Геометрические параметры часто оказывают противоречивое действие:
- Передний угол: Уменьшение переднего угла делает режущую часть более прочной, но увеличивает силы резания, затрудняет образование стружки, увеличивает выделение теплоты и износ. Увеличение переднего угла облегчает резание, но ухудшает отвод тепла и снижает прочность режущей части.
- Главный угол в плане (φ): С его увеличением стойкость инструмента значительно снижается. Однако работа с малыми углами в плане возможна только при жесткой системе СПИД (станок-приспособление-инструмент-деталь), так как возрастают силы Рz и Ру, изгибающие резец и заготовку, что вызывает вибрации.
Практические примеры:
- При растачивании отверстий в деталях из твердых сталей (HRC 56-58) резцами из сплава ТТ8К6 уменьшение переднего угла от 10° до -5° увеличило стойкость в 1,7-3,0 раза, а уменьшение заднего угла от 10° до 5° — в 3-4 раза (за счет снижения вибраций консольно закрепленного резца).
- При точении массивных валков из отбеленного чугуна уменьшение угла в плане от 45° до 15° позволило сократить время обработки в 5 раз за счет увеличения подачи. А увеличение заднего угла от 5° до 10° повысило стойкость в несколько раз, так как при резании чугуна преобладает износ по задней грани.
Расчет режимов резания при точении
После определения оптимальной геометрии и материала инструмента выбирают режим резания. Величины скорости (V), подачи (S) и глубины резания (t) назначают так, чтобы наиболее полно использовать режущие свойства инструмента и возможности станка.
Порядок назначения режимов
- Глубина резания (t) — назначается первой, так как меньше всего влияет на стойкость инструмента. При черновой обработке стремятся снять припуск за один проход: t = h = (D-d)/2 (где h — припуск, D — диаметр заготовки, d — диаметр детали). При чистовой обработке припуск зависит от требований точности и шероховатости.
- Подача (S) — выбирается максимально возможной с учетом технологических ограничений (чистоты поверхности, прочности системы СПИД, мощности станка).
- Скорость резания (V) — рассчитывается по эмпирическим формулам с учетом коэффициента Kv (произведения частных поправочных коэффициентов). Скорость выбирается такой, чтобы стойкость инструмента (T) была близка к оптимальной. По полученной скорости определяется число оборотов шпинделя станка.
Факторы, ограничивающие производительность
- Глубина резания ограничена величиной припуска на обработку.
- Подача ограничена требованиями к точности формы, размеров и шероховатости поверхности;
- Скорость резания, с ее увеличением качество поверхности улучшается, но резко снижается стойкость инструмента.
В первой части мы рассмотрели основы лезвийной обработки, классификацию инструментов и особенности расчета режимов резания при точении. Во второй части будут подробно разобраны процессы фрезерования, сверления, протягивания, нарезания резьб и зубчатых колес, а также абразивный инструмент.