К основным элементам режима резания относят глубину, подачу и скорость резания. Рассмотрим схему резания при точении на примере обтачивания цилиндрической поверхности на токарном станке.
Глубина резания
t – глубина резания, величина снимаемого слоя металла, измеряемая перпендикулярно к обработанной поверхности и снимаемая за один проход режущего инструмента:
где D заг – диаметр обрабатываемой поверхности, мм;
d – диаметр обработанной поверхности, мм;
Глубина резания t принимается обычно равной припуску. При чистовом проходе t должна быть не более 1…2 мм.
Рисунок 4.1 – Элементы резания и геометрия срезаемого слоя
Подача
Подача S – величина (путь) перемещения режущей кромки за один оборот обрабатываемой заготовки, либо за один ход заготовки или инструмента в направлении движения подачи, мм/об, мм/дв.ход.
Подачу назначают из условия обеспечения требуемой шероховатости обрабатываемой поверхности. Обычно работают на S пр = (0,20…0,25) мм/об. Высокая чистота получается при работе на S пр = 0,03…0,05 мм/об.
Эти параметры элементы режима резания t и S непосредственно влияют на размеры снимаемой стружки, так:
а – толщина срезаемого слоя, расстояние между двумя последовательными положениями главной режущей кромки за один оборот заготовки определяется а = S · sinφ;
в – ширина срезаемого слоя, расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания: в=t/sinφ .
Заштрихованная площадь называется площадью поперечного сечения срезаемого слоя F:
F = t · S = a · b, мм 2 .
Скорость резания
V – скорость резания, путь перемещения обрабатываемой поверхности заготовки относительно режущей кромки резца в единицу времени, м/мин.
М/мин, м/с,
n – число оборотов заготовки/мин.
Если главное движение возвратно–поступательное, (например строгание), а скорости рабочего и холостого ходов различны, то скорость резания в м/мин находят по следующей зависимости
V = Lm(К=1)/1000,
где L – расчетная длина хода инструмента;
m – число двойных ходов инструмента в мин;
К – коэффициент показывающий отношение скоростей рабочего и холостого ходов.
Для повышения производительности процесса обработки V резания должна быть наибольшей. Однако, скорость резания ограничивается стойкостью режущей кромки инструмента, т.е.
где Т – стойкость инструмента, т.е. способность сохранять в рабочем состоянии режущие кромки (до достижения критического критерия затупления h зкр);
С v – коэффициент учитывающий конкретные условия обработки: физико-механические свойства обрабатываемого материала, качество поверхности заготовки, углы резца, условия охлаждения и т.д.;
х y и y v – показатели степени при глубине резания t и подаче S, точно также как и С v указаны в нормативных справочниках по резанию. Для определения оптимальной скорости резания нужен экономический анализ, необходимо выяснить, что выгоднее – повышение скорости резания или повышение стойкости инструмента. Например, расчетами или опытами выявлено, что при скоростях резания
V, м/с | 1,2 | 1,5 | 1,7 | 2,0 |
Т, сек | 425 | 166 | 100 | 33 |
Анализируя эти результаты можно отметить, что увеличение скорости резания на 25% приводит к снижению стойкости резца почти в три раза. Поэтому нужно учитывать, что по времени выгоднее – увеличение скорости или сохранение стойкости? В справочниках имеются рекомендуемые скорости резания V для данных конкретных условий обработки. При назначении V учитывают ее влияние на шероховатость поверхности, которая оказывает существенное влияние на износостойкость рабочих поверхностей детали, ее усталостную и коррозионную стойкость, а также на коэффициент полезного действия машин.
Шероховатость – один из показателей качества поверхности оценивается высотой, формой, направлением неровностей, включающая выступы и впадины на поверхности деталей, характеризующиеся малыми шагами т.е.
Она характеризуется тремя высотными параметрами R a , R r , R max двумя шаговыми S m , S и относительной опорной длиной t р.
На шероховатость влияют режим резания, геометрия инструмента, вибрации, физико-механические свойства материала заготовки.
По современным представлениям сила трения F т включает силу молекулярного взаимодействия контактирующих поверхностей и силу сопротивления их перемещению вследствие зацепления неровностей.
При благоприятном профиле износостойкость детали выше за счет меньшей величины контактных напряжений. Необходимо иметь ввиду, что усталостные разрушения вызываются знакопеременными нагрузками и трещины при этом развиваются с поверхности, причем в местах наиболее напряженных, т.е. во впадинах, где высокая степень пластического деформирования.
Следовательно скорость резания назначается таким образом, чтобы через определенное время (период стойкости Т) резец износился до значения критерия h 3 . Так Т = 30…60 мин для резцов из быстрорежущей стали и Т max = 90 мин – для резцов с напаянными твердыми сплавами.
Пример
Для определенных условий обработки на токарно-винторезном станке модели IК62 определим значения теоретической скорости резания V т:
Значения С v = 5640 и 1500, m = 0,8, Х v = 0,55 и У v = 0,55 приняты из справочных нормативных материалов по резанию.
Необходимо отметить, что скорость резания не оказывает существенного влияния на шероховатость, как значение подачи.
По паспортным данным станка IК62 определяем фактическую скорость резания V д.
Расчетная частота вращения шпинделя , пр (для V т = 120 м/мин):
На станке V т – теоретическая скорость резания для данных условий обработки, м/мин; D з – диаметр заготовки, мм.
Машинное время обработки определяется по формуле
где l – длина заготовки, мм;
l 2 – длина перебега, по нормативным таблицам: для глубины резания
мм, l2 = 2 мм,
где d – диаметр, обработанной поверхности;
l 1 – длина врезания
где φ – главный угол в плане проходного резца, примем равным 60°.
При токарной обработке цилиндрической поверхности основное (машинное) время и элементы режима резания связаны зависимостью
где L i = l + l 1 + l 2 – путь режущего инструмента относительно заготовки в направлении подачи (l – длина обрабатываемой поверхности, мм; l 1 = t·ctgφ – величина врезания резца, мм; l 2 = 1–3 мм выход резца (перебег)), i =H/t число рабочих ходов резца, необходимое для снятия материала, оставленного на обработку (Н – толщина удаляемого слоя металла, мм).
В целом штучное время состоит
Т шт = Т о + Т в + Т об + Т п,
где Т в – вспомогательное время необходимое для выполнения действий, связанных с подготовкой к процессу резания (подвод и отвод инструмента, установка и снятие заготовки и т.д.);
Т об – время обслуживания рабочего места, оборудования и инструмента в рабочем состоянии;
Т п – время на отдых и естественные потребности, отнесенное к одной детали.
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
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.
Одним из многофункциональных способов обработки металлов является точение. С его помощью осуществляется черновая и в процессе изготовления или ремонта деталей. и эффективная качественная работа достигается путем рационального подбора режимов резания.
Особенности процесса
Токарная отделка осуществляется на специальных станках с помощью резцов. Главные движения выполняются шпинделем, который обеспечивает вращение закрепленного на нем объекта. Движения подачи совершаются инструментом, который закреплен в суппорте.
К основным видам характерных работ относятся: торцевое и фасонное обтачивание, растачивание, обработка углублений и канавок, подрезание и отрезание, оформление резьбы. Каждый из них сопровождается производительными движениями соответствующего инвентаря: проходных и упорных, фасонных, растачивающих, подрезных, отрезных и резьбовых резцов. Разнообразный типаж станков позволяет обрабатывать мелкие и очень крупные объекты, внутренние и внешние поверхности, плоские и объемные заготовки.
Основные элементы режимов
Режим резания при токарной обработке - это комплекс параметров работы металлорежущего станка, направленный на достижение оптимальных результатов. К ним относятся следующие элементы: глубина, подача, частота и скорость вращения шпинделя.
Глубина - это толщина металла, снимаемая резцом за один проход (t, мм). Зависит от заданных показателей чистоты и соответствующей шероховатости. При черновом точении t = 0,5-2 мм, при чистовом - t = 0,1-0,5 мм.
Подача - расстояние перемещения инструмента в продольном, поперечном или прямолинейном направлении относительно одного оборота обрабатываемой детали (S, мм/об). Важными параметрами для ее определения являются геометрические и качественные характеристики
Частота вращения шпинделя - количество оборотов главной оси, к которой крепится заготовка, осуществляемое за период времени (n, об/с).
Скорость - ширина прохода за одну секунду с соответствием заданной глубины и качества, обеспеченная частотой (v, м/с).
Сила точения - показатель расходуемой мощности (P, Н).
Частота, скорость и сила - важнейшие взаимосвязанные элементы режима резания при токарной обработке, которые задают и оптимизационные показатели отделки конкретного объекта, и темп работы всего станка.
Исходные данные
С точки зрения системного подхода процесс точения можно рассматривать как слаженное функционирование элементов сложной системы. К ним относятся: инструмент, заготовка, человеческий фактор. Таким образом, на эффективность этой системы влияет перечень факторов. Каждый из них учитывается тогда, когда необходимо рассчитать режим резания при токарной обработке:
- Параметрические характеристики оборудования, его мощность, тип регулирования вращения шпинделя (ступенчатое или бесступенчатое).
- Способ крепления заготовки (с помощью планшайбы, планшайбы и люнета, двух люнетов).
- Физические и механические свойства обрабатываемого металла. Учитывается его теплопроводность, твердость и прочность, тип производимой стружки и характер ее поведения относительно инвентаря.
- Геометрические и механические особенности резца: размеры углов, державки, радиус при вершине, размер, тип и материал режущей кромки с соответствующей теплопроводностью и теплоемкостью, ударной вязкостью, твердостью, прочностью.
- Заданные параметры поверхности, в том числе ее шероховатость и качество.
Если все характеристики системы учтены и рационально просчитаны, становится возможным достижение максимальной эффективности ее работы.
Критерии эффективности точения
Детали, изготавливаемые с помощью токарной отделки, являются чаще всего составляющими ответственных механизмов. Требования выполняются с учетом трех основных критериев. Наиболее важным является максимальное выполнение каждого из них.
- Соответствие материалов резца и обтачиваемого объекта.
- Оптимизация между собой подачи, скорости и глубины, максимальная производительность и качество отделки: минимальная шероховатость, точность форм, отсутствие дефектов.
- Минимальные затраты ресурсов.
Порядок расчета режима резания при токарной обработке осуществляется с высокой точностью. Для этого существует несколько различных систем.
Способы вычисления
Как уже было сказано, режим резания при токарной обработке требует учета большого количества разных факторов и параметров. В процессе развития технологии многочисленные ученые умы разработали несколько комплексов, направленных на вычисление оптимальных элементов режимов резания для различных условий:
- Математический. Подразумевает точный расчет по существующим эмпирическим формулам.
- Графоаналитический. Совмещение математического и графического методов.
- Табличный. Выбор значений, соответствующих заданным условиям работы, в специальных комплексных таблицах.
- Машинный. Использование программного обеспечения.
Наиболее подходящий выбирается исполнителем в зависимости от поставленных задач и массовости производственного процесса.
Математический метод
Аналитически вычисляются Формулы существуют более и менее сложные. Выбор системы определяется особенностями и требуемой точностью результатов просчетов и самой технологии.
Глубина рассчитывается как разность толщины заготовки до (D) и после (d) обработки. Для продольных работ: t = (D - d) : 2; а для поперечных: t = D - d.
Допустимая подача определяется поэтапно:
- цифры, которые обеспечивают необходимое качество поверхности, S шер;
- подача с учетом характеристик инструмента, S р;
- значение параметра, учитывающее особенности закрепления детали, S дет.
Каждое число вычисляется по соответствующим формулам. В качестве фактической подачи выбирают наименьшую из полученных S. Также существует обобщающая формула, учитывающая геометрию резца, заданные требования к глубине и качеству точения.
- S = (C s *R y *r u) : (t x *φ z2), мм/об;
- где C s - параметрическая характеристика материала;
- R y - заданная шероховатость, мкм;
- r u - радиус при вершине токарного инструмента, мм;
- t x - глубина точения, мм;
- φ z - угол при вершине резца.
Скоростные параметры вращения шпинделя считаются по различным зависимостям. Одна из фундаментальных:
v = (C v *K v) : (T m *t x *S y), м/мин, где
- C v - комплексный коэффициент, обобщающий материал детали, резца, условия процесса;
- K v - дополнительный коэффициент, характеризующий особенности точения;
- T m - стойкость инструмента, мин;
- t x - глубина резания, мм;
- S y - подача, мм/об.
При упрощенных условиях и с целью доступности расчетов, скорость токарной обработки заготовки можно определить:
V = (π*D*n) : 1000, м/мин, где
- n - частота вращения шпинделя станка, об/мин.
Используемая мощность оборудования:
N = (P*v) : (60*100), кВт, где
- где P - сила резания, Н;
- v - скорость, м/мин.
Приведенная методика является очень трудоемкой. Существует большое разнообразие формул различной сложности. Чаще всего сложно правильно подобрать нужные, чтобы произвести расчет режимов резания при токарной обработке. Пример наиболее универсальных из них приведен тут.
Табличный метод
Суть этого варианта состоит в том, что показатели элементов находятся в нормативных таблицах в соответствии с исходными данными. Существует перечень справочников, в которых приведены значения подач в зависимости от параметрических характеристик инструмента и заготовки, геометрии резца, заданных показателей качества поверхности. Есть отдельные нормативы, вмещающие в себе предельно допустимые ограничения для различных материалов. Отправные коэффициенты, необходимые для расчета скоростей, также содержатся в специальных таблицах.
Такая методика используется обособленно или одновременно с аналитической. Она удобна и точна в применении для несложного серийного производства деталей, в индивидуальных мастерских и в домашних условиях. Она позволяет оперировать цифровыми значениями, используя минимум усилий и исходных показателей.
Графоаналитический и машинный методы
Графический способ является вспомогательным и основан на математических расчетах. Вычисленные результаты подач наносятся на график, где расчерчивают линии станка и резца и по ним определяют дополнительные элементы. Этот метод - очень сложная комплексная процедура, которая является неудобной для серийного производства.
Машинный способ - точный и доступный вариант для опытного и начинающего токаря, разработанный для того, чтобы вычислять режимы резания при токарной обработке. Программа предоставляет наиболее точные значения в соответствии с заданными исходными данными. Они обязательно должны включать:
- Коэффициенты, характеризующие материал обрабатываемой детали.
- Показатели, соответствующие особенностям инструментального металла.
- Геометрические параметры токарных резцов.
- Числовое описание станка и способов закрепления заготовки на нем.
- Параметрические свойства обрабатываемого объекта.
Сложности могут возникать на этапе числового описания исходных данных. Правильно задав их, можно быстро получить комплексный и точный расчет режимов резания при токарной обработке. Программа может содержать неточности работы, однако они менее значительны, чем при ручном математическом варианте.
Режим резания при токарной обработке - важная расчетная характеристика, определяющая ее результаты. Одновременно с элементами выбираются инструменты и охлаждающе-смазывающие вещества. Полный рациональный подбор этого комплекса - показатель опытности специалиста или его упорности.
От выбора режима резания (глубины резания, подачи и скорости резания) зависит производительность труда, качество и стоимость изготовления обрабатываемых деталей.
Токарь должен уметь правильно выбирать режимы резания, исходя из наилучшего использования режущих свойств резца и мощности станка при обеспечении заданных точности и чистоты обработки.
1. Глубина резания
Припуск на обработку можно снять в один или несколько проходов; выгоднее работать с возможно меньшим количеством проходов. Следует весь припуск снимать за один проход, если мощность и прочность станка, а также прочность резца и жесткость обрабатываемой детали допускают это. Если же припуск на обработку велик, а обработанная поверхность должна быть точной и чистой, следует припуск распределить на два прохода, оставляя на чистовую обработку 0,5-1 мм на сторону или 1-2 мм по диаметру.
2. Подача
Для получения наибольшей производительности следует работать с возможно большими подачами.
Величина подачи при черновой обработке - ограничивается жесткостью детали, прочностью резца и слабых звеньев механизма подачи станка.
Величина подачи при получистовой и чистовой обработке определяется требованиями чистоты обработанной поверхности и точности детали. Примерные подачи для получистового точения указаны в табл. 4. При работе резцами В. Колесова (см. рис. 62) при получистовой, а в ряде случаев и чистовой обработке сталей подача может быть очень большой - порядка 1,5-3 мм/об. Рекомендуемые значения подач при обработке металлов по методу В. Колесова приведены в табл. 5.
Таблица 4
Средние подачи при получистовом точении стали
Таблица 5
Рекомендуемые подачи при обработке металлов
по методу В. А. Колесова (по данным Уралмашзавода)
Примечание
. Меньшие значения подач приведены для более прочных материалов, большие - для менее прочных.
3. Скорость резания
Скорость резания зависит главным образом от обрабатываемого материала, материала и стойкости резца, глубины резания, подачи и охлаждения.
На основании опыта токарей-скоростников передовых заводов и лабораторных исследований разработаны специальные таблицы, по которым можно выбрать необходимую скорость резания при обработке твердосплавными резцами.
В качестве примера в табл. 6 приводятся рекомендуемые скорости резания для различных глубин резания и подач при продольном точении конструкционных углеродистых и легированных сталей с пределом прочности при растяжении сигмаb = 75 кг/мм² твердосплавными резцами Т15К6.
Скорости резания, указанные в табл. 6, рассчитаны на определенные условия резания. Они предусматривают обработку точением сталей σ b = 75 кг/мм² твердосплавными резцами Т15К6 с главным углом в плане φ = 45° при стойкости резца Т = 90 мин.
При условиях, отличающихся от указанных в табл. 6, следует табличные данные по скорости резания помножить на соответствующие коэффициенты, приводимые ниже.
Коэффициенты, учитывающие прочность обрабатываемого материала:
Коэффициенты, учитывающие стойкость резца:
Коэффициенты, учитывающие марку твердого сплава:
Таблица 6
Режимы резания
при точении конструкционных и легированных сталей
спределом прочности при разрыве
σ b = 75 кг/мм²
резцами с пластинками Т15К6
4. Требования, предъявляемые к современным токарным станкам
К токарным станкам, предназначенным для высокопроизводительного точения, предъявляются более высокие требования, чем к обычным токарным станкам.
При работе на высоких скоростях резания появляется опасность возникновения вибраций вследствие недостаточной жесткости станков, наличия излишних зазоров в подшипниках шпинделя и в подвижных соединениях суппорта, неуравновешенности отдельных быстро вращающихся частей станка, патрона или обрабатываемой детали.
Следовательно, для спокойной без вибраций работы станка его отдельные части (шпиндель, суппорт, задняя бабка) должны обладать достаточной жесткостью, а вращающиеся части должны быть тщательно уравновешены.
Мощность токарного станка для скоростного резания должна быть большей, так как, чем выше скорость резания, тем большая требуется мощность электродвигателя.
Этим требованиям удовлетворяют станки, выпускаемые отечественной станкостроительной промышленностью, например то-карно-винторезный станок 1А62, подробно нами рассмотренный, станок 1К62 и др.
Однако для высокопроизводительного резания можно в ряде случаев применять токарные станки старых моделей, имеющиеся на заводах, с некоторой переделкой их основных узлов.
Такая переделка станков называется модернизацией .
Переделка существующих станков под высокопроизводительное резание в одних случаях сводится главным образом к увеличению чисел оборотов шпинделя и замене имеющегося электродвигателя более мощным; в других же случаях требуется более сложная переделка, например, приходится изменять устройство фрикционной муфты, главного привода, добавлять устройства для принудительной смазки шпинделя, усиливать отдельные звенья станка и т. д.
Увеличение числа оборотов шпинделя является одним из широко применяемых мероприятий при переводе станков на скоростное резание и достигается изменением диаметров существующих шкивов. Одновременно заменяют также электродвигатель более мощным. Плоскоременную передачу от электродвигателя к станку заменяют клиноременной (см. рис. 2, б). Такая передача позволяет получить, не меняя ширины шкива, требуемую повышенную мощность и более высокое передаточное отношение.
Станки, переводимые на скоростную обработку, должны быть тщательно проверены, а в случае необходимости отремонтированы. При ремонте следует обращать внимание на подшипники передней бабки, фрикционную муфту, суппорт и др. Подшипники шпинделя должны быть тщательно отрегулированы, зазоры в подвижных частях суппорта устранены путем подтяжки клиньев. Фрикционная муфта должна быть проверена, а в случае необходимости соответственно усилена. Станок должен быть всегда хорошо смазан, особенно его коробка скоростей.
Прочная установка станка на фундаменте является необходимым условием для избежания вибраций, в особенности для станков с неуравновешенными вращающимися частями.
Контрольные вопросы
1. Расскажите о порядке выбора глубины резания и подачи.
2. Выберите скорость резания при точении конструкционной стали σ b = 75 кг/мм² при глубине резания t - 3 мм твердосплавным резцом Т15К6, пользуясь табл. 6, принимая подачу s = 0,2 мм/об.
3. Выберите скорость резания при точении σ b = 50-60 кг/мм² при глубине резания t = 2 мм твердосплавным резцом Т5К10 при подаче s = 0,25 мм/об.
4. Выберите скорость резания при точении легированной стали σ b = 100 кг/мм² при глубине резания t = 1 мм твердосплавным резцом Т30К4 при подаче s = 0,15 мм/об и при стойкости резца в 30 мин.
5. Каким основным требованиям должен удовлетворять токарный станок для скоростного резания?
6. Что называется модернизацией станка?
7. Перечислите основные пути, модернизации существующих станков для скоростного резания.