Основные части и конструктивные элементы инструмента

Понятие о режущих инструментах и их назначении. Роль РИ в развитии машиностроения. Классификация.

Классифицируют инструменты для упрощения изучения. В основу 1 классификации положены основные признаки РИ – технологический вид обработки (обработка отверстий, фрезерование, точение). Согласно Четверкову существует 8 групп инструментов:

	Резцы	Резцы, работающие на револьверных строгальных и др. станках
	Протяжки, прошивки	Определение: многолезвийный РИ, имеющий стержень с поперечными зубьями¸ последовательно совершающий работу резания
	Инструмент для обработки отверстий	Инструменты с 1,2 и более лезвиями; сверла, зенкеры, развертки
	Фрезы и пилы
	Зуборезный и обкаточный инструмент
	Абразивный инструмент
	Ручной инструмент
	Резбонарезной инструмент

 

Технологическая классификация предложена Ординарцевым. Все инструменты разбиваем на 4 класса, каждый класс имеет общие конструктивные элементы:

классы	группы	подгруппы
Валики Все концевые инструменты	Цельный инструмент диаметром до 12 мм
Сварной инструмент диаметром более 12 мм	Напайной или клееный со стальными пластинами
Твердсплавный с напайными пластинами
Сборный с механическим креплением пластин
Втулки Насадные инструменты с отношением длины к диаметру от 0,7 и выше
Дисковые Высота к диаметру до 0,7
Пластины

 

 

Инструмент хотя и выступает в качестве придатка к рабочей машине, но тем не менее играет самостоятельную, часто революционизирующую роль в развитии металлообработки. Это прежде всего появление новых режущих материалов, которые менее чем за столетие позволили повысить производительность резания более чем в сто раз и повлекли за собой усовершенствование станков в направлении повышения жесткости, мощности, скорости исполнительных органов. Многие станки берут начало от инструмента: протяжные, зубофрезерные, зубодолбежные и т.д.

При изучение каждого вида инструмента необходимо рассмотреть ряд вопросов:

1) Режущий материал инструмента;

2) Технологические возможности инструмента: достижимые скорости резания, точность, шероховатость. За счет чего они достигаются?

3) Форма рабочей части, несущей на себе режущие элементы, на которых расположены режущие клинья.

4) Форма и способы присоединения режущих элементов

5) Форма рабочих поверхностей (передней и задней) режущего клина, основное назначение которого состоит в образовании режущей кромки определенной конфигурации.

6) Форма присоединительной части и ее базовых поверхностей, которая служит для соединения инструмента со станком.

7) Элементы передачи усилий со станка на инструмент.

Основные части и конструктивные элементы инструмента.

Каждый инструмент имеет рабочую и присоединительную часть.

Рабочая	Режущая (отделяет срезаемый слой)
Калибрующая (обеспечивает точные размеры, форму и качество обработанной поверхности)
Присоединительная (для соединения инструмента со станком)	Базовые поверхности для ориентирования относительно станка
Элементы передачи усилий со станка на инструмент
Направляющая часть (для направления в работе по обрабатываемой детали или приспосаблению)	Не у всех

 

Важнейший элемент рабочей части режущий клин.

Режущий клин(лезвие) - ограничен двумя или несколькими поверхностями, линия пересечения которых образует режущую кромку.

Режущие кромки: главная(выполняет основную работу резания), вспомогательная, переходная, зачистная.

Задняя поверхность главная (примыкает к главной режущей кромке), вспомогательная, переходная, зачистная.

Передняя поверхность у режущего клина одна по ней сходит стружка.

Формы передней поверхности:

-плоские (стержневые, зуборезные резцы и гребенки);

-поверхности вращения (цилиндрические фрезы, развертки, фасонные резцы с криволинейной образующей);

-винтовые поверхности (резьбонарезной инструмент, червячные фрезы, зуборезные долбяки, фасонные круглые резцы).

Углы инструмента

Различают три системы координат: инструментальную, статическую и кинематическую.

В инструментальной системе координат углы рассматривают относительно базы, удобной для изготовления и контроля. Это углы заточки, характеризующие инструмент как свободное независимое тело.

В статической системе координат углы определяют положение режущего клина относительно обрабатываемой детали и привязаны к вектору скорости главного движения V и вектору скорости подачи S.

В кинематической системе координат рассматривают кинематические углы, образующиеся в процессе резания. Углы определяются положением вектора результирующего движения W=V+S и вектора подачи S.

Статическая и кинематическая системы координат имеют две определенные координатные плоскости: основную плоскость и плоскость резания.

Основная плоскость перпендикулярна вектору скорости главного движения V (результирующего движения W) в рассматриваемой точке режущей кромки.

Плоскость резания касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярна основной плоскости.

В подавляющем большинстве случаев инструментальная и статическая системы координат совпадают. Например, у резца за основную плоскость принимают основание стержня (это база при изготовлении контроле и эксплуатации).

Передний угол. Его оптимальное значение зависит от свойств обрабатываемого материала и материала инструмента. С увеличением прочности и твердости обрабатываемого материала оптимальный передний угол уменьшается. С увеличением прочности инструментального материала при достаточной его вязкости передний угол увеличивается.

При черновой обработке широко применяется фаска с отрицательным γ до -10^о, за фаской γ увеличивается до +10 - +15^о. фаска с отрицательным передним углом упрочняет режущую кромку, повышает виброустойчивость, увеличивает стойкость инструмента, направляет силу резания во внутрь пластинки (твердый сплав лучше работает на сжатие).

Задний угол. Уменьшает трение между задней поверхностью и поверхностью резания. При увеличении α уменьшается прочность зуба и ухудшается теплоотвод.

При обработке материала с высокой прочностью при черновой обработке принимают меньшие значения α. При обработке пластичных материалов, при чистовой обработке используют большие значения α.

Угол наклона режущей кромки λ. Влияет на направление схода стружки, на прочность лезвия, равномерность работы инструмента при прерывистом резании. Чем меньше жесткость детали, тем меньше должен быть λ.

Углеродистые стали.

Появились в середине 19 века и более 50 лет были единственным материалом для изготовления режущего инструмента. Марки этих сталей обозначаются буквой «У». Выпускаются углеродистые инструментальные стали двух типов по ГОСТ 1435 – 74:

1. Качественные: У7, У8, У10, У11, У12, У13

2. Высококачественные: У7А, У8А, У10А, У11А, У12А, У13А

Химический состав стали: углерод (С) – 0.6 – 1.4%, кремний (Si) – 0.35 – 0.4%, марганец (Mn) – 0.35 – 0.4%, сера (S) – 0.02 – 0.03%, фосфор (Р) – около 0.03%.

Например: У7 – углеродистая качественная сталь, содержание углерода 0.7%, кремния 0.35 – 0.4%, марганца 0.35 – 0.4%, серы 0.02 – 0.03%, фосфора около 0.03%.

Для повышения твердости углеродистые стали подвергают термообработке (закалка при t = 750 – 820⁰С, быстрое охлаждение в воде, отпуск при t = 120 - 150⁰С - для снятия внутренних напряжений, повышения прочности и вязкости). В результате термообработки сталь приобретает твердость 61…63 HRC_э и обрабатывает материалы твердостью ≈ до 30 HRC_э. Однако, углеродистые стали при термообработке не дают сквозной закалки, и твердость на поверхности в 61…63 HRC_э понижается до 41 HRC_э в серединных слоях инструмента, кроме того в процессе термообработки они склонны к образованию трещин и имеют низкую теплостойкость.

Недостатки:

- низкая теплостойкость 200- 250⁰С;

- хрупкость.

Поэтому из углеродистых сталей изготавливают инструменты малых габаритных размеров для работы по мягким металлам с малой скоростью резания, преимущественно для единичного и мелкосерийного производства, а также изготовления слесарного. Кузнечного и деревообрабатывающего инструмента, подвергающегося ударам во время работы и требующего большой вязкости при повышенной твердости.

Применяют для изготовления:

- ручного слесарного инструмента (зубил, отверток, ножниц, пил, ножовок, напильников)

- метчиков, плашек, сверл малых диаметров и других инструментов, работающих с V = до 8 – 10 м/мин.

 

Легированные стали.

Появились в конце 19 века. Марки и химический состав определяется ГОСТ5950-73. От углеродистых сталей отличаются повышенным содержанием кремния и марганца, а также одного или нескольких легирующих элементов.

Марка стали	Содержание легирующих элементов (остальное железо), %
С (угле-род)	Mn (марганец)	Si (кремний)	S (сера)	Р (фосфор)	Cr (хром)	W (вольфрам)	V (ванадий)	Мо (молибден)
9ХС	0,9	0,45	1,4	0,02	0,03	1,1	-	-	-
ХВГ	1,0	0,9	0,25	0,03	0,03	1,1	1,4	-	-
ХВ5	1,0	0,3	0,3	0,03	0,03	0,55	5,0	0,25	-
Х12	1,0	0,3	0,2	0,02	0,03		-	-	-
Х12М	1,0	0,3	0,2	0,02	0,03	11,7	0,2	0,5	0,5
Х6ВФ	1,0	0,3	0,2	0,02	0,03		0,6	0,2	-

Для обозначение легирующих элементов в марках сталей приняты следующие обозначения:

У – углерод

Г – марганец (увеличивает упругие свойства сталей);

С – кремний (увеличивает твердость и жидкотекучесть стали);

Ср – сера – (вредная примесь, исключает возможность ковки и проката стали (красноломкость), но улучшает ее обрабатываемость);

П – фосфор (придает стали хрупкость и твердость, увеличивает жидко-текучесть);

Х – хром (увеличивает твердость, прочность, коррозионную стойкость материала, понижает пластичность);

В – вольфрам (повышает твердость и теплостойкость материала);

Ф – ванадий (повышает твердость и прочность материала, образует мелкозернистую структуру);

М – молибден (повышает упругость, прочность, теплостойкость, коррозионную стойкость материала);

 

Легированные инструментальные стали подразделяются на:

1. низколегированные – ХВ4, В2Ф, 13Х. 9ХФ, 11ХФ – применяются для изготовления плашек, метчиков, зубил, шаберов, …

2. высоколегированные – 9ХС. ХВГ, ХВСГ, … - применяются для изготовления разверток и сверл малых диаметров, фасонных резцов, концевых фрез, протяжек, метчиков, …

Эти стали обладают более высокими технологическими свойствами – лучшей закаливаемостью и прокаливаемостью, меньшей склонностью к короблению. После термической обработки твердость легированных сталей составляет 62 …65 НRC_э, теплостойкость 350 – 400⁰С, что практически равно теплостойкости углеродистой стали. Допустимая скорость резания 15 – 25 м/мин.

Из группы легированных инструментальных сталей особо необходимо выделить сталь ХВГ, которая имеет весьма малую склонность к короблению при термообработке и используется для изготовления длинномерных режущих инструментов (протяжки, гаечные метчики), работающих с малыми скоростями резания, а также корпусов и державок сборных инструментов.

Быстрорежущие стали.

Появились в начале 20 века. Быстрорежущие стали от углеродистых и легированных инструментальных сталей отличаются высоким содержанием легирующих элементов: вольфрама; хрома; молибдена; ванадия; кобальта; азота.

К – кобальт – увеличивает ударную вязкость, жаростойкость.

А – азот – повышает режущие свойства инструмента на 20 – 30% и твердость на на 1 – 2 единицы HRC_э.

 

Современные быстрорежущие стали можно разделить на две группы:

1. стали нормальной теплостойкости (их твердость составляет 63 - 65 НRC_э, теплостойкость 615 – 620 ⁰С);
2. стали повышенной и высокой теплостойкости (повышение содержания углерода увеличивает вторичную твердость до 67- 67,5 НRC_э, теплостойкость до 630 – 635⁰ С, при сохранении прочности и вязкости, улучшает износостойкость за счет увеличения количества карбидов, увеличивается стойкость инструментов на 50 – 75%).

Содержание легирующих элементов в быстрорежущих сталях, %

Марка стали	С (углерод)	W (вольфрам)	Cr (хром)	V (ванадий)	Мо (молибден)	Со (кобальт)
стали нормальной теплостойкости
Р18	0,7…0,8	17,0…18,5	3,8…4,4	1,0… 1,4	до 1,0	-
Р12	0,8…0,9	12,0…13,0	3,8…4,4	1,5…1,9	до 1,0	-
стали повышенной теплостойкости
10Р8М3	0,96…1,05	7,5…8,5	3,3…3,9	1,7…2,1	3,0…3,6	-
Р9Ф5	1,4…1,5	9,0…10,5	3,8…4,4	4,3…5,1	до 1,0	-
стали высокой теплостойкости
В11М7К23	0,1		-	0,5
3В20К20Х4	0,25		4,0	1,0	-

Стали первой группы - используются для изготовления режущих инструментов для обработки деталей из конструкционных сталей, чугунов, цветных металлов и пластмасс.

Стали второй группы - используются для изготовления режущего инструмента для обработки деталей из коррозионно-стойких и жаропрочных сталей и сплавов, в условиях повышенного нагрева лезвия, а также сталей и сплавов повышенных твердости и вязкости.

Основной недостаток – неравномерность распределения карбидов. Для устранения этого недостатка в настоящее время предложены современные технологические способы получения быстрорежущих сталей.

Ванадий при отпуске образует карбид ванадия (VC), который по твердости превышает сложный карбид типа (Fe¸W)_mC_n, являющийся основным в структуре быстрорежущей стали. Следовательно, твердость быстрорежущей стали с ванадием достигает 67- 68 НRC_э, а теплостойкость 630 – 635 ⁰ С. Наличие в структуре ванадиевых сталей большого количества карбидов высокой твердости обуславливает их высокую износостойкость, недостатком этих сталей является их плохая шлифуемость.

Кобальт повышает теплопроводность и теплостойкость стали до 640 – 650⁰С и одновременно вторичную твердость до 66- 70 НRC_э. Содержание кобальта не должно превышать 10%, так как при большом содержании этого элемента увеличивается хрупкость стали.