Инструмент. Классификация. Физические основы

В соответствии с особенностями конструкций режущих инструментов существуют следующие способы лезвийной обработки: а) точение; б) строгание; в) сверление и рассверливание; г) зенкерование; д) развертывание; е) протягивание; ж - фрезерование цилиндрической фрезой; з - фрезерование торцевой фрезой; и - зубофрезерование методом копирования дисковой модульной фрезой; к - зубофрезерование методом копирования пальцевой модульной фрезой.

При обработке резанием необходимо обеспечить следующие движения.

Движение резания (D_r) — относительное движение заготовки и инструмента, которое без движения подачи осуществило бы только однократное удаление срезаемого слоя материала за один оборот или ход.

Движение подачи ( D_s) совместно с движением резания обеспечивает многократный съем срезаемого слоя материала в течение нескольких оборотов или ходов.

Угол между скоростью резания v и подачей S является угловой координатой, характеризующей положение режущего лезвия, его называют углом контакта θ. При строгании, точении, сверлении угол контакта θ постоянен и равен 90°. Поэтому эти способы относят к стационарному резанию. При определении способов лезвийной обработки необходимо охарактеризовать движение резания, движение подачи и режущий инструмент.

Точение - вид обработки резцом с вращательным движением резания и движением подачи в плоскости, перпендикулярной направлению движения резания. Точение осуществляется на токарных станках (рис. 4.1 ). Движение резания (D_r) — относительное движение заготовки и инструмента, которое без движения подачи осуществило бы только однократное удаление срезаемого слоя материала за один оборот или ход.

При движении подачи вдоль оси вращения заготовки D_s_пр точение называют продольным (рис. 4.2, а).Обработанная поверхность в этом случае представляет собой цилиндр. При поперечном (торцовом) точении движение подачи D_S_п перпендикулярно оси вращения.

Требуемые исполнительные движения формообразования при точении обеспечиваются исполнительными кинематическими цепями токарного станка. Скорость резания V определяется по формуле:

V = π D n / 1000, м/мин,

где D – наружный диаметр заготовки, мм; n – частота вращения (количество оборотов) заготовки, мин^-1.

Рис. 4.1. Универсальный токарно-винторезный станок.

Рис. 4.2. Продольное точение: 1 - обрабатываемая поверхность; 2 - поверхность резания; 3 - обработанная поверхность; 4 - обрабатываемая заготовка

Рис. 4.3. Строгание: 1 - обрабатываемая поверхность;

3 - обработанная поверхность; 4 - обрабатываемая заготовка

Рис. 4.4. Типы токарных резцов

Строгание — способ лезвийной обработки при прямолинейном возвратно-поступательном движении резания D_r и дискретном прямолинейном движении подачи D_Sn, осуществляемом в направлении, перпендикулярном движению резания (рис. 4.3 ).

Требуемые исполнительные движения формообразования при строгании обеспечиваются исполнительными кинематическими цепями строгального станка, а при долблении - исполнительными кинематическими цепями долбежного станка.

Для точения применяют проходные, проходные упорные, расточные, подрезные, прорезные и отрезные токарные резцы (рис. 4.4). Геометрические параметры токарных проходных резцов приведены на рис. 4.5.

Для строгания применяют проходные, подрезные и отрезные строгальные резцы, а для долбления - проходные и прорезные долбежные резцы.

Рис. 4.5. Геометрия токарного проходного резца: γ – передний угол; α – главный задний угол; α₁ – задний угол на вспомогательной режущей кромке; λ – угол наклона главной режущей кромки; γ_ф – передний угол лунки; f – ширина фаски;

φ – угол в плане; φ₁ – вспомогательный угол в плане;

Формы передней поверхности и значения главных углов в плане резцов в зависимости от условий обработки приведены в табл. 4.2 и 4.2.

Таблица 4.2. Форма передней поверхности, передний и главный задний углы
токарных и строгальных резцов, град.

Инструментальный материал	Обрабатываемый материал	Форма передней поверхности	Перед-ний угол γ	Главный задний угол α
Предва-рительная обработка	Оконча-тельная обработка
Быстрорежущая сталь	Сталь	σ_в ≤ 0,8 ГПа	Плоская с фаской
σ_в > 0,8 ГПа
Чугун	HB ≤ 200	Плоская
HB > 200
Твердый сплав	Сталь	σ_в ≤ 0,8 ГПа	Вогнутая с фаской
σ_в > 0,8 ГПа
Чугун	HB ≤ 200	Плоская
HB > 200

Таблица 4.3. Главный угол φ в плане токарных резцов.

Жесткость изделия	L/D ≤ 6	6 < L/D < 12	L/D ≥ 12
Главный угол в плане φ

К процессам обработки отверстия с замкнутым круговым движением резания и движением подачи в направлении оси вращения могут быть отнесены сверление, зенкерование, развертывание и растачивание цилиндрических поверхностей. При этом скорости движения резания и подачи перпендикулярны. В этих случаях несколько различных способов обработки имеют одну и ту же принципиальную кинематическую схему. Требуемые исполнительные движения формообразования при сверлении, зенкеровании и развертывании обеспечиваются исполнительными кинематическими цепями сверлильного станка (рис. 4.6).

Рис. 4.6. Вертикально-сверлильный станок с ЧПУ

К геометрии сверла, зенкера и развертки относятся: двойной угол в плане 2j, угол наклона канавки w, передний угол g, задний угол a. Число зубьев зенкера z равно 3...4, развертки - 6...12. Несмотря на различия в конструкции сверл, зенкеров и разверток, они могут быть использованы на одних и тех же металлорежущих станках.

Сверлением обрабатывают отверстия, как правило, в сплошном материале с замкнутым кругообразным движением резания при движении подачи инструмента вдоль оси вращения (см. рис. 4.7 ).

При рассверливании (рис. 4.7), зенкеровании (рис. 4.8) и развертывании (рис. 4.9)производится обработка отверстий, ранее полученных другими способами (литьем, давлением, сверлением и т.п.).

Рис. 4.7. Сверление и рассверливание; 4 - обрабатываемая заготовка; D_r- главное движение резания; D_s- движение подачи; t - глубина резания; φ - угол при вершине в плане режущей части сверла; a,b - толщина и ширина срезаемой стружки;

D – диаметр сверла; D_o – диаметр предварительно обработанного отверстия;

S – подача на один оборот сверла.

Рис. 4.8. Зенкерование: 1 - обрабатываемая поверхность; 2 - поверхность резания; 3 - обработанная поверхность; 4 - обрабатываемая заготовка; D_r- главное движение резания; D_s- движение подачи; φ - угол при вершине в плане режущей части зенкера; a,b - толщина и ширина срезаемой стружки; D – диаметр зенкера; D_o – диаметр предварительно обработанного отверстия; S_z – подача на 1зуб зенкера.

Рис. 4.8. Развертывание: 2 - поверхность резания; 3 - обработанная поверхность; 4 - обрабатываемая заготовка; D_r- главное движение резания; D_s- движение подачи; φ - угол при вершине в плане режущей части развертки; a,b - толщина и ширина срезаемой стружки; D – диаметр калибрующей части развертки; D_o – диаметр предварительно обработанного отверстия; S_z – подача на 1зуб развертки.

Геометрические параметры спирального сверла приведены на рис. 4.9. Значения углов сверла, зенкера и развертки определяют в зависимости от условий обработки по табл. 4.4 - 4.6.

Рис. 4.9. Геометрия спирального сверла

Таблица 4.4. Геометрия спирального сверла.

	Обрабатываемый материал
Сталь	Чугун
Двойной угол в плане 2 φ	118° … 120°	90° … 150°
Угол наклона винтовой канавки ω	22 · D ⁰^,1
Главный задний угол α	22,2 · D ^-0,2
Угол наклона поперечной режущей кромки ψ	44° … 55°

Таблица 4.5. Геометрия зенкера.

	Обрабатываемый материал
Сталь	Чугун
σ_в ≤ 0,8 ГПа	σ_в > 0,8 ГПа	HB ≤ 150	HB > 150
Главный угол в плане φ	60°	30°... 60°
Угол наклона винтовой канавки ω	25°... 30°	10°... 20°	10°
Главный задний угол α	8°... 10°
Передний угол γ	15°... 20°	12°... 15°	10°... 12°	6°... 8°

Таблица 4.6. Геометрия развертки.

	Обрабатываемый материал
Сталь	Чугун
Главный угол в плане φ	15°	5°
Угол наклона канавки ω	0°
Главный задний угол α	6°... 12°	6°... 8°
Передний угол γ	0°

При протягивании ( рис. 4.10 ) съем металла обеспечивается за счет относительного смещения различных режущих кромок. В этих случаях имеет место «конструктивная» подача.

Рис. 4.10. Протягивание: 4 - обрабатываемая заготовка; D_rр и D_rв - рабочее и

возвратное движение протяжки; D_sкр- движение круговой подачи

Фрезерованием называют обработку инструментом, которому сообщается вращательное движение резания при любых направлениях подачи в плоскости, перпендикулярной оси вращения, Это связано с изменением нормальной к скорости резания составляющей подачи S_e,влияющей на толщину срезаемого слоя t (рис. 4.11 ). Базирование фрез при установке на станке осуществляют по оси вращения фрезы.

Рис. 4.11. Фрезерование цилиндрической фрезой: 1 - обрабатываемая поверхность;

2 - поверхность резания; 3 - обработанная поверхность; 4 - обрабатываемая заготовка; D_r- главное движение резания; D_sпр, - движение продольной подачи; t - глубина резания; B - ширина фрезерования

Требуемые исполнительные движения формообразования при фрезеровании обеспечиваются исполнительными кинематическими цепями фрезерного станка: цепью резания и цепью подачи (рис. 4.12).

а б

Рис. 4.12. Фрезерные станки: а) консольный горизонтально-фрезерный станок:.б) консольный вертикально-фрезерный станок.

Для фрезерования применяют работающие периферией цилиндрические, угловые и фасонные фрезы, работающие торцом торцовые фрезы, а также работающие и периферией и торцом дисковые, отрезные и концевые фрезы.

Исходной инструментальной поверхностью при фрезеровании торцом фрезы является плоскость, совпадающая с обработанной поверхностью. Режущие кромки фрезы касаются исходной инструментальной поверхности в точках.

Режущая часть фрезы состоит из нескольких зубьев с равноотстоящими от оси и равномерно распределенными по направляющей исходной инструментальной поверхности режущими кромками. Режущие кромки образуются при пересечении плоских или винтовых передних поверхностей с плоскими, винтовыми или спиральными задними поверхностями.

Фрезерование применяется также для обработки резьбы и зубьев зубчатых колес. Зубчатые колеса обрабатывают методом копирования профиля дисковой модульной фрезой (см. рис. 4.13 ) и методом обкатки с помощью червячных фрез (рис. 4.14).

Червячная фреза изготавливается на базе червяка, на котором прорезаны стружечные канавки. Пересечение стружечных канавок с витками червяка образует рейку. Вращение червяка имитирует перемещение рейки. При этом колесо должно вращаться, обкатываюсь с рейкой. Движение подачи фрезы (или колеса) осуществляется вдоль оси вращения нарезаемого колеса.

Рис. 4.13. Зубофрезерование методом копирования дисковой модульной фрезой:

4 - обрабатываемая заготовка; D_r- главное движение резания; D_sпр- движение продольной подачи; 1/z - окружной шаг зубчатого колеса(угол поворота зубчатого колеса с помощью делительной головки относительно модульной фрезы при нарезании

зубьев); γ и α - передний и задний углы модульной фрезы.

Рис. 4.14. Схема нарезания зубчатых колес червячной фрезой методом обкатки:

D_r- главное движение резания червяной фрезы; D_sкр и D_sв- движения круговой

и вертикальной подачи соответственно.

К геометрии цилиндрической фрезы относятся (рис. 4.15):

а) угол наклона режущей кромки w - угол между режущей кромкой и осью; б) передний уголg - угол между передней поверхностью и перпендикуляром к режущей кромке, проходящим через ось; в) задний уголa - угол между задней поверхностью и направляющей исходной инструментальной поверхности. К конструктивным параметрам относятся диаметр фрезы D, длина B и число зубьев z.

Рис. 4.15. Геометрические и конструктивные параметры цилиндрической фрезы

Значения геометрических и конструктивных параметров фрез выбирают в зависимости от условий обработки по табл. 4.7 - 4.9.

Таблица 4.7. Диаметр и число зубьев фрез

Инструментальный материал	Вид фрезы	Диаметр фрезы, мм	Число зубьев, шт.
Характер обработки
Предварит.	Окончат.
Твердый сплав	Торцовые	D = (1,2 … 1,6)·B	z = (0,09 … 0,12)·D^0,95
Быстрорежущая сталь	Цилиндри-ческие Угловые Фасонные	D = 1,46·B⁰^,76t^0,32	z = 0,12·D	z = 0,12·D+6
Дисковые	D = 17,5·B⁰^,7	z = 2,0·D^0,5

Таблица 4.8. Передний угол γ цилиндрических и торцовых фрез, град.

Обрабатываемый материал	Инструментальный материал
Быстрорежущая сталь	Твердый сплав
Сталь	σ_в ≥ 0,6 ГПа
0,6 < σ_в ≤ 1,0 ГПа
σ_в > 1,0 ГПа		-5
Чугун	HB ≤ 150
HB > 150

Таблица 4.9. Задние углы цилиндрических и торцовых фрез, град.

Главный задний угол α	Вспомогательный угол в плане α₁
Предварительная	Окончательная

Физическими основами процесса резания материаловявляется процесс глубокогопластического деформирования и разрушения, сопровождаемый трением стружки о переднюю поверхность режущего клина и трением задней поверхности, инструмента поверхность резания, происходящих в условиях, высоких давлений и скоростей скольжения. Затрачиваемая при этом механическая энергия превращается в теплоту, которая, в свою очередь, вызывает большое влияние на закономерности деформирования срезаемого слоя, силы резания, износ и стойкость инструмента.

Образующаяся при резании стружка, являясь отходом производства, несет основную информацию о закономерностях физических явлений, происходящих при резании, и их связи с условиями процесса резания, характеризуемыми свойствами обрабатываемого
материала, геометрией инструмента, режимами резания идругими параметрами. Одно из первых исследований процесса стружкообразования выполнено русским ученым И.А. Тиме (1870 г.). Им, в частности, предложена классификация стружек, которая оказалась настолько удачной, что сохранилась в основном и до настоящего времени. Согласно этой классификации по внешнему виду и внутреннемустроению при резании конструкционных сталей стружка бывает следующих основных типов: сливная и элементная (скалывания).

Сливная стружка (рис. 4.16, а) представляет собой непрерывнуюленту, которая в зависимости от условий схода по передней поверхности инструмента может быть прямой, спиральной или в виде хаотических завитков. Сторона стружки 1, прилегающая к передней поверхности инструмента, гладкая, блестящая, а внешняя сторона 2 - в виде мелких, постоянно чередующихся зубчиков. Цвет стружки в зависимости от температуры резания изменяется от белого и желтого до матово-серого и синего. Форма и размеры поперечного сечения стружки по всей длине постоянны, что свидетельствует о стабильности деформации, происходящей при образовании такой стружки, Сливная стружка встречается при резании пластичных металлов в основном на больших скоростях, малых и средних подачах, а также при положительных передних углах инструмента.

Рис. 4.16. Типы стружек, образующихся при резании металлов:

а) сливная; б) элементная (скалывания).

Элементная стружка (рис. 4.16, б) (иногда ее называют стружкой скалывания) состоит из отдельных элементов (кусочков) металла 1 не связанных или слабо связанных между собой прирезцовымслоем. Каждый элемент стружки при его формировании претерпевает значительную деформацию и. становится в 2...3 раза тверже по сравнению с исходной твердостью обрабатываемого материала. Вследствие этого срезаемыйслой, проходя, через так. называемую поверхностьскалывания тп, теряет свою пластичность и разрушается с определеннойпериодичностью.

Элементная стружка образуется при резании хрупких металлов (чугун, бронза идр.), а также при резании на невысоких скоростях пластичных металлов.

Рис. 4.17. Плоское шлифование периферией и торцом круга: 1 - заготовка; 2 - шлифовальный круг; 3 - стол для закрепления заготовки; D_st и D_sпр - движение поперечной

и продольной подачи шлифовального круга; D_r– рабочее (вращательное)движение

шлифовального круга, б) Плоско-шлифовальный станок.

Шлифование — это обработка инструментом, имеющим много режущих элементов (зерен), геометрическая неопределенность которых образуется большим числом абразивных зерен из природных или синтетических шлифовальных материалов, случайным образом расположенных и сориентированных в абразивном инструменте (шлифовальном круге).

а в

Рис. 4.18. а) Круглошлифовальный станок. б) Наружное круглое шлифование с продольной и поперечной подачей1 - заготовка; 2 - шлифовальный круг; d_к и d_з - диаметры круга и заготовки; D_st и D_sпр - движение поперечной и продольной подачи шлифовального круга; D_r и D_sкр – рабочее (вращательное)движение шлифовального круга и

круговое(вращательное)движение шлифуемой заготовки. в) Бесцентровое круглое шлифование.

Процесс шлифования характеризуется весьма малыми значениями толщины слоя, срезаемого каждым зерном, поэтому он не считается стружкой. Однако благодаря одновременному участию в процессе шлифования большого числа абразивных зерен может быть достигнута относительно высокая производительность резания и небольшая шероховатость обработанной поверхности.

Шлифованием изготавливают детали с высокими требованиями к точности и шероховатости, прошедшие термическую обработку и имеющие высокую твердость. Например, при шлифовании можно обеспечить допуски до 0,5 мкм по некруглости, до 4 мкм — по точности сопряжения. При обычном шлифовании достигается шероховатость поверхности Ra 0,63... 1,25 мкм, при тонком шлифовании — Ra 0,16...0,32 мкм, а при отделочных операциях (притирке, доводке, хонинговании, полировании, суперфинишировании) — Ra 0,04... 0,08 мкм.

Способы шлифования достаточно разнообразны. К ним относятся:

а) плоское шлифование периферией и торцом круга (рис. 4.17); б) наружное круглое шлифование с продольной и поперечной подачей (рис. 4.18); в) цилиндрическое внутреннее шлифование (рис. 4.19).

Рис. 4.19. Цилиндрическое внутреннее шлифование: 1 - заготовка; 2 - шлифовальный круг; d_к и D_з - диаметры круга и заготовки; D_st и D_sпр - движение поперечной и

продольной подачи шлифовального круга; D_r и D_sз – рабочее (вращательное) движение шлифовального круга и круговое(вращательное) движение шлифуемой заготовки. Внутришлифовальный станок.

Абразивные инструменты включают диспергированные частицы природных и синтетических материалов, обладающие большой твердостью, малой прочностью и большой теплостойкостью:

а) корунд – кристаллический оксид алюминия Al₂O₃, содержащий обычные и специальные примеси, следующих сортов:

- электрокорунд нормальный марок 12А, 13А, 14А, 15А и 16А с размерами частиц до 2000 мкм;

- электрокорунд белый марок 22А, 23А, 24А и 25А с наименьшим содержанием примесей и размерами частиц до 800 мкм;

- электрокорунд хромистый марок 32А, 33А и 34А, легированный окисью хрома Cr₂O₃, с размерами частиц до 2000 мкм;

- электрокорунд титанистый марки 37А, легированный окисью титана TiO₂, с размерами частиц до 2000 мкм;

- электрокорунд циркониевый марки 38А, легированный окисью циркония ZrO₂, с размерами частиц до 2000 мкм;

- монокорунд марок 43А, 44А и 55А с размерами частиц до 800 мкм;

б) карборунд – кристаллический карбид кремния a - SiС, содержащий обычные и специальные примеси, сортов:

- карбид кремния черный марок 53С, 54С и 55С с большим содержанием примесей и с размерами частиц до 1600 мкм;

- карбид кремния зеленый марок 63С и 64С с малым содержанием примесей и с размерами частиц до 800 мкм;

в) алмаз – кристаллический кубический карбид углерода a - СС сортов:

- алмаз синтетический обычной прочности марки АС2 с размерами частиц до 160 мкм;

- алмаз синтетический повышенной прочности марки АС4 с размерами частиц до 250 мкм;

- алмаз синтетический высокой прочности марки АС6 с размерами частиц до 400 мкм;

г) эльбор – кристаллический кубический нитрид бора a - BN сортов:

- эльбор обычной прочности марки ЛО с размерами частиц до 160 мкм;

- эльбор повышенной прочности марки ЛП с размерами частиц до 250 мкм.

К характеристике шлифовального круга относятся: форма круга, размеры круга, материал абразива, зернистость абразива, материал связки, твердость круга и структура круга.

Шлифовальные круги изготавливают различной формы (плоские П различных профилей, чашечные Ч, тарельчатые Т и другие), для обработки как периферией, так и торцом круга. Форму круга выбирают в зависимости от формы и размеров изделия и вида шлифования.

Шлифовальные круги изготавливают различных размеров. Диаметр круга D, ширина круга В, диаметр посадочного отверстия d, а также толщину абразивного слоя S кругов из алмаза и кубического нитрида бора выбирают по нормативам в зависимости от модели шлифовального станка и размеров изделия.