Выбор режущего инструмента при металлообработке

Содержание
Введение…………..……………….…………....…………………….… 3
1. Выбор токарного режущего инструмента……………………...…... 5
2. Выбор фрезерного инструмента.………………………........…….. 11
3. Выбор резца…………………………...……………………….…… 15
4. Выбор режущего инструмента………………………………….…. 18
Заключение...……………….………..................................................... 20
Список литературы………....……………………………...……...….. 21
Введение
Металлические детали машин, приборов и других изделий получают отливкой жидкого металла в формы, обработкой металла давлением (прокатка, ковка, штамповка), а также обработкой резанием.
Процесс резания металлов заключается в снятии с заготовки определенного слоя металла с целью получения из нее детали необходимой формы и размеров с соответствующим качеством обработанных поверхностей.
Резание металлов на заре развития техники осуществлялось посредством простейших ручных режущих инструментов. Некоторые из них, например слесарный напильник, граверный штихель, абразивный брусок сохранились до наших дней и мало изменились. Постепенно, с развитием культуры и техники, мускульная работа человека заменялась работой специальных - машин -- металлорежущих станков.
Металлорежущий инструмент - это часть металлорежущего станка, воздействующая в процессе резания непосредственно на заготовку, из которой должна быть получена готовая деталь.
В настоящее время доля обработки металлов резанием в машиностроении составляет около 35% и, следовательно, оказывает решающее значение на темпы развития машиностроения. Резание конструкционных материалов - это технологические процессы, совершаемые при помощи режущего инструмента на металлорежущих станках с целью получения новых поверхностей деталей заданной формы, размеров и качества.
Экспериментальные исследования процесса резания металлов, начатые более 100 лет назад и продолжающиеся в настоящее время во всех промышленных странах мира, оказали большое прогрессивное влияние на эффективность обработки материалов резанием, развитие конструкций режущих инструментов и станков, на автоматизацию и механизацию процессов обработки.
Процесс резания металлов, сопровождающийся деформациями сжатия, растяжения, сдвига, большим трением и тепловыделением, имеет свои закономерности, изучение которых необходимо для того, чтобы сделать этот процесс более производительным и экономичным.
Существует различного рода инструменты, используемые для обработки деталей машин, такие как протяжки, фрезы, долбяки, сверла и т.д.
Повышение производительности труда и качества выпускаемой продукции с одновременным снижением ее себестоимости является важнейшей задачей, стоящей перед работниками машиностроительных заводов. Одним из наиболее производительных процессов обработки металлов резанием является протягивание. Применяемые при этом режущие инструменты -- протяжки и прошивки обеспечивают получение изделий с точными размерами и с достаточно высокой чистотой обработанных поверхностей.
1. Выбор токарного режущего инструмента
Для решения задачи выбора необходимо определить влияющие факторы, приведем их.
1 Форма детали и требования по точности и чистоте обработки определяют траекторию движения инструмента и последовательность переходов при выполнении различных операций. Точность и требуемая шероховатость обработанной поверхности влияют на выбор геометрии режущей пластины, величины подачи и скорости резания.
2 Тип выполняемой операции - черновое, получистовое или чистовое точение, нарезание резьбы, обработка канавок, отрезка и т.п. Тип выполняемой операции влияет на выбор режущей пластины, резца, параметров режима резания, обеспечивающих требования, предъявляемые к обработке.
3 Тип обработки - наружная обработка или расточка отверстий. Данные операции выполняются различными пластинами и резцами. Револьверные головки токарного станка имеют ограниченное количество позиций для размещения инструмента, и при большом числе выполняемых переходов возникает необходимость в подборе такого инструмента, который был бы способен выполнять обработку более чем за один переход.
4 Жесткость системы и условия обработки - основные факторы, определяющие производительность операции и выбор инструмента. При прерывистом резании повышенные требования предъявляются к геометрии пластины, марки твердого сплава и закреплению режущей пластины на корпусе державки. Если наблюдается склонность к вибрациям, то большое внимание следует уделять размеру и вылету инструмента, а также жесткости закрепления как инструмента, так и заготовки.
5 Станки в значительной степени отличаются по конструкции, размерам, мощности и технологическим возможностям. Многие токарные станки имеют небольшую мощность и могут производить только определенные виды обработки, используя определенный тип инструмента. Необходимо знать способ закрепления инструмента, посадочные размеры и количество позиций револьверной головки.
6 Материал заготовки: углеродистая и легированная сталь (Р), нержавеющая сталь (М), чугун (К), алюминиевые сплавы (N), жаропрочные сплавы (S) и материалы высокой твердости (H) представляют основные группы обрабатываемых материалов по ISO. При обработке они образуют, соответственно, сливную стружку, стружку скалывания или элементную стружку, что является важным фактором, который надо учитывать для правильного выбора инструмента.
7 Экономическая эффективность и производительность - важнейшие факторы при выборе инструмента. Доля расходов на инструмент в общей себестоимости обработки составляет всего несколько процентов, однако влияние инструмента на производительность, надежность, просто и оборудования, качество обработки значительно больше и от выбора инструмента, в основном зависят эти показатели.
8 Номенклатура инструмента используемого на предприятии также влияет, поскольку ее стараются не увеличивать. Последовательность выбора инструмента может быть разной в соответствии с конкретной ситуацией. Так часто заранее могут быть известны размер и способ крепления пластины. Приведем общую последовательность выбора с начального момента, когда не известны никакие данные.
1 Этап – выбор системы крепления пластины, зависит от типа пластин - с задними углами или без задних углов, от типа операции, размеров державки и заготовки, параметров режима резания для чернового, получистового или чистового точения.
Выбор величины заднего угла у пластин обусловлен следующей зависимостью. Увеличение заднего угла снижает возможность износа по задней поверхности, однако снижает прочность режущей кромки.
Поэтому задний угол следует уменьшать в случаях:
– твердого материала заготовки;
– требуется прочность режущей кромки;
– достаточно большой жесткости технологической системы, так
– как усилия резания увеличиваются.
Увеличивать задний угол следует в случаях:
– мягкий материал заготовки;
– не требуется особых усилий для обработки заготовки;
– малой жесткости технологической системы, так как усилия
– резания снижаются.
Наиболее распространенный способ крепления пластин без задних углов - рычагом - система Р.
Рычаг поджимает режущую пластину к базовым поверхностям гнезда при закреплении и выдвигает ее из гнезда при раскреплении.
Существуют различные модификации этого способа – в том числе, крепление клином.
Рисунок 1 – Р система крепления пластин: а – система D; б – система М; в – система Р; г – система S
Другой широко применяемый способ - крепление винтом через отверстие пластин с задними углами - система S. Этот способ применяется для державок небольших размеров для наружного точения при выполнении ненагруженных операцией и для расточных оправок и борштанг.
Система крепления пластин М – прижим сверху и поджим за отверстие. В системе D производится крепление прижимом сверху и поджимом за отверстие она обладает большей жесткостью по сравнению с М.
Отметим основные области применения типов крепления пластин. Системы крепления Р и М используются в основном при прерывистом резании, при черновой обработке. Система S используется при чистовой отделочной обработке, особенно для обработки малогабаритных деталей с небольшими глубинами резания. Система D используется для обработки детали по контуру, когда условия резания меняются в широких пределах от продольного точения к торцевому.
2, 3 Этап – выбор типоразмера державки и формы пластины. Выбор державки и пластины зависит, главным образом, от профиля обрабатываемой поверхности и определяется главным и вспомогательным углами в плане. В зависимости от выбранной ранее системы крепления, принимая во внимание возможные направления подачи инструмента, можно сделать выбор необходимого типа державки и формы пластины. Существуют следующие пластины с углами в плане при вершине 800, 550, круглая, 900, 600, 800, 350, 550 В каталогах предоставлены таблицы, в которых указанны соответствия пластин с определенными углами виду обработки.
Для обеспечения жесткости следует выбирать державку наибольшего из возможных сечений и пластину с наибольшим углом при вершине для обеспечения наибольшей надежности.
В первую очередь следует попытаться использовать уже имеющийся на складе инструмент, а при выборе нового стараться не увеличивать номенклатуру.
4, 5 Этап – выбор геометрии пластины и марки материала режущих пластин. Выбор пластины зависит от группы обрабатываемого материала (Р, М, К, N, S, H), типа операции (чистовая, получистовая и черновая) и условий обработки (хорошие, нормальные и тяжелые). Дополнительно необходимо знать должна ли быть пластина с задними углами или без задних углов, двусторонней или односторонней. В некоторых случаях за счет правильного выбора геометрии пластины можно повысить точность и чистоту обработки, избавиться от заусенцев. При правильном выборе режущей пластины можно гарантировать определенную стойкость и выполнение операции без непредвиденных остановок. Следует учитывать уже применяемую номенклатуру инструмента, число позиций, где используются пластины, мощность оборудования. Современные режущие пластины, хотя и являются более специализированными, но на практике нередко позволяют уменьшить номенклатуру пластин на складе, поскольку пригодны для выполнения большего числа операций в пределах своей области применения. В каталогах по выбранному типу крепления пластин далее следуют рекомендации по геометрии пластин и марке сплава пластин. Выбор марки сплава режущих пластин осуществляется по диаграммам соответствия марки обрабатываемого материала и марки материала режущих пластин.
6 Этап – выбор размера пластины. Размер пластины зависит от размера посадочного гнезда державки. Если размер инструмента, главный угол в плане и форма пластины заданы, то фактически размер пластины уже определен. Но если выбор размера пластины поставлен на первое место и определяет выбор державки, то сначала определяется максимальная глубина резания, а затем по величине главного угла в плане необходимая эффективная длина режущей кромки. После чего, с учетом коэффициента, определяемого главным углом в плане, выбирают размер пластины.
При черновой обработке, когда резание прерывистое и наблюдается тенденция к вибрациям, следует обращать внимание на условия входа и выхода инструмента из заготовки, чтобы избежать нежелательных ударов по режущей кромке и дополнительного давления на заготовку при выходе, приводящего к выкрашиваниям режущей кромки. При обработке торцев требования к режущей кромке значительно увеличиваются, поскольку глубина резания одномоментно существенно возрастает. В этом случае надо выбирать пластину большего размера, менять направление и уменьшать подачу, чтобы избежать значительных увеличений усилий резания.
Рисунок 2 – Форма поверхности и эффективная длина режущей пластины
7 Этап - величина радиуса при вершине пластины очень важна при черновой обработке с точки зрения прочности режущей кромки, а при чистовой обработке - с точки зрения получения требуемой шероховатости поверхности. В обоих случаях радиус при вершине тесно связан с величиной подачи, поэтому выбирать его надо, учитывая подачу.
Большой радиус при вершине делает режущую кромку более прочной, но при этом требуется большая мощность станка и возрастает опасность вибраций. Обрабатываемый материал и условия обработки также влияют на выбор радиуса при вершине пластины. При растачивании меньший радиус при вершине уменьшает вибрации и позволяет работать с большими вылетами инструмента.
8 Этап – выбор параметров режима резания. В каталогах и базах данных представлены начальные значения и рекомендуемые диапазоны параметров режима резания для всех групп обрабатываемых материалов. Чтобы определить параметры режима резания, нужно учитывать несколько основных условий. На стойкость инструмента практически не влияет глубина резания, только частично - величина подачи, в то время, как скорость резания влияет на стойкость в значительной степени.
2. Выбор фрезерного инструмента
Фрезерным инструментом обрабатываются следующие основные виды поверхностей: плоскости, поверхности с прямоугольными уступами, канавки, пазы, полости, фаски, фасонные профили. Для каждого сочетания обрабатываемого материала и конфигурации детали обычно можно выбрать несколько вариантов инструмента.
При выборе фрезы необходимо учитывать следующие факторы:
1 размеры и конфигурация поверхностей подлежащих обработке и требования к ним;
2 жесткость детали и приспособления для ее закрепления;
3 необходимый вылет инструмента;
4 тип обрабатываемого материала, твердость и состояние;
5 наличие предварительной обработки как механической, так и термической.
Характеристики станка, которые следует проанализировать:
– число оборотов шпинделя, величины подач, крепление инструмента, мощность;
– точность перемещения по осям;
– возможные ограничения.
Выбор фрезерного инструмента осуществляется в следующей последовательности.
1 Этап – по обрабатываемому материалу, типу обработки выбирается тип и конструкция фрезы. Тип обработки определяется получаемыми поверхностями, которые приведены в каталогах на рисунках. В каталогах приводятся пояснения относительно преимуществ и недостатков типа и конструкции фрез. Поясним особенности выбора основных геометрических параметров фрез.
Выбор главного угла в плане обусловлен следующими особенностями. Угол в плане 900 – выбирается:
– обработке тонкостенных заготовок;
– в случае нежесткого закрепления заготовок;
– при обработке прямоугольных уступов.
При данном угле в плане преобладают усилия резания направленные радиально к оси фрезы, осевые усилия достаточно малы.
Угол в плане 45, выбирается:
– для операций общего назначения;
• при больших вылетах инструмента для уменьшения вибраций;
• для уменьшения толщины стружки, при котором происходит повышение производительности.
При данном угле в плане радиально направленные и осевые усилия резания равны.
Фрезы с круглыми пластинами выбираются:
• при требовании достаточной прочности к режущим пластинам;
• для большинства работ, так как усилия резания распределяются наиболее равномерно по всем направлениям;
• утонение стружки благоприятно влияет на обработку жаропрочных сплавов.
Выбор диаметра фрезы обуславливается исходя из наибольшей производительности. Так необходимо стремиться к большему диаметру, однако это не всегда возможно по ряду причин. Диаметр фрезы должен превышать наибольшую ширину обработки на 30%. При чистовой обработке контура концевыми фрезами желательно выбирать такой радиус, что бы он был меньше, чем минимальный радиус, образующий вогнутость в контуре.
При обработке фрезами желательно использовать попутное направление фрезерования. Следует избегать симметричного расположения фрезы, чтобы снизить склонность к вибрациям.
2 Этап – по жесткости технологической системы выбирается шаг фрезы (крупный, нормальный мелкий). Нормальный шаг выбирается для большинства операций, является первым выбором.
В том случае если жесткость системы достаточно низкая, мощность станка небольшая либо требуется большой вылет инструмента (более 2,5D), то в этом случае выбирают фрезы с крупным шагом. Фрезы с крупным шагом имеют меньшее количество пластин, при их работе соответственно возникают меньшие силы резания, однако они обладают меньшей производительностью по сравнению с фрезами с нормальным шагом.
Если требуется наибольшая производительность, при достаточно жесткой технологической системе, то необходимо выбирать фрезы с мелким шагом. Фрезы с мелким шагом содержат большое количество режущих пластин, соответственно будут действовать большие силы резания. Большее количество пластин определяет некоторые сложности с отводом стружки, в соответствии с этим их желательно использовать для обработки материалов имеющих элементную стружку.
3 Этап – выбор геометрии пластины. Выбранному типу фрезы соответствует множество пластин.
В каждой из типов фрез имеется возможность выбора режущих пластин с тремя типами геометрий – легкая (L), средняя (М), тяжелая (Н). Средняя геометрия является первым выбором и используется для большинства операций.
Геометрия L имеет более острую режущую кромку и предназначена для выполнения фрезерования с небольшими нагрузками. Используется в случае малой жесткости технологической системы, когда требуются малые силы резания. Такая геометрия может использоваться в случае недостаточной надежности приспособлений, плохих баз.
Дополнительно определяют длину режущей кромки, а также радиус при вершине, что повлияет на выбор размера пластины и соответственно корпуса фрезы.
4 Этап – выбор материала пластины. Выбор материала пластины определяется обрабатываемым материалом. Внутри каждого из обрабатываемого материалов в соответствие ставится несколько материалов пластин. Как правило, в каталогах представляется в виде таблицы. Они ранжируются в порядке слева на право по условиям обработки от хороших, нормальных до плохих условий. Так, например, если при выборе материала пластины будет возможно применение трех типов, то материал находящийся левее будет предназначен для хороших условий обработки, то есть не прерывном резании, отсутствии корки на поверхности. Материал, находящийся справа для тяжелых условий, то есть прерывистое резание. Материал, находящийся в середине для нормальных условий обработки. При выборе материала всегда существует рекомендуемый первый выбор.
5 Этап – выбор режимов резания. Расчет режимов резания может быть произведен при помощи электронного каталога. Отметим основные соотношения, которые встречаются при расчете режимов резания при фрезеровании.
3. Выбор резца
Для правильного выбора режущего инструмента при точении необходимо знать конструктивные особенности токарных резцов.
Конструктивные особенности токарных резцов удобнее всего рассмотреть на примере токарного прямого проходного резца. Токарный резец состоит из двух частей (рис. 3) - рабочей части и стержня (корпуса). Стержень предназначен для крепления резца на станке. Рабочая часть характеризуется поверхностями, кромками и вершинами. Передняя поверхность (ПП) при резании контактирует со срезаемым слоем заготовки и стружкой. Главная задняя поверхность (ГЗП) обращена к срезу обрабатываемой поверхности заготовки. Вспомогательная задняя поверхность обращена к обработанной поверхности заготовки. Следует отметить, что стружка сходит только по передней поверхности, задние поверхности не участвуют в процессе резания, а только контактируют с поверхностями заготовки. Пересечение передней поверхности с главной задней поверхностью образует главную режущую кромку (ГРК), а с вспомогательной задней - вспомогательную режущую кромку. Вершина резца - это место пересечения главной и вспомогательной режущих кромок.
Выбор режущего инструмента для точения начинается с анализа поставленной задачи. В первую очередь необходимо выбрать тип резца. Тип резца выбирают в зависимости от формы обрабатываемой поверхности. На рис. 4 показаны основные типы токарных резцов и поверхности изделия, получаемые в результате обработки этими резцами.
После выбора типа резца необходимо выбрать инструментальный материал и соответствующие параметры угловой геометрии инструмента. Материал режущей части инструмента выбирается в зависимости от вида точения и материала заготовки.
Рисунок 3 – Конструктивные части токарного резца
Рисунок 4 – Основные типы токарных резцов: 1 фасонный, 2 проходной прямой, 3, 4 проходной отогнутый, 5 проходной упорный, 6 для чистовой обработки, 7 отрезной, 8 резьбовой, 9 подрезной, 10 расточныеНа рис. 5 показаны основные геометрические параметры проходного токарного резца.
В заключение выбора режущего инструмента при точении определяют размеры крепежно-присоединительной части резцов. Для обработки заготовок на универсальных токарных станках обычно используют резцы определенного сечения крепежно - присоединительной части (державки) В×Н (рис. 5). При этом величина Н державки выбирается, исходя из необходимости установки резца по линии центров станка.
Рисунок 5 – Углы токарного проходного резца
Так как для решения всех вариантов задач в практической работе используется станок 16К20, у которого линия центров находится выше опорной поверхности резцедержателя на 25 мм, то целесообразно для всех резцов величину Н принимать равной 25 мм. Величину В следует принять равной 16 мм.
4. Выбор режущего инструмента
Для выполнения каждой проектируемой операции выбирают необходимый режущий инструмент. При этом руководствуются следующими соображениями:
- инструмент должен обеспечивать требуемые точность и качество обработанных поверхностей, а также необходимую производительность и рентабельность.
Применение того или иного инструмента диктуется следующими факторами: методом обработки поверхности, видами станка и технологической оснастки, конфигурацией и размерами заготовки, обрабатываемым материалом, типом и уровнем организации производства и пр. В единичном и серийном производстве предпочтение отдают более дешевому универсальному (покупному) инструменту; в крупносерийном и массовом - широко используют дорогой, но более производительный специальный инструмент, изготавливаемый в инструментальном цехе предприятия. В реальных условиях считаются с наличием или возможностью приобретения необходимого (подходящего) инструмента.
Режущие свойства инструмента подбирают с учётом условий и стадии выполнения операции. При окончательной и отделочной обработке конструкционных или легированных сталей и чугунов наиболее эффективными оказываются инструменты из сверхтвёрдых материалов применяют, например, оксидную (белую), оксидно-карбидную (чёрную) или оксидно-натриевую металлокерамику, а также композиты: эльбор - Р (композит 01), гексанит - Р (композит 10) и др., позволяющие вести обработку на скорости резания 1000 м/мин и выше. Для отделочной обработки цветных металлов и сплавов и других безуглеродистых материалов широко используют инструмент из синтетических и естественных алмазов. Применение для окончательной обработки инструмента из сверхтвердых материалов позволяет достигать необходимой точности и минимальной шероховатости поверхностей, не прибегая к процессам шлифования.
Для предварительной и чистовой обработки сталей, при сравнительно спокойных процессах резания, применяют титано-вольфрамовые твёрдые сплавы (T15K6, T5K10 и др.), а при наличии толчков и вибраций и при обработке чугуна - вольфрамовые твёрдые сплавы (ВК4, ВК3 и пр.).
Инструментальные быстрорежущие стали типа Р6М5, Р0К5 (реже Р9 и PI8) используют при низких скоростях резания и недостаточной мощности станка, а также для изготовления сложных фасонных инструментов, таких как метчики, червячные и модульные фрезы, протяжки и др.
Углеродистые инструментальные стали (типа У7А, У10А и пр.) применяют при изготовлении инструмента для ручных работ, например: крейцмесселей, напильников, зубил. Выбранный для выполнения операции инструмент заносят в технологические карты. При заполнении технологических карт указывает наименование, характеристику и номер стандарта инструмента, а также материал его режущей части (например, сверло спиральное, левое 10,5 ГОСТ 10902-77, Р6М5). При использовании нестандартного инструмента указывают номер его чертежа.
ЗаключениеДостижение высокой эффективности операции в целом зависит от всех применяемых инструментов. Поэтому проведение исследования экономически более выгодного варианта с помощью методик следует проводить не отдельно для каждого инструмента, а в целом по всему.
Список литературы
1. Адаскин, А. М. Металловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин, В.М. Зуев. - М.: Academia, 2014. - 194 c.;
2. Багдасарова, Т. А. Технология токарных работ. Учебник / Т.А. Багдасарова. - М.: Academia, 2018. - 160 c.;
3. Багдасарова, Т. А. Технология фрезерных работ / Т.А. Багдасарова. - М.: Academia, 2017. - 128 c.;
4. Виноградов, В. С. Электрическая дуговая сварка / В.С. Виноградов. - М.: Academia, 2016. - 320 c.;
5. Галушкина, В. Н. Технология производства сварных конструкций. Рабочая тетрадь / В.Н. Галушкина. - М.: Академия, 2015. - 777 c.;
6. Гини, Э. Ч. Технология литейного производства. Специальные виды литья / Э.Ч. Гини, А.М. Зарубин, В.А. Рыбкин. - М.: Академия, 2015. - 352 c.;
7. Григорьянц, А. Г. Лазерная резка металлов. Учебное пособие / А.Г. Григорьянц, А.А. Соколов. - М.: Высшая школа, 2018. - 128 c.