Что называется скоростью резания. Элементы режима резания и срезаемого слоя. Требования, предъявляемые к современным токарным станкам

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

Точение – один из многофункциональных методов обработки деталей разного типа. Он используется для чистовой и черновой работы с изделиями в процессе выполнения их ремонта или изготовления. Внимательный подход к подбору режимов резанья обеспечивает существенное повышение продуктивности данного процесса.

Что это такое

Под режимом резания чаще всего подразумевают характеристики, которые находят расчетным путем. Это глубина, скорость и подача. Данные величины являются очень важными. Без них качественно выточить любую деталь просто невозможно.

При расчете режимов работы учитывают и другие характеристики производимых рабочих манипуляций:

• допустимые припуски;
• вес заготовок;
• частота вращения шпинделя станка.

При необходимости учитываются много других характеристик тех элементов, которые влияют на процесс обработки деталей.

Характеристика режимов работы

Расчет операции резания выполняется с использованием специальных справочных и нормативных документов, которых на данный момент существует немало. Необходимо тщательно изучить представленные таблицы и выбрать в них подходящие значения. Правильно выполненный расчет гарантирует высокую эффективность применяемого режима обработки детали и обеспечивает достижение лучшего результата.

Но такой метод расчета является не всегда удачным, особенно в условиях производства, когда нецелесообразно тратить много времени на изучение таблиц с огромным числом значений. Установлено, что все величины режимов резания взаимосвязаны между собой. Если изменить одно значение, закономерно, что все остальные характеристики обработки станут иными.

Поэтому очень часто специалисты предпочитают применять расчетную или аналитическую методику определения режимов резания. Используются специальные эмпирические формулы, при помощи которых определяются все необходимые нормы. Чтобы расчеты по данной методике были абсолютно точными, необходимо знать следующие параметры токарного станка:

• частота вращения шпинделя;
• величины подач;
• мощность.

На современных производствах для выполнения подобных расчетов используют специальное программное обеспечение. Специалисту достаточно ввести известные данные, после чего компьютер выдаст вычисляемые величины. Применение программ для расчетов существенно облегчает работу специалистов и делает производство более эффективным.

Схема расчетов

Перед выполнением расчетов операции резания необходимо определить, какой тип режущего инструмента будет использоваться в данном случае. При токарной или абразивной обработке хрупких материалов выбирают оснащение с минимальными показателями. Следует не забывать, что во время работы деталь обычно довольно сильно нагревается. Если скорость обработки будет очень высокая, она может деформироваться, что приведет к ее непригодности.

Обязательно учитывается, какая обработка будет осуществляться – чистовая или черновая. В первом случае подбирают рабочие параметры, которые обеспечат максимальную точность. Специалисты обращают внимание и на толщину срезаемого слоя. В зависимости от данной характеристики выбирается количество проходок для выполнения обрезки на специальном оборудовании.

Глубина

Глубина является одним из важнейших параметров для обеспечения качества изготовленных заготовок. Она определяет толщину срезаемого слоя за одну проходку. При выполнении подрезки торца за глубину принимают диаметр детали.

Учитывается количество проходов, что определяется припусками на обработку:

Изменение обрабатываемого диаметра

• 60% на черновую;
• 20–30% на получистовую;
• 10–20% на чистовую.

Для определения глубины обрезки цилиндрических заготовок используется следующая формула:

k=(D-d)/2 , где к – глубина обрезки, D – первоначальный диаметр, d – получаемый диаметр.

При определении режимов резания при работе с плоскими деталями вместо диаметров используют длину. Принято считать, что при черновой обработке глубина должна составлять больше 2 мм, получистовой – 1–2 мм, чистовой – меньше 1 мм. Данный параметр зависит от требований к качеству деталей. Чем меньше класс точности, тем больше проходов необходимо выполнить для достижения необходимых свойств изделий.

Подача

Под подачей подразумевают величину перемещения резца за один оборот заготовки. При выполнении черновой обработки данный параметр может иметь максимально возможные значения. На завершительном этапе работ значение подачи определяется с учетом квалитета шероховатости. Данная характеристика зависит от глубины обрезки и габаритов заготовки. Чем меньше размеры, тем она ниже. При большой толщине срезаемого слоя выбираются минимальные параметры подачи.

Чтобы облегчить работу специалистам, разработаны специальные таблицы. Там указаны значения подачи при разных условиях режима резанья. Для выполнения точных расчетов иногда необходимо знать размер державки резца.

Если резанье выполняется с существенными ударными нагрузками, значения с таблицы необходимо умножать на коэффициент 0,85. При работе с жаропрочной конструкционной сталью подача не должна быть больше 1 мм/об.

Скорость

Скорость резания – это один из важнейших показателей, который определяется на этапе расчетов перед выполнением основных работ. Ее значения зависят от проводимых операций. Обычно отрезание торцов происходит при максимально возможной скорости. Сверление или точение имеют совсем иные требования к данному рабочему параметру. Поэтому для качественного выполнения поставленных задач необходимо знать следующее:

• тип выполняемой слесарной операции;
• вид применяемого токарного инструмента;
• материал, из которого изготовлена заготовка.

При традиционной токарной обработке скорость определяется путем умножения диаметра заготовки на количество ее оборотов за минуту и на π. Полученное значение необходимо разделить на 1000. Также скорость резанья можно определить, используя стандартные таблицы для режимов резанья.

Проверка выбранных рабочих характеристик

Когда глубина, подача и скорость определены, их необходимо проверить. Полученные рабочие параметры не должны быть больше нормативных значений, которые указаны в паспорте эксплуатируемого токарного станка.

Обязательно необходимо определить мощность оборудования. Для этого силу обрезки умножают на ее скорость и делят на 1000. Полученное значение сравнивают с тем, что указано в паспорте станка. Если рассчитанные по формулам параметры больше, необходимо корректировать глубину, подачу и скорость, чтобы избежать повреждения оборудования и инструментов.

Какой режущий инструмент использовать

Изготовление деталей на подобных станках осуществляется при помощи специальных токарных резцов. Они должны обеспечивать следующее:

• качественную обработку деталей с получением нужной формы и размеров;
• достижение высокого качества обрабатываемой поверхности;
• высокую производительность при минимальных энергетических затратах;
• технологичность в изготовлении;
• ремонтоспособность;
• минимальный расход дорогих материалов для их изготовления.

Токарные резцы классифицируют по разным параметрам. По виду производимых работ они могут быть отрезными, проходными, фасонными, подрезными и т. д. Резцы изготовляются из различных материалов – алмазов, вольфрама, титан-вольфрама и других. В зависимости от конструктивного исполнения данные инструменты бывают цельными, сборными и комбинированными.

Выбор конкретного типа инструмента осуществляется с учетом режимов проводимых рабочих операций, твердости заготовки, геометрических параметров режущей части и других характеристик.

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.

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.