Определение исходных параметров и характеристик

Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
Определение исходных параметров и характеристик
формирующих режущий инструмент
К.т.н., доц. Бухтеева И.В., Нешик В.И.
МГТУ «МАМИ».
Металлорежущие инструменты играютогромную роль и ни одна его отрасль не
может обойтись без использования инструментов в широкой их номенклатуре. Во многом
инстру-менты определяют технологический процесс, выбор оборудования и режимы
обработки. Три фактора – станок, инструмент и технологический процесс – составляют
неразрывное целое и только при правильном их решении возможен успех механической
обработки. Таким образом на конструкцию инструмента влияет и станок и метод
обработки и параметры обрабатываемой детали.
При проектировании инструментов исходя из следующих исходных параметров.
1. Физико-механические характеристики материала заготовки.
2. Форма и размеры обработанных поверхностей, требуемая их точность и шероховатость.
3. Метод обработки.
4. Технические характеристики оборудования на котором будет производиться обработка
и кинематика процесса обработки.
5. Экономические условия выполнения обработки. Режимы обработки.
6. Особые требования заказчика.
Исходя из вышеприведенных исходных параметров все многообразие
инструментов может быть сведено в следующие группы, в зависимости от применяемого
метода обработки:
1. Однолезвийные режущие инструменты.
2. Многолезвийные режущие инструменты.
3. Деформирующие инструменты.
4. Комбинированные деформирующие инструменты.
Несмотря на индивидуальные и специфические особенности каждого инструмента
они имеют общие элементы конструктивного исполнения. В общем виде инструмент
может быть представлен как состоящий из трёх составных частей:
1. Рабочей части.
2. Крепёжной части.
3. Дополнительной крепёжно-настроечной части.
Наиболее сложной и трудоёмкой, с точки зрения проектирования является рабочая
часть, которая выполняет две задачи - срезание припуска (режущая часть) и оформление
обработанной поверхности (калибрующая часть). У различных инструментов это
разделение более выражено у других менее, а у третьих они представляют единую часть,
выполняющую обе задачи
При проектировании рабочей части необходимо решить большое количество
вопросов, соединив их воедино, что можно рассматривать как синтез рабочей части
инструмента.
С целью оптимизации синтеза рабочей части инструмента выбор её параметров
необходимо проводить в определённой последовательности, для чего разделим их на три
уровня в зависимости от решаемых задач:
I – й уровень – параметры, обеспечивающие требуемые характеристики
обрабатываемой поверхности.
1. Выбор материала рабочей части.
2. Схема срезания припуска. Количество и форма режущих кромок.
3. Геометрические параметры режущего лезвия.
II – й уровень – параметры, обеспечивающие нормальные условия работы режущей
части инструмента.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
60
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
1. Отвод и размещение стружки.
2. Стружкоделение, завивание и ломание стружки.
3. Подвод СОЖ.
4. Схема переточки лезвий
5. Наличие износостойких покрытий.
6. Восстановление размерных параметров.
III – й уровень – параметры, обеспечивающие прочностные характеристики
рабочей части инструмента.
1. Количество режущих лезвий.
2. Соединение лезвий с корпусом.
3. Обеспечение прочности режущих лезвий.
4. Обеспечение жёсткости режущих лезвий.
Выбор каждого параметра зависит от целого ряда исходных параметров II – го и III
–его уровней необходимо учитывать параметры I – го уровня.
При выборе параметров всех уровней необходимо учитывать ограничения,
налагаемые Государственными стандартами. Таким образом, выбор каждого параметра
является комплексной многоэтапной задачей для решения которой можно составить
отдельные частные схемы.
Выбор инструментального материала для рабочей части инструмента практически
однозначно определяют два исходных параметра – материал заготовки и режим
обработки. По ним, исходя из рекомендаций по применению материалов, выбирается вид
материала (быстрорежущая сталь, твёрдый сплав и т.д.). Далее на следующем этапе
производится уточнение конкретной марки выбранного материала. Учитывая большое
разнообразие материалов и марок желательно составить банк данных и составить
программу для решения этой задачи.
При выборе схемы срезания припуска и формирования профиля обрабатываемой
поверхности исходными параметрами будут форма
и размеры обрабатываемой
поверхности, характеристика оборудования и кинематика процесса обработки.
Окончательное формообразование обрабатываемой поверхности может быть
осуществлено по двум схемам – копирования и генераторной.
При схеме копирования обрабатываемая поверхность в конце обработки
формируется всеми точками режущей кромки одновременно. Точность
формы
поверхности будет определяться правильностью выбора формы режущей кромки
инструмента, что требует проведения соответствующих коррекционных расчётов, так кА
форма и размеры профиля режущей кромки не всегда будет совпадать в точности с
формой и размерами обрабатываемой поверхности.
При
генераторной
схеме
обрабатываемая
поверхность
образуется
последовательной обработкой отдельных её участков, что достигается как формой
режущих кромок так и кинематикой процесса обработки. Точность и шероховатость
обработанной поверхности будет ниже чем при копировании, что требует в ряди случаев,
применять для калибрующих кромок схему копирования. При генераторной схеме
образования обрабатываемой поверхности используются три метода:
1) за счёт формы режущих кромок;
2) за счёт формы режущих кромок и кинематики процесса;
3) за счёт кинематики процесса.
Примером образования профиля обрабатываемой поверхности по первому методу
могут быть служить генераторная и прогрессивная схемы срезания припусков при
протягивании. При этом кинематика процесса оказывает минимальное влияние на
результаты обработки.
По второму методу обрабатывают обкатные зуборезные инструменты.
Обрабатываемая поверхность образуется различными участками фасонной режущей
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
61
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
кромки которая совершает движение по определенной траектории за счёт кинематики
процесса.
В третьем случае поверхность обрабатывается вершиной режущего лезвия
образуемой в месте перехода главной режущей кромки к вспомогательной. При этом
вершина лезвия последовательно обходит все участки обрабатываемой поверхности.
Форма и размеры обрабатываемой поверхности зависят только от траектории
перемещения этой вершины, которая осуществляется за счет кинематики процесса
обработки.
Исходными параметрами при выборе геометрических параметров режущего лезвия
служат физико-механические характеристики заготовки, режим обработки, кинематика
процесса обработки, материал рабочей части, форма режущих кромок и выбираются
значения углов. Выбор производится на основании рекомендаций в справочной
литературе. Аналогичным образом выбирается и форма передней поверхности лезвия.
Выбор формы и размера лезвия и способа отвода стружки зависит, от материала
заготовки, режима обработки, кинематики процесса, а так же от выбранной схемы
срезания припуска и формы режущих кромок.
При прямолинейных режущих кромках режущее лезвие оформляется как
остроконечное, ограниченное плоскостями (задними и передней). При фасонных режущих
кромках задние поверхности имеют фасонный профиль и выполняются по круговым
цилиндрическим, винтовым и криволинейным (Архимедова спираль) поверхностям.
Размеры лезвия определяются аналитическим путем. Расчет ведется обычно на изгиб или
кручение под действием силы резания определяемой исходя из режима обработки,
материала заготовки и геометрических параметров режущей кромки.
Отвод срезаемой стружки от режущего лезвия может осуществляться по трем
вариантам:
а) свободный отвод стружки;
б) отвод стружки по каналам;
в) отвод в закрытую полость;
Выбор варианта отвода стружки во многом зависит от конфигурации режущего
лезвия и кинематики процесса обработки. При возможности свободного отвода стружки
каких либо затруднений не возникает. При отводе стружки по каналам возникает
необходимость в размещении их между лезвиями. При этом рассчитывается их сечение и
форма, которые способствуют хорошему отводу стружки, например винтовые канавки у
сверла. Наиболее сложный случай, когда стружка отводится в закрытую полость. В этом
случае размер полости (канавки) необходимо рассчитывать на размещение всейстружки
снимаемой лезвием за путь проходимый им за один цикл его работы с учетом
коэффициента её заполнения. В общем случае поперечное сечение канавки
Может быть по формуле:
Fêàí .
Fêàí . = K * Fñòð .
где K - коэффициент заполнения;
Fñòð . -
боковая площадь срезанного слоя, равная произведению толщины
срезанного слоя на его длину.
Во всех случаях канавки предназначенные для отвода стружки должны иметь
форму благоприятную для стружкозавивания.
Необходимость стружкоделения, завивания и ломания возникает в случаях
срезания широких и длинных лентообразных (сливных) стружек с целью облегчения их
удаления из зоны обработки и последующей обработки. Также стружки возникают при
обработке пластичных материалов типа сталей при их точении, сверлении, строгании и
протягивании.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
62
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
â
Стружкоделение по ширине применяют в случаях если ширина стружки
>8÷
10 мм. с целью облегчения завивания стружки, уменьшения заклинивания при срезании
стружки в узком пазу (отрезным резцом, шпоночной протяжкой), а так же для облегчения
вывода ее из канавки. Стружкоотделение осуществляется за счет прерывания режущей
кромки путем вышлифовки канавки со стороны задней поверхности. Канавки обычно
имеют V – образную форму с углом 45º ÷ 60 º глубиной 0,4 ÷ 1мм. и шириной 1 ÷ 2 мм.
Дно канавки делают параллельно задней поверхности, а направление ее должно совпадать
с направлением главного движения резания. Количество канавок определяют путем
деления ширины среза
на 8 ÷ 10. Стружкоотделительные канавки на соседних зубьях
делаются в шахматном. Наличие стружкоотделительных канавок снижает стойкость
инструментов. Их не делают у инструментов при обработке хрупких материалов
делающих сыпучую структуру (например чугун).
Стружколомание делается с целью деления стружки по длине, для получения в
â
l
виде завитков или коротких спиралей ( до 30 ÷ 50 мм.) Такую стружку легче отводить из
рабочей зоны станка и от него в целом на переработку. Особенно это важно для
автоматизированных станков. Стружколомание осуществляется следующими способами:
1. За счет подбора геометрических параметров режущего лезвия (γ, φ, λ). Применяется в
основном в массовом производстве при стабильном качестве заготовок.
2. Образование на передней поверхности лезвия лунок, уступов, порожков дополнительно
завивающих и деформирующих стружку до ее разрушения. Размеры их имеются в
справочной литературе. При этом способе усложняется заточка инструмента и
сокращается его ресурсы.
3. Создание искусственных препятствий на пути сходу стружки ( стружколомы )
механически закрепляемых на лезвии со стороны передней поверхности. Достоинством их
является возможность регулировки их положения обеспечивающего устойчивое
стружколомание в широком диапазоне режимов обработки. Способ нашел применение в
сборочных конструкциях инструментов.
4. За счет кинематики процесса обработки. Обычно движение подачи делается
прерывисто, что позволяет получить стружку фиксированной длины. В основном этот
способ нашел применение при глубоком сверлении.
Выбор того или иного способа стружколомания зависит от исходных параметров.
В настоящее время СОЖ в большинстве случаев подводится к лезвии инструмента
поливом, что не требует внесения в его конструкцию каких-либо дополнительных
элементов. В случае же необходимости подвода СОЖ непосредственно к режущим
кромкам лезвия, в нем делаются каналы, которые выходят со стороны задней поверхности
вблизи режущей кромки. Поперечное сечение канала выбирается из расчета расхода СОЖ
( I2 ÷ 20 л/мин ). В настоящее время такие каналы нашли применение в сверлах для
глубокого сверления. Переточка лезвия может выполняться по трем схемам- по передней
поверхности, задней и передней поверхностям. Выбор схемы переточки зависит от того
как изнашивается лезвие и какую конфигурацию имеет задняя поверхность. Так по
передней поверхности перетачиваются лезвия имеющую фасонную режущую кромку, а
задняя поверхность затылована. Если режущее лезвие имеет прямолинейные режущие
кромки, и износ его происходит по задним поверхностям, переточка выполняется только
по задней поверхности. Если износ происходит как по задним так и по передней
поверхностям переточку выполняет по этим поверхностям. Этот вариант наиболее
трудоемок и дорогой.
После выбора варианта заточки необходимо предусмотреть на этих поверхностях
лезвия слой материала предназначенный для стачивания или переточках.
Износостойкие покрытия рекомендуется применять для чистовых инструментов.
Износостойкие покрытия можно разделить на плёночные поверхностные покрытия из
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
63
Секция 7 «ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНОСБОРОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА».
износостойких материалов и на износостойкие поверхностные слои получаемые путём
изменения структуры поверхностного слоя лезвия (цианирование). Применение
износостойких слоёв и покрытий целесообразно когда лезвие не перетачивается
(неперетачиваемые твёрдосплавные пластинки) или износ лезвия происходит по задним
поверхностям, а переточка его производится по передней поверхности.
Вопрос о восстановлении размерных параметров возникает только у размерных
чистовых инструментов. Обычно в этом случае необходимо применять сборную
конструкцию инструментов, которая позволяла бы смещать режущие лезвия.
Применяются три варианта
1. Смещение лезвия за счёт упругого разжатия корпуса инструмента.
2.За счёт смещения режущего лезвия путём перестановки его в пазу корпуса
3. Установка новых калибрующих элементов взамен изношенных.
Выбор варианта определяется в зависимости от типа инструментов.
Количество режущих лезвий инструмента определяется кинематикой процесса
обработки, характеристиками оборудования и габаритами инструмента, режимом
обработки и величиной снимаемого припуска. Во всех случаях у инструментов для
черновой обработки, при прочих равных условиях, количество лезвий делается меньше,
чем у аналогичных инструментов для чистовой обработки.
Соединение лезвий корпусом могут быть выполнены в следующих вариантах:
1. За одно целое с корпусом.
2. Неразъемным соединением с корпусом (сварка, пайка, приклеивание).
3. Механическим креплением к корпусу.
4. Подвижное соединение с корпусом.
5. Крепление силой резания.
Выбор вида соединения зависит от материала лезвия, вида инструмента его
габаритов и силы резания возникающей при его работе. Немаловажную роль имеет и
стоимость инструмента. Обычно малоразмерные инструменты изготавливаются за одно
целое с корпусом. Лезвия из быстрорежущих сталей в большинстве случаев соединяются
с корпусом неразъемным соединением. Лезвия из твёрдых сплавов, керамики, и
подобных материалов целесообразно механически закреплять на корпусе, если позволяют
габариты инструмента
Обеспечение прочности и жесткости лезвия обеспечивается расчетом его на изгиб,
кручение и сжатие, под действием силы резания. Так как величину силы резания и линию
ее действия определить сложно, то в расчётах используют составляющие силы резания,
определение величины которых не вызывает трудностей. Однако, на величину силы
резания оказывают влияние большое число переменных факторов полный учёт которых
затруднителен. Прочность и жесткость рабочей части на практике рассчитывается по
формулам применяемым в общем машиностроении.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
64