Требования к материалам режущей части инструмента

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Требования к материалам режущей части инструмента

При резании контактные площадки инструмента подвергаются интенсивному воздействию высоких силовых нагрузок и температур, величины которых имеют переменный характер, а взаимодействие с обрабатываемым материалом и реагентами из окружающей среды приводит к протеканию интенсивных физико-химических процессов: адгезии, диффузии, окисления, коррозии и др.

С учетом необходимости сопротивления контактных площадок режущего инструмента микро- и макроразрушению в указанных условиях, к свойствам инструментальных материалов предъявляется ряд специальных требований, выполнение которых определяет место их эффективного применения для режущих инструментов. Основные требования к инструментальным материалам следующие:

1. Инструментальный материал должен иметь высокую твердость.

Твердость инструментального материала должна быть выше твердости обрабатываемого не менее чем в 1,4 - 1.7 раза.

2. При резании металлов выделяется значительное количество теплоты и режущая часть инструмента нагревается. Поэтому, инструментальный материал должен обладать высокой теплостойкостью.

3. Важным требованием является достаточно высокая прочность инструментального материала. Если высокая твердость материала рабочей части инструмента не обеспечивается необходимой прочностью, то это приводит к поломке инструмента и выкрашиванию режущих кромок.

Таким образом, инструментальный материал должен иметь достаточный уровень ударной вязкости и сопротивляться появлению трещин

4. Инструментальный материал должен иметь высокую износостойкость при повышенной температуре, т.е. обладать хорошей сопротивляемостью истиранию обрабатываемым материалом, которая проявляется в сопротивлении материала контактной усталости.

5. Необходимым условием достижения высоких режущих свойств инструмента является низкая физико-химическая активность инструментального материала по отношению к обрабатываемому. Поэтому кристаллохимические свойства инструментального материала должны существенно отличаться от соответствующих свойств обрабатываемого материала.

6. Инструментальный материал должен обладать технологическими свойствами, обеспечивающими оптимальные условия изготовления из него инструментов. Для инструментальных сталей ими являются хорошая обрабатываемость резанием и давлением; благоприятные особенности термической обработки (малая чувствительность к перегреву и обезуглероживанию, хорошие закаливаемость и прокаливаемость, минимальные деформирование и образование трещин при закалке и т.д.); хорошая шлифуемость после термической обработки.

Твердость и прочность инструментальных материалов это свойства антагонисты, т.е. чем выше твердость материала, тем ниже его прочность. Поэтому набор основных свойств и определяет область и условие рационального использования инструментального материала в режущем инструменте.

Инструментальные материалы подразделяются на пять основных групп: инструментальные стали (углеродистые, легированные и быстрорежущие); металлокерамические твердые сплавы (группы ВК, ТК и ТТК); режущая керамика (оксидная, оксикарбидная и нитридная); абразивные материалы и сверхтвердые материалы СТМ (на основе алмаза и кубического нитрида бора (КНБ)).

2. Принятые обозначения групп инструментальных материалов

Твердые сплавы. Отечественная промышленность выпускает свыше 30марок твердых сплавов (ГОСТ 3882 - 74), в том числе около 20 марок для изготовления режущих частей инструментов. Эти материалы представляют собой сплавы карбидов тугоплавких металлов с кобальтом, являющимся своеобразной связкой. Их получают методом прессования шихты и последующего спекания полученных элементов режущего инструмента (пластин, зубьев, коронок и т. п.).

Металлокерамические вольфрамовые твердые сплавы разделяют на одно-, двух- и трех карбидные. Однокарбидные сплавы производятся на базе карбида вольфрама и называются вольфрамокобальтовыми (группа ВК). В марках ВК2, ВК4, ВК6, ВК8 цифра показывает процентное содержание кобальта (остальное - карбиды вольфрама). Сплавы этой группы наиболее прочные. С увеличением содержания кобальта повышается сопротивление сплава ударным нагрузкам, но уменьшается его износостойкость. Применяются для обработки чугуна, цветных металлов и их сплавов и неметаллических материалов точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т.е. с температурой 950-1000°С.

Двухкарбидные твердые сплавы помимо компонентов группы ВК содержат карбиды титана н называются титановольфрамокобалтовые (группа ТВК или ТК). В марках Т5КЮ, Т14К8, Т15К6, T3QK4 цифры после буквы Т показывают процентное содержание карбидов титана, после К - содержание металлического кобальта (остальное - карбиды вольфрама). Сплавы этой группы более износостойки и менее прочны, чем сплавы группы ВК. Применяются при обработке углеродистых и легированных Конструкционных сталей точением, фрезерованием и т. п. Предельная теплостойкость этих материалов определяется началом интенсивного окисления карбидов, т. е. температурой 1100 -1150 °С.

Трехкарбидные твердые сплавы по сравнению со сплавами группы ТВК включают еще и карбиды тантала и называются титанотанталовольфрамокобальтовыми (группа ТТК). В марках ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ20К9 цифра перед К показывает суммарное процентное содержание карбидов титана и тантала, после К - содержание кобальта (остальное - карбиды вольфрама). Сплавы этой группы имеют высокую прочность и применяются при обработке жаропрочных сталей и сплавов, титановых сплавов.

Табл. 1 Физико-механические свойства одно-, двух- и трехкарбидных твердых сплавов

Марка сплава	Коэффициент теплопроводности, Вт/м	Коэффициент удельной теплоемкости Дж/кг	Коэффициент линейного расширения, Х 106 К-1	Предел прочности при изгибе, МПа	Предел прочности при сжатии, Мпа
ВК4 ВК6 ВК8 ВК10 ВК15 ВК20 ВК25 Т30К4 Т15К6 Т14К8 Т5К10 Т5К12 ТТ8К6 ТТ7К12 ТТ10К8В ТТ20К9	50,3 38-80 46-75 54-71 67-69 41-66 37,7 13-24 13-38 17-34 21-63 21 - - - -	- 175,9 167,6 - 175,9 171,8 - 335,2 251,4 222,1 209,5 - - - - -	3,4-4,7 3,6-5,0 4,8-5,5 3,8-6,0 4,7-6,0 4,7-6,0 3,8-6,7 6,6-7,0 5,6-6,0 6,0-6,2 5,5 5,9 - - - -	1270-1370 1320-1660 1370-1810 1470-1910 1615-2155 1860-2330 1765-2255 882-931 1127-1180 1130-1370 1270-1370 1620-1760 1225 1372-1617 1421 1274	4030-4270 4300-4900 3235-4380 4040-4605 3775-3820 3330-3430 2970-3235 3230-3980 4120-4210 2940-4120 4410-4500 3140 - - - -

Минералокерамические инструментальные материалы обладают высокой твердостью, тепло- и износостойкостью. Их основой являются глинозем (оксид кремния)- оксидная керамика или смесь оксида кремния с карбидами, нитридами и другими соединениями (керметы). Основные характеристики и области применения различных марок минералокерамики приведены в таблице. Формы и размеры сменных многогранных керамических пластин определены стандартом ГОСТ 25003-81*.

Табл. 2 Физико-механические свойства инструментальной керамики

Марка керамики	Предел прочности при изгибе, МПа	Предел прочности при сжатии, МПа	Теплостойкость,С0
ЦМ-332 ВО13 ВШ75 ВЗ ВОК60 ВОК63 ОНТ-20 Силинит-Р	325 475 550 600 650 675 700 700	5000 2850 - - 2400 - 2250 2500	1400 1100 - 1100 1100 - 1200 1200

3. Технологические схемы точения, сверления, фрезерования

В лезвийной обработке (в зависимости от вида и направления движения резания, вида обработанной поверхности) выделяют следующие технологические методы: точение, строгание, дробление, протягивание, сверление, фрезерование, резьбонарезание.

Точение

Лезвийная обработка резанием (ЛОР) цилиндрических и торцевых поверхностей называется точением. Главное движение - вращательное - придается заготовке или режущему инструменту; движение подачи - прямолинейное или криволинейное - придается режущему инструменту вдоль, перпендикулярно или под углом к оси вращения.

В зависимости от вида обработанной поверхности различают обтачивание (обработка наружных поверхностей) и растачивание (обработка внутренних поверхностей). В зависимости от направления движения подачи различают продольное точение (рис. 2, а); поперечное точение (рис. 2, б); нарезание канавок и отрезание (рис. 2, в); точение конусов (рис. 2, д); нарезание винтовых поверхностей - резьбы (рис. 2, г), а также точение фасонных поверхностей.



Рис. 2. Основные технологические схемы точения: а - продольное точение; б - поперечное точение; в - нарезание канавки и отрезание; г - нарезание резьбы; д - точение конической поверхности; Dr - главное движение резания; Ds пр, Ds поп - движение подачи продольное и поперечное

Фрезерование

Процесс ЛОР плоских и фасонных поверхностей с линейной образующей называется фрезерование. В этом процессе главное движение - вращательное - придается инструменту, а движение подачи - поступательное прямолинейное - придается заготовке в направлениях вдоль и перпендикулярно (рис. 1, г) оси вращения инструмента.

Особенностями процесса фрезерования являются прерывистый характер процесса резания каждым зубом фрезы и переменность толщины срезаемого слоя. Каждый зуб фрезы участвует в резании только на определенной части оборота фрезы. Остальной ход по воздуху зуб совершает вхолостую. Этим обеспечивается охлаждение фрезы и дробление стружки.

Режимы резания при фрезеровании характеризуют следующие показатели: скорость резания; подача (минутная, на оборот, на зуб); глубина резания и ширина B фрезерования.



Рис. 9. Технологические схемы фрезерования на станках: а - горизонтально-фрезерных; б - вертикально-фрезерных; Dr - главное движение резания; Ds - движение подачи; 1/Z - делительный поворот заготовки; > - направление движений Dr и Ds

Сверление

Процесс ЛОР цилиндрических отверстий с прямолинейной образующей называется сверлением. В этом процессе главное движение - вращательное - придается инструменту, а движение подачи - прямолинейное - придается инструменту вдоль оси его вращения.

В зависимости от вида обработанной и обрабатываемой поверхностей, а также от качества обработанной поверхности различают сверление, рассверливание, зенкерование, развертывание, цекование, зенкование, нарезание резьбы и обработку сложных отверстий (рис. 10).

Сверление сквозного отверстия показано на рис. 10, а. Режущим инструментом служит спиральное сверло.

Рассверливание - процесс увеличения диаметра ранее просверленного отверстия сверлом большего диаметра (рис. 10, б). Диаметр отверстия выбирают так, чтобы поперечная режущая кромка в работе не участвовала. В этом случае осевая сила уменьшается.

Зенкерование - обработка предварительно полученных отверстий для придания им более правильной геометрической формы, повышения точности и снижения шероховатости многолезвийным режущим инструментом - зенкером (рис. 10, в). На рис.10. ж, з показано зенкование цилиндрического углубления цилиндрическим зенкером (зенковкой) и конического углубления коническим зенкером.

Развертывание - окончательная обработка цилиндрического или конического отверстия разверткой (обычно после зенкерования) в целях получения высокой точности и малой шероховатости обработаной поверхности (рис. 10, г, д).

Цекование - обработка торцовой поверхности отверстия торцовым зенкером для достижения перпендикулярности плоской торцовой поверхности к его оси (рис. 10, е).

Нарезание резьбы - получение на внутренней цилиндрической поверхности с помощью метчика винтовой канавки (рис. 10, и).

Отверстия сложного профиля обрабатывают с использованием комбинированного режущего инструмента. На рис. 10, к показан комбинированный зенкер для обработки двух поверхностей: цилиндрической и конической.

Сверление глубоких отверстий (длина отверстия более пяти диаметров) выполняют на специальных горизонтально-сверлильных станках. На рис. 10, л показана схема сверления глубокого отверстия специальным однокромочным сверлом на горизонтально-сверлильном станке. . При таком способе глубокого сверления для получения отверстия заданного размера весь металл, подлежащий удалению, превращается в стружку (рис. 10, м).

Глубокие отверстия большого диаметра (D > 100 мм) сверлят сверлами кольцевого типа. В процессе сверления в стружку уходит только металл кольцевой плоскости (рис. 10, н).

Рис. 10. Схемы обработки заготовок на сверлильных станках

НОРМЫ ВРЕМЕНИ

Норма времени на выполнение той или иной работы, как и норма выработки, не является неизменной. Эти нормы изменяются при изменении технологического процесса, при внедрении средств автоматизации и механизации, а также при повышении технической культуры производства.

Установлено, что техническая норма времени определяет время, требуемое для изготовления одной детали.

Это время принято называть штучным временем; оно обозначается Тшт.

Штучное время состоит из ряда элементов:

Тшт =То+Тв+ Тт.об + Торг.об+Тп мин,

где То - основное (машинное) время; Тв - вспомогательное время; Тт.об - время технического обслуживания рабочего места; Торг.об-время организационного обслуживания рабочего места; Тп - время перерывов в работе.

Основным временем считается то время, в течение которого осуществляется процесс резания.

Основное время может быть:

а) машинным, если снятие стружки происходит при механической подаче стола;

б) машинно-ручным, если снятие стружки происходит при ручной подаче стола с изделием.

Вспомогательное время затрачивается на установку, выверку и снятие обрабатываемой детали, пуск и остановку вращения шпинделя, включение и выключение подачи, подвод и отвод стола к инструменту и управление станком, а также на установку инструмента на заданный размер и контроль обрабатываемой детали.

4. Конструктивные элементы резцов

При работе на токарных станках применяют различные режущие инструменты: резцы, сверла, зенкеры, развертки, метчики, плашки, фасонный инструмент и др. Токарные резцы являются наиболее распространенным инструментом, они применяются для обработки плоскостей, цилиндрических и фасонных поверхностей, нарезания резьбы и т. д.



Рис. Элементы токарного резца

Резец состоит из головки (рабочей части) и стержня, служащего для закрепления резца в резцедержателе. Передней поверхностью резца называют поверхность, по которой сходит стружка. Задними (главной и вспомогательной) называют поверхности, обращенные к обрабатываемой детали. Главная режущая кромка выполняет основную работу резания. Она образуется пересечением передней и главной задней поверхностей резца. Вспомогательная режущая кромка образуется пересечением передней и вспомогательной задней поверхностей. Вершиной резца является место пересечения главной и вспомогательной режущих кромок.

Для определения углов резца установлены понятия: плоскость резания и основная плоскость. Плоскостью резания называют плоскость, касательную к поверхности резания и проходящую через главную режущую кромку резца (смотри рисунок). Основной плоскостью называют плоскость, параллельную направлению продольной и поперечной подач; она совпадает с нижней опорной поверхностью резца.

Рис. Плоскости резцов

Углы резца разделяют на главные и вспомогательные (смотри рисунок). Главные углы резца измеряют в главной секущей плоскости, т. е. плоскости, перпендикулярной проекции главной режущей кромки на основную плоскость. материал точение фрезерование станок

Рис. Углы резца

Главным задним углом б называется угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания. Углом заострения в называется угол между передней и главной задней поверхностями резца. Главным передним углом г называется угол между передней поверхностью резца и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания и проходящей через главную режущую кромку резца. Сумма углов б+в+г=90 градусов. Углом резания д называется угол между передней поверхностью резца и плоскостью резания. Главным углом в плане ц называется угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи. Вспомогательным углом в плане ц1 называется угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи. Углом при вершине в плане е называется угол между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость. Вспомогательным задним углом б1 называется угол между вспомогательной задней поверхностью и плоскостью, проходящей через вспомогательную режущую кромку перпендикулярно основной плоскости. Углом наклона главной режущей кромки л называется угол между главной режущей кромкой и плоскостью, проходящей через вершину резца параллельно основной плоскости.

5. Схема разложения силы резания на составляющие

При обработке резанием металл оказывает сопротивление режущему инструменту. Это сопротивление преодолевается силой резания, приложенной к передней поверхности инструмента. Сила резания направлена перпендикулярна передней поверхности резца. Сила резания затрачивается на отрыв элемента стружки от основной массы металла и его деформацию, а также на преодоление трения стружки о переднюю поверхность резца и задней поверхности резца о поверхность резания.

В результате сопротивления металла процессу деформирования возникают реактивные силы, действующие на режущий инструмент (рис.3а).

Рис.3. Схема сил, действующих на резец (а), и разложение силы резания на составляющие (б)

Это силы упругого (Ру1 и Ру2) и пластического (Рп1 и Рп2) деформирования, векторы которых направлены перпендикулярно к передней и главной задней поверхностям инструмента. Наличие нормальных сил обуславливает возникновение сил трения Т1 и Т2, направленных по передней и главной задней поверхностям инструмента. Всю указанную систему сил приводят к равнодействующей силе резания: .

Точка приложения силы R находится на рабочей части главной режущей кромки инструмента. Абсолютная величина, точка приложения и направление в пространстве силы R под влиянием ряда факторов (неоднородность структуры и твердости заготовки, непостоянство срезаемого слоя металла и др.) являются переменными. Поэтому для расчетов используют не равнодействующую силу резания R , а ее составляющие , действующие по трем взаимно перпендикулярным направлениям - Рх, Ру, Рz. Для токарной обработки

ось Х - линия центров станка; ось У - горизонтальная линия, перпендикулярная линии центров станка; ось Z - линия, перпендикулярная плоскости ХОУ (рис.3б).

Сила РZ -вертикальная составляющая силы резания или просто сила резания. Действует в плоскости резания в направлении главного движения. По силе Рz определяют крутящий момент на шпинделе станка, эффективную мощность резания, деформацию изгиба заготовки в плоскости ХОZ, изгибающий момент, действующий на стержень резца, а также ведут динамический расчет механизмов коробки скоростей станка.

Сила РУ -радиальная составляющая силы резания. Действует перпендикулярно оси обрабатываемой заготовки в плоскости ХОУ. По силе Ру определяют величину упругого отжатия резца от заготовки, ведут расчет технологической системы на жесткость. Сила Ру стремится оттолкнуть резец от заготовки и деформировать ее. Учитывается при расчете прочности станины и суппорта, способствует появлению вибраций.

Сила РХ - осевая составляющая силы резания. Действует вдоль оси заготовки параллельно направлению продольной подачи. По силе Рz рассчитывают механизм подачи станка, а также изгибающий момент, действующий на стержень резца.

Равнодействующая силы резания определяется как диагональ параллепипеда, построенного на составляющих сил:



Каждая из составляющих силы резания определяется по эмпирическим формулам вида:

, Н

где - коэффициент, учитывающий физико-механические свойства материала обрабатываемой заготовки;

- коэффициент, учитывающий факторы, не вошедшие в формулу (величины углов резца, материал резца и др.)

- глубина резания, мм;

S - подача, мм/об;

V - скорость резания, м/мин;

- показатели степеней.

Величины коэффициентов и показателей степеней выбираются из справочников для конкретных условий обработки. Аналогичные формулы существуют и для определения сил Ру и Рz.

Между указанными силами имеется примерно следующее соотношение:

Крутящий момент на шпинделе станка: , н·м,

где Dзаг -диаметр заготовки, мм

Эффективной мощностью Nе называют мощность, расходуемую на процесс деформирования и срезания с заготовки слоя металла. При точении цилиндрическойповерхности на токарно-винторезном станке эффективная мощность

, кВт

где n -частота вращения заготовки, об/мин.

Величина мощности от силы составляет 1-2% от всей мощности. Поэтому ею пренебрегают и мощность Nе определяют по формуле:

, кВт

Мощность, расходуемая электродвигателем ,

где - к.п.д. станка, равный 0,7 - 0,8.

6. По заданным исходным данным рассчитайте режимы резания, скорость резания, силы и мощность резания

Исходные данные:

Вид обработки - наружное продольное точение.

Материал режущей части инструмента - ВК8.

Подача - S=0,5 мм/об

Глубина резания - t=6мм

Резец проходной ц=60 ?, r=1

Сечение державки - 20*30, мм*мм

Состояние поверхности заготовки - Прокат без ковки

Мех. свойства: предел прочности ув=60кг/мм2 (для конструкционной стали ув=750МПа)

Наличие охлаждения - без охлаждения

Диаметр заготовки - Св 100-150

Изучить компоновку, кинематическую схему и 1-2 узла станка мод. МР315

Условный размер шпинделя - 8.

Определение скорости резания

При наружном продольном и поперечном точении а также при растачивании расчетная скорость резания определяется по эмпирической формуле

где - коэффициент, зависящий от условий обработки( принимаем =243)

Т - стойкость резца, мин (принимаем Т=30 мин)

х, у, m - показатели степени ( с таблицы 0,15; 0,40; 0,2 соответственно)

- общий поправочный коэффициент, представляющий собой произведение отдельных коэффициентов, каждый из которых отражает влияние определенного фактора на скорость резания.

Для резцов с пластиной из твердого сплава равно:

где - общий поправочный коэффициент, учитывающий влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала, и n находим по таблице

 конструкционной стали равна 750 МПа

- поправочный коэффициент, учитывающий состояние поверхности заготовки -- при обработке = 1 (прокат без корки)

- поправочный, коэффициент, учитывающий материал режущей части - = 0,4;

- поправочный коэффициент, учитывающий главный угол в плане резца - для ц = 60° = 0,9;

- только для резцов из быстрорежущей стали;

- поправочный коэффициент, учитывающий вид обработки = 1,04.

Общий поправочный коэффициент для резцов равен:

Скорость резания, м/мин, равна:

Определяем частоту вращения шпинделя, об/мин, по расчетной скорости резания:

Поскольку диаметр заготовки в задании указан (Св 100-150), то принимаем D=120мм.



Уточнив частоту вращения шпинделя по паспорту станка принимаем n=125 об/мин.

Определяем фактическую скорость резания (м/мин):

Определяем силу резания при точении.

Для определения мощности резания необходимо определить силу резания при черновой обработке.

Силу резания R принято раскладывать на составляющие силы - тангенциальную Pz , радиальную Py и осевую Px.

При точении, растачивании, отрезании, прорезании пазов и фасонном точении тангенциальную составляющую рассчитывают по формуле

,

где - коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала, материал режущей части резца, а также условия обработки = 300;

- общий поправочный коэффициент, численно равный произведению ряда коэффициентов, каждый из которых отражает влияние определенного фактора на силу резания:

где - поправочный коэффициент, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала:

-- поправочный коэффициент, учитывающий главный угол в плане резца = 0,94;

- поправочный коэффициент, учитывающий передний угол резца = l,0;

- поправочный коэффициент, учитывающий угол наклона главного лезвия = 1,0.

Поправочный коэффициент , учитывающий радиус при вершине резца, определяется для резцов из быстрорежущей стали.

Тогда, общий поправочный коэффициент равен:

Показатели степени х, у и n принимаю по табл. для черновой обработки: х = 1,0; у = 0,75; n = - 0,15.

Сила резания при точении равна:

При токарной обработке значения Py и Px рекомендуется принимать по следующим соотношениям:

Py=(0,25...0,5) · Pz=0,4· 4762=1904 Н

Px=(0,1...0,25) · Pz=0,25· 4762=1190,5 Н.

Определяем мощность резания при точении на станке МР315

Мощность, затрачиваемая на резание , должна быть меньше или равна мощности на шпинделе :

где - мощность электродвигателя токарного станка, кВт; для станка МР315 мощность двигателя главного движения, = 45 кВт;

з - КПД привода токарного станка, для станка МР315 з = 0,75..0,85.

Мощность резания определяется по формуле:

,

где - сила резания, Н;

- фактическая скорость резания, м/с.

Подставив данные с расчетов определяем мощность резания, кВт,

Мощность на шпинделе равна:

Так как



,

то выбранный режим резания удовлетворяет условию по мощности на шпинделе станка.

Размещено на Allbest.ru

...