Разработка конструкции и проектирование прорезного резца

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

Разработка конструкции и проектирование прорезного резца

Введение

Основными направлениями развития технологических процессов в металлообработке в настоящее является повышение производительности и гибкости. Надежная высокопроизводительная работа оборудования невозможна без комплектации его столь же надежным производительным режущим инструментом. Режущий и вспомогательный инструмент, средства предварительной настройки инструмента вне станка, средства контроля инструмента на станке и системы инструментального обеспечения играют важную роль в достижении высокой экономической эффективности дорогостоящего оборудования с ЧПУ.

В данном курсовом проекте необходимо спроектировать токарный прорезной резец для станка с ЧПУ с заклиниванием пластины из твердого сплава шириной 12 мм с радиусом при вершине r=1 мм. При разработке прорезного резца учтены эти требования. Данный резец очень востребован в современной металлообработке, тем более в твердосплавном исполнении.

По сравнению с обычными резцами данный резец дает существенные преимущества:

· Высокую производительность благодаря большой экономии времени, связанной с высокой скоростью резания;

· Высокую прочность и износостойкость режущей кромки, обеспечиваемая использованием твердосплавных материалов;

· Возможность многократной перезаточки режущих пластин;

· Простоту заточки;

· Высокое качество обработанных поверхностей.

1. Техническое задание

Разработать конструкцию прорезного резца для станков с ЧПУ с механическим креплением пластины из твердого сплава.

В процессе проектирования необходимо определить:

1) Форму пластины

2) Материал режущей части и корпуса

3) Назначить геометрические параметры режущей части

Сведения для проектирования: х=120 м/мм, s=0,03 мм/об, обработка производится на станке с ЧПУ - 16К20Ф3С5.

2. Литературный обзор

токарный резец режущий станок

Резец - это однолезвийный инструмент для обработки деталей с поступательным или вращательным главным движением резания и возможностью движения подачи в любом направлении.

Узкие канавки обрабатывают прорезными резцами. Форма режущей кромки резца соответствует форме обрабатываемой канавки. Прорезные резцы (рис.) бывают прямые и отогнутые, которые в свою очередь делятся на правые и левые. Чаще применяют прорезные резцы правые прямые и левые отогнутые. Прорезные резцы используются также для отрезания заготовок, чем объясняется его сходство с отрезным резцом.

Жесткость детали не всегда позволяет прорезать канавки заданной ширины за один проход резца. Когда необходимо проточить в нежесткой детали канавку шире 5 мм, то это осуществляется за несколько проходов резца с поперечной подачей (рис.). На торцах и по диаметру канавки оставляют припуск 0,5-1 мм для чистовой обработки, которую выполняют этим же резцом с размером режущей кромки, равным заданному размеру канавки.

Прорезные резцы с возможностью отрезки заготовок выполняют с оттянутой рабочей частью, так как ее ширина делается меньше ширины корпуса. Длина головки резца (l) должна быть несколько больше половины диаметра (d) прутка, от которого отрезают заготовку (l>0,5d). Прорезные резцы работают в тяжелых условиях. Вследствие небольшой ширины рабочей части ее прочность недостаточна, поэтому для увеличения ее сечения приходится назначать небольшие вспомогательные углы в плане ц₁ и задние вспомогательные б₁ углы за счет снижения стойкости. Для уменьшения трения между резцом и обрабатываемым материалом головка резца сужается к стержню под углом 2-3є (с каждой стороны резца), угол л=0, задний угол б=12є.

В прорезных резцах вспомогательный угол в плане должен быть меньше вспомогательного заднего угла. Неправильное соотношение величин этих углов может привести к повышенному трению задней вспомогательной поверхности резца об обработанную поверхность детали и, как следствие, к повышенному износу или поломке инструмента.

Прорезные резцы следует устанавливать под прямым углом к оси обрабатываемой заготовки. Установка режущей кромки резца выше оси обрабатываемой заготовки (даже на 0,1-0,2 мм) может привести к его поломке.

Скорость резания при обработке канавок и при отрезке заготовок 25-30 м/мин (для резцов из быстрорежущих сталей) и 125-150 м/мин (для твердосплавных резцов).

Прорезные резцы изготовляются цельными, а также с пластинами из быстрорежущей стали или твердого сплава.

Твердосплавные резцы широко применяют в машиностроении, так как они обеспечивают повышение эффективности использования современного металлообрабатывающего оборудования и производительности труда за счет увеличения скорости резания до 5 раз по сравнению с резцами из быстрорежущей стали. Высокие твердость и теплостойкость твердых сплавов позволяют обрабатывать резанием заготовки из труднообрабатываемых конструкционных материалов и закаленных сталей. Твердосплавные резцы могут быть цельными, составными, с припаянными или приваренными пластинами из твердого сплава и с механическим креплением режущих элементов, выполненных главным образом в виде многогранных пластин.

В зависимости от химического состава металлокерамические твердые сплавы, принимаемые для производства режущего инструмента, разделяются на три основные группы.

Сплавы первой группы изготавливаются на основе карбидов вольфрама и кобальта. Они называются вольфрамо-кобальтовые (группа ВК).

Ко второй группе относят сплавы, получаемые на основе карбидов вольфрама и титана и связующего металла - кобальта (группа ТК).

Третья группа сплавов состоит из карбидов вольфрама, титана, кобальта. Это трехкарбидные титанотанталовольфрамокобальтовые сплавы (группа ТТК).

Режущие свойства и качество твердосплавного инструмента определяется также и его структурой, т.е. величиной зерна. С увеличением зерна карбида вольфрама прочность сплава возрастает, а износостойкость уменьшается и наоборот.

Резцы с припаянными твердосплавными пластинами просты по конструкции, технологичны, виброустойчивы, удобны в эксплуатации и по внешнему виду мало отличаются от резцов из быстрорежущих сталей. Однако они обладают существенными недостатками. Коэффициент линейного расширения твердых сплавов в 2 раза меньше, чем у конструкционных сталей. При остывании места спая материал корпуса сжимается больше, чем пластина из твердого сплава, которая подвергается внецентровому сжатию. В пластине возникают напряжения, которые могут вызвать образование микротрещин на поверхности пластины. Таким образом, физико-механические свойства пластин ухудшаются и уменьшается прочность режущей кромки. Вероятность образования микротрещин увеличивается, если корпус подвергнуть термической обработке после напайки пластины. В процессе работы корпус под пластиной твердого сплава сминается, что приводит к отпаиванию или поломке пластины. Вследствие этого число переточек твердосплавных напайных резцов составляет всего 4-6, что приводит к увеличению расхода твердых сплавов и конструкционной стали для изготовления корпусов. Приведенные недостатки отсутствуют у резцов с механическим креплением пластин.

Конструктивное оформление передней поверхности резцов зависит от свойств материала заготовки. На рис. 3, а приведена форма заточки резцов для обработки заготовок из чугуна с твердостью НВ? 220, бронзы и других хрупких материалов. На рис. 3, б приведена форма заточки резца для обработки заготовки из чугуна с НВ> 220. Отрицательная фаска вдоль режущей кромки упрочняет последнюю, при этом кромка испытывает напряжение сжатия.

Конструктивное оформление передней поверхности твердосплавных резцов

Твердосплавными резцами обрабатывают детали со скоростью х=120… 300 м/мин. С увеличением скорости резания при обработке пластичных металлов образуется сливная стружка, которая опасна для рабочего, мешает наблюдению за процессом обработки и может повредить обработанную поверхность детали. При работе инструмента в условиях гибкой производственной системы наличие сливной стружки вообще недопустимо. Поэтому принимают дополнительные меры, обеспечивающие надежное стружкозавивание и стружколомание, используя либо соответствующую геометрию рабочей части инструмента, уступы (порожки) и лунки (канавки) на передней поверхности, накладные стружколомы (регулируемые и нерегулируемые) или специальные стружколомающие устройства. Одним из способов, обеспечивающим стружколомание, является подбор отрицательного переднего угла х = - (10…15)°, главного угла в плане ц = 60…90° и угла наклона режущей кромки л = 10…15°, способствующих завиванию и ломанию стружки за счет увеличения ее деформирования в процессе резания. Этот способ может быть рекомендован только при жесткой системе станок - приспособление - инструмент - заготовка.

Устройства для ломания стружки

Метод стружколомания с помощью уступа на передней поверхности (рис. 4, а) не является универсальным, так как параметры уступа B, ф, h_y и е назначают в зависимости от свойств материала заготовки и подачи.

Завивание и ломание стружки можно также обеспечить с помощью лунки (канавки), образованной на передней поверхности в направлении, параллельном главной режущей кромке или наклонном к нему (рис. 4, б). По сравнению с уступом лунка предпочтительнее из-за меньшего расхода инструментального материала. Лунки вышлифовывают в виде части цилиндрической поверхности с радиусом r, но возможны и комбинированные, варианты уступа с лункой. Так же как и уступ, лунка не является универсальным средством для обеспечения стружколомания. В каждом конкретном случае обработки необходимо предусматривать оптимальные значения параметров лунки.

Накладной регулируемый стружколом (рис. 4, б, в) представляет собой накладную планку, которую можно устанавливать в различных положениях относительно режущей кромки. В месте контакта со стружкой на стружколоме напаяна твердосплавная пластина для уменьшения изнашивания поверхности стружколома. Параметрами стружколома являются расстояние В от главной режущей кромки, угол ф между стружколомом и режущей кромкой, угол е наклона контактной поверхности стружколома; е=135° - г, где г - передний угол. Значение В зависит в основном от подачи, и с ее увеличением значение В увеличивают. Угол ф наклона стружколома увеличивается с увеличением главного угла в плане ц.

В автоматизированном производстве применяют специальные устройства, обеспечивающие возможность дополнительных перемещений резца в направлении движения подачи с определенной частотой и амплитудой. Меняя частоту и амплитуду колебаний резца, можно управлять формой и размерами стружки.

Прорезные резцы. В машиностроении применяют несколько конструкций прорезных резцов с припаянными пластинами из твердого сплава. Одна из распространенных конструкций по внешнему виду не отличается от конструкции резца из быстрорежущей стали. К державке припаивается пластина из твердого сплава прямоугольного сечения. Углы ц₁ и б₁ увеличены до 2-3°. Данная конструкция не обеспечивает стабильности в работе из-за частых поломок рабочей части, отпаивания пластины или ее сколов на уголках. Для увеличения прочности высоту рабочей части резца делают больше высоты корпуса (рис. 5, а). Отпаивания пластин можно избежать, если применить пластину с V-образной опорой (рис. 5, б). Применяют прорезные резцы с симметричной ломаной режущей кромкой с углом в плане ц = 60…80°. Такое оформление режущей части резца облегчает его врезание в заготовку и улучшает условия дробления стружки.

Прорезные резцы

Общий недостаток приведенных конструкций - низкая надежность и большой расход конструкционной стали на их изготовление. Этот недостаток может быть устранен применением отрезных резцов сборной конструкции. Пластину с V-образной опорой крепят прихватом, причем вылет пластины регулируют рифлениями на корпусе резца.

Резцы для тяжелых токарных и карусельных станков. Применяемые на тяжелых станках твердосплавные резцы имеют большие габаритные размеры и массу до 60 кг. Такие резцы составной конструкции с припаянной пластиной из твердого сплава создают большие неудобства как при их изготовлении, так и при эксплуатации. Недостатки резцов составной конструкции можно устранить за счет применения резцов сборной конструкции. Резец снабжен сменной резцовой вставкой с припаянной пластиной из твердого сплава. Вставку закрепляют винтом в корпусе резца. Сила резания воспринимается базовыми поверхностями корпуса, на которые опирается резцовая вставка. В результате винт крепления ножа разгружен от сил резания, и его назначение сводится к тому, чтобы поверхности базирования вставки прижать к базам корпуса. Таким образом, фактически для крепления вставки использована сила резания. На схеме результирующая Р составляющих сил P_Z и Р_Y направлена под углом ш по отношению к сила Р_Z и проходит справа от точки А, обеспечивая отсутствие опрокидывающих моментов, действующих на вставку. При резании угол ц равен 19-75° в зависимости от режима резания. Значения угла ш следует учитывать при проектировании подобных резцов. Резец снабжен стружкозавивателем. Винт крепления стружкозавивателя будет разгружен от действующих сил, если его рабочая поверхность будет расположена под углом не более 45° по отношению к опорной поверхности.

Резцы, оснащенные многогранными твердосплавными пластинами с их механическим креплением к корпусу инструмента (рис. 6, а), широко распространены вследствие их существенных преимуществ по сравнению с твердосплавными инструментами составной конструкции, у которых пластины с корпусом соединены пайкой.

Резцы c многогранными пластинами из твердого сплава

К преимуществам резцов, оснащенных многогранными пластинами, следует отнести следующие.

1. Повышение прочности лезвия из-за отсутствия внутренних напряжений, возникающих при пайке.

2. Повышение надежности и долговечности, так как опорная поверхность под пластиной в корпусе резца может иметь высокую твердость. В этом случае в корпусе резца может быть использовано до 100, пластин. Для увеличения долговечности корпуса под режущей пластиной устанавливают опорную твердосплавную пластину, в результате чего в корпусе может быть изношено до 150 пластин.

3. Экономия конструкционной стали вследствие многократного использования корпуса резца.

4. Отсутствие операции затачивания резцов. После изнашивания достаточно либо повернуть пластину, либо заменить ее.

5. Большинство типоразмеров пластин имеют фасонную форму передней поверхности, обеспечивающую ломание или завивание стружки. Для пластин с плоской передней поверхностью предусмотрены многогранные пластины-стружколомы, которые применяют в тех случаях, когда диаметр вписанной окружности пластины равен 6,35 или 9,525 мм.

6. Изношенные пластины перерабатывают, извлекая вольфрам и другие дорогостоящие элементы, которые вновь используют для изготовления твердых сплавов.

Конструкции резцов, оснащенных многогранными пластинами, отличаются большим разнообразием применяемых способов крепления. Эти способы креплений можно свести к нескольким схемам (рис. 6, б-д). Крепление прихватом (рис. 6, б, е) применяют для пластин без отверстий, в том числе из керамических материалов. Пластину устанавливают в закрытый паз и базируют по опорной и боковым поверхностям. При этом обеспечивается высокая точность базирования пластин и высокая надежность крепления. На резцах для обработки заготовок из стали можно применять стружколом. Этот метод крепления применяют также на концевых фрезах и расточных инструментах.

Возможно применение поворотного элемента (рычага, качающего штифта) или косой тяги (рис. 6, в), обеспечивающих прижим пластины к боковым поверхностям закрытого паза корпуса. Этот метод применяют для крепления пластин с отверстием, он обеспечивает высокую точность базирования, однако не гарантирует точного прилегания опорной поверхности пластины к опорной поверхности на корпусе. Устранение зазора обеспечивается прижимом пластины от руки при затягивании крепления. Достоинство этого способа - отсутствие выступающих деталей крепления.

Схема крепления, приведенная на рис. 6, г, предусматривает применение пластин с коническим отверстием для крепления винтами с конической головкой. Ось винта 3 сдвинута на 0,15 мм относительно отверстия пластины, что обеспечивает прижим пластины 2 к опорной и боковым сторонам / закрытого паза. Крепление отличается простотой и получило за последние годы широкое распространение. Его применяют также на концевых фрезах и расточном инструменте.

Крепление пластины между штифтом и клином-прихватом (рис. 6, д) прижимает пластину к опорной поверхности. Закрытый паз для базирования пластины по ее боковым поверхностям отсутствует, поэтому при повороте и замене пластины вершина ее занимает произвольное положение. Конструкция резца менее трудоемка, чем ранее рассмотренные, и ее следует применять только на универсальном оборудовании. Конструкции, приведенные на рис. 6, б, в, г, можно применять на универсальном оборудовании, так и на автоматических линиях и станках с ЧПУ при условии использования пластин повышенной точности.

3. Исследовательская часть

Анализируя конструкцию данного резца с твердой пластиной используем информацию, полученную на этапе литературного обзора. В стандартной классификации этот резец занимает следующее место. По форме посадочного места - плоская пластинка. По схеме базирования - с заклиниванием пластинки. По способу крепления на станке - в инструментальном приспособлении.

Выбор марки твердого сплава.

Выбор марки твердого сплава производится в зависимости от обрабатываемого материала. Для обработки углеродистых и легированных конструкционных сталей можно использовать твердый сплав Т15К10. Этот твердый сплав имеет красностойкость 850-900 єС, предел прочности при сжатии 4200 МПа, твердость 87-92 HRA. Этот сплав удовлетворяет условию работы разработанного мною прорезного резца.

Выбор способа крепления пластины

По условию задан механический способ крепления пластины, как наиболее простой, наглядный и удобный. Выбираем способ крепления пластины - с защемлением, который обеспечивает надежное прилегание пластины к опорной поверхности и повышает надежность резца, особенно при обработке с ударами.

4. Эскизное проектирование

На стадии эскизного проектирования выбирается структурная схема инструмента, принципиальная схема режущей части, элементы геометрии и конструктивные размеры резца.

Выбор конструкции режущей части

Режущая часть инструмента выполняет основную работу по резанию детали. При конструировании режущей части необходимо определить ее форму и размеры, а так же установить необходимую геометрию ее режущих лезвий.

При конструировании режущей части инструмента, в первую очередь, необходимо обеспечить снижение динамических усилий, что достигается за счет соответствующего угла резания, а значит и переднего угла, а также формы передней грани инструмента.

Большое значение при конструировании режущей части инструмента имеет периодичность подведения к месту сопряжения режущей кромки инструмента с изделием последующих лезвий инструмента.

Выбор конструкции корпуса

Корпус - это вторая составная часть режущего инструмента. Корпус соединен с режущей частью механически (с помощью защемления). При конструировании эту часть следует брать соответствующих размеров, обеспечивающих необходимую прочность по отношению к изгибающим, крутящим или другим усилиям, которые воздействуют на эту часть инструмента.

Выбор схемы базирования и крепления резца на станке

Резец закрепляется в инструментальном приспособлении. Регулирование длины резца осуществляется регулировочным винтом. Форма и размер хвостовой части оформлены исходя из посадочного места в инструментальном приспособлении.

Схема наладки станка и рекомендуемые режимы резания

Эскиз наладки представлен на чертеже. Наладка производится на станке с ЧПУ 16К20Ф3СБ. Наладка станка представляет собой обработку детали инструментом. В качестве обрабатываемой детали выбираем пруток, который нужно разрезать. Пруток закрепляем в трехкулачковом патроне станка. Прутку сообщается вращательное движение. К заготовке подводится резец с поперечной и продольной подачей.

S=2,5 мм/об

Рекомендуемые режимы резания:

=80 м/мм, об/мин;

мин.

5. Техническое проектирование

В качестве материала для корпуса резца выбираем инструментальную легированную сталь 40Х у_в=650 МПа и допустимым напряжением на изгиб у_нд=200 МПа.

Рассчитаем главную составляющую силы резания P_z:

P_z=100*C_pz*t^xpz*S₀^ypz*V^nPz*k_Pz, где k_Pz=1 - поправочный коэффициент.

C_Pz=300; x_Pz=1; y_Pz=0,75; n_Pz=-0,15; t=5 мм; S=2,5 мин/об; V=120 м/мин; P_z=10*300*5*2,5^0,75*120^-0,15=15480,7 Н.

Вылет резца l=70 мм, b=25 мм, h=26 мм.

Проверяем прочность и жесткость, максимальная нагрузка, допускаемая прочность резца:

P_{Z доп} = Н.

Максимальная нагрузка, допускаемая жесткость резца:

P_{Z max} =

f=0,*10^-3 м - допускаемая стреле прогиба резца;

E=2*10⁵ МПа - модуль упругости;

Y - момент инерции сечения корпуса,

м⁴.

P_{Z max}= Н.

P_{Z доп}> P_Z< P_{Z жест}

27368,2>15480,7<16674,9

Разработанный резец имеет достаточную жесткость и прочность.

Заключение

В ходе курсового проектирования выполнили проектирование заданного инструмента - прорезного резца.

Выбрали форму пластины резца, марку материала, форму элементов режущей части, определили углы режущей кромки и ее положение. Определили форму резцедержателя, форму и размеры стержня и технические условия. При выполнении курсового проекта использовали знания, полученные из других курсов, таких как технология машиностроения, оборудование машиностроительного производства, резание металлов и др.

Литература

1. Космачев И.Г. «Слесарь-инструментальщик», Лениздат, 1973.

2. Башкин В.И. «Справочник молодого слесаря-инструментальщика», Москва, 1991.

3. Родин П.Р. «Металлорежущие инструменты», Киев, 1986.

4. Фадющин И.Л., Музыкант Л.И. и др. «Инструмент для станков с ЧПУ, многоцелевых станков и ГПС», Москва «Машиностроение», 1990.

Размещено на Allbest.ru