Виды токарных резцов и их геометрические параметры

Удаление припуска при обработке резанием осуществляется путём превращения его в стружку. Этот процесс протекает в зоне контакта обрабатываемой детали с режущим клином инструмента. Режущий клин однолезвийного инструмента – токарного резца образуется совокупностью отдельных элементов головки резца (рис.1). Это прежде всего передняя поверхность, по которой сходит снимаемая стружка, и две задние поверхности – главная и вспомогательная. Линии их пересечения с передней поверхностью образуют соответственно главную и вспомогательную режущие кромки. Главная режущая кромка снимает большую часть стружки, а оставшуюся часть, как правило, значительно меньшую – вспомогательная режущая кромка. Так как эти поверхности не всегда бывают плоскими, то и линии их пересечения (режущие кромки) могут быть криволинейными. Поэтому, направления касательных и перпендикуляров, проведённых к проекциям режущих лезвий, зависят от расположения точки, из которой они построены.

Точка пересечения режущих кромок называется вершиной резца. Эта точка важна тем, что при токарной обработке на программно- управляемых станках месторасположение инструмента задаётся в программе координатой его вершины.

Рис. 1

Многообразие видов обрабатываемых поверхностей и наличие других сопутствующих особенностей (марка обрабатываемого материала, требования по производительности, чистоте и точности обработки, учёт влияния жёсткости детали и т.д.) требуют применения инструмента с различными характеристиками, геометрические параметры среди которых не являются последними. Чтобы их определить, надо условиться относительно названия некоторых поверхностей.

В процессе обработки принято различать: обрабатываемую поверхность, которая является исходной для обработки и с которой предстоит удалить некоторую величину припуска (рис. 2) и обработанную поверхность, с которой припуск уже удалён и превращен в стружку. П оверхность резания образуется главной режущей кромкой резца и является переходной между обрабатываемой и обработанной поверхностями. Резец в процессе работы главной задней поверхностью обращён к поверхности резания заготовки, а вспомогательной задней поверхностью – к обработанной поверхности.

На рис. 2 показаны также две нужные для определения углов плоскости: основная и плоскость резания. Основная плоскость параллельна плоскости XOY (рис. 14), это по сути дела горизонтальная плоскость, на которую своей нижней поверхностью опирается державка резца. Плоскость резания – это плоскость, проведённая перпендикулярно основной так, чтобы в ней располагалась режущая кромка.

Рис. 2

Два очень важных угла резца определяются, если посмотреть сверху на резец, установленный на основной плоскости. Это так называемые углы в плане φ и φ₁ (рис. 3).

Рис.3

Главный угол в плане φ – это угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи. Если режущая кромка нелинейная, то значение угла φ будет зависеть от расположения точки, через которую проводится касательная к режущему лезвию.

Вспомогательный угол в плане φ₁ –угол между проекцией вспомогательного лезвия на основную плоскость и направлением, противоположным направлению подачи.

Угол при вершине резца ε – угол между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость. Его значение определяется из очевидного равенства φ + φ₁ + ε = 180^о и чем больше это значение, тем прочнее и устойчивей резец, но добиваться чрезмерно больших значений ε не следует.

Ряд углов определяются в секущей плоскости N –N, проведённой перпендикулярно главной режущей кромке и основной плоскости.

Передний угол γ– уголмежду касательной к передней поверхности и нормалью к поверхности резания, проведёнными через рассматриваемую точку лезвия.

Задний угол ά – угол между плоскостью резания и касательной к главной задней поверхности (для ά₁ - угол между касательной к вспомогательной задней поверхности), проведённой через рассматриваемую точку лезвия.

Угол заострения β – угол между касательными к передней и главной задней поверхностями, проведёнными через рассматриваемую точку лезвия.

Угол резания δ – угол между плоскостью резания и касательной к передней поверхности, проведённой через рассматриваемую точку лезвия. Если угол δ меньше 90^о, то передний угол γ считается положительным, так как принято считать, что должно выполняться равенство ά + β + γ =90^о . По аналогии с этим, если угол δ больше 90^о , угол γ считается отрицательным.

Угол наклона главной режущей кромки λ измеряется в плоскости резания и равен углу между нормалью к вектору скорости резания V и главным лезвием (рис. 4,а).

Этот угол можно определить иначе. Если при горизонтальном расположении резца его вершина будет самой низкой точкой главного лезвия, то λ > 0, если самой высокой - то λ < 0.

Функционально угол λ имеет большое значение. В зависимости от его значения (> 0 или < 0) срезаемая резцом стружка (рис.4, б) будет сходить вправо (при λ >0), либо влево (при λ < 0). Это важно учитывать из тех сооб­ражений, что при λ >0 стружка сходит в направлении обработанной поверх­ности, может повреждать её, наматываться на деталь и т. д., что было бы крайне нежелательно при чистовой обработке. Поэтому положительные углы λ используются для силового, обдирочного точения, когда жёсткая и трав­моопасная по своей структуре стружка (типа «шпага» Грановские [ ]) отводится вправо, т.е. в направле­нии, где нет традиционно расположенных органов управления станком.

При чистовом точении лучше применять резцы с отрицательными уг­лами λ ( до - 5^о).

а

б

Рис. 4

При прерывистом точении λ = +10…25^о, γ = - 5… - 10^о. Прерывистое точение – один из способов дробления стружки, когда на «гладкую», непрерывную подачу накладывается низкочастотная (до 50 Гц) вибрация в направлении подачи. Благодаря этому сечение снимаемой стружки получается переменным, и она легче разламывается.

На рис.5 приведены примеры точения некоторых поверхностей резцами разного вида. Проходные прямые резцы (рис.5, а) предназначены для обра­ботки наружных поверхностей с продольной подачей. Проходной отогну­тый резец (рис 5, б) наряду с обтачиванием с продольной подачей может применяться для подрезания торцовых поверхностей с поперечной подачей. Оба они позволяют также протачивать фаски на наружных цилиндрических поверхностях и в отверстиях. Проходной упорный (рис.5, в) резец применяется для наружного обтачива­ния с подрезкой уступа под углом 90^о к оси. Отрезной резец предназначен для отрезания частей заготовки и протачивания кольцевых канавок (рис.5, г). На рисунках показаны также правила определения углов φ и φ₁ для этих резцов, которые находятся в полном соответствии с вышеприведёнными их определениями.

В зависимости от направления, в котором инструмент совершает пере­мещение при выполнении рабочего хода, резцы делятся на правые и левые. Правые резцы выполняют точение, перемещаясь с продольной подачей справа налево, а левые – слева направо. Необходимость иметь комплект и тех и других резцов объясняется тем, что обрабатываемые детали могут иметь ступенчатые поверхности, различно расположенные относительно средней части детали.

Рис. 5

Для обработки внутренних поверхностей используются расточные резцы (рис. 6), а сам вид токарной обработки внутренних поверхностей называется растачиванием. Достоинствами растачивания как вида обработки являются возможность получать отверстия практически любых размеров и, при необходимости, исправлять положения их осей.

Рис.6

По конфигурации рабочей части расточные резцы отличаются применением их как для растачивания сквозных отверстий (рис. 6, а), так и для обработки глухих отверстий (рис. 6, б). Как видно из рисунков, они обладают различными значениями угла φ, который в случае рис. 6, б при продольной подаче имеет значения, превышающие 90 градусов.

В зависимости от конструктивных признаков детали некоторые её поверхности могут потребовать выполнения их с повышенной точностью, чистотой или с минимальными погрешностями взаимного расположения. Если одна или обе поверхности на рис 7, а (зона 1) требуют шлифования, то обработать одну из них, не затронув другую, с ней сопряжённую, часто бывает затруднительно. Но если проточить угловую канавку (рис. 7, б), можно достаточно легко обработать любую из этих поверхностей с незначительным недоходом шлифовального круга до другой (рис. 7,в).

Рис.7

Назначение зарезьбовых канавок (рис.7, б) состоит в другом. Если её не будет, то при нарезании резьбы стружка в окрестностях зоны 2 (рис.7, а) не сможет удаляться из зоны резания и будет, поэтому, заминаться на границе сопряжения поверхностей. При наличии канавки стружка, получающаяся при нарезании резьбы, в конце хода резьбонарезного инструмента легко сдвигается в эту канавку и удаляется, поэтому качество получающейся резьбы значительно улучшается.

Вместе с тем, необходимо учитывать, что выполнение наружных зарезьбовых канавок на стержнях малых диаметров(мелкоразмерные резьбы) и внутренних канавок на тонкостенных внутренних поверхностях (присоединительные элементы корпусов кранов и т. д.) приводят к значительному снижению прочности изделия в местах расположения канавок. В этих случаях от выполнения канавок, как элементов контура детали, целесообразно отказаться.

Для получения таких канавок существуют специальные резцы: для обработки наружных и внутренних угловых (рис.8, а) и зарезьбовых (рис.8, в) канавок, для получения наружных и внутренних канавок под стопорные кольца (рис.8, б) и т. д. [ ]. Резцы, предназначенные для растачивания внутренних канавок, на рис. 8 показаны с круглым профилем сечения державки и базирующей лыской в направлении образующей.

Лыска позволяет при установке вполне определённо ориентировать резец режущей кромкой к обрабатываемой поверхности и предотвращает проворачивание резца под действием сил резания. Для всех этих резцов является общим то, что профиль обработанной поверхности обеспечивается геометрической формой режущей кромки резца.

Рис. 8.

Этот же принцип получения криволинейных поверхностей используется в процессе точения так называемыми фасонными резцами, режущая кромка которых специально затачивается под профиль получаемой поверхности. Подобным образом резьбовыми резцами нарезаются наружные и внутренние резьбы с относительно неглубоким профилем.

2.2. Влияние геометрических параметров резцов на ход процесса обработки и его результаты.

2.2.1 Влияние углов в плане φ и φ₁. Существует ряд соображений, по которым значения этих углов было бы целесообразно выбирать как можно меньше, но есть не менее веские причины, по которым их надо выбирать ближе к максимальным значениям. Поэтому конфигурация режущей части резца выбирается каждый раз на основе некоторого компромисса с учётом лимитирующих факторов, т.е. тех условий, которые в данном конкретном случае накладывают наиболее существенные ограничения. Рассмотрим некоторые из них.

А. Шероховатость поверхности. На рис.9 показаны два положения, которые занимает вершина резца на одной и той же образующей цилиндрической поверхности для моментов времени, между которыми деталь совершила один оборот. Этому соответствует перемещение резца в направлении продольной подачи на S₀. Из-за того, что рассматриваемая образующая в течение полного оборота детали находилась за пределами зоны резания, на обработанной поверхности остаются не удалёнными области материала, имеющие треугольный профиль.

Рис.9

Основанием этого треугольника является горизонтальный отрезок длиной S₀, а две другие стороны наклонены к нему под углами φ и φ₁ соответственно. Иначе говоря, после прохода резца на обработанной поверхности остаётся винтовой гребень с высотой микронеровностей H (рис. 10), количественно характеризующей шероховатость обрабатываемой поверхности. И хотя площадь сечения этого оставляемого гребня составляет всего около 1% от общего сечения снимаемой стружки, его приходится учитывать для оценки чистоты поверхности, получаемой в результате обработки.

Если предположить, что радиус при вершине резца равен нулю, то можно записать: tg φ₁ = H / S′₀ , tg φ = H / S′′_0. На основании очевидного равенства S₀ = S′₀ + S′′₀ находится зависимость высоты микронеровностей H от углов в плане и продольной подачи:

H = S₀ ∙ (sinφ ∙ sin φ₁) / (cos φ₁∙ sin φ + cos φ ∙ sin φ₁ ).

Рис. 10

Из полученного уравнения и эскизов а, б и в (рис. 10) видно, что уменьшение углов φ и φ_1, а также подачиот S₀ до S₀₁ способствует уменьшениювысоты микронеровностей от H до H', и, следовательно, - улучшению чистоты получаемой поверхности. Случай φ₁ =0, который может быть получен из рис. 10, а, соответствует геометрии применяемого на практике так называемого чистового резца (рис.10,г). При чистовом точении широкими резцами (φ =10 ÷30⁰ ; φ₁ =0 на рис.10, г ) с малой глубиной резания t режим обработки для повышения производительности ведётся, как правило, на больших подачах (S₀ = 4÷6 мм /об) инструмента. Но это совсем не означает, что добиваться высокой чистоты обработанной поверхности следует только применением именно этого резца. Технологически оправданным в большинстве случаев, оказывается применять для получения малой шероховатости обработку методами шлифования.

Показатели шероховатости будут улучшаться и в случае применения резцов, имеющих скругление при вершине радиусом r (рис. 10, д ). Эффективность этого приёма по-разному проявляется при различных соотношениях величин S₀ и r. При S₀ < r высота микронеровностей определяется из соотношения: H = S₀² / 2 ∙ r [Филоненко С.Н.,стр.31].

На практике обычно обеспечение желаемой чистоты обрабатываемой поверхности связывают с соответствующим выбором подачи S₀ чистового точения при конкретном значении радиуса скругления вершины резца r. Для этого принято пользоваться нормативными таблицами [Общемашиностроительные нормативы режимов резания для … ], примером одной из которых является табл. 1.

Таблица 1.6

ПОДАЧИ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ЗАДАННОЙ ЧИСТОТЫПОВЕРХНОСТИ	ТОЧЕНИЕ
Обрабатыва- емый материал	Шероховатость	Диапазон скоростей резания, м/мин	Радиус r при вершине, мм
Класс чист.	Rа, мкм	0,5	1,0	2,0
Подача S, мм/об
Сталь углеродистая и легированная		От 10 до 6,3	≤ 50 > 50	0,3-0,5 0,4-0,55	0,45-0,6 0,55-0,65	0,55-0,7 0,65-0,7
	От 5 до 3,2	≤ 50 > 50	0,18-0,25 0,24-0,3	0,25-0,3 0,3-0,35	0,3-0,4 0,35-0,5
	От 2,5 до 1,3	≤ 50 50 ÷ 100 > 100	0,10 0,11-0,16 0,16-0,2	0,11-0,15 0,16-0,25 0,2-0,25	0,15-0,22 0,25-0,35 0,25-0,35
Чугун, бронза и алюминиевые сплавы		От 10 до 6,3	Весь диапазон скоростей	0,25-0,4	0,4-0,5	0,5-0,6
	От 5 до 3,2	0,15-0,25	0,25-0,4	0,4-0,5
	От 2,5 до 1,6	0,1-0,15	0,15-0,2	0,2-0,35
П р и м е ч а н и е. Ориентировочно следует принимать радиус при вершине резца: - 0,5 мм для резцов сечением до 12 х 12 мм включительно; - 1,0 мм для резцов сечением до 30 х 30 мм; - 2,0 мм для всех резцов сечением 30 х 45 мм и более.

По заданной величине, допустим, R_a =4 мкм, что соответствует 5 классу чистоты в старом обозначении, при обработке стали со скоростью резания V > 50 м/мин и радиусе при вершине резца r = 1 мм находится подача S₀ = 0,3 ÷ 0,35 мм/об. Этот способ определения подачи применим для переходов чистовой обработки. Подачи для чернового точения выбираются по другим таблицам, составленным на основе учёта силовых (в том числе – прочностных) соотношений (табл.).

Б. Параметры сечения снимаемой стружки. При рассмотрении режимов черновой обработки, когда причины образования шероховатости не являются важными, вполне допустимо считать, что за один оборот детали срезается площадка материала, имеющая форму параллелограмма (рис. 11,а). Толщина а и ширина b стружки легко могут быть выражены через режимные параметры обработки: а = S₀ ∙ sinφ, b = t / sinφ, т. к. sinφ = t / b = а / S₀ .

а б

Рис. 11

Это означает, что площадь снимаемой стружки A = a ∙ b = S₀ ∙ t не зависит от угла φ, но при уменьшении этого угла (φ' < φ) стружка получается более тонкой (рис. 11, б). Из –за этого она становится более пластичной и требует меньшей работы, затрачиваемой для её отделения. Таким образом, из соображений снижения энергозатрат и усилий резания, сопровождающих обработку, угол φ, как и в предыдущем случае,было бы целесообразно выбирать как можно меньше.

В. Температура нагрева резца. При меньших значениях углов в плане головка резца получается более массивной. Кроме повышения механической прочности резца это способствует улучшению теплоотдачи из зоны резания внутрь объёма инструмента. Поэтому при одном и том же выделенном количестве тепла температура нагрева такого резца будет меньше, чем при больших значениях углов. Следовательно, и по этим причинам уменьшение углов в плане было бы целесообразно.