Аналитический расчет режима резания

А.Д. Нелюдов

 

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯ ПО ДИСЦИПЛИНЕ «ПРОЦЕССЫИ ОПЕРАЦИИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ»

 

 

ПЕНЗА 2012

 

Содержание работы

 

В работе требуется для заданных условий:

1. Выбрать инструментальный материал и геометрические параметры режущей части резца.

2. Аналитически рассчитать рациональный режим резания при обтачивании валика на станке 16К20.

 

2 Порядок выбора варианта задания

Варианты заданий представлены в приложении А. Номер вари­анта соответствует двум последним цифрам зачетной книжки.

Методические указания

 

3.1 Выбор инструментального материала.

При выборе инструментального материала, как правило, основываются на информации о материале обрабатываемой заготовки, способе обработки и условиях ее проведения.

Рекомендации по выбору материала приводятся в справочной литературе по режимам резания и справочниках технолога машиностроителя, выдержки из которых представлены в таблицах 1 и 2.

Режущая часть токарных проходных резцов в большинстве случаев выполняется из твердых сплавов. Выбор группы твердого сплава определяется родом и механическими свойствами обрабатываемого материала. Обработка чугунов по сравнению с обработкой сталей характеризуется меньшими температурами резания. Поэтому при обработке чугунов используют менее теплостойкие, но более дешевые сплавы группы ВК. Предпочтение этой группе в данном случае отдается и вследствие их повышенной прочности, вязкости, что чрезвычайно важно при обработке чугунов, когда образуется стружка надлома и скалывания, а ударная пульсирующая нагрузка концентрируется на малой площадке контакта стружка-инструмент в непосредственной близости от режущей кромки – наиболее уязвимого места лезвия.

 

Таблица 1 - Выбор марок быстрорежущей стали при различных видах обработки резанием

Условия и вид обработки	Марка стали	Условия и вид обработки	Марка стали
Черновая обработка, обработка при больших подачах и средней глубине резания, для инструментов, работающих в условиях динамических нагрузок (резцы, долбяки, пилы)	Р18 Р6М3 М8	Протягивание, развертывание	Р14Ф4
Обработка конструкционной стали и чугуна (НВ до250…260, σв = 85…90 кг/мм2)	Р9 Р18
Обработка червячными фрезами при скоростях резания 60…70 м/мин	Р9К0
Обработка жаропрочной аустенитной стали и улучшенной стали высокой прочности	Р18Ф2К5 Р9Ф2К5 Р9Ф2К10 Р10Ф5К5
Нарезание резьбы метчиками, гребенками, зенкерование по обработанному отверстию, развертывание, протягивание	Р9Ф5
Обработка улучшенных сталей высокой прочности (σв ≥ 95… 100 кГ/мм2)	Р18Ф2 Р14Ф4 Р9Ф5
Обработка аустенитной стали инструментами простой формы	Р10К5Ф8

 

При резании конструкционных углеродистых и легированных сталей, когда температура резания высока, для обеспечения боле высокой производительности обработки целесообразнее использовать более теплостойкие, более твердые и износостойкие сплавы группы ТК, которые, кроме того, имеют меньший коэффициент трения, что при сливном стружкообразовании способствует мене интенсивному износу режущего инструмента.

При выборе марки твердого сплава в пределах каждой группы необходимо руководствоваться следующим основным правилом: чем тяжелее условия работы инструмента в силовом отношении, тем больше кобальта должен содержать твердый сплав.

Таблица 2 - Выбор марок твердого сплава при точении

Вид и характер обработки	Марка твердого сплава при обработке
углеродистой и легированной стали	труднообрабатываемых материалов	нерж. стали аустенитного класса	закаленной стали	титана и сплавов на его основе	чугуна	цветных металлов и их сплавов	неметаллических материалов
НВ 240	НВ 400...700
Черновое по корке и окалине при неравномерном сечении среза и прерывистом резании с ударами	Т5К10 Т5К12В ВК8 ВК8В	Т5К12В ТТ7К12 ВК8 ВК8В	Т5К12В ВК8В ВК8	-	ВК8 ВК8В	ВК8 ВК8В ВК4	ВК8 ВК8В	ВК4 ВК6 ВК8	-
Черновое по корке при неравномерном сечении и непрерывном резании	Т14К8 Т5К10	ВК4 ВК8 ВК8В	ВК4 ВК8	ВК4 ВК8	ВК4 ВК8 ВК6	ВК6М ВК4	ВК4 ВК6
Черновое по корке при относительно равномерном сечении среза и непрерывном резании	Т15К6 Т14К8	Т15К10 ВК4 ВК8	ВК6М ВК4	ВК4 ВК8	ВК6М ВК2	ВК2 ВК3М ВК4	ВК4
Получистовое и чистовое при прерывистом резании	Т15К6 Т14К8 Т5К10	ВК4 ВК8 ВК8В	ВК4 ВК8	Т5К10 ВК4 ВК8	ВК4	ВК2 ВК3М ВК4	ВК6М	ВК2 ВК3М ВК4
Точное при прерывистом резании	Т30К4 Т15К6	-	ВК6М	Т14К8 Т5К10 ВК4	ВК6М ВК2
Точное при непрерывном резании	Т30К4	-	ВК6М ВК3М	Т30К4 Т15К6 ВК3М	ВК4 ВК6М ВК3М	ВК2 ВК3М	ВК6М ВК3М ВК2	ВК2 ВК3М

3.2 Выбор геометрических параметров режущей части резца.

При выборе геометрических параметров режущей части резцов основываются на информации об используемом инструментальном материале, материале обрабатываемой заготовки, способе обработки и условиях ее проведения. Рекомендации по выбору геометрических параметров представлены в таблицах 3…7, являющихся выдержкой из справочника технолога машиностроителя /4/. Алгоритм выбора выглядит следующим образом:

1. Выбор формы передней поверхности режущей части.

2. Выбор геометрических параметров.

В обобщенном виде рекомендации по назначению геометрических параметров могут быть следующие.

Выбор величины переднего угла и формы передней поверхности. Форму передней поверхности режущей части резца (табл. 3) и величину его переднего угла (табл. 6) определяют механические свойства обрабатываемого материала и условия его обработки. Увеличение переднего угла приводит к уменьшению деформации срезаемого слоя и, следовательно, к уменьшению сил и температуры резания, интенсивности износа инструмента. С другой стороны, при этом уменьшается угол заострения, что приводит к увеличению тепловой напряженности и снижению прочности лезвия резца. Поэтому для каждого обрабатываемого материала есть свое оптимальное значение переднего угла, при котором стойкость резца, а следовательно (при одинаковой стойкости), и скорость резания будут наибольшими. При назначении величины переднего угла необходимо обязательно учитывать свойства и инструментального материала.

У резцов из инструментальных сталейпередние углы целесообразно назначать только положительными, так как инструментальные стали допускают большие напряжения на изгиб. Плоская передняя поверхность резца во многих случаях резания не является оптимальной. Если резец изготовлен из быстрорежущих сталей, то в зависимости от рода обрабатываемого металла и условий работы рекомендуют три формы передней поверхности (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Формы передней поверхности резцов из быстрорежущих

сталей

Форма I – криволинейная с фаской предназначена для резцов всех типов (кроме фасонных со сложным контуром), обрабатывающих пластичные материалы с подачей более 0,2 мм/об. Передняя поверхность состоит из фаски, параллельной опорной плоскости резца, и выкружки, очерченной дугой окружности радиуса . В точке пересечения выкружки с фаской касательная к ней образует с плоскостью, параллельной опорной плоскости, передний угол .

Форма II – плоская с фаской предназначена для резцов всех типов, обрабатывающих пластичные материалы с подачей более 0,2 мм/об.

Форма III – плоская предназначена для резцов всех типов, обрабатывающих хрупкие материалы, а также пластичные материалы, если подача равна или меньше 0,2 мм/об.

Ширина фаски для форм I и II равна (0,8…1,0) , а величина переднего угла зависит от механических свойств обрабатываемого материала, уменьшаясь при увеличении его твердости и прочности. Для форм I и II передней поверхности угол изменяется в пределах , а для формы III в пределах .

У твердых сплавов предел прочности на изгиб почти в три раза ниже, чем у быстрорежущих сталей, поэтому положительные значения передних углов у твердосплавных резцов значительно меньше, чем у быстрорежущих. Вдоль режущей кромки затачивается фаска с отрицательным значением угла, а при тяжелых условиях резания передний угол принимается отрицательным.

При оснащении резца пластинкой твердого сплава рекомендуют также три аналогичные формы передней поверхности (рисунок 2), имеющие те же названия, что и у резцов из быстрорежущих сталей. Отличием твердосплавных резцов от быстрорежущих является то, что угол наклона фаски не равен нулю и имеет отрицательный знак.

Рисунок 2 – Формы передней поверхности резцов с пластинками твердых сплавов

Форма I – криволинейная с отрицательной фаской предназначена для резцов, обрабатывающих пластичные материалы с при получистовом режиме резания . Выкружка выполняет функцию стружкозавивального элемента резца. Передний угол равен .

Форма II – плоская с отрицательной фаской применяется в тех же случаях, что и форма I, а также для резцов, обрабатывающих хрупкие материалы, но при прерывистом резании и при обработке деталей, имеющих литейную корку.

Форма III, а – плоская с положительным передним углом предназначена для резцов, обрабатывающих хрупкие материалы, а также для резцов, обрабатывающих пластичные материалы с при чистовом режиме резания с малыми глубинами резания и подачами; передний угол равен .

Форма III, б – плоская с отрицательным передним углом предназначена для резцов, обрабатывающих пластичные материалы с , а также при резании пластичных материалов любой прочности, но при прерывистом резании. Передний угол .

Во всех случаях необходимо помнить, что передний угол зависит от прочности и твердости обрабатываемого материала, уменьшаясь и переходя в область отрицательных значений при увеличении и НВ.

Выбор задних углов. Задние углы (табл. 6) обеспечивают зазор между трущимися поверхностями резца, поверхностью резания и обработанной поверхностью детали. Величина их мало зависит от механических свойств обрабатываемого материала и определяется в основном величиной подачи. Чем больше подача, тем меньше значение задних углов, при которых стойкость резца наибольшая. Объясняется это тем, что при большой подаче (а следовательно, и большей толщине среза) на лезвие будут действовать большие силы и во избежание его выкрашивания необходим больший угол заострения, что и достигается увеличением задних углов. У резцов, оснащенных твердым сплавом, при задние углы , а при .

Выбор углов в плане. Величина главного угла в плане (табл.4) влияет на соотношение между шириной и толщиной срезаемого слоя при равных значениях глубины резания и подачи. Следовательно, угол будет оказывать влияние на интенсивность деформации срезаемого слоя, силы и температуры резания, шероховатость обработанной поверхности.

Чем больше угол , тем меньше отношение , выше температура резания, выше термодинамическая нагрузка на единицу длины режущей кромки, интенсивнее изнашивание резца и, следовательно, меньше его стойкость. Поэтому резцы с малыми углами допускают (при прочих равных условиях) большую скорость резания, а также обеспечивают малую шероховатость обработанной поверхности.

С другой стороны, с уменьшением угла значительно увеличивается сила резания, особенно ее радиальная составляющая, снижается точность обработки, могут возникнуть вибрации. Поэтому угол в плане целесообразно назначать в зависимости от жесткости технологической системы СПИД (станок – приспособление – инструмент – деталь).

Для проходных резцов в случае обработки в условиях особо жесткой системы СПИД, при отношении длины детали к ее диаметру меньше 6 и при малых глубинах резания; берется в условиях достаточно жесткой системы и при ; принимается при обработке в условиях недостаточно жесткой системы СПИД при ; берется при обтачивании в условиях нежесткой системы, при .

Вспомогательный угол в плане (табл. 5), уменьшая участие вспомогательной режущей кромки в резании, влияет на допускаемую скорость резания и шероховатость обработанной поверхности. У проходных резцов при чистовой обработке , при черновой обработке .

Выбор угла наклона главной режущей кромки . Угол (табл. 6)влияет на направление сходящей стружки и определяет точку первоначального контакта режущей кромки и срезаемого слоя при прерывистом резании. При работе проходным резцом с стружка будет несколько отклоняться в сторону обработанной поверхности (из-за наличия угла схода стружки). При угле стружка может контактировать с обработанной поверхностью, повышая ее шероховатость. Поэтому у резцов, предназначенных для чистовой обработки, рекомендуется отрицательное значение угла .

При черновой обработке предпочтительнее положительные значения угла : при точении стали ; чугуна , при точении с ударами .

Таблица 3 – Форма передней поверхности резцов

Обозначение, наименование	Эскиз передней поверхности	Область применения
а – для резцов из быстрорежущей стали	б – для резцов с пластинками из твердых сплавов
I. Плоская		Обработка чугуна, обработка стали при Для фасонных резцов сложного контура	Обработка стали с при достаточной жесткости и виброустойчивости заготовки. Необходим стружколоматель.
II. Плоская с фаской		Обработка стали при	Обработка серого и ковкого чугуна, обработка стали с при достаточной жесткости и виброустойчивости заготовки. Необходим стружколоматель
III. Радиусная с фаской		Обработка стали с обеспечением стружколомания	Обработка стали с при , . Стружколомание обеспечивается лункой: ; , глубина лунки

 

Объясняется это тем, что при положительных значениях угла лезвие резца более массивное и стойкое, а точка первоначального контакта режущей кромки со срезаемым слоем удалена от вершины – наиболее уязвимой точки режущей кромки. Все это благоприятно сказывается при точении с большими силовыми нагрузками, особенно при работе с ударами.

Таблица 4 – Значения углов

Условия обработки
Обтачивание ступенчатых заготовок недостаточной жесткости; обтачивание, растачивание и строгание ступенчатых поверхностей в упор; подрезание, прорезание и отрезание
Для отрезных резцов при отрезании заготовок без бобышек
Точение на проход заготовки малой жесткости, растачивание чугуна	60…75
Точение и строгание жестких заготовок	45…60
Точение жестких заготовок проходными резцами	30…60
Чистовое точение с малой глубиной резания, строгание с большими подачами (4…6 мм)	10…30

 

Таблица 5 – Значения углов

Условия обработки
Для проходных резцов при работе без врезания: из быстрорежущей стали с пластинками из твердого сплава	5…10
Для проходных резцов при работе с врезанием: до 3 мм св. 3 мм	20…30
Для подрезных и расточных резцов: из быстрорежущей стали с пластинками из твердого сплава	10…15
Для прорезных и отрезных резцов	1…2
Для резцов отогнутых, сечением: до 20 х 30 мм св. 20 х 30 мм
Для широких резцов

Таблица 6 – Углы режущей части резцов

Обрабатываемый материал	Материал режущей части * и форма передней поверхности	Геометрические параметры режущей части
Размер фаски, мм
Точение, растачивание и строгание
Сталь углеродистая, легированная, инструментальная, стальное литье НВ<340;	БС, IIа, IIIа	-	-	25…30	8…12
Чугун серый и ковкий НВ<220	БС, Iа, IIа, IIIа	12…18	-4…+4
Медь	БС, IIа, IIIа	25…30	10…15	-
Бронза, латунь
Сталь конструкционная, углеродистая, легированная, стальное литье:	ТС, IIб, IIIб	-3…-5
	ТС, Iб, IIб	-10	-
Точение и растачивание
Чугун серый: НВ<220	ТС, IIб, IIIб	-	-3…-5		6…10	-
НВ>220
Чугун ковкий НВ 140…150	ТС, IIб, IIIб		8…12
ТС, Iб, IIб	-2	-

 

Продолжение табл. 6

Обрабатываемый материал	Материал режущей части * и форма передней поверхности	Геометрические параметры режущей части
Размер фаски, мм
Непрерывное точение
Нержавеющая жаропрочная и жаростойкая сталь: 25Х2МФА, 1Х12Н2ВМФ, 1Х17Н2, 4Х12Н8МФБ, Х12Н20Т3Р, 1Х21Н5Т, 0Х14Н28В3Т3ЮР	ТС, IIб	02…0,3	-5	12…15
1Х13, 2Х13, 3Х13, 4Х13	ТС, IIIб
Х23Н18	ТС, Iб				-
ЭИ654
1Х12ВНМФ			-	6…8	-
4Х14Н14В2М			10…20
Х18Н9Т				10…12	-
Жаропрочные сплавы на никелевой и железоникелевой основе: ХН77ТЮ, ХН77ТЮР, ХН70ВМТЮ	ТС, Iб, IIб	0,2…0,3	-5			-
ХН35ВТЮ
ХН70ВМЮТ	0,6…0,8	-10…-15		6…8
ХН35ВТ	-	-
ХН35ВМТ	БС, Iа

 

Продолжение табл. 6

Обрабатываемый материал	Материал режущей части * и форма передней поверхности	Геометрические параметры режущей части
Размер фаски, мм
Сталь:	МК, IIб, IIIб	0,2…0,3	-5…-10	10…15	8…10	0…5
Чугун: НВ < 220	МК, IIб	-5
НВ > 220	0…5
Прерывистое точение
ХН70ВМТЮ	БС, Iа	-	-	10…15	12…15
* БС – быстрорежущая сталь; ТС – твердые сплавы: МК - минералокерамика

Рисунок 3 – Элементы сопряжений режущих лезвий резцов

 

Таблица 7 – Значения , и

Резцы и условия работы
Проходные и расточные: при	0,5…5
	1…3
Подрезные	0,5…2,0
Прорезные, отрезные	0,2…0,8
Расточные: при чистовой обработке	0,2…0,5
при черновой обработке	0,75…1,5
Резцы и условия работы
Прорезные
Отрезные	0,5…1,0
Твердосплавные проходные

Аналитический расчет режима резания

 

Режимом резания называют совокупность глубины резания, подачи и скорости резания при обоснованно выбранной стойкости инструмента. Рациональным режимом резания называют такой, который при выполне­нии всех требований, предъявляемых к качеству обрабатываемой детали, обеспечивает при минимальной себестоимости максимально возможную для данной операции производительность.

Глубина резания. Максимально возможная глубина резания равна при­пуску, оставленному на обработку. Если нет ограничений по точности об­работки, то весь припуск следует удалить за один проход.

При точении глубина резания определяется по формуле

, (1)

где – диаметр обрабатываемой поверхности;

– диаметр обработанной поверхности.

Если припуск, оставленный на обработку снимается за два прохода инструмента, то каждый проход будет характеризоваться своим значением глубины резания.

Подача. Максимально допустимая подача ограничивается: проч­ностью и жесткостью обрабатываемой детали; прочностью и жесткостью инструмента; прочностью слабого звена механизма подачи станка; прочностью пластинки твердого сплава; шероховатостью обработанной поверхности. Поэтому рекомендуемая технологически допустимая подача должна быть проверена по всем указанным ограничениям. Для этого подсчитывают максимальные значения подач, допускаемые этими ограничениями, и выбирают из них минимальное , которое по паспортным данным станка (приложение Б) корректируется (выбирается ближайшее к значение действительной подачи при условии ).

Максимальные значения подач подсчи­тывают по следующим приближенным формулам:

- подача, допускаемая прочностью детали

 

мм/об; (2)

 

- подача, допускаемая жесткостью детали

 

мм/об; (3)

 

- подача, допускаемая прочностью резца

 

мм/об; (4)

 

- подача, допускаемая жесткостью резца

 

мм/об; (5)

 

- подача, допускаемая прочностью слабого звена механизма подачи

станка

мм/об; (6)

 

- подача, допускаемая прочностью пластинки твердого сплава

 

мм/об; (7)

 

- подача, допускаемая шероховатостью обработанной поверхности

 

мм/об. (8)

 

В вышеприведенных формулах:

и - коэффициенты, учитывающие метод закрепления детали на станке (табл. 8);

-- диаметр обработанной поверхности, мм;

- допустимое напряжение при изгибе для материала детали, (для стали , где - коэффициент запаса прочности; для чугуна , где );

Таблица 8 - Значение коэффициентов и

Метод закрепления детали	Коэффициент
В патроне	0,10	0,15
В центрах	0,40	2,40
В патроне и заднем центре	0,50	3,00

 

-допустимое напряжение при изгибе для материала державки резца, (материал державки сталь 45, );

- модуль нормальной упругости обрабатываемого материала, (для сталей принимать = 200000, для чугунов - = 120000);

- модуль нормальной упругости материала державки резца, (в расчетах принимать = 200000);

- вылет резца, мм;

- длина детали, мм;

- высота державки резца, мм;

- ширина державки резца, мм;

- допускаемая стрела прогиба детали, мм (при предварительном обтачивании = 0,2…0,3 мм, при точении под шлифование < 0,1 мм, при

точных работах < 0,25 величины допуска на размер обработанной по­верхности);

- допускаемая стрела прогиба резца, мм (для предварительного и получистового точения = 0,1 мм, для чистового - = 0,03 …0,05 мм);

- наибольшая сила, допускаемая прочностью механизма подачи станка, Н (определяется по паспортным данным станка, приложение Б);

- наибольшая сила, допускаемая прочностью пластинки твердого сплава, Н (табл. 9; в расчетах принимать толщину пластинки 6 мм)

- коэффициент и показатели степени, характеризующие влияние различных факторов на шероховатость обработанной поверхности (табл. 10);

Таблица 9 - Величина силы, допускаемой пластинками твердого сплава

Толщина пластинки, мм до	Глубина резания , мм
Допускаемое значение , Н

 

Таблица 10 - Значения коэффициента и показателей степени

Обрабатываемый материал	Подача, мм/об
Сталь	<1,75	0,008	0,30	1,40	0,30	0,70
Чугун	<1,60	0,045	0,25	1,25	0,50	0,75

 

 

- высота микронеровностей, мкт;

- радиус закругления вершины резца, мм;

- главный угол в плане;

- вспомогательный угол в плане;

- глубина резания, мм;

, , - коэффициент и показатели степени в формуле тангенциальной составляющей силы резания (при обтачивании стали про­ходным резцом, оснащенным твердым сплавом, , , ; чугуна - , , ).

Период стойкости инструмента. В расчетах реко­мендуется принимать средние значения периода стойкости, выработанные заводской практикой и приводимые в справочной и нормативной литератуpe (для токарных проходных резцов Т =50 мин.).

Скорость резания. Расчет скорости резания, допускаемой режущими свойствами резцов, производится по обобщенному уравнению, связы­вающему все факторы процесса резания с искомым фактором, т.е. скоро­стью резания. Обобщенное уравнение состоит из условного уравнения, справедливого только для определенных условий работы, и ряда попра­вочных коэффициентов, учитывающих конкретные условия резания.

При точении уравнение для расчета скорости резания имеет вид:

м/мин, (9)

где - постоянная, характеризующая условия обработки, при которых получена зависимость (табл. 11);

- показатели степени (табл. 11);

- показатель относительной стойкости (табл. 11);

Таблица 11 - Значения коэффициента и показателей степени ,

Обрабатываемый материал	Вид обработки	Инструментальный материал
Сталь конструкционная	Обтачивание s<0,75 мм/об	Т15К6		0,15	0,35	0,20
s>0,75 мм/об		0,15	0,45	0,20
Чугун серый НВ 190	Обтачивание	ВК6		0,20	0,40	0,20

- коэффициент, учитывающий свойства обрабатываемого материала (для стали - , для чугуна - );

- коэффициент, учитывающий состояние обрабатываемой поверх­ности (при отсутствии литейной корки );

- коэффициент, учитывающий марку инструментально