6.1.3. Классификация режущих инструментов

Режущие инструменты классифицируют по виду станков, на ко­торых они применяются: для токарных, сверлильных, фрезерных, протяжных, шлифовальных и т. д.

Лезвийные РИ классифицируют по виду обработки:

123

• д ля обработки плоских наружных поверхностей (например, строгальные резцы, фрезы, протяжки);

• для обработки наружных поверхностей вращения (резцы, фрезы);

• для обработки отверстий (сверла, зенкеры, развертки, протяж­ки);

• для обработки фасонных поверхностей (резцы, фрезы, протяжки);

• для получения резьб (резцы, гребенки, фрезы, метчики, плаш­ки);

• для обработки зубчатых колес (резцы, фрезы, протяжки, головки).

Режущий инструмент также классифицируют по требованиям, предъявляемым к качеству обработки. Например, резцы могут быть для черновой обработки, для чистовой обработки, для тонкого точе­ния. Фрезы (в том числе зуборезные) могут быть черновыми и чисто­выми. Есть режущие инструменты, предназначенные для предвари­тельной (черновой или получистовой) обработки (например, зенке­ры), или для чистовой (развертки).

Режущие инструменты бывают стандартными и специальными.

О классификации отдельных видов РИ, о стандартных и специ­альных конструкциях более подробно будет сказано в соответствую­щих разделах. Здесь следует подчеркнуть следующее. Общероссий­ским (ранее общесоюзным) классификатором продукции (ОКП) [42] РИ отнесены к 39-му классу. Обозначение (код ОКП) включает, кро­ме класса (39), подкласс (один знак), группу (один знак), подгруппу (один знак), вид (один знак) и порядковый номер по номенклатуре (четыре знака).

Подкласс 1 (39 1000): сверла (группа 2), метчики (3), плашки резь­бонарезные (5), зенкеры (6), развертки (7), фрезы (8); группы 1, 4 и 9 вакантные.

Подкласс 2 (39 2000): резцы (1), пилы круглые сегментные и сег­менты (2), протяжки (3), зуборезные инструменты ( кроме зуборез­ных фрез, которые входят в группу 8 подкласса 1, а также зубострогальных резцов, входящих в группу 1 подкласса 2) (4); головки, плаш­ки, ролики резьбонакатные, головки резьбонарезные, инструменты трубо- и муфтообрабатывающие (5); инструменты слесарно-монтажные (6); зажимные и вспомогательные инструменты (8); напильники и борфрезы (9); группа 7 вакантная.

Подкласс 7 (39 70000): инструменты алмазные и из других сверх­твердых материалов, а также сырье для них (всего 9 групп).

124

Подкласс 8 (39 8000): инструменты абразивные и абразивные ма­териалы (9 групп).

Пример 1. Сверло спиральное из быстрорежущей стали с цилинд­рическим хвостовиком, средняя серия, правое, диаметр 1,55 мм, обычное исполнение без поводка: 39 1213 3121 — 39 (класс), 1 (под­класс), 2 (группа), 1 (подгруппа: из быстрорежущей стали, спираль­ное, общего назначения, с цилиндрическим хвостовиком), 3 (вид: средней серии, правое), 3121 (номер по номенклатуре).

Пример 2. Резец токарный из быстрорежущей стали проходной, прямой: 39 2112 1131 — 39 (класс), 2 (подкласс), 1 (группа), 1 (под­группа: из быстрорежущей стали, токарный), 2 (вид: прямой, проход­ной), 1131 (номер по номенклатуре).

6.2. ТОЧЕНИЕ РЕЗЦАМИ С МЕХАНИЧЕСКИМ КРЕПЛЕНИЕМ ПЛАСТИН ИЗ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Резцы, оснащенные многогранными твердосплавными пластина­ми с их механическим креплением к корпусу инструмента (рис. 6.1, а), широко распространены вследствие их существенных преиму­ществ по сравнению с твердосплавными инструментами составной конструкции, у которых пластины с корпусом соединены пайкой. К преимуществам резцов, оснащенных многогранными пластинами, следует отнести следующие [34].

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

2. Повышение надежности и долговечности, так как 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.

а

Рис. 6.1. Резцы, оснащенные многогранными пластинами из твердого сплава

125

4. Рис. 6.2. Резцы, оснащенные многогранными пластинами из твердого сплава

   Отсутствие операции затачивания резцов. После изнашивания достаточно повернуть пластину или 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 6,35 или 9,525 мм.

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

Эти преимущества в равной мере относятся к резцам с механиче­ским креплением пластин из режущих керамик и режущих элементов (вставок), оснащенных синтетическими сверхтвердыми материалами.

Если рассматривать режимы работы резцов с механическим креп­лением пластин твердых сплавов, то оказывается, что в условиях об­щего машиностроения они могут полностью заменить проходные, подрезные и расточные напайные резцы. В тех случаях, когда припус­ки на обработку велики и, соответственно, возрастают глубины реза­ния (например, в условиях тяжелого машиностроения работают с глубинами резания до 45 мм), резцы напайные незаменимы как более жесткие.

6.2.1. Конструкции токарных резцов с механическим креплением пластин

Конструкции резцов, оснащенных многогранными пластинами, отличаются большим разнообразием способов крепления (рис. 6.1,б,в и рис. 6.2, а, б). Крепление прихватом (рис. 6.1, б, рис. 6.2, в) приме­няют для пластин без отверстий, в том числе из режущих керамик. Пластину устанавливают в закрытый паз и базируют по опорной и бо­ковым поверхностям. При этом обеспечиваются высокие точность базирования пластин и надежность крепления. На резцах для обра­ботки заготовок из стали применяют стружколомы. Этот метод креп­ления применяют также на концевых фрезах и расточных инструмен­тах.

Возможно применение поворотного элемента (рычага, качающе­го штифта) или косой тяги (рис. 6.1, в, рис. 6.3, а, в и рис. 6.4, а), 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

126

Рис. 6.3. Резцы, оснащенные многогранными пластинами из твердого сплава

опорной поверхности на корпусе. Устранение зазора обеспечивается прижимом пластины от руки при затягивании крепления. Достоин­ство этого способа — отсутствие выступающих деталей крепления. Способ крепления пластин, показанный на рис. 6.4, а, исключает не­обходимость применения винта в конструкции резца. Для поворота и замены пластины достаточно сжать пружину (на рис. 6.3, а, б и рис. 6.4, а точка, относительно которой поворачивается деталь крепления пластины, обозначена буквой М).

Схема крепления, приведенная на рис. 6.2, а, предусматривает применение пластин с коническим отверстием для крепления винта­ми с конической головкой. Ось винта 3 сдвинута на 0,15 мм относи­тельно отверстия пластины (рис. 6.4, б), что обеспечивает прижим пластины 2 к опорной и боковым сторонам 1 закрытого паза. Крепле­ние отличается простотой и получило широкое распространение. Его применяют также на концевых фрезах и расточном инструменте.

Крепление пластины между штифтом и клином-прихватом (рис. 6.2, б а рис. 6.4, в) 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 рекомендуется применять только

127

Рис. 6.4. Резцы, оснащенные многогранными пластинами из твердого сплава

на универсальном оборудовании. Схемы крепления, приведенные на рис. 6Л,б, в и рис. 6.2, а, можно применять как на универсальном обо­рудовании, так и на автоматических линиях и станках с ЧПУ при ус­ловии использования пластин повышенной точности. Пластины по­вышенной точности в сочетании с креплением, обеспечивающим точную установку пластин при их повороте или замене, позволяют избежать повторной настройки резца на размер [34].

6.2.2. Резцы с режущими элементами из синтетических сверхтвердых инструментальных материалов

В качестве режущих элементов используют синтетические алмазы и материалы на основе кубического нитрида бора (композиты) мас­сой до 1...З кар в зависимости от длины режущей кромки L = 5G— 0,86G² (G— масса режущего элемента).

Алмазные резцы применяют для обработки заготовок из цветных металлов и сплавов, стеклопластиков, пластмасс и некоторых других материалов. Композиты (эльбор-Р, гексанит-Р) применяют для обра­ботки заготовок из закаленных сталей и чугунов. В связи с невысокой прочностью сверхтвердых материалов возможна лишь чистовая и по­лучистовая обработка с небольшими глубиной резания и подачей. Эффективность работы резцов из сверхтвердых материалов в 5...6 раз выше эффективности работы твердосплавных резцов.

Передние и здание углы у резцов следует назначать с учетом обес­печения необходимой прочности лезвия. Передний угол (5...10°) на­значают в зависимости от свойств материала заготовки, задний а = 8...12°.

На рис. 6.5 приведены конструкции резцов с припаянным (рис. 6.5, а) и с механическим креплением кристалла СТМ (рис. 6.5, б). Ре­жущие кромки (рис. 6.5, в) этих резцов могут быть прямолинейными

128

Рис. 6.5. Конструкции резцов с режущими элементами из СТМ

Рис. 6.6. Конструкции резцов с режущими элементами из СТМ:

1-многогранная пластина; 2 -корпус; 3- обойма; 4 -штифт; 5- винт крепления обоймы;

б—прихват; 7 —винт крепления прихвата; 8 — твердосплавная подкладка

9-2719

( I), радиусными (II) и фасонными (III), обеспечивающими снижение шероховатости обработанной поверхности.

Широко распространены резцы с механическим креплением со­ставных вставок (рис. 6.6, а), оснащенных кристаллами, и с механи­ческим креплением многогранных пластин из СТМ (рис. 6.6, б). Многогранные пластины из поликристаллов композита делают трех­гранными, квадратными, шестигранными, ромбическими и круглы­ми с диаметром вписанной окружности 3,97 и 9,66 мм; с задними уг­лами 7 и 11° [34].

6.2.3. Особенности обработки инструментами, оснащенными сверхтвердыми материалами и режущими керамиками

В разделе рассмотрены вопросы не только точения, но и фрезеро­вания торцовыми фрезами, оснащенными режущими элементами из синтетических сверхтвердых материалов и пластинами из режущих керамик. Это связано прежде всего с однотипностью креплений ре­жущих элементов и пластин в корпусах РИ; кроме того, вопросы рас­смотрены параллельно для удобства сравнения и анализа.

При анализе технологий обработки деталей РИ, оснащенными СТМ (прежде всего композитами), учитывают некоторые особенно­сти, которые отличают процесс резания инструментами, оснащенны­ми композитами, от процесса резания РИ, оснащенными твердыми сплавами и режущими керамиками, и, с другой стороны, точение и фрезерование деталей собственно инструментами, оснащенными композитами. В основе различий лежат тепловые, механические и физико-химические процессы контактного взаимодействия обраба­тываемых и инструментальных материалов в зоне резания.

Сопоставление скоростей резания при точении деталей из сталей и чугунов резцами, оснащенными композитами и твердыми сплава­ми, показывает следующее. Скорости резания для сталей и чугунов, близких по твердости, инструментами, оснащенными твердыми сплавами, примерно одинаковы; скорости резания для чугунов РИ, оснащенными композитами, выше скоростей резания, чем при обра­ботке сталей, причем разница резко возрастает по мере уменьшения твердости обрабатываемых материалов (до 5...6 раз для сырых). При точении сталей их твердость мало сказывается на скоростях резания инструментами, оснащенными композитами, но она значительным образом влияет на скорости резания твердосплавных резцов (падает до 20 раз). Твердость чугунов существенно влияет на скорости реза­ния РИ, оснащенными обоими материалами, но особенно заметно влияет на скорости резания твердосплавных инструментов, снижаясь

130

до 15 раз. Например, при точении: стали (150...250 НВ) для композита V= 100...200 м/мин, для твердого сплава V- 130...300 м/мин; стали (60...70 HRC), соответственно, 60... 120 и 10... 15 м/мин; серого чугуна (120...240 НВ) 600... 1000 и 100...200 м/мин; закаленного чугуна (40...60 HRC) для композита К= 50... 150 м/мин, для твердого сплава 5...150 м/мин. В целом точение РИ, оснащенными композитами, эф­фективнее точения твердосплавными резцами при чистовой обработ­ке деталей из закаленных сталей и чугунов любой твердости.

При сопоставлении композитов с режущими керамиками выде­ляют характер затупления режущей кромки резца: если композиты работают практически в режиме самозатачивания и радиус округле­ния режущей кромки колеблется в пределах 25...40 мкм, то у пластин из режущих керамик этот радиус возрастает по мере затупления до 60... 130 мкм, что ухудшает качество обработанной поверхности и приводит к резкому уменьшению стойкости резцов при чистовой об­работке. Режущие керамики позволяют вести точение сырых сталей на скоростях 600... 1200 м/мин, а композиты — не выше 250 м/мин. В то же время скорости резания при точении высокотвердых чугунов и сталей резцами, оснащенными СТМ, выше, чем резцами, оснащен­ными керамиками.

Сравнение скоростей резания фрезами, оснащенными компози­тами и твердыми сплавами, при торцовом фрезеровании показывает превосходство композитов над твердыми сплавами (при рекомендуе­мых для композитов сечениях среза). Например, при фрезеровании: стали (150...250 НВ) композитом V= 400...900 м/мин, твердым спла­вом V= 100...300 м/мин; закаленных сталей (60...70 HRC), кроме бы­строрежущих, скорости резания для композитов 80.. .200 м/мин, твер­дые сплавы при обработке закаленных сталей не применяют; зака­ленных чугунов (40...60 HRC) при фрезеровании композитом V= 200...800 м/мин, твердым сплавом — 5... 15 м/мин. Процесс фре­зерования деталей из чугунов и сталей РИ, оснащенными композита­ми, принципиально отличается от процесса обработки твердосплав­ными фрезами. Скорости резания, как видно из приведенного при­мера, выше до 8 раз при резании сталей и до 30 раз при фрезеровании чугунов. Подачи на зуб в 2...5 раз и силы резания в 2...4 раза меньше, а потребляемая мощность в 3...8 раз больше, в то время как удельный расход электроэнергии на деталь остается неизменным. При фрезе­ровании композитами неплоскостность и шероховатость обработан­ной детали в 2. ..4 раза ниже; отсутствует наклеп из-за высоких темпе­ратур в зоне резания, превышающих 1000 °С; производительность обработки в 1,5...3 раза выше.

ш

Точение и фрезерование РИ, оснащенными композитами, по ряду параметров резко различаются. Нельзя сведения о точении меха­нически переносить на процесс фрезерования. Чтобы избежать оши­бок, необходимо иметь в виду следующее: точение сырых сталей рез­цами из композита осуществляется на скоростях 100...200 м/мин, что экономически невыгодно в сравнении с твердосплавными резцами. Фрезерование производится РИ, оснащенными композитом, на ско­ростях 400...900 м/мин (в 3...4 раза выше скоростей фрезерования твердосплавными фрезами), что обеспечивает высокое качество об­работки и достижение экономического эффекта. Скорости резания при фрезеровании закаленных сталей и чугунов РИ, оснащенных композитом, в 3...4 раза выше, чем при точении. В то же время фрезе­рование закаленных быстрорежущих сталей (60...70 HRC) проводит­ся РИ, оснащенными композитом, на скоростях 20...40 м/мин, что в 2...3 раза меньше скоростей точения этих сталей. Предварительное фрезерование чугунов по корке с глубиной резания до 6 мм эффек­тивнее, чем точение по корке. Резцы, оснащенные композитом 01, не рекомендуются для точения с ударом закаленных сталей (HRC > 50), но их применение очень эффективно при фрезеровании чугунов и сталей любой твердости. Резцы, оснащенные пластинами из компо­зита 05, одинаково хорошо обрабатывают и чугуны, и закаленные ста­ли, а торцовые фрезы, оснащенные композитом 05, предназначены только для обработки чугунов. При точении определяющее влияние на стойкость инструмента из композита оказывает скорость резания, а при фрезеровании — подача на зуб. Поэтому при заданной глубине резания в случае точения сначала назначают подачу на оборот макси­мальную исходя из требований к качеству обработки, а затем подби­рают экономически эффективную скорость резания. В случае фрезе­рования — наоборот: сначала назначается максимально возможная скорость резания, а затем подбирается подача на зуб, обеспечиваю­щая требуемое качество поверхности. При точении всегда рекомен­дуется применять охлаждение, а при фрезеровании рекомендуется применять его только при условии высокой интенсивности подачи СОЖ.

Режущие инструменты, оснащенные поликристаллическими ал­мазами, непригодны для обработки деталей из черных металлов и сплавов. В то же время инструмент, оснащенный КНБ, может приме­няться для обработки деталей из цветных металлов и неметалличе­ских материалов, хотя и с меньшей эффективностью, чем алмазный. Поэтому в тех случаях, когда необходимо за один проход обработать комбинированные детали, состоящие из разных материалов (черных и цветных), предпочтителен инструмент из КНБ.

132

Еще совсем недавно инструменты, оснащенные СТМ, использо­вали только для чистовой обработки. В настоящее время с освоением режущих пластин диаметрами до 8... 12 мм и усовершенствованием конструкций (в том числе ступенчатых) с их механическим креплени­ем область их применения расширилась из-за охвата получистовой и даже предварительной обработки взамен обработки твердосплавны­ми РИ. Наиболее перспективно применение торцовых фрез при об­работке корпусных деталей из чугунов и цветных сплавов.

Характерное отличие алмазных РИ от инструментов, оснащен­ных КНБ, заключается в том, что первые успешно применяются в тех же наладках и с теми же режимами резания, что и замененные инстру­менты, оснащенные твердым сплавом (эффективность достигается в результате повышения стойкости РИ в десятки и сотни раз). Вторые эффективны, как правило, только при условии резкого повышения скорости резания. В связи с этим основной проблемой применения алмазных РИ является сложность формообразования (профилирова­ния) и восстановления по мере затупления их режущей части. Про­блемой использования РИ, оснащенных КНБ, который обладает хо­рошей шлифуемостью алмазными кругами, является сложность соз­дания нового оборудования с повышенными частотой вращения шпинделя, мощностью и жесткостью,

Детали для точения резцами, оснащенными режущими керамика­ми, рекомендуется выбирать жесткими (отношение длины L к диа­метру D — не более 5). Детали -из улучшенных и закаленных сталей могут иметь отношение L/D несколько большее и обрабатываться с помощью люнетов, так как в этом случае скорости резания не превы­шают 200...250 м/мин. При обработке деталей диаметром D > 200 мм достигаются достаточно высокие скорости резания на универсальных токарных станках и станках с ЧПУ с частотой вращения шпинделя до 1600. ..2000 об/мин. При обработке таких деталей из стали и чугуна их следует балансировать. На заготовках, поступающих на токарные станки с ручным управлением для обработки резцами, оснащенными керамиками, для входа и выхода инструмента следует делать фаски, превышающие по величине припуск на операцию. В местах перехода от обработки цилиндрической поверхности детали к обработке тор­цовой поверхности желательно делать канавки. При работе на стан­ках с ЧПУ в случае отсутствия на заготовках фасок или канавок в про­грамме следует задавать уменьшенные в 2... 2,5 раза величины подач для моментов входа и выхода резцов.

Применение высокоскоростной обработки в течение длительного времени выдвигает повышенные требования к деталям станков. Муфты и тормозные элементы должны выдерживать большее число

133

3. Определяют угол ц наклона пластины:

Поскольку применение РИ, оснащенных СТМ и керамиками, из­меняет баланс штучного времени (сокращается доля машинного вре­мени и возрастает доля вспомогательного), станки необходимо обо­рудовать быстрозажимными и быстросъемными патронами, имею­щими высокую точность и балансировку.

При чистовой обработке отверстий деталей с целью устранения возможных следов от стружки и достижения более высокого качества обработанной поверхности резец из обработанного отверстия реко­мендуется выводить на рабочей продольной подаче. При этом одно­временно обеспечивается выхаживание отверстия, повышение его точности, уменьшение шероховатости. Для устранения тепловой де­формации детали обработанную поверхность целесообразно охлаж­дать поливом СОЖна расстоянии не менее 100 мм от вершины резца, так как попадание СОЖ на пластину из керамики нежелательно из-за возможного ее растрескивания [76].

6.2.4. Расчет параметров установки пластин с нулевым задним углом в корпусе резца

Многогранные неперетачиваемые пластины из твердых сплавов и режущих керамик изготавливают с нулевыми задними углами. Для создания у резца необходимых главного и вспомогательного задних углов выполняют следующий расчет [34, 51].

1. Определить форму пластины, т.е. ко­личество п ее граней:

(6.1)

где ф и 9i - главный и вспомогательный углы в плане.

2. Установить положение плоскости N"N" (рис. 6.7);

Рис. 6.7. К определению плоскости N"N", располо­женной под углом р к глав­ной режущей кромке, в кото­рой необходимо повернуть пластину на угол р. для полу-, чения заданных углов а и <Х[

134

(6.2)

угол при вершине пла-

где

стины.

(6.3)

4. Вместо угла р можно использовать угол между осью державки резца и плоскостью N"N":

(6.4)