Проектирование или усовершенствование инструмента

Развитие процесса металлообработки идет быстрыми темпами. Современный инструмент достаточно сильно отличается по своим возможностям от применяемого десять и даже пять лет назад. Если оснастить два одинаковых станка современным и традиционным ин­струментом, то разница в производительности обработки и качестве изготовляемых деталей будет ощутима.

Применение современного инструмента эффективно как на но­вом, так и на старом оборудовании. Правильно выбранный инстру­мент позволяет быстрее окупить затраты на новое оборудование и значительно повысить производительность старого оборудования.

В настоящее время все режущие инструменты по составу можно разделить на следующие группы: а) цельный; б) составной; в) сбор­ный; г) модульный (наборный). У составного инструмента режущая и державочная части имеют неразъёмное соединение. Например, их крепление может осуществляться с помощью сварки или пайки.

У сборного и модульного инструмента режущая и державочная части имеют разъёмное соединение. У модульного инструмента эти части представляют собой отдельные сборочные единицы (модули), которые имеют унифицированные присоединительные поверхности. При этом одна и та же режущая головка может быть присоединена к державкам (оправкам, корпусам) различной конфигурации и функ­ционального назначения.

Основную долю в номенклатуре изготавливаемых фирмами AB Sandvik Coromant [3] и Walter [2] инструментов составляют сборные и модульные инструменты.

Выбор режущей части таких инструментов включает в себя опре­деление формы и размера сменной многогранной пластины (СМП), геометрии её передней поверхности, радиуса при вершине и инстру­ментального материала.

Выбор державочной части (державки, оправки, корпуса) включает в себя определение её типа и размера. При этом необходимо учитывать возможности технологического оборудования (тип и размеры посадоч­ных поверхностей резцедержателя и инструментального шпинделя).

После выбора инструмента необходимо определить режимы об­работки.

Главы каталога Walter [2], имеющие в своём названии словосоче­тание Walter Select, содержат алгоритмы выбора различного инстру­мента и режущих пластин для него. В каталогах фирмы AB Sandvik Coromant [3] алгоритмы выбора различного инструмента представле­ны в начале соответствующих разделов.

1. ТИПОВОЙ АЛГОРИТМ ВЫБОРА ТОКАРНОГО И РАСТОЧНОГО ИНСТРУМЕНТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРУППЫ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ОБРАБАТЫ­ВАЕМЫЙ МАТЕРИАЛ СОГЛАСНО СТАНДАРТУ ISO, И ПОДГРУППЫ СОГЛАСНО КЛАССИФИКАЦИИ SANDVIK COROMANT. В значительной степени выбор режущего инструмента зависит от обрабатываемого материала. ISO (Международная организация по стандартизации) всё многообразие металлов, используемых в машиностроении, разделяет на несколько групп. Перечень групп и подгрупп можно найти в при­ложении 1. Каждой подгруппе соответствует условная твёрдость, ко­торую необходимо учитывать при выборе режимов обработки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕЛИЧИНЫ УГЛА ЗАОСТРЕНИЯ РЕЖУЩЕГО КЛИ­НА. В зависимости от величины угла заострения все СМП можно раз­делить на две группы: негативные (у=0°, а=0°) и позитивные (у=0°, а>0°) (рис. 1.1).

Негативная пластина имеет в поперечном сечении угол заостре­ния режущего клина 90°. Задний угол при установке негативных пла­стин создается за счет их поворота при креплении в державке резца. При этом у негативных пластин передние углы становятся отрица­тельными. Отрицательный передний угол обуславливает наличие больших сил резания, однако усиливает вершину режущего клина (уменьшает вероятность её скола). Негативные пластины рекоменду­ется применять при обработке материалов высокой твердости и прочности (группы M, S, H), а также при неблагоприятных условиях обработки (сильные вибрации элементов технологической системы, обработка с ударами).

Позитивная пластина имеет угол заострения меньше 90°. Она может быть установлена в гнезде державки таким образом, что пе­редний угол будет положительным. Увеличение переднего угла при­водит к уменьшению сопротивления резанию. Позитивные пластины рекомендуется применять при обработке материалов низкой прочно­сти (группы P, K, N), особенно при обработке высокопластичных и вязких материалов, где требуется малый угол заострения.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ УСЛОВИЙ ОБРАБОТКИ. В каталоге инструментов Walter все условия обработки условно разделены на три группы: хо­рошие, средние, неблагоприятные. Группа определяется геометрией заготовки, жёсткостью элементов технологической системы (станка, приспособления инструмента и заготовки) и состоянием поверхност­ного слоя заготовки (наличие литейной корки или окалины и др.). Каждой группе условий в каталоге Walter [2] соответствует смайлик (идеограмма, изображающая эмоцию) (рис. 1.2). В каталоге Sandvik Coromant [3] хорошим условиям обработки соответствует белый круг, средним - наполовину закрашенный, неблагоприятным - чёрный.

Условия обработки влияют на выбор инструментального мате­риала и режимов обработки.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИИ ПЕРЕДНЕЙ ПОВЕРХНОСТИ. Геомет­рия передней поверхности пластины представляет совокупность ус­тупов, лунок, канавок и других конструктивных элементов (рис. 1.3). Они обеспечивают завивание и ломание стружки.

Для каждой группы обрабатываемого материала (P, M, K, N, S, H) существуют различные геометрии сружколомов. Каждой геометрии соответствует диаграмма стружкодробления (рис. 1.4). Она определя­ет диапазон глубин резания и подач, при которых передняя поверх­ность пластины будет завивать и ломать стружку.

Р и с. 1.4. Диаграммы стружкодробления СМП

Диаграммы стружкодробления различных стружколомов фирмы Walter приведены в [2]. Стружколомы фирмы Walter кодируются, как правило, двумя буквами и одной цифрой.

Таблица 1.1 - Обозначение формы передней поверхности СМП в зависимости от глубины резания и подачи

Обозначение передней поверхности	Диапазон глубин t, мм	Диапазон подач So, мм/об
Геометрия F (чистовой стружколом)	0,5-2,0	0,1-0,3
Геометрия M (получистовой стружколом)	1,5-5,0	0,2-0,5
Геометрия R (черновой сружколом)	5-15	0,5-1,5

Стружколомы фирмы Sandvik Coromant кодируются, как правило, двумя буквами. Первая буква, как правило, соответствует группе обраба­тываемого материала согласно стандарту ISO (приложение 1). Вторая буква определяет диапазон глубин резания и подач, при которых обеспе­чивается удовлетворительное стружколомание (табл. 1.1), [3].

Р и с. 1.5. Формы СМП и их обозначения

Рекомендации по выбору размера пластины фирмы Sandvik Co­romant в зависимости от глубины резания t представлены на странице А8 каталога [3]. Для пластины каждого размера указан диапазон ре­комендуемых глубин резания.

Таблица 1.2

Рекомендации по выбору формы СМП [1]

ВЫБОР ФОРМЫ И РАЗМЕРА СМП. В международных и националь­ных стандартах закреплены различные формы СМП (рис. 1.5). Каж­дая форма кодируется буквой согласно стандарту ISO. На рис. 1.5 при движении в направлении стрелки 1 возрастает угол при вершине СМП. С одной стороны, это приводит к увеличению её прочности; с другой - к увеличению сил резания и склонности к вибрациям. Стрелка 2 направлена в сторону более универсальных пластин (спо­собных обрабатывать поверхности сложной формы) и уменьшения потребной мощности. Рекомендации по выбору формы СМП приве­дены также в табл. 1.2.

Окончание табл. 1.2

Размер пластины можно определить и другим способом. Исходя из известной глубины резания t и выбранного угла в плане ф необхо­димо найти длину активной части режущей кромки la (рис. 1.6):

Далее по формулам, приведённым в табл. 1.3, определяют мини­мальную длину режущей кромки l.

ВЫБОР РАДИУСА ПРИ ВЕРШИНЕ ПЛАСТИНЫ. Радиус при вершине пластины влияет на её прочность и на её способность обеспечивать определенную шероховатость поверхности. Значения радиусов при вершине, как правило, находятся в диапазоне от 0,2 до 2,4 мм.

Для чернового точения рекомендуется выбирать пластину с наибольшим значением радиуса (1,2 -1,6 мм). Чем больше радиус при вершине, тем прочнее режущая вершина, что позволяет вести об­работку с большими подачами.

При окончательной обработке выбор радиуса при вершине пласти­ны зависит от требуемой шероховатости поверхности. Во многих случа­ях с обрабатываемым материалом контактирует только вершина пласти­ны, профиль которой представляет собой дугу окружности радиусом r (см. рис. 1.6).

При окончательной обработке необходимо обеспечить соотношение:

(1.2)

В противном случае вместо процесса резания могут наблюдаться процессы выглаживания поверхности (пластического деформирования без отделения стружки) и вибрации. Теоретический параметр Rz шеро­ховатости обработанной поверхности в зависимости от радиуса при вершине пластины r и подачи на оборот S^ определяется по формуле

(1.3)

Из формулы (1.3) следует, что увеличение радиуса при вершине пла­стины r способствует уменьшению шероховатости поверхности. С другой стороны, большой радиус может привести к появлению вибраций.

С целью получать хорошее качество поверхности при обработке с большими подачами были разработаны новые пластины с техноло­гией Wiper (рис. 1.7). В основе этой технологии лежит специально разработанная форма режущей вершины. Пластины Wiper позволяют получать вдвое меньшую шероховатость в сравнении с стандартными пластинами при одной и той же подаче (см. рис. 1.7, а). При одних и тех же требованиях к шероховатости обработанной поверхности пла­стинами Wiper можно работать с удвоенной подачей в сравнении с стандартными (см. рис. 1.7, б).

ВЫБОР ИНСТРУМЕНТАЛЬНОГО МАТЕРИАЛА. Для каждой пластины в каталоге указаны марки (коды) инструментальных материалов, из ко­торых она изготавливается.

Выбор инструментального материала зависит от группы обраба­тываемого материала и условий обработки, которые были определе­ны ранее. Для сравнения различных марок инструментальных мате­риалов разработана шкала тяжести обработки (рис. 1.8).

Каждому инструментальному материалу на этой шкале соответству­ет область (зона) применения. Каждая область (зона) применения имеет вершину. Она указывает на определённое количество баллов на шкале тяжести обработки. Это количество баллов указано в обозначении инст­рументального материала (последние 2 цифры).

Сплавы с малым числом баллов имеют высокую износостойкость и предназначены для работы в хороших условиях. Сплавы с большим числом баллов имеют высокую прочность и предназначена для работы в неблагоприятных условиях.

ВЫБОР СИСТЕМЫ КРЕПЛЕНИЯ ПЛАСТИНЫ В ДЕРЖАВКЕ. Выбор системы крепления пластин будет определяться типом операции, а также формой СМП (негативная или позитивная). За основу при вы­боре системы крепления могут быть взяты рекомендации, представ­ленные в [2, 3]. Для каждой системы крепления показаны основные типы операций: продольное точение, подрезка торца, контурная обра­ботка, врезание.

ВЫБОР ТИПА И РАЗМЕРА ДЕРЖАВКИ. Тип державки зависит от тре­буемого главного угла в плане ф. На данном этапе выбора необходимо учитывать, в первую очередь, прочность режущей кромки и возмож­ность обработки поверхностей заданной формы (универсальность). Для станков общего назначения (универсальных станков) необходимо выби­рать традиционные державки прямоугольного сечения.

Размер державки должен быть согласован с выбранным разме­ром пластины. По возможности следует выбирать державку макси­мальной высоты h, однако необходимо учитывать возможность её ус­тановки на выбранном станке. Например, на станке мод. 16К20 не­возможно установить державку высотой более 25 мм.

ВЫБОР РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ. Для каждой СМП в каталогах Sandvik Coromant и Walter указывается диапазон глубин и подач, при которых обеспечивается удовлетворительное стружколомание. Если величина припуска превышает максимальную глубину резания для выбранной СМП, то его необходимо снимать за несколько рабочих ходов.

Определение скорости резания осуществляется двумя способами.

1)Выбор в соответствии с рекомендациями, представленными в [2, 3]. Табличные значения скорости резания соответствуют стойкости инструмента, равной 15 мин, и условной твёрдости той группы обрабатываемых материалов, в которую входит материал заготовки. Например, для нелегированных сталей с содержанием углерода C = 0,55 - 0,80% (группа Р, СМС 01.3) условная твердость равна НВ 170 (приложение 2). В случае за­дания иного периода стойкости выбранную скорость резания необходимо умножить на коэффициент коррекции (приложе­ние

3). Если твёрдость материала заготовки отличается от ус­ловной, выбранную скорость резания также необходимо скор­ректировать (приложение)

4).Расчет с помощью специальных программ [6, 8]. На сайте [6] можно осуществить копирование чертёжа выбранного инстру­мента, а также его 3D модели.