Расчет и конструирование фасонных резцов

Фасонные резцы применяются для обработки как внутренних, так и наружных фасонных поверхностей и встречаются различных разновидностей. Применяются они в массовом, серийном, и даже в единичном производстве.

По принципу работы: радиальные и тангенциальные. По конструкции радиальные фасонные резцы выполняются трех типов: дисковые, или круглые; призматические и стержневые. У стержневого и призматического резцов рабочая часто изготовлена из быстрорежущей стали, а державки – из конструкционной. Кроме того, для экономии быстрорежущей стали, режущая часть делается сварной.

Широкое применение круглых фасонных резцов объясняется относительной простотой их изготовления и долговечностью (допускается большое количество переточек).

В последнее время при обработке труднообрабатываемых материалов находят применение резцы из твердого сплава, несмотря на всю сложность их заточки, особенно сложных профилей.

Размеры рабочей части и высота профиля режущей части инструментов будут равны соответствующим размерам и высоте профиля обработанной детали, если углы α и γ равны нулю. Однако такие геометрические параметры практически не применяются, т.к. резание в таком случае практически невозможно. Фасонные резцы затачивают и устанавливают так, чтобы обеспечить положительное значение переднего и заднего угла. Передний угол, как у призматического, так и у круглого резца обеспечивается путем заточки. Задний угол у круглого создается за счет смещения центра резца на величину h_р, а у призматического – его наклоном. См. рис.►

В практике получили распространение резцы с параллельным расположением оси относительно обрабатываемой детали. Наклонное расположение оси применяется в тех случаях, когда конфигурация детали на отдельных участках профиля не обеспечивает минимально необходимых задних углов при параллельном расположении.

Профиль детали, измеренный вдоль оси (l₁, l₂, …l_n), в точности соответствует профилю резца, с параллельным расположением оси относительно обрабатываемой детали. Для выполнения необходимой высоты и формы профиля производят соответствующие коррекционные расчеты профиля инструментов.

Существуют два способа: графический и аналитический. Графический – выполняется по правилам проекционного черчения и описан в [Нефедов Н. А. Задачи по проектированию режущего инструмента / Н. А. Нефедов, К. А. Осипов. – Л.: Машиностроение, 1990. – 328 с.]. Затем можно также использовать КОМПАС.

ЭТАПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФАСОННЫХ РЕЗЦОВ

Проектирование фасонных резцов состоит из следующих основных этапов:

1) подготовка чертежа детали к расчету фасонного резца;

2) выбор типа резца;

3) определение углов режущей части и углов установки резца;

4) определение габаритных и присоединительных размеров резца;

5) расчет размеров профиля резца (коррекционный расчет резца);

6) расчет допусков на размеры профиля, углы заточки и установки резца;

7) оформление рабочего чертежа резца;

8) проектирование шаблона для контроля профиля резца при его изготовлении и контршаблона для проверки шаблона;

9) проектирование державки для крепления резца на станке.

Подготовка чертежа детали к расчету фасонного резца. Для расчета размеров профиля резца необходимо задать расчетные или теоретические размеры детали. Для того, чтобы при обработке детали каждый размер можно было легче получить внутри своего поля допуска, за теоретические размеры детали принимаются ее средние размеры. Например, задан вал диаметром . Тогда средний в поле допуска размер диаметра вала будет 49,934, а расчетное значение радиуса 24,967. Если размер стоит на чертеже без допуска, то он принимается по 10...11 квалитетам точности; знак отклонений в этом случае «+» для охватывающих размеров, «–» для охватываемых, «+» для прочих размеров. Как правило, про­дольные размеры профиля и радиусы дуговых участков принимаются с отклонениями «±», поэтому за расчетные размеры могут быть приняты их номиналы.

Наибольшую трудность представляет определение радиусов промежуточных точек дуговых участков. В этом случае по заданным теоретическим размерам D₁, D₂, L, R, и длинам l₂, l₃, …l₆, (рис.↑) находят радиусы точек 2...6, т.е. r₂, r₃, … r₆. В некоторых случаях необходимо бывает определить также наименьший радиус r_min точки M. Для решения этих вопросов вначале нужно найти координаты центра окружности l₀ и r₀, что производится по тригонометрическим зависимостям.

В случае, если высокой точности обработки детали не требуется, определение подобных размеров можно провести графическим путем (вычерчиванием профиля в достаточно большом масштабе). Рекомендуется и при аналитическом расчете результаты проверять графически во избежание грубых ошибок.

Решение вопроса о дополнительных лезвиях фасонного резца связано с тем, что часто фасонные резцы кроме обработки заданного профиля снимают также фаску с торца детали и прорезают канавку для облегчения работы отрезного резца (рис.3.10). Диаметр канавки D не должен быть меньше наименьшего диаметра детали D_min и зависит от жесткости детали и ее конфигурации. Другими словами, режущая кромка под отрезку не должна выступать за пределы рабочего профиля резца. Размер b делается несколько больше или равным ширине отрезного резца, угол φ = 15...20°. В дальнейшем при проектировании резца в расчет берется весь профиль вместе с дополнительными лезвиями. Чтобы исключить затирания задней поверхности отрезного лезвия, точка «C» его должна быть расположена ниже всех точек профиля резца.

Выбор типа фасонного резца. В производственных условиях обычно при проектировании фасонных резцов исходными данными является чертеж детали. При выборе типа фасонного резца для ее обработки руководствуются следующими соображениями.

Призматические фасонные резцы используются только для наружной обработки. Большая жесткость их крепления в державках с помощью «ласточкиного хвоста» позволяет работать с большими подачами или вести обработку профилей большей длины при повышенных требованиях к точности размеров и профиля обработанной детали.

Стержневые резцы используются при единичном и мелкосерийном производстве деталей, так как допускают малое число переточек и требуют подналадки по высоте при помощи подкладок после каждой переточки. В остальных случаях применяются круглые (дисковые) резцы. Они допускают большее количество переточек и технологичнее в изготовлении. Кроме того, круглыми фасонными резцами обрабатывают внутренние фасонные поверхности.

Чаще применяются резцы радиального типа, так как большинство станков имеют суппорты с установкой резца по высоте оси детали. Резцы тангенциального типа можно применять при малой глубине фасонного профиля детали (t_mах< 0,12D), однако, надо учитывать возможности размещения и закрепления такого резца на суппорте станка. Важным достоинством тангенциального резца является возможность обработки деталей разного диаметра с одинаковыми фасонными профилями и постепенное врезание и выход резца, что ведет к уменьшению усилий резания и позволяет обрабатывать нежесткие детали, с точностью до 0,03 мм на диаметр. Однако производительность обработки при их использовании ниже, чем при работе резцов радиального типа.

Резцы с двойным наклоном передней поверхности, когда λ и γ ≠ 0, применяют при обработке профилей, имеющих конический участок повышенной точности.

Резцы с особой установкой (с развернутой базой крепления или наклонным корпусом) служат для улучшения условий обработки торцовых участков профиля детали, так как при этом увеличивается задний угол α_N. Разворот базы на угол ψ применяется для всех резцов; боковой наклон корпуса на угол α_б – обычно для призматических резцов. Боковой наклон выгоднее, чем разворот базы, так как уменьшает габариты державки и увеличивает ее жесткость по сравнению с державкой при ψ ≠ 0. При внутренней обработке для увеличения углов α_N на торцовых лезвиях применяют также винтовые резцы.

Круглые резцы чаще изготавливают насадными; при малых габаритах резца (обычно при внутренней обработке) применяют хвостовые резцы. Круглые резцы, как правило, выполняют цельными из быстрорежущей стали, а призматические больших размеров делают паяными или сварными. Материал режущей части резца выбирается с учетом условий его работы (материал детали, предполагаемые режимы резания, жесткость технологической системы).

Определение углов режущей части.Углы резца γ и α задаются в наиболее выступающей (базовой) точке, устанавливаемой у резцов радиального типа на высоте оси детали, в сечении плоскостью, перпендикулярной базе крепления резца. У резца с боковым наклоном корпуса (α_б ≠ 0) эти углы задаются в сечении, перпендикулярном оси обрабатываемой детали. Согласно рекомендациям [7] принимают следующие величины передних углов фасонных резцов (табл. 3.3).

Задний угол призматических резцов можно делать больше, чем у круглых. Обычно α = 8...12° для круглых и 10...15° для призматических резцов. Следует иметь в виду, что задние углы переменны в разных точках кромки. В сечении, нормальном к проекции режущей кромки на основную плоскость, они могут быть на некоторых участках намного меньше номинального значения. Поэтому необходимо производить проверку минимальной величины заднего угла по формуле:

где α_T – задний угол в данной точке в торцевом сечении; φ — угол между касательной к профилю детали в данной точке и торцевой плоскостью детали; D и D_x – соответственно наибольший диаметр и диаметр резца в точке X; для призматических резцов D/D_x = 1. Угол α_Nне должен быть меньше 3°.

На участках лезвий перпендикулярных базе резца обычно делают поднутрения под углом φ₁до 3...4° (рис.3.11).

В случае проектирования резца с углом λ ≠0, угол бокового наклона передней поверхности, λ₀ рассчитывается в зависимости от выбранного положения базовой линии (участка лезвия, устанавливаемого по высоте оси детали) по формуле: tgλ₀ = tgσ sin γ,

где σ – угол между базовой линией и осью детали. Формула пригодна лишь для резцов обычной установки.

Определение габаритных и присоединительных размеров резца.Обычно габаритные и присоединительные размеры резцов определяются из конструктивных соображений в зависимости от глубины фасонного профиля изделия tmах и длины профиля L.

Габаритный радиус дисковых резцов определяется по формуле:

,

где е – глубина заточки по передней поверхности, необходимая для размещения стружки; К – толщина тела резца, необходимая для обеспечения его прочности, К = 8... 10 мм: d₀ – диаметр посадочного отверстия.

Величины е и d₀ выбираются в зависимостиот t_mах по табл. 3.4.

Наибольший диаметр резца D_H = 2R округляется в большую сторону до величин из нормального ряда линейных размеров по ГОСТ 6636-69.

Конструктивные размеры резца (рис 3.12) можно выбрать в зависимости от глубины профиля изделия. Диаметр D_H обычно в 6…8 раз больше глубины профиля. Такие данные приведены в таблице 3.5.

С правой стороны резца выполняют буртик с рифлениями для передачи крутящего момента и для поворота резца на 1/z после его переточек и установки его вершины на расстояние h_р (рис.3.13) от горизонтальной оси резца. Если снятый слой при переточке не соответствует повороту на одно рифление, то резец получает дополнительный поворот с помощью регулировочного червяка державки [39]. Число зубчиков рифлений z = 32...34. Угол профиля их в нормальном сечении 90°. Для постоянства длины площадки при вершине зубчиков дно впадин между зубчиками располагают к торцу буртика под углом β: tgβ = π/z (см. рис.3.12). Подробные сведения о торцовых зубчиках рифлений приводятся в [36].

Чтобы упростить изготовление круглых фасонных резцов его правую сторону делают без буртика, но с этой стороны сверлится отверстие под цилиндрический штифт, принадлежащий шайбе с рифлениями, по размерам и назначению соответствующей описанному выше буртику резца.

Габаритные и присоединительные размеры призматических фасонных резцов (см. рис.3.11) представлены в табл. 3.6.

Длина профиля резца определяется в зависимости от размеров профиля детали с учетом дополнительных лезвий и округляется в большую сторону в соответствии с нормальным рядом стандартных размеров по ГОСТ 6636-69.

При ширине L, превышающей 2,5А, допускается применение хвостовиков большего размера из табл. 3.6.

При отсутствии роликов с диаметрами d, приведенными в таблице, пользуются имеющимися роликами, размер М при этом подсчитывается по формуле:

М =А + d(1 + ctg λ/2) – 2Е ctg λ, где λ = 60° (рис.3.11, а).

Определение формы и размеров профиля рабочей части призматического фасонного резца.Пусть контур фасонной детали задан узловыми точками 1, 2, 3, 4 и одной из промежуточных точек – 5, а осевые расстояния между ними l₁, l₂, l₃, l₄, и радиусы r₁, r₂, r₃, r₄, заданы чертежом (см. рис. ↓). Исходя из свойств обрабатываемого материала детали назначаем величину переднего угла γ (см. табл. 3.3) и проводим из точки 1под этим углом след передней поверхности, который пересечет профиль детали в точках 1, 2/3, 4 и 5.

Примем за произвольную координатную ось прямую линию, проходящую через первую узловую точку 1 (обычно первым номером обозначают точку, соответствующую наименьшему радиусу детали r₁) под углом α к плоскости резания в этой точке. Тогда целью коррекционных расчетов явится вычисление расстояния от прямолинейной образующей точки 1 до параллельных ей прямолинейных образующих задней поверхности резца, проведенных через узловые точки 2/3, 4 и 5, т. е. определение размеров Р_2/3, Р₄ и Р₅. Для этого проведем некоторые дополнительные построения.

Продолжим след передней поверхности резца за точку 1 влево и опустим на него из центра детали О перпендикуляр ОК. Кроме того, соединим центр О с точками 1, 2/3, 4 и 5. Из этих же точек проведем прямые, параллельные отрезку ОК. Расстояния от этих прямых до отрезка ОК обозначим буквой А с соответствующим индексом каждой узловой точки. После этого из точек 2/3, 4 и 5 проводим перпендикуляры на заднюю поверхность резца, в результате чего получим ряд прямоугольных треугольников.

Из треугольника 1 2/3 А имеем: Р₂ = C_2/3 cos (α +γ),

где C_2/3 = А₂ – A₁.

Из треугольника 2/3 К О катет А₂ = r₂ cos ε₂, а угол ε₂ = arc sin (h/ r₂), где h = OK.

Величину h и А₁ определим из треугольника OK1:

h = r₁ sin γ; А₁= r₁ cos γ.

Точно таким же образом можно определить величины Р₄ и Р₅ и другие для остальных точек профиля резца.

В общем виде все расчетные формулы можно представить в виде:

P_n = C_n cos(α + γ);

С_n = А_n – А₁;

А_п = r_n cosε_n;

ε_п = arc sin(h/ r_n).

При λ=0 осевые размеры l₁, l₂, l₃, l₄,детали не искажаются, т. е. равны расстоянию между узловыми точками профиля резца.

Таким образом, по размерам чертежа детали и найденным значениям Р_2/3, Р₄ и Р₅ ... , Р_п производим построение нормального профиля резца.