На точность обработки отверстий и шероховатость поверхности

Цель работы: изучить назначение, конструкцию и геометрию основных типов многолезвийных режущих инструментов (свёрл, зенкеров, развёрток, фрез). Приобрести практические навыки в замерах конструктивных и геометрических элементов и выборе области рационального применения инструментов. Закрепить полученные теоретические знания соответствующего раздела курса «Материаловедение и технология конструкционных материалов» путём проведения экспериментальных исследований.

Порядок выполнения работы:

Накануне занятий следует изучить типы, назначение, геометрию и область применения многолезвийных режущих инструментов. Выяснить из каких материалов изготавливаются их режущие части (лезвия). Ознакомиться с измерительными инструментами и научиться ими пользоваться. Произвести замеры геометрических и конструктивных элементов инструментов в соответствии с протоколами (таблицы 2.1-2.3). Провести эксперимент по влиянию технологии обработки на точность получаемого отверстия. Оформить и сдать отчёт в соответствии с указаниями, изложенными в следующем разделе.

Содержание отчёта:

1. Краткая характеристика изученного инструмента, его назначение и тип, материал режущей части.

2. Заполнить протоколы измерений (таблицы 2.1-2.3).

3. Выполнить эскизы соответствующего инструмента в двух проекциях с необходимыми сечениями, указав его конструктивные и геометрические параметры.

4. Определить область рационального применения изучаемого инструмента.

Таблица 2.1 - Протокол измерений конструктивных и геометрических элементов сверла и зенкера

Номер	Измеряемые элементы	Обозначения и размерность	Результаты измерений
Сверло	Зенкер
	Диаметр инструмента: - у режущей части - у шейки - по затылованным поверхностям большего основания конуса у хвостовика	D, мм D1, мм D2, мм     D3, мм
	Общая длина инструмента: в т.ч. рабочей части режущей части шейки хвостовика лапки	L, мм L, мм L1, мм L2, мм L3, мм L4, мм
	Конусность рабочей части у хвостовика	K = (D-D1)/L
	Ширина перемычки при вершине сверла	A, мм
	Высота ленточки	H = (D-D2)/2
	Ширина ленточки	f, мм
	Номер конуса Морзе хвостовика	№
	Угол при вершине сверла	2φ, град
	Угол наклона перемычки	ψ, град
	Угол наклона винтовой канавки	ω, град
	Главный передний угол на расстоянии Rx1 = R Rx2 = 0,5R	γ, град γх, град γх1, град
	Главный задний угол на расстоянии Rx = R на расстоянии Rx1 =0,5R	α, град αх, град αх1, град

Таблица 2.2- Протокол замеров развертки

Номер	Измеряемые элементы	Обозначения и размерность	Результаты измерений
	Диаметр развёртки номинальный у шейки	d, мм d1, мм
	Общая длина развёртки - рабочей части - режущей части - калибрующей части - направляющего конуса - обратного конуса - шейки - хвостовика	L, мм l1, мм l2, мм l3, мм t1, мм l4, мм l5, мм l6, мм
	Число зубьев	l7
	Главный угол в плане	z, шт
	Главный передний угол	δ, град.
	Главный задний угол	φ, град.
	Угол наклона винтовой канавки	γ, град

Таблица 2.3-Протокол измерений фрезы

Номер	Измеряемые элементы	Обозначения и размерность	Результаты измерений
	Диаметр фрезы	d, мм
	Диаметр отверстия	d1, мм
	Ширина фрезы	B, мм
	Число зубьев	z, шт
	Шаг зубьев осевой	tо, мм
	Шаг зубьев торцевой	tт, мм
	Шаг зубьев нормальный	tн, мм
	Шаг винтовой линии	T = (πdф)/tgω
	Передний угол	γ, град
	Задний угол	α, град
	Угол наклона винтовой канавки	ω, град
	Главный угол в плане	φ, град
	Вспомогательный угол в плане	φ1, град

Общие сведения о многолезвийном инструменте

Осевые режущие инструменты

Осевым режущим инструментом называется лезвийный инструмент для обработки с вращательным главным движением резания и движением подачи вдоль оси главного движения (ГОСТ 25751-83). К нему относятся сверла, зенкеры, развёртки, зенковки, цековки, фрезы, метчики, плашки и др.

Свёрла

Сверло – осевой инструмент для обработки отверстий в сплошном материале и увеличения диаметра имеющегося отверстия (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1. Спиральное сверло.

Геометрия режущей части сверла (рисунок 2.1, 2.2) характеризуется углами: пе­редним γ, задним α, углом при вершине 2φ, наклона поперечной режущей кромки ψ, наклона винтовой стружечной канавки ω.

Рисунок 2.2. Геометрические параметры режущей части сверла

В зависимости от конструкции и назначения сверла подразделяются на спиральные, перовые, шнековые, кольцевые, эжекторные, ружейные с наружным или внутренним отводом стружки, комбинированные, центровые и др.

Свёрла изготавливаются из быстрорежущих сталей Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р9К5, Р29М4ЗЗК8, Р10К5Ф5 и др., легированных сталей 9ХС, а также оснащаются пластинками из твёрдых сплавов ВК6, ВК8, ВК10М, ВК6М и др.

Наиболее широкое распространение получили спиральные сверла (рисунок 2.1). Сверло состоит из рабочей части, включающей режущую часть l₁ и заборный конус шейки l₂, цилиндрического или конического хвостовика l₃ и лапки l₄.

Обычно у сверл небольшого диаметра (d ≤ 10 мм) хвостовик имеет форму цилиндра. При этом сверло крепится в специальном патроне. Свёрла большого диаметра (d ≥ 10 мм) изготавливаются с коническим хвостовиком, при помощи которого они устанавливаются в коническом отверстии шпинделя или переходной конической втулке. Конические хвостовики различают по номерам конуса Морзе (таблица 2.4) .

Таблица 2.4 Наружные конусы

Конусы Морзе
Диаметр большего основания конуса, мм	9,21	12,24	17,98	24,05	31,54	44,73	63,76

Лапка служит упором для выбивания сверла из шпинделя станка или переходной втулки.

Шейка расположена между хвостовиком и рабочей частью сверла. На ней даётся характеристика сверла: материал режущей части и диаметр нового сверла по ленточкам у режущей части.

Рабочая часть имеет две винтовые канавки, по которым отводится стружка из образуемого отверстия.

Режущая часть (рисунок 2.1) имеет пять режущих кромок: две главных, поперечную и две вспомогательных .

Главные режущие кромки расположены симметрично оси сверла и образованы пересечением его передних и задних поверхностей, которые в отличии от токарного резца имеют винтовую и криволинейную формы.

Для уменьшения трения сверла о стенки отверстия спинки зубьев сверла занижены, а вдоль каждого из них оставлены узкие направляющие ленточки, образующие вспомогательные задние поверхности, которые при пересечении с передними поверхностями образуют вспомогательные режущие кромки. Они принимают участие в резании по толщине сечения сверла. Поперечная режущая образуется пересечением задних поверхностей. Формирование диаметра сверла производится по ленточке.

Рабочая часть спирального сверла имеет переменный наружный диаметр, уменьшающийся по направлению к хвостовику. Коническая форма сверла устраняет возможность защемления его в просверливаемом отверстии, а также уменьшает его трение об обработанную поверхность.

В соответствии с ГОСТ 25762-83 конструктивные особенности спирального сверла рассматриваются в координатных плоскостях и характеризуются двойным углом при вершине (2φ), углом наклона винтовой канавки (ω), главным передним углом (γ), главным задним углом (α) и углом наклона поперечной кромки (ψ) (рисунки 2.1, 2.2)

Угол в плане φ рассматривается в основной плоскости (Р_y). Он определяется между плоскостью резания (Р_n) и рабочей плоскостью Р_s. На практике обычно измеряется угол при вершине сверла (2φ), который определяется между проекциями главных режущих кромок на основную плоскость (P_y). Этот угол при сверлении конструкционных сталей и чугунов, твердых бронз, органического стекла принимается равным 116-120 градусов сталей и сплавов жаропрочных и коррозионно-стойких – 127 градусов, латуней и мягких бронз – 130 градусов , алюминия и других мягких цветных металлов – 130-140 градусов , текстолита – 70 градусов , гетинакса – 90 градусов, полиэтилена – 110 градусов , эбонита – 80-90 градусов , мрамора и других хрупких материалов – 80 градусов .

Поперечная кромка затрудняет работу сверла, так как она не режет, а сминает металл. Угол наклона поперечной кромки ψ при правильной заточке сверла составляет 47-55⁰. Он расположен между проекциями поперечной и главной режущей кромок на плоскость перпендикулярную к оси сверла (рисунок. 2.1).

Угол наклона винтовой канавки ω – угол, заключённый между касательной к винтовой поверхности канавки и линией, параллельной оси сверла. Его величина определяется условиями схода стружки по передней поверхности, а также прочностью сверла. Чем больше наклон канавок, тем лучше отводится стружка, но при этом жёсткость сверла и прочность его режущих кромок уменьшается.

Чем меньше диаметр сверла, тем меньше принимается и величина угла ω. Для свёрл общего назначения ω = 18…30⁰, для сверления вязких материалов (медь, алюминий и др.) ω = 35…45⁰, пластмасс – ω = 8…20⁰.

Главный задний угол α увеличивается от периферии сверла к центру. Как правило, его величина на периферии равна 8-12⁰, а ближе к оси – 20-25⁰. Главный передний угол γ увеличивается от центра сверла к периферии.

Сверло имеет сложную геометрию передних и задних углов, которые переменны для различных точек режущих кро­мок. В цилиндрическом сече­нии радиусом R_x , передний угол:

tgγ_ox = R_x /R *tgω/sinφ.

где ω_x- - угол наклона канавки на цилиндре радиусом R_x .

При известном шаге T =(5…7)D стружечной канавки:

tgω = 2πR_x /T

Нормальный передний угол γ_n на периферии сверла tgγ_n = tgω/sinφ

Нормальный задний угол α_n на периферии сверла tgα_n = tgα₀ *sinφ.

На эксплуатационные показатели сверл влияет их жесткость, опреде­ляемая формой стружечных канавок. Сверла могут иметь коническую, вин­товую, одно-двухплоскостные формы задней поверхности. Винтовая форма задней поверхности осуществляет по сравнению с конической более рацио­нальное распределение задних углов. Двухплоскостная форма обеспечивает хорошее центрирование сверла при врезании и рекомендуется для сверл, применяющихся на станках с ЧПУ.

При работе сверло изнашивается по задней и передней поверхностям, ленточке, по перемычке. Заточка производится по задней поверхности.

Шероховатость задних поверхностей и ленточек не должна превышать

R_a = 0,63 – 1,25 мкм. Радиальное биение режущих кромок и ленточек не бо­лее 0,04 – 0,16 мм (в зависимости от вида хвостовика, диаметра, серии).

Главные режущие кромки располагать симметрично относительно оси сверла, их длина должна быть одинакова.

Отклонение угла при вершине сверла 2φ не более ±2° . задних углов α -±1°, угла γ-±5°.

Главные режущие кромки располагать симметрично относительно оси сверла, их длина должна быть одинакова.

Отклонение угла при вершине сверла 2φ не более ±2°.

Зенкеры

Зенкер – осевой режущий инструмент (рисунок 2.3) для повышения формы точности отверстия и увеличения его диаметра (ГОСТ 25751-83).

Зенковка – осевой многолезвийный инструмент (рисунок 2.4,а) для обработки конического входного участка отверстия (ГОСТ 25751-83).

Зенкеры с торцевыми зубьями называются цековками (Рисунок 2.4,б). Это осевой многолезвийный инструмент для обработки цилиндрического и (или) торцевого участка отверстия заготовки (ГОСТ 25751-83).

Рисунок 2.3. Конструктивные элементы и геометрия хвостового зенкера.

Зенкерование большей частью является промежуточной операцией между сверлением и развёртыванием. Зенкеры применяют для обработки отверстий с допусками H11, Н12 и шероховатостью поверхности R_a = 2,5-3,2 мкм. В зависимости от назначения зенкеры имеют различные конструкции. На рисунке 2.3 показан хвостовой зенкер из быстрорежущей стали, имеющий винтовые пе­редние и задние поверхности. Главный угол в плане у зенкера φ = 60° . Гео­метрия режущей части характеризуется углами: передним γ = 6 -12° (при об­работке стали и чугуна); γ = 20-30° (при обработке цветных металлов); зад­ним α = 6-10° .

Припуски на зенкерование принимаются от 1,5 до 4 мм на диаметр. В среднем скорость резания при зенкеровании находится в пределах 12…18м/мин.

Зенкеры бывают цельные с коническим хвостовиком (хвостовые зенкеры) и насадные. Цельные зенкеры изготовляются диаметром до 32 мм, а насадные – от 40 до 100 мм.

Рисунок 2.4. Зенкер для обработки конических, цилиндрических и торцевых участков отверстия: а -зенковка; б -цековка

Из инструментальных материалов для изготовления режущей части зенкеров применяются быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5 и др. или твёрдые сплавы Т15К6, ВК8 и др.

Хвостовой зенкер (рисунок 2.3) по внешнему виду похож на сверло, но имеет 3 (до 6) зуба, что создает ему хорошее направление в отверстии, большую жесткость. Он не имеет поперечной режущей кромки.

Основную работу резания выполняет режущая часть зенкера. Передние углы γ образуются (как и у спирального сверла), за счёт винтовой формы стружечных канавок. Их величина зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала и измеряется в главной секущей плоскости.

Для уменьшения трения о стенки отверстия калибрующая часть зенкера имеет небольшую обратную конусность, а на спинках зубьев оставляются ленточки шириной f = 0,8-2 мм. Угол наклона винтовой канавки ω принимается равным 10-30°. Он выбирается с учетом физико-механических свойств обкатываемого материала.

Развёртки

Развёртка – осевой режущий инструмент, используемый для повышения точности формы и размеров отверстия и снижения шероховатости поверхности (ГОСТ 25751-83).

Развертками обрабатывают предварительно просверленные, обработанные зенкером или резцом отверстия до точности 6-9 квалитетов, шероховатость R_a = 1,25-0,63 мкм. Скорость развёртывания в среднем равна 5-8м/мин.

Припуск на обработку при черновом развёртывании принимается 0,1-0,4 мм на диаметр, а при чистовом – 0,05- 0,02 мм. Развертки различаются: по способу применения (ручные и машинные), по форме обрабатываемого отверстия (цилиндрические, конические и ступенчатые), по конструкции хвостовые (с цилиндрическим и коническим хвостовиком), по характеру крепления (хвостовые и насадные), по конструкции рабочей части (цельные, разжимные, с прямым или винтовым зубом, сборные со вставными зубьями и т. д.).

Рабочая часть ручных цельных разверток изготавливается из легированной стали 9ХС и из быстрорежущих сталей. Рабочую часть машинных цельных развёрток и лезвия сборных разверток изготавливают из быстрорежущей стали или из твёрдых сплавов типа ТК или ВК.

Хвостовая часть разверток изготавливается из сталей 45 или 40Х. Хвостовая развертка (рисунок 2.5) как зенкер и сверло состоит из рабочей части, шейки L₅ и хвостовика L₆, но в отличие от них имеет 6-12 зубьев и более пологую режущую кромку (заборную часть )L_2.

Рисунок 2.5. Конструктивные элементы и геометрические параметры ручной развертки;

Рабочая часть развертки в свою очередь делится на режущую L₂ и калибрующую L₃ части, направляющий L₁ и обратный L₄ конусы. Режущая часть развертки осуществляет основную часть работы по резанию (срезанию припуска в отверстии) при помощи режущих зубьев, наклоненных к оси под углом в плане φ. Величина угла в плане φ зависит от назначения развертки. В машинных развёртках при обработке хрупких, твердых и труднообрабатываемых металлов φ принимается равным 3-5°, при обработке сталей -12-15°, при обработке глухих отверстий в упор – 60-75°. Ручные развертки для облегчения внедрения в металл имеют φ = 30°± 2°.

Калибрующая часть развёртки выполняется цилиндрической формы. Она обеспечивает направление развертки в отверстие, точность его обработки и необходимую шероховатость, а также является размером для переточки инструмента.

Обратный конус предупреждает повреждения отверстия концами зубьев калибрующего конуса и уменьшает трение развёртки об обрабатываемую поверхность. Форма заточки зубьев развертки по длине разная. Зубья режущей части затачивают до остроты с углом α = 6-8⁰ (рисунок 2.4,в). На калибрующей части (рисунок 2.4,в) оставляются цилиндрические фаски шириной f = 0,08-0,5 мм, которые сглаживают отверстие и улучшают направление развёртки. Передний угол γ у чистовых разверток, как режущей так и калибрующей частей, обычно принимают равным 0°, у черновых разверток γ = 5-10°. При повышенных требованиях к качеству обработки его выполняют отрицательным (γ = -3°). Передние и задние углы разверток измеряются в плоскости I-I, II-II, перпендикулярной режущим кромкам.

Фрезы

Фрезерование является одним из наиболее распространенных видов обработки плоскостей, пазов с прямолинейным и винтовым направлениями, шлицев, тел вращения, разрезки заготовок, образования резьб, а также для получения фасонных поверхностей.

При черновом фрезеровании обеспечиваются точность по 9-11 квалитетам и шероховатость R_а = 5-10 мкм, при чистовом фрезеровании – точность по 8-11 квалитетам и шероховатость R_а = 1,25-5 мкм, при тонком- точность по 6-8 квалитетам и шероховатость R_а = 0,32-1,25 мкм. Скорость фрезерования V =40-80м/мин.

Фреза – лезвийный инструмент с вращательным главным движением резания без возможности изменения радиуса траектории этого движения и хотя бы с одним движением подачи, направление которого не совпадает с осью вращения (ГОСТ 2575-83).

Фрезы изготавливаются из быстрорежущих сталей Р18, Р9, Р9Ф5 и др. Они могут оснащаться вставными режущими пластинами, изготовленными из твердых сплавов или сверхтвердых материалов. Применяются пластины группы ВК (ВК4, ВК6, ВК8 и др.). Для обработки заготовок из стали фрезы оснащаются пластинами группы ТК (Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12В и др.). Пластинами из сверхтвердых материалов (ВОК-60, композиты 01, 02, 09, 10 и др.) оснащаются фрезы, предназначенные для получистовой, чистовой и тонкой обработки заготовок, выполненных из инструментальных и других сталей (НRC 50-70), высокопрочных чугунов (НВ 400-460) и твердых сплавов марок ВК15, ВК20, ВК25.

В зависимости от характера выполняемых работ, конструкции и крепления зубьев относительно оси и других признаков фрезы подразделяются на цилиндрические, концевые, торцевые, дисковые, отрезные, шпоночные, угловые, финишные и т. д.

Цилиндрические фрезы (рисунок 2.6, а) применяют для обработки плоских поверхностей на горизонтально-фрезерных станках. Они бывают с правыми или левыми винтовыми канавками, имеют центральное базовое отверстие со шпоночной канавкой, предназначенной для закрепления фрезы на оправке станка. Изготовляются диаметром 40-125 мм.

Концевые фрезы (рисунок 2.6, в) имеют наружный диаметр от 1,5 до 80 мм. Отношение диаметра фрезы к ее длине равно 0,2-0,5 (D/l = 0,2-0,5). Они применяются для обработки открытых пазов, замкнутых профильных углублений и отверстий в заготовках. Концевые фрезы имеют режущие кромки на цилиндрической части и на торце. Предназначены для работы на вертикально-фрезерных станках.

Торцевые фрезы (рисунок 2.6, ж) предназначены для обработки плоских поверхностей. Они похожи на концевые фрезы и отличаются от последних отношением D/l= 4-6. Торцевые фрезы выпускаются диаметром от 40 до 630 мм. Применяются на вертикально и горизонтально-фрезерных, а также агрегатных станков.

Дисковые фрезы (рисунок 2.6, б) предназначены для фрезерования канавок различного назначения. Режущие зубья дисковых фрез выполняются на цилиндрической внешней поверхности, а также в сочетании с одной (двухсторонние) или двумя (трехсторонние) торцевыми поверхностями. Дисковые фрезы выполняются диаметром от 50 до 315 мм.

ж

Рисунок 2.6. Конструктивные элементы и геометрия фрез: а) цилиндрическая; б) дисковая; в) концевая; г) угловая; д) фасонная; е) для Т-образных пазов; ж) торцовая.

Отрезные фрезы имеют ширину 1-5мм и диаметр 60-200 мм. Предназначены для отрезки заготовок и прорезания узких пазов на горизонтально-фрезерных станках.

Шпоночные фрезы имеют диаметр 2-40 мм. Предназначены для фрезерования шпоночных пазов на горизонтально- или вертикально-фрезерных станках.

Угловые фрезы (рисунок 2.6, г) предназначены для фрезерования профильных, угловых канавок. Зубья угловых фрез расположены на конических поверхностях. Фрезы выпускаются диаметром 35-90 мм. Их применяют на универсально-фрезерных станках.

Фасонные фрезы (рисунок 2.6, д) служат для обработки поверхности сложного профиля на горизонтально-фрезерных станках. Профиль зуба таких фрез соответствует профилю обработанной поверхности. Фрезы имеют диаметр 45-90 мм.

По направлению зубьев фрезы подразделяются на прямозубые, с наклонными и спиральными зубьями, в зависимости от формы – на острозаточенные и затылованные (рисунок 2.7).

Острозаточенные фрезы имеют переднюю и заднюю поверхность плоской формы. Они просты в изготовлении и затачиваются по задней поверхности.

У фрез с затылованным зубом передняя поверхность плоская, а задняя выполняется по архимедовой спирали или по другой кривой. Эти фрезы затачиваются по передней поверхности, что трудоемко, но при этом сохраняется профиль режущей кромки.

Рисунок 2.7. Формы зубьев фрез

К основным конструктивным элементам цилиндрических фрез (рисунок 2.6,а) относятся наружный диаметр D, ширина фрезы L, диаметр под оправку D₁, шаг зубьев p = πD/Z, число зубьев Z.

Геометрические параметры зубьев фрезы рассматриваются в тех же плоскостях, что и токарных резцов, свёрл и др. Передний угол γ находится в главной секущей плоскости, перпендикулярной главной режущей кромке. Его величина зависит от материала зубьев фрезы и физико-механических свойств обрабатываемого материала. Например, для фрез, изготовленных из быстрорежущей стали γ = 5-30°, для Фрез с зубьями из твердых сплавов γ = 10-20°.

Главный задний угол α заключен между касательной к траектории движения рассматриваемой точки режущего лезвия вокруг оси фрезы и касательной к задней поверхности. Для фрезы с винтовым и наклонным зубом иногда главный задний угол α рассматривается в плоскости, перпендикулярной оси фрезы. Измеренный угол обозначается α_n и называется задним углом. Между α и α_n существует зависимость:

tgα = tgα_n*cosω, (2.5)

Главный задний угол α для фрез из быстрорежущей стали равен 12-30°, для торцовых фрез с твердосплавными пластинами α = 10-25°.

Угол наклона зубьев (ω) у фрезы со спиральным зубом, заключен между касательной к винтовой поверхностью зуба и линией параллельной оси фрезы. Этот угол обеспечивает равномерную загрузку фрезы при резании и придает направление сходящей стружке.

Главный угол в плане φ рассматривается в основной плоскости p_y между плоскостью резания p_n и рабочей плоскостью p_s. Так как в цилиндрических фрезах плоскость резания и рабочая плоскость совпадают то, φ = 0°.