Методика расчета режимов резания при точении
На первом этапе производится выбор материала режущей части инструмента, тип и конструктивного исполнения резца, геометрия режущей части, то есть, углы режущей части (в зависимости вида обработки и материала заготовки)
Определение элементов режимов резания
1. Назначение глубины резания t
Припуск на обработку определяется по формуле, мм:
,
где: D
3 — диаметр обрабатываемой поверхности заготовки, мм,
D
— диаметр детали по обработанной поверхности, мм. Если припуск снимается за один проход, то глубина резания, мм:
Если обработка разделена на черновую и чистовую, то:
2. Выбор подачи S
Подача S
выбирается в зависимости от назначенной глубины резания
t
и ряда ограничений. На величину подачи накладываются следующие ограничения:
При черновом точении: прочность и жесткость державки резца; прочность твердосплавной пластины и слабых звеньев механизма подачи станка; жесткость обрабатываемой детали и способ ее крепления. Формально учет этих ограничений производится следующим образом.
При черновом наружном точении резцами с пластинками из твердого сплава и из быстрорежущей стали подача выбирается в зависимости от выбранной глубины резания t
и с учетом диаметра детали и размера державки резца по таблицам (см. приложение). Подачи, допускаемые прочностью пластинки из твердого сплава при точении выбираются из таблицам (см. приложение). Выбрать нужно меньшую из двух — Smin. К ней подобрать ближайшую меньшую подачу из паспорта станка.
При чистовом и получистовом точении ограничением могут быть: заданная шероховатость обработанной поверхности и точность детали; жесткость державки резца и детали. В зависимости от D
3вида и условий обработки материала детали, а затем проверяется по точности и жесткости.
3. Расчет скорости резания V
Допустимая скорость резания VT
рассчитывается в зависимости от назначенных величин глубины резания
t
, подачи
S
и стойкости инструмента
Т
, м/мин:
,
где: CV
– коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала, вида работ и толщины среза ;
m, x, yv
– показатели степени при значениях стойкости инструмента
Т
, глубина резания
t
и подачи
S
определяются по справочным данным (см. приложение); В ряде источников показатели степени приводятся с обозначением
m, xv, yv
;
Кv
— общий поправочный коэффициент на скорость резания рассчитывается как произведение частных поправочных коэффициентов, каждый из которых отражает отличие фактического значения одного из конкретных условий резания от использованного при экспериментальном определении табличных значений коэффициента
С
V:
, (1.21)
где: КМV
– поправочный коэффициент на физико-механические свойства обрабатываемого материала (см. приложения);
КП
– поправочный коэффициент на состояние поверхности заготовки (см. приложение);
КИ
– поправочный коэффициент на марку инструментального материала (см. приложение);
К
φ – поправочный коэффициент на величину главного угла в плане (см. приложение);
Кφ1
,
Кr
— поправочные коэффициенты на вспомогательный угол в плане, радиус при вершине резца и поперечное сечение державки резца, включаемые в расчет только для резцов из быстрорежущей стали (см. приложение);
Определив К
v по формуле (1.21),
VT
по формуле (1.22) и пользуясь формулой скорости резания, следует определить число оборотов шпинделя
n
, соответствующее расчетному значению допустимой скорости резания ,об/мин:
, (1.22)
Расчетное значение числа оборотов в минуту следует откорректировать, приведя в соответствие с ближайшим меньшим значением числа оборотов в минуту шпинделя станка из его паспортных данных.
Фактическую скорость резания можно рассчитать, исходя из выбранного числа оборотов в минуту шпинделя n
ст, м/мин:
,
Поскольку обычно фактическая скорость резания V
Ф меньше расчетной, фактическая стойкость инструмента возрастает согласно формуле (1.21).
Если же расчетное число оборотов в минуту шпинделя лишь на 5…10% меньше ближайшей имеющейся на станке ступени числа оборотов в минуту станка, можно воспользоваться этой ступенью, причем фактическая стойкость инструмента снизится незначительно.
II этап. Проверочный расчет выбранных значений элементов режима резания
Для проверочного расчета необходимо рассчитать силы резания, в частности, тангенциальную силу по формуле
, (1.23)
где: Ср
– коэффициент, характеризующий группу обрабатываемых материалов (см. приложение);
х, у ,n
— показатели степени при глубине резания
t
, подаче
s
и скорости резания
v
определяются по таблицам (см. приложение);
Кр
– поправочный коэффициент, рассчитываемый как произведение поправочных коэффициентов на механические свойства обрабатываемого материала и на геометрические параметры резца;
, (1.24)
Значения поправочных коэффициентов в формуле (1.24) следует выбирать по справочным данным (см. приложение)
1. Проверка выбранной величины подачи s по прочности державки
резца производится только при черновом точении. Исходя из того, что державка резца подвергается изгибу под действием силы
Р
z, для резца прямоугольного сечения можно написать:
, (1.25)
где: В
– ширина державки, мм;
Н
– высота державки, мм;
L
– вылет резца,
l
=(1,5….2)
Н
, мм; [
σИ
] – допускаемое напряжение на изгиб, МПа; [
σИ
]=200 МПа.
Если подставить в (1.25) выражение Рz из (1.23), то можно определить подачу, допускаемую прочностью державки резца, мм/об:
, (1.26)
2. Проверка выбранной величины подачи по жесткости державки резца
производится в тех случаях, когда резец должен работать со значительным вылетом (например, при расточке сравнительно глубоких отверстий), при тяжелых условиях обработки (например, при движении вершины резца к оси заготовки при отрезке), а также при чистовом точении.
Максимальная нагрузка, допускаемая жесткостью детали, зависит от способа ее крепления, например, в патроне:
, (1.27)
где: Е
– модуль упругости материала детали, Па (для углеродистой конструкционной стали Е = 200000 … 220000 Па);
I
– момент инерции державки;
f
доп – допустимая стрела прогиба, мм (при черновом точении допускается;
f
доп =0,1мм, при чистовом 0,05мм)
Подставив выражение силы резания из формулы (1.23) в формулу (1.27), получим выражение для наибольшей подачи, допускаемой жесткостью материала, мм /об:
, (1.28)
Это расчетное значение подачи S
ж должно удовлетворять соотношению
S
ж≤
S
ст, где
S
ст определено ранее.
3. Проверка выбранной величины подачи по кинематическим данным станка.
Всегда должно быть выдержано соотношение:
S
min≤
S
ст≤
S
max
где: S
max и
S
min наибольшее и наименьшее значения подачи по паспортным данным станка.
Однако назначенная на втором этапе расчета подача S
была откорректирована в соответствии с паспортными данными станка. Поэтому, если выдержаны соотношения:
S
ст≤
S
пр,
S
ст≤
S
ж
то проверку подачи по кинематическим данным станка производить не следует.
4. Проверочный расчет по мощности на шпинделе Ne.
Мощность резания определяется силой резания
Р
z и фактическим значением скорости резания
v
.
Мощность резания не должна превосходить эффективной мощности станка N
e, т.е. должно быть выдержано соотношение
N
рез≤
N
е, (1.29)
где: N
рез – мощность резания, кВт;
N
е =
Nη
– эффективная мощность станка, кВт;
N
– мощность электродвигателя станка, кВт;
η
– коэффициент полезного действия станка.
,
Если не выдержано соотношение (1.29), следует подставить в левую часть выражения (1.22) N·η
, определить наибольшее значение скорости резания, допускаемое мощностью станка. Однако следует иметь в виду, что при снижении скорости резания
Р
z (1.23). Поэтому необходимо пересчитать
P
z, а затем, проверив достаточность мощности, откорректировать число оборотов шпинделя в минуту
n
N , соответствующее
v
N паспортным данным станка.
Конечной целью является расчет основного технологического (машинного) времениТ
о. Его необходимо выполнить после проверки выбранных элементов режима резания. Как указывалось ранее, именно минимизация основного времени
Т
о является целью расчета оптимального режима резания.
Основное (машинное) технологическое время следует рассчитать по формуле, мин:
,
где: L
=
l
+
l
1+
l
2 — расчетная длина обработки, мм;
l
— длина обрабатываемой поверхности, мм;
l
1 -врезание резца, определяемое из соотношения, мм:
мм
где: l
2 — перебег резца,
l
2 =1….5мм;
i
— число проходов.
Производительность труда на любой операции технологического процесса обработки деталей определяется величиной штучного времени Тшт
, затрачиваемого на выполнение операции.
Величина штучного времени определяется из соотношения, мин:
где: То —
основное (машинное) технологическое время;
Твсп
— вспомогательное время, затрачиваемое на установку, закрепление и снятие заготовки, на управление станком;
Тобсл-
время на организационно-техническое обслуживание рабочего места;
Тошд —
время на отдых.
Назначенные режимы резания прямо или косвенно влияют на все составляющие штучного времени. На основное (машинное) время Т0 элементы режимов резания оказывают непосредственное влияние. На остальные структурные составляющие штучного времени элементы режимов резания оказывают косвенное влияние, через изменение стойкости инструмента Т.
Нарезание резьбы метчиком
При нарезании резьбы метчиком, как и при любом другом виде обработки, необходимо принимать во внимание марку материала заготовки, конструкцию инструмента, возможности станка, а также режимы резания.
Необходимо добавить к вышесказанному, что при нарезании резьбы нагрузка на зуб метчика намного превышает нагрузку на зуб практически любого другого инструмента из-за постоянного контакта метчика с боковой поверхностью резьбы.
В процессе нарезания резьбы нужно обеспечить хороший отвод стружки во-избежании поломки метчика и для обеспечения высокой точности и хорошего качества поверхности резьбы. Все это создает дополнительные трудности для конструкторов металлорежущего инструмента в деле борьбы за повышение производительности, стойкости и стабильности обработки.
Для разных материалов разные метчики
При проектировании метчиков для различных материалов изменяют, как правило, передний угол и кривизну передних поверхностей метчика. Для труднообрабатываемых материалов эти параметры имеют отрицательные или нулевые значения для обеспечения прочности режущей кромки. Кроме того, из-за большой кривизны передних поверхностей метчика при обработке таких материалов на резьбе могут появиться задиры. При обработке материалов, дающих сливную стружку, применяются метчики с положительными передними углами и достаточно большой кривизной передних поверхностей, благодаря чему стружка закручивается и ломается.
Другим значимым параметром геометрии метчика является задний угол. Для обработки более твердых материалов используются метчики с большим задним углом с целью уменьшения трения и обеспечения попадания СОЖ в зону резания. Но слишком большой задний угол снижает способность метчика к самоцентрированию. При обработке пластичных материалов слишком большой задний угол может привести к выходу параметров резьбы за пределы поля допуска.
Метчики для нарезания резьбы в глухих отверстиях отличаются друг от друга углом подъема винтовой линии. Для материалов с более высокой прочностью используются метчики с меньшим углом подъема винтовой линии. Таким образом обеспечивается более высокая прочность самого метчика. Для тяжелообрабатываемых материалов также используются метчики с небольшой длиной режущей части для уменьшения сил резания.
Если вы хотите повысить эффективность резьбонарезания, необходимо обращать внимание не только на инструмент. Например, при нарезании резьбы в сером чугуне метчиками старой конструкции вы можете вести обработку со скоростью резания 10-15 м/мин, а метчиками новой конструкции — 75 м/мин.
Но необходимо помнить, что такая скорость резания достижима лишь в определенных условиях. Например, при отсутствии внутреннего подвода СОЖ скорость резания необходимо будет снизить до 45 м/мин, так как при перегреве быстрорежущей стали стойкость ее сильно снижается.
При обработке небольших резьб может не хватать скорости вращения шпинделя, а при обработке больших резьб мощности оборудования и так далее.
Кроме геометрии метчика большое значение имеет покрытие, наносимое на поверхность инструментального материала. Применяется множество покрытий: TiN, TiCN, CrN, TiAlN. Благодаря применению покрытий увеличивается стойкость инструмента, и появляются резервы для увеличения производительности.
Твердосплавные метчики
Точно также как твердосплавный инструмент постепенно сменил инструмент из быстрорежущей стали при точении, твердосплавные метчики получают все большее и большее применение при резьбонарезании.
Твердосплавные метчики из-за своей хрупкости тяжело переносят большие нагрузки в отличие от метчиков из быстрорежущей стали. Несмотря на это они отлично себя зарекомендовали при обработке таких материалов, как серый чугун и алюминий с большим содержанием кремния, ведь при обработке этих материалов основной механизм износа — абразивный.
Разработка мелкозернистых твердых сплавов повышенной прочности привела к тому, что появились твердосплавные метчики с высокой прочностью и износостойкостью. Применять их можно также при обработке закаленной стали, пластиков и жаропрочных сплавов. Особенно большое распространение твердосплавные метчики получают с развитием металлорежущего оборудования.
Жесткое резьбонарезание
Увеличение производительности обработки и качества изделий требует применения соответствующего оборудования. Для резьбонарезания широко используются две группы станков.
Первая группа — станки для сверления небольших отверстий и нарезания резьбы в них, частота вращения шпинделя может достигать 6000 мин-1.
Вторая группа — обрабатывающие центры, на которых сейчас нарезается все больше и больше резьб. На станках данного типа используются так называемые жесткие циклы резьбонарезания (частота вращения шпинделя синхронизирована с перемещением по оси Z). Для таких станков не требуется применение плавающих метчиковых патронов. Резьбонарезание можно вести на 2000-3000 мин-1.
Обрабатывающие центры, как правило, оснащаются несколькими, полезными для резьбонарезания, функциями, такими как, ускоренный вывод метчика из отверстия и задание предельного момента при резьбонарезании, что позволяет предотвратить поломку метчика.
Теоретически, при обработке резьб на обрабатывающих центрах не нужно использовать какие-либо средства, компенсирующие несоответствие шага метчика реальной подаче по оси Z и частоте вращения шпинделя. На самом деле, для компенсации накопленной погрешности при резьбонарезании, рекомендуют использовать метчиковые патроны типа SynchroFlex, со встроенным гибким элементом. Патроны этого типа обладают компенсирующей способностью около 0,5 мм.
