Рубрика: Металлорежущий инструмент

Протяжки состоят из сле­дующих основных частей: хвостовика, шейки, передней и задней на­правляющих, режущей и калибрующей частей, заднего хвостовика (рис.1).

Хвостовик служит для присоединения протяжки к патрону станка. Основные типы и размеры хвостовиков стандартизированы (ГОСТ 4044-70). При этом диаметр хвостовика должен быть меньше диаметра отверстия под протягивание на 1…2 мм.

Шейка и следующий за ней переходный конус выполняют вспомогательную роль. Их длина должна обеспечивать возможность присоединения протяжки к патрону перед началом протягивания. Переходный конус обеспечивает свободное вхождение передней направляющей в протягиваемое отверстие. Диаметр шейки берется меньше диаметра хвостовика на 0,3…1,0 мм.

Передняя направляющая служит для центрирования оси заготовки относительно оси протяжки перед протягиванием, чтобы исключить перекос заготовки, который может привести к поломке протяжки или порче обработанной поверхности. Длина передней направляющей должна быть равна длине L₀ протягиваемого отверстия, а при больших длинах — не менее 0,6L₀. Форма передней направляющей должна соот­ветствовать форме отверстия в заготовке, а допуск на диаметр направ­ляющей берется по е8.

Задняя направляющая выполняет ту же роль, что и передняя, пре­дохраняя протяжку от перекоса при выходе ее калибрующей части из обработанного отверстия. По длине она несколько меньше длины пе­редней направляющей, а ее диаметр выполняется точнее, с допуском по f7. Форма задней направляющей должна быть такой же, как у протяну­того отверстия.

Для автоматического возврата протяжки в исходное положение по­сле протягивания, особенно при больших длине и диаметре протяжки, после задней направляющей иногда предусматривается задний хвосто­вик, закрепляемый в патроне каретки станка. По форме он подобен пе­реднему хвостовику. Наличие этого хвостовика также предохраняет протяжку от провисания и перекоса в отверстии и позволяет избежать искажения формы и размера обработанного отверстия.

Режущая (рабочая) часть протяжки служит для удаления припус­ка и формирования поверхности протянутого отверстия. Она содержит черновые и чистовые, а при групповой схеме резания еще и переходные зубья, располагаемые на ступенчато-конической поверхности. Длина режущей части равна произведению числа зубьев на их шаг, который, в свою очередь, зависит от требований к точности протягиваемого отвер­стия, шероховатости его поверхности и величины снимаемого припуска. Диаметры зубьев рассчитывают исходя из принятой схемы резания.

Калибрующая часть содержит 4…10 зубьев одинакового диаметра, равного диаметру последнего чистового зуба, и служит для калибровки отверстия, уменьшения рассеивания его размеров, а также является за­пасом на переточку: по мере износа чистовых зубьев калибрующие зу­бья заточкой могут быть переведены в чистовые. Тем самым увеличива­ется общий срок службы протяжки.

Калибрующие зубья припуск не срезают, а удаляют микронеровно­сти поверхности, остающиеся после прохода чистовых зубьев, и обес­печивают направление протяжки в отверстии.

Конструкция режущей части протяжки определяется принятой схе­мой резания, под которой понимают принятый порядок последовательного срезания припуска.

Различают следующие схемы резания: а) по способу деления при­пуска по толщине и ширине — одинарная и групповая; б) по способу формирования обработанной поверхности — профильная, генераторная и комбинированная.

Рассмотрим первые две схемы на примере обработки круглых от­верстий.

Одинарная схема резания характерна тем, что каждый зуб про­тяжки срезает припуск определенной толщины по всему периметру об­рабатываемого отверстия за счет того, что диаметр каждого последую­щего зуба больше диаметра предыдущего на величину 2α_z, где α_z — подъем или подача на зуб (α_z=s_z).

Так как кольцевая стружка недопустима, то для деления стружки по ширине на режущих кромках необходимо делать стружкоделительные канавки V-образной формы (рис.2, а), которые располагают в шахмат­ном порядке при переходе от одного зуба к другому. Стружкоделитель­ные канавки имеют глубину h =0,4.. .1,0 мм и ширину S_к=0,6…1,2 мм в зависимости от диаметра протяжки. Снимаемые каждым зубом стружки получаются в виде отдельных частей с ребром жесткости толщиной 2α_z за счет того, что на участке канавки предыдущего зуба стружка не сни­мается. Ребро жесткости ухудшает свертываемость стружки в канавках между зубьями, из-за чего приходится значительно снижать величину подачи на зуб. Это приводит к нежелательному увеличению длины про­тяжки. Так, для цилиндрических протяжек ориентировочные значения толщин среза равны: при обработке сталей — α_z=0,02…0,04 мм; чугуна — α_z=0,03…1,0 мм; алюминия — α_z=0,02…0,05 мм; бронзы и латуни — α_z=0,05…0,12 мм.

При большей толщине среза жесткость стружки мешает ее завива­нию во впадине между зубьями. Стружка упирается в дно впадины, в результате чего возможны ее заклинивание и даже поломка протяжки.

Стружкоделительные канавки прорезают шлифовальным кругом при небольшом (2…3°) поднятии заднего центра протяжки для создания заднего угла по дну канавки. При этом ослабляются режущие кромки зубьев в точках K пересечения канавок с задней поверхностью. Это приводит к более интенсивному износу зубьев на этих участках и, соот­ветственно, к снижению стойкости протяжки.

Схема группового резания (рис.2, б) отличается от вышеописан­ной тем, что все режущие зубья делятся на группы или секции, состоя­щие из 2…5 зубьев, в пределах которых зубья имеют одинаковый диа­метр. Припуск по толщине делится между группами зубьев, а по шири­не — между зубьями группы благодаря широким выкружкам, выполнен­ным в шахматном порядке. Каждый зуб снимает отдельные части при­пуска участками режущей кромки, где нет выкружек. При этом благо­даря большой ширине выкружек снимаемая стружка не имеет ребер жесткости, хорошо скручивается в канавках между зубьями, даже при увеличении толщины среза до a_z = 0,3…0,4 мм при обработке стали и до a_z = 1,0…1,2 мм — при обработке чугуна. За счет этого при групповой схеме резания возможно существенное сокращение длины режущей части протяжки.

Широкие выкружки на зубьях обеспечивают увеличение угла стыка выкружек и режущих кромок до 130…150°. Это в сочетании с задними углами α₁= 4…6° на вспомогательных режущих кромках, полученными при вышлифовывании выкружек, обеспечивает повышение стойкости протяжек в 2…3 раза по сравнению с одинарной схемой резания.

При проектировании протяжек с групповой схемой резания послед­ний зуб в группе, не имеющий выкружек и выполняющий роль зачист­ного, делают с занижением на 0,02…0,04 мм по диаметру относительно других зубьев. Это необходимо, чтобы избежать образования кольцевых стружек, возможных при упругом восстановлении обработанной по­верхности после прохода прорезных зубьев.

Недостатком групповой схемы резания является повышенная трудо­емкость изготовления протяжки по сравнению с одинарной схемой.

Форма режущих кромок зубьев протяжки определяется принятой схемой формирования обработанной поверхности.

При профильной схеме (рис.2, в) контур всех режущих кромок подобен профилю протягиваемого отверстия. При этом в окончатель­ном формировании обработанной поверхности принимают участие только последние зубья, а остальные служат для удаления припуска. При сложной форме отверстий использование такой схемы нецелесооб­разно, так как усложняет изготовление протяжки. Профильная схема в основном применяется при формировании простых по форме поверхно­стей, например, круглых или плоских.

При использовании генераторной схемы (рис. 2, г) форма режу­щих кромок не совпадает с формой обработанной поверхности, которая формируется последовательно всеми зубьями. В этом случае упрощает­ся изготовление протяжки путем шлифования напроход всех зубьев аб­разивным кругом одного профиля. Однако при этом на обработанной поверхности возможно появление рисок (ступенек) вследствие погреш­ностей заточки зубьев, что ухудшает качество обработанной поверхно­сти.

При высоких требованиях к шероховатости обработанной поверх­ности рекомендуется использовать комбинированную схему (рис. 2 , д), при которой два-три последних режущих и калибрующие зубья рабо­тают по профильной, а остальные — по генераторной схемам.

Проблема надежного удаления стружки из зоны резания имеет наи­более острое значение при использовании твердосплавных резцов и особенно при обработке пластичных материалов, когда из-за резко воз­росших скоростей резания значительно увеличивается объем образую­щейся стружки и изменяется ее форма. Нагретая до высоких температур стружка в виде непрерывной ленты наматывается на заготовку и резец, портит обрабатываемую поверхность и представляет собой серьезную опасность для рабочих. Поэтому станочнику приходится часто останав­ливать станок для ее удаления. Для получения транспортабельной фор­мы стружки в виде отдельных кусочков, сегментов, колец, коротких завитков или сплошной пружины применяют специальные способы стружкозавивания и стружколомания. Обычно для этого на передней поверхности резца на пути сходящей стружки создают специальные препятствия в виде лунок, канавок, сферических выступов или углубле­ний вдоль режущей кромки, а также накладных нерегулируемых усту­пов и регулируемых стружколомов. Примеры таких устройств приведе­ны на рис.1.

Лунки (рис.1, а) и уступы (рис.1, б), применяемые на черновых и получистовых операциях, получают путем вышлифовывания алмазны­ми кругами у проходных резцов с напайными твердосплавными пласти­нами. К сожалению, они не универсальны, так как для каждого обраба­тываемого материала и определенного режима резания требуется опре­делять опытным путем их параметры f, r, a, b и др., обеспечивающие нужную форму стружки.

Хорошо показала себя заточка фасок переменной ширины вдоль главной и вспомогательной режущих кромок с отрицательным перед­ним углом (рис.1, в). Ребро, образующееся при их пересечении, обес­печивает надежное дробление стружки при точении высоколегирован­ных сталей, но несколько снижает стойкость резца.

Накладные стружколомающие элементы используются двух типов: нерегулируемые (1, г) и регулируемые (1, д). Первые выполняются в виде пластины, напаиваемой сверху режущей пластины. В отличие от лунок и уступов, такой стружколом не снижает прочности режущей пластины, но требует предварительного экспериментального определения положения относительно главной режущей кромки. При переточке резцов необходима перепайка накладной пластины, что неудобно, по­этому такие стружколомы применяются крайне редко.

Накладные регулируемые стружколомы представляют собой само­стоятельные устройства, закрепляемые на суппорте станка. Их рабочая часть выполняется в виде напайной твердосплавной пластины-уступа, устанавливаемой в определенном положении относительно режущей кромки, которое обеспечивает надежное дробление или завивание стружки. Устройство позволяет регулировать положение такого уступа относительно режущей кромки при смене режимов резания. Недостат­ком уступа является сложность и громоздкость конструкции, ухуд­шающие условия отвода стружки.

У резцов, оснащенных СМП, стружколомающие канавки и уступы получают методом прессования. При этом форма передней поверхности принимает порой экзотический вид с использованием лунок, канавок и уступов переменной глубины, высоты и ширины. Некоторые примеры оформления таких пластин приведены на рис.2. Здесь эффект стружкодробления достигается как за счет изменения ширины площади кон­такта стружки с передней поверхностью резца, так и за счет силового воздействия на сходящую стружку. Кроме того, эффект усиливается за счет изменения по длине режущей кромки условий контакта стружки с передней поверхностью резца и улучшения условий подвода СОЖ в область контакта.

В автоматизированном производстве применяют также кинематиче­ский способ дробления стружки, заключающийся в использовании при­нудительных колебаний резца в направлении подачи. При этом толщина стружки меняется и стружка распадается на отдельные кусочки. Следу­ет отметить, что этот метод несколько снижает стойкость инструмента и требует применения специальных устройств, встраиваемых в механизм подачи станка, что усложняет конструкцию последнего.

Керамика и синтетические сверхтвер­дые материалы обладают высокими твер­достью, износо- и теплостойкостью, благодаря чему обеспечивают зна­чительное повышение производительности и стойкости, высокие точ­ность и качество обработанной поверхности. Их недостатком является низкая прочность режущего клина, которая ограничивает область их применения. Наибольшую эффективность они показали при чистовом точении сталей, особенно закаленных, чугунов различной твердости и даже твердых сплавов с содержанием кобальта выше 25%. При этом обработка должна проводиться на высокоточных, жестких, скоростных и мощных станках с ЧПУ последнего поколения.

Поставляется режущая керамика в виде неперетачиваемых много­гранных пластин (ГОСТ 25003-81) круглой, квадратной, треугольной и ромбической форм различных размеров. Негативные керамические пла­стины крепятся в основном в тех же державках, что и твердосплавные, — прихватом сверху (рис.1, а).

К группе сверхтвердых материалов, как уже отмечалось, относят алмазы (природные и синтетические) и композиты на основе поликри­сталлов кубического нитрида бора (эльбора).

Так как алмазы имеют очень малые размеры, то их крепление осу­ществляется пайкой, зачеканкой или механическим путем. Крепление алмаза пайкой осуществляется либо непосредственно в державку (рис.1, б), либо с применением промежуточных вставок (рис.1, в). В последнем варианте вставка прессуется и спекается вместе с алмазом методом порошковой металлургии. Механическое крепление алмаза показано на рис.1, г.

Геометрические параметры заточки алмазных резцов: γ= 0…-5°, α=8…12°, φ=15…45°. Вершина резца в плане выполняется со скругле­нием r=0,2…0,8 мм или с несколькими фасками (фасетками) (рис.1, д). В сечении, нормальном к режущей кромке, радиус скругления режуще­го клина достигает величины ρ<1мкм. Благодаря этому алмазное точе­ние позволяет снизить шероховатость обработанной поверхности до Ra 0,08…0,32 мкм и повысить точность обработки до JT 5…7. При то­чении и растачивании цветных металлов, пластмасс и композиционных материалов стойкость алмазных резцов во много раз выше стойкости твердосплавных резцов. Алмазные резцы могут работать более 200.300 ч без подналадок и смены инструмента, что особенно важно для автоматизированного производства. При этом алмазы массой 0,5…0,6 карата допускают 6…10 переточек.

При точении деталей из закаленных углеродистых сталей, легиро­ванных нержавеющих и жаропрочных сталей и сплавов, а также высо­копрочных чугунов применяются резцы, оснащенные поликристаллическими сверхтвердыми материалами (ПСТМ) из кубического нитрида бора. В настоящее время промышленностью освоен выпуск таких пла­стин трехгранной, круглой, квадратной и ромбической форм небольших размеров с диаметром вписанной окружности d = 4…12,7 мм, толщиной 3…5 мм (γ= 0, α=0…11°). Крепление таких пластин осуществляется прихватом сверху.

В последние годы стали применяться двухслойные пластины, кото­рые представляют собой твердосплавную пластину с нанесенным слоем поликристаллов кубического нитрида бора на ее наружной поверхности или с напайками по ее уголкам (рис.1, е). Такие пластины имеют более крупные размеры и их можно крепить механическим путем в держав­ках, применяемых для крепления твердосплавных пластин.

Твердосплавные резцы — это резцы, оснащенные пластинами твердого сплава, обеспечивающие высокую производительность и по­лучившие наибольшее распространение на практике.

Пластины крепятся к державке пайкой или механическим путем. Цельные твердосплавные резцы изготавливают только малых размеров (они применяются в приборостроении и часовой промышленности).

Использование пайки стандартных пластин из твердого сплава, имеющих разнообразную форму, позволяет получать компактные кон­струкции резцов. Последние после заточки имеют оптимальные значе­ния геометрических параметров и характеризуются эффективным ис­пользованием твердого сплава благодаря многократной переточке.

Однако пайке присущ такой существенный недостаток, как появле­ние внутренних термических напряжений в спае и в самих пластинах из-за большой разницы (примерно в 2 раза) коэффициентов линейного расширения твердого сплава и стальной державки. При охлаждении после пайки возникающие напряжения приводят к образованию микро­трещин в пластинах, которые вскрываются при заточке или в процессе резания. Микротрещины приводят к выкрашиванию и даже к поломкам пластин. Обычно применяемые технологические приемы по снятию напряжений: релаксация путем замедления скорости охлаждения, ис­пользование компенсационных прокладок и другие — не решают полно­стью этой проблемы. Избавиться от напряжений можно только путем применения СМП, которые механически крепятся к корпусу инстру­мента. По мере затупления пластин путем их поворота производится обновление режущих кромок, что обеспечивает их быстросменность и не требует переточек.

Инструменты, оснащенные СМП, по сравнению с напайными име­ют следующие преимущества:

1. более высокая прочность, надежность и стойкость;
2. меньше расходы на смену и утилизацию пластин;
3. меньше простои оборудования при замене и наладке инструмен­та, что особенно важно при эксплуатации современных дорогостоящих станков с ЧПУ и автоматических линий;
4. более благоприятные условия для нанесения на пластины износо­стойких покрытий, что позволяет значительно (до 4…5 раз) повысить их стойкость, а следовательно, и производительность процесса резания;
5. меньше потери остродефицитных материалов (вольфрама, ко­бальта, тантала и др.) за счет увеличения возврата пластин на перера­ботку.

Недостатки инструментов, оснащенных СМП:

1. высокая стоимость из-за их высокой точности, а следовательно, высокой трудоемкости изготовления пластин и инструмента в целом;
2. повышенные габариты корпусов инструментов из-за необходи­мости размещения в них элементов крепления пластин;
3. невозможность полного обеспечения оптимальной геометрии ре­жущей части инструмента из-за заданной формы пластин и условий их крепления.

По числу режущих кромок и форм пластины имеют различные ис­полнения, закрепленные в международных и национальных стандартах. Некоторые из них приведены на рис.1, а.

Геометрические параметры инструментов, оснащенных СМП, опре­деляют в статике при изготовлении пластин и корректируют при их за­креплении в корпусе (державке) инструмента с учетом кинематики станка и условий резания.

По геометрическим параметрам СМП делятся на: а) негативные ( γ=0°, α=0°); б) позитивные ( γ=0°, α>0°); в) негативно-позитивные ( γ>0°, α= 0°) (рис. 1, б).

Задний угол при установке негативных и негативно-позитивных пластин создается за счет их поворота при креплении в державке резца. При этом у негативных пластин передние углы становятся отрицатель­ными, т.е. (-γ)=α , у негативно-позитивных пластин угол γ уменьшается на величину угла α. У позитивных пластин угол γ равен углу поворота пластины по часовой стрелке, а угол α уменьшается на эту же величину.

Существует множество конструкций резцов, различающихся по способу крепления СМП, часть которых с целью удобства крепления изготавливают с отверстиями. Анализ многочисленных конструктивных решений крепления пластин позволил свести их к следующим схемам (по ISO): а) прихватом сверху; б) рычагом через отверстие с прижатием к боковым стенкам гнезда; в) винтом с конической головкой; г) штифтом через отверстие и прихватом сверху. Некоторые примеры конструктивного исполнения этих схем на резцах приведены на рис.2.

Пластины негативные и негативно-позитивные крепятся чаще всего прихватом сверху (схема а) или по схеме г. Последняя обеспечивает более надежное крепление. Крепление винтом (схема в) используется для малонагруженных пластин и является простым и компактным.

У резцов наибольшее распространение получили пластины с отвер­стием. Благодаря этому обеспечиваются свободный сход стружки по передней поверхности и значительно меньшие габариты элементов кре­пления, размещаемых в корпусе державки.

Возможны нестандартные схемы крепления твердосплавных пла­стин нестандартной формы. Примером этому являются отрезные резцы (рис.2, д), разработанные фирмой «Sandvik Coromant» (Швеция). Здесь крепление пластины осуществляется силами упругой деформации стен­ки паза державки.