Фасонные резцы.

Эти резцы применяются для обработки тел вращения, имеющих на­ружные или внутренние фасонные поверхности. Обработка этими рез­цами обычно ведется на станках-автоматах и револьверных станках в условиях крупносерийного или массового типа производства. В качест­ве заготовок деталей чаще всего используют калиброванный прокат в виде прутка.

В сравнении с другими типами резцов фасонные резцы имеют сле­дующие преимущества:

1. обеспечивают идентичность формы детали и высокую точность размеров, не зависящую от квалификации рабочего;
2. обладают высокой производительностью за счет большой длины ак­тивной части режущей кромки;
3. имеют большой запас на переточку;
4. для них достаточно простой переточки по плоскости передней грани;
5. не требуют больших затрат времени на наладку и настройку станка.

К числу недостатков фасонных резцов можно отнести:

1. сложность изготовления и высокую стоимость;
2. это резцы специальные, так как они пригодны для изготовления деталей только заданного профиля;
3. большие радиальные нагрузки у резцов, работающих с радиальной подачей, вызывают вибрации и упругие деформации нежестких загото­вок, что требует снижения подачи и уменьшает производительность;
4. кинематические передние и задние углы фасонных резцов в процессе резания меняются по длине режущих кромок в большом диапазоне, су­щественно отличаясь от оптимальных значений.

Основные типы фасонных резцов: стержневые (рис. 1, а), круглые (рис. 1, б), призматические радиальные (рис. 1, в), тангенциальные (рис. 1, г). Из них наибольшее применение нашли круглые и призма­тические резцы, работающие с радиальной подачей.

Стержневые резцы подобны призматическим, но имеют малый за­пас на переточку. Они применяются в основном для затылования фрез, а также для нарезания резьбы. Крепление этих резцов в суппорте станка подобно креплению токарных резцов.

Призматические тангенциальные резцы позволяют обрабатывать детали малой жесткости, но требуют специальных станков и поэтому на практике применяются очень редко. Их недостатком также является переменность передних и задних углов в процессе снятия припуска.

Сравнение круглых и призматических резцов, работающих с ради­альной подачей, показывает, что круглые резцы более технологичны и могут быть изготовлены с большей точностью. Однако они обладают меньшим запасом на переточку и меньшей жесткостью крепления, так как у насадных резцов диаметр оправки зависит от диаметра резца. По­следний рекомендуется брать не более 100 мм из-за ухудшения качества быстрорежущей стали, используемой для изготовления таких резцов. Призматические резцы имеют большую жесткость и крепятся с помощью ласточкина хвоста в державках стержневого типа, обладают боль­шим запасом на переточку и, как будет показано ниже, обеспечивают большую точность обработки.

Для обработки внутренних фасонных поверхностей используются только круглые фасонные резцы с креплением на станке с помощью хвостовика, выполненного за одно целое с резцом.

Особенностью фасонных резцов, работающих с радиальной пода­чей, является переменное значение передних и задних углов по длине режущей кромки.

У круглых резцов задний угол α создается за счет превышения цен­тра резца О_р над центром детали О_д на величину h, а передний угол γ — за счет выреза по плоскости передней поверхности, отстоящей от цен­тра на величину H (рис. 2). При этом точки режущей кромки на на­ружной окружности резца (точки 1 и 3) лежат на линии оси центров станка:

sin а = h / R; sin(α + γ) = sin ψ = H / R,

где R — радиус наружной окружности резца.

В других точках режущей кромки углы α и γ в сечении, перпенди­кулярном к оси резца, зависят от положения координатных плоскостей (основной и резания) и касательных к задней и передней поверхностям. При этом след основной плоскости проходит через режущую кромку и радиус, проведенный в точку режущей кромки из центра детали, а след плоскости резания проходит через вектор окружной скорости резания v. Касательная к задней поверхности в разных точках режущей кромки — это нормаль к радиусу, проведенному из центра резца О_р.

Из сказанного следует, что по мере приближения точки режущей кромки к центру резца происходит поворот координатных плоскостей по часовой стрелке и в любой i-й точке, отстоящей от вершины ближе к центру резца, задний угол α_I > α, а γ_I < γ. Касательные к задней поверх­ности у круглых резцов также поворачиваются, но в противоположном направлении, т.е. против часовой стрелки. Для расчета переднего угла в любой i-й точке режущей кромки резца опустим перпендикуляр m из центра детали О_д на продолжение передней поверхности резца и най­дем, что

m = r₁sin γ = r_i sin γ_i, т.е. sin γ_i = (r_i/r₁)sin γ,

где r_i, r₁ — радиусы точек профиля детали, задаваемые чертежом.

На рис. 2 с левой стороны показано положение призматического резца в процессе резания. При изготовлении этих резцов производится срез по передней грани под углом γ+α, а задний угол α в рабочем поло­жении создается путем поворота резца относительно детали. Приведен­ные выше формулы, полученные для круглого резца, справедливы и для призматического резца.

Задние углы (a_N) на наклонных режущих кромках принято измерять в сечениях, нормальных к этим кромкам. Во избежание трения задних поверхностей с обработанной поверхностью заготовки они должны быть не менее 1…2°.

На примере призматического резца (рис. 3, а) с γ = 0 и прямоли­нейным фасонным профилем найдем, что на участке, параллельном оси детали,

tg α = x / A,

а на наклонном участке режущей кромки в нормальном сечении

tg a_N = y / A

Так как y = x sin φ, где φ — угол между режущей кромкой и норма­лью к оси заготовки, то

tg a_N = tg a sin φ.

Из уравнения следует, что при φ → 0 и α → 0 угол a_N → 0 . Во избежание трения боковых задних поверхностей с обработанной по­верхностью заготовки участки режущих кромок, перпендикулярные к оси заготовки, выполняют либо с углом поднутрения φ₁=1°30’…3°, либо на них оставляют узкие ленточки шириной f=0,5…1,0 мм (рис. 3, б). При открытых поверхностях возможно изготовление резцов с винтовы­ми задними поверхностями либо с поворотом оси резца относительно оси заготовки (рис. 3, в). В последнем случае на участке ab, перпендикулярном к оси детали, φ > 0 и, следовательно, a_N > 0.

Профилирование фасонных резцов (аналитический расчет профиля) необходимо для их изготовления и проектирования инструментов вто­рого порядка, а также шаблонов и контршаблонов, применяемых для контроля соответственно профилей резцов и шаблонов. При этом про­филь круглого резца рассчитывается в радиальном (осевом) сечении, а призматического резца — в сечении, нормальном к задней поверхности.

Из-за наличия переменных значений углов a и γ глубина (высота) точек профиля резца в этих сечениях не совпадает с глубиной профиля детали в ее осевом сечении. Расчет ведется путем определения высот­ных координат характерных (узловых) точек профиля, отсчитываемых от базовой точки, за которую принимается наивысшая точка профиля (вершина резца). Осевые размеры профиля передаются от детали без искажения.

Профилирование круглых фасонных резцов.

Исходные данные для расчета профиля резца: обрабатываемый материал и профиль дета­ли, задаваемый радиусами окружностей, проходящих через узловые точки r₁, r₂…, r_i, и осевыми размерами a₁, a₂,…, a_i. По рекомендациям выбирают углы вершинной точки γ и a и радиус наружной ок­ружности резца R. Исходя из поставленной задачи, требуется рассчитать радиусы окружностей, на которых лежат точки резца, обрабатывающие соответствующие точки детали R₁, R₂…,R_i и высотные координаты профиля резца в его осевом сечении ΔR = R — R_i (рис. 4, а).

Предварительно определяют параметры вершины резца (точка 1), лежащей на линии центров станка по заданным исходным значениям:

h₁ = R sin a; m = r₁ sinγ; ψ₁ =a + γ; A₁ = r₁ cosγ ; H = Rsin ψ₁; B₁ = R cos ψ₁.

Далее, используя значения этих параметров, для любой i-й точки профиля находят последовательно:

sin γ_i = m / r_i ;

C_i = r_i cos γ_i — A₁ ;

B_i = B₁ -C_i ;

tg ψ_i = H / B_i ;

R_i = H/sin ψ_i ;

ΔR_i = R — R_i.

Здесь параметры A_i, B_i и C_i переменны и измеряются вдоль передней грани резца, а угловой параметр ψ_i = a_i + γ_i определяется с использова­нием их величин.

Профилирование призматических резцов.

Профилирование призматических резцов производится на основе тех же исходных данных и заключается в определении высотных коор­динат P_i узловых точек профиля резца в сечении, перпендикулярном к задней поверхности инструмента. Из расчетной схемы на рис. 4, б следует, что для этого достаточно иметь три уравнения:

sin γ_i = m/r_i ;

C_i = r_i cos γ_i — A₁ ;

Здесь по аналогии с круглыми резцами предварительно находят значения параметров m и А₁. Координаты узловых точек вдоль оси пе­редаются от детали к резцу без искажения.

По найденным координатам узловых точек в указанных сечениях на рабочих чертежах фасонных резцов вычерчивают профиль, обычно в
увеличенном масштабе. При этом прямолинейные участки профиля по­лучают соединением прямой двух крайних точек, а криволинейные — по лекалу через точки отдельных отрезков, на которые предварительно разбивают заданный профиль детали. Обычно берут не менее трех — ­четырех точек.

Погрешности обработки фасонными резцами.

Погрешности обработки фасонными резцами возникают при об­работке конических участков детали из-за несовпадения режущей кром­ки с образующей конуса.

Как следует из рис. 5, а, при обточке усеченного конуса призма­тическим резцом режущая кромка 1…2 скрещивается в пространстве с осью конуса и при вращении ее относительно оси детали образуется не конус, а однополостной гиперболоид, показанный штриховыми линия­ми. Наибольшее отклонение фактического профиля от конического Δ приходится на точку профиля с радиусом r_ср = (r + r₂)/2.

Погрешность Δ = r_ср — r_ф, где r_ф — фактический радиус средней точки гиперболоида, который можно найти по формулам аналитической гео­метрии. При этом величина погрешности Δ не должна превышать до­пуск на отклонение образующей конуса. В случае применения призма­тических резцов ее можно свести до нуля, заточив переднюю грань до­полнительно под углом λ. При этом режущая кромка резца займет по­ложение 1…2‘, т.е. будет совпадать с образующей конуса.

Из рис. 5, а следует, что

где ℓ — длина конуса.

Такой прием, однако, не дает возможности получить точный кони­ческий профиль детали при использовании круглых фасонных резцов. Это объясняется тем, что при пересечении конического тела резца плос­костью передней грани, проходящей параллельно оси, получается кри­волинейная режущая кромка в форме гиперболы (рис. 5, б). Дополни­тельная заточка передней грани под углом λ хотя несколько снижает погрешность обработки, но совместить полностью режущую кромку с образующей конуса не удается.

Теоретически можно рассчитать профиль резца по нескольким точ­кам конической поверхности детали, определив их радиусы в сечениях, перпендикулярных к оси, но тогда профиль исходного тела резца будет криволинейным. Из-за высокой трудоемкости точное изготовление та­ких резцов считается нерациональным. Заточка же передней грани круглых резцов под углом λ хотя и не исключает погрешности обработ­ки конических участков детали, но дает существенное ее снижение.