Протяжки. Назначение, основные типы и области применения.

Протяжки — это многозубые высокопроизводительные инструмен­ты, нашедшие широкое применение в серийном и особенно в массовом производствах. Они относятся к инструментам с конструктивной пода­чей, так как при протягивании движение подачи отсутствует.

Деление припуска между зубьями протяжки осуществляется за счет превышения по высоте или ширине каждого последующего зуба отно­сительно предыдущего. Превышение по высоте, определяющее толщи­ну срезаемого слоя αz, называется подъемом или подачей на зуб. Деле­ние припуска по ширине осуществляется с целью облегчения процесса резания и используется в протяжках с групповой схемой резания.

Протяжки, применяемые для обработки отверстий различных форм, называются внутренними протяжками. Для обработки наружных поверхностей, т.е. поверхностей с открытым незамкнутым контуром, применяют наружные протяжки.

Главное движение протяжки, обеспечивающее процесс резания, ча­ще всего прямолинейное, поступательное. Реже встречаются протяжки с вращательным или винтовым главным движением.

Процесс протягивания осуществляется на специальных горизон­тальных или вертикальных протяжных станках.

На рис.1 показано несколько схем протягивания:

  • при обработке отверстий (рис.1, а) и наружных поверхностей (рис.1, б) с возвратно-поступательным движением инструмента и не­подвижной заготовкой;
  • при непрерывном протягивании наружных поверхностей с авто­матической загрузкой и выгрузкой заготовок, перемещающихся относи­тельно неподвижной протяжки (рис.1, в);
  • при обработке тел вращения плоскими или круглыми протяжка­ми (здесь главное движение или прямолинейное, или вращательное, при этом протяжка совершает один оборот) (рис.1, г);
  • при обработке отверстий прошивками (рис.1, д) сила прило­жена к торцу инструмента и, таким образом, прошивки работают на сжатие. Для обеспечения продольной устойчивости прошивок их длина не должна превышать 15 диаметров. По конструкции прошивки подоб­ны протяжкам.
Схемы протягивания
Рис.1. Схемы протягивания: а — отверстий; б — плоскостей; в — непрерывное протягивание наружной поверхности; г — обработка цилиндрической поверхности плоской и круглой протяжками; д — обработка отверстия прошивкой

Встречаются и другие схемы протягивания, которые, как и сам ин­струмент, постоянно совершенствуются.

Впервые протяжки появились в 30-х годах XX столетия и нашли широкое применение благодаря следующим достоинствам процесса протягивания:

  1. высокая производительность, так как в процессе резания снима­ется припуск одновременно несколькими зубьями. При этом активная длина режущих кромок очень большая, хотя скорость резания невелика (6…12м/мин). Так, например, при протягивании отверстия диаметром 30мм одновременно пятью зубьями ширина срезаемого слоя составляет около 470 мм. В целом производительность при протягивании в 3.12 раз выше, чем при других видах обработки;
  2. высокая точность (JT 7… JT8) и низкая шероховатость (Ra 0,32…2,5 мкм) обработанных поверхностей благодаря наличию черновых, чистовых и калибрующих зубьев, а в некоторых конструкциях протяжек еще и выглаживающих зубьев. Протягивание заменяет фрезерование, строгание, зенкерование, развертывание, а иногда и шлифование;
  3. высокая стойкость инструмента, исчисляемая несколькими ты­сячами деталей. Это достигается благодаря оптимальным условиям ре­зания и большим запасам на переточку;
  4. простота конструкции станков, так как при протягивании отсут­ствует движение подачи, поэтому станки не имеют коробок подач, а главное движение осуществляется с помощью силовых гидроцилинд­ров.

К недостаткам протяжек можно отнести:

  1. высокие трудоемкость и стоимость инструмента из-за сложности конструкций протяжек и высоких требований к точности их изготовле­ния;
  2. протяжки — это специальные инструменты, предназначенные для изготовления деталей только одного типоразмера;
  3. высокие затраты на переточку, обусловленные сложностью кон­струкций этих инструментов.

Отсюда экономическая эффективность применения протяжек дости­гается лишь в массовом и серийном производствах. Однако даже на предприятиях с единичным и мелкосерийным производствами протяж­ки могут дать значительный экономический эффект при обработке сложных фасонных отверстий, если формы обрабатываемых поверхно­стей и их размеры имеют узкие допуски. Например, при протягивании многошлицевых отверстий экономически оправдано применение про­тяжек даже при партии 50 деталей в год, а круглых отверстий — не менее 200 деталей.

При проектировании протяжек необходимо иметь в виду следую­щие особенности их работы:

  1. протяжки испытывают очень большие растягивающие нагрузки, поэтому внутренние протяжки обязательно проверяют на прочность по наиболее слабым сечениям;
  2. срезаемая при протягивании стружка должна свободно разме­щаться в стружечных канавках в течение всего времени нахождения режущих зубьев в контакте с заготовкой и свободно выходить из канав­ки после прекращения процесса резания. Поэтому вопросы размещения и разделения стружки по ширине требуют большого внимания. Так, например, при протягивании круглых отверстий не допускаются кольцевые стружки, потому что для освобождения от них протяжек потребо­вались бы большие затраты времени;
  3. длина протяжек должна соответствовать рабочему ходу протяж­ного станка, а также возможностям оборудования для их термической и механической обработки. При этом протяжки должны иметь достаточ­ную жесткость при изготовлении и эксплуатации, поэтому при протяги­вании иногда используют люнеты и другие приспособления.

Способы стружкозавивания и стружколомания при конструировании токарных резцов

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.

Способы стружколомания и стружкозавивания
Рис.1. Способы стружколомания и стружкозавивания: а — лунки; б — уступ; в — фаски с Уф<0; г — накладной нерегулируемый стружколом; д — регулируемый стружколом

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.

Некоторые виды передних поверхностей твердосплавных СМП
Рис.2. Некоторые виды передних поверхностей твердосплавных СМП

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.

Резцы, оснащенные керамикой и синтетическими сверхтвердыми материалами

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.

Рис.1. Сборные токарные резцы: а — с механическим креплением пластины из керамики; б — с припаянным кристаллом алмаза; в — с промежуточной вставкой; г — с механическим креплением кристалла алмаза; д — формы режущих кромок алмазных резцов (прямоли­нейная, радиусная, фасеточная); е — СМП с напайками из ПСТМ

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

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).

Рис.1. Твердосплавные сменные многогранные пластины (СМП): а — формы пластин; б — геометрические параметры пластин (негативных, позитивных, негативно-позитивных)

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.

Рис.2. Схемы механического крепления твердо­сплавных СМП: а — прихватом сверху; б — рычагом через отверстие; в — винтом с конической головкой; г — штифтом через отверстие и прихватом сверху; д — за счет упругой деформации стенки паза

Особенности конструкции подрезных, расточных, отрезных, строгальных и долбёжных резцов

Подрезные резцы (рис.1, а, б) изготавливают с отогнутой и пря­мой державками. Хотя отогнутая державка усложняет изготовление резцов, она обеспечивает следующие преимущества: 1) универсаль­ность, так как проходные резцы могут работать напроход и на подре­зание; 2) возможность вести обработку в менее доступных местах.

Рис.1. Типы резцов: а — подрезной (проходной отогнутый правый); б — подрезной (проходной упорный правый); в — расточной для сквозных отверстий; г — расточной канавочный; д — отрезной; е — строгальный; ж — долбежный

Расточные резцы (рис.1, в, г) используют для обработки внутренних сквозных и глухих отверстий, а также внутренних канавок. Из-за большого вылета державки, уменьшенной площади ее сечения и за­трудненного отвода стружки расточные резцы работают в более тяже­лых условиях, чем проходные резцы. Державки расточных резцов вы­полняют круглыми, а в месте крепления они имеют утолщение квадрат­ного сечения. Диаметр державки зависит от диаметра обрабатываемого отверстия и равен dд = (0,5…0,8)do, где do — диаметр обрабатываемого отверстия.

Расточные резцы имеют малую виброустойчивость и жесткость. Чтобы исключить врезание задней поверхности резца в поверхность резания, лезвие резца располагают несколько ниже оси отверстия, а зад­нюю поверхность выполняют криволинейной формы.

Отрезные резцы (рис.1, д) применяют для отрезки заготовок из прутка и проточки наружных канавок в заготовках на токарных, револь­верных станках и станках-автоматах.

Из-за тяжелых условий работы (большой вылет резца, затрудненные условия деформации металла при переходе в стружку, малая жесткость режущей части и, следовательно, низкая виброустойчивость) отрезные резцы чаще всего изготавливают из быстрорежущей стали. Режущая часть имеет главную режущую кромку с углом φ = 90° и две вспомога­тельные кромки с углами φ1=1°30’…3°. Если нужно обработать торец заготовки без оставления стержня (бобышки) в ее центре, то главную режущую кромку затачивают под углом φ=75…80°.

При использовании напайных твердосплавных режущих пластин длина главной режущей кромки отрезного резца должна быть не менее 5 мм. Для повышения жесткости в вертикальной плоскости головка рез­ца обычно делается утолщенной, а режущая кромка во избежание отры­ва твердосплавной пластины устанавливается ниже оси центров станка на расстоянии 0,5.1,0 мм.

Передний угол у оказывает большое влияние на виброустойчивость отрезных резцов, которая снижается с его уменьшением. Поэтому реко­мендуется затачивать угол γ = 15…20° с упрочняющей фаской шириной f = 0,2…0,3 мм и под углом γф = 0…-5°, задний угол α = 10…12°.

Строгальные и долбежные резцы (рис.1, е, ж) — это инструмен­ты, работающие с ударной нагрузкой в момент периодически повто­ряющегося врезания. Из-за консольного крепления таких резцов со сравнительно большим вылетом их державки подвергаются упругим деформациям и вибрациям. Эти резцы работают со сниженными скоро­стями резания из-за больших инерционных масс и сечениями среза, в 1,5…2 раза большими, чем при токарной обработке. По этим причинам условия резания неблагоприятны для использования твердосплавных пластин. Поэтому чаще всего эти резцы изготавливают из быстрорежу­щих сталей.

Во избежание внедрения задней поверхности строгального резца в обработанную поверхность заготовки из-за упругих деформаций дер­жавки его вершина должна быть расположена на одном уровне с опор­ной поверхностью, и поэтому державка имеет изогнутую форму.

На рис.1, е показаны геометрические параметры строгальных рез­цов при несвободном и свободном резании (без вспомогательных кро­мок), а на рис.1, ж показаны углы γ и α долбежных резцов. На приме­ре свободного строгания можно дать другое определение угла наклона главной режущей кромки λ — это угол между вектором скорости реза­ния и нормалью к проекции главной режущей кромки на плоскость ре­зания, которая в данном примере совпадает с обработанной поверхно­стью. Такое определение λ применимо также к другим видам инстру­ментов, например к сверлам и фрезам.

Величины геометрических параметров строгальных и долбежных резцов обычно принимают близкими к принятым для токарных резцов, за некоторыми исключениями. Так, для предохранения выкрашивания вершины резцов при работе с ударами угол λ увеличивают до 10…120. При несвободном строгании главный угол в плане рекомендуется брать равным φ = 20…45 0. Для чистовых операций (под шабрение) желатель­но снижать угол φ1 до нуля.