Лекции на тему "Обработка материалов резанием"по дисциплине материаловедение

1. Общие сведения обработки металла резанием

   1. Виды обработки металла резанием

Обработка металлов резанием активно используется во многих отраслях, в наибольшей степени – в машиностроении, где является важной и дорогостоящей частью процесса. Это объясняется высокими требованиями, которые предъявляются к изделиям: они должны быть безупречны с точки зрения качества и геометрической точности.

Обработка резанием этим требованиям вполне удовлетворяет, позволяя создавать уникальные высокоточные детали. Именно поэтому уже много лет она не теряет своей популярности.

1. Как происходит обработка

Резание металла – это процесс, при котором специальным режущим инструментом с обрабатываемой заготовки снимается слой металла с целью придания ей необходимой формы.

Если учесть, что существует великое множество разнообразных деталей, отличающихся по целому ряду своих характеристик, то не вызовет удивления тот факт, что для работы с ними требуются совершенно разные методы и станки. Для каждой детали предполагается своя технология. Так, основными методами обработки металлов резанием являются:

• точение;

• сверление;

• фрезерование;

• строгание;

• долбление;

• шлифование.

А использующиеся при этом станки, как правило, носят названия применяемых методов (точильный, фрезеровальный, долбежный и т. д.).

На станках устанавливаются различные инструменты, с помощью которых и выполняется процедура обработки. Они должны значительно превосходить обрабатываемый металл по твердости и прочности, их режущие края должны быть острыми. Инструменты, как и заготовки, перед началом работы закрепляются на станке с помощью специальных приспособлений.

В процессе обработки металла образуется много отходов (порядка 20% стружки), что не слишком хорошо с экономической точки зрения. Однако зачастую отказаться от резания не представляется возможным ввиду его универсальности, низкой энергозатратности, высокой точности изделий, большого выбора оборудования и т. д.

1. Как можно обрабатывать металл резанием

Обработку резанием можно осуществить несколькими методами. Они ориентированы на разные по форме изделия и имеют разные цели. Основные способы обработки металлов резанием:

• Точение. Выполняется с помощью станка, на котором установлен резец (например, токарный). Процесс работы выглядит так: обрабатываемое изделие совершает вращательное движение вокруг своей оси, а в это время резцом снимается нужный слой металла. Точение применяют для цилиндрических, конических и торцевых поверхностей (и наружных, и внутренних).

• Сверление. Выполняется на станках с установленным сверлом. Легко догадаться, что сверление предназначено для того, чтобы проделывать в деталях отверстия. Деталь прочно зажимается в тисках, и в ней просверливается отверстие нужного диаметра, при этом диаметр определяется размером сверла. Между тем сверла различаются не только размером, но и формой: есть сверла спиральные, перовые, центровочные и другие, каждое для своих целей.

• Фрезерование. Требует специального оборудования, на котором установлена фреза – инструмент с резцами. Фреза совершает вращательное движение, а заготовка, закрепленная на столе, движется продольно. Фрезеровка может быть горизонтальной, вертикальной и диагональной, в зависимости от того, как будут закреплены заготовка и фреза. Существуют и компактные ручные электрические фрезеры, которые при необходимости могут использоваться где угодно, не привязывая мастера к станку. Правда, и возможностей у них гораздо меньше.

• Строгание. Для него необходим строгальный станок (их существует несколько видов: строгально-долбежный, поперечно-строгальный, продольно-строгальный и т. д.). Обрабатывают на них преимущественно рамы, штанги, станины и т. п. Резцы могут использоваться прямые и изогнутые. Прямые наиболее просты в применении, но не позволяют добиться высокой точности. Изогнутые резцы высокоточны, и поэтому являются предпочтительными, и распространены больше.

• Долбление. Необходим долбежный станок. Резец совершает прямолинейное возвратно-поступательное движение, а перпендикулярно ему двигается заготовка. Применяется по большей части для плоских поверхностей с небольшой высотой. С помощью долбления, например, можно получить зубчатые колеса достаточно неплохих степеней точности.

• Шлифование. Для него необходим станок со шлифовальным кругом. Шлифовальный круг крутится, а заготовка получает круговую, продольную или поперечную подачу. Шлифование позволяет получить деталь потрясающей точности, следует лишь учитывать в работе ряд особенностей процесса, таких как нагревание детали во время обработки, устойчивость станка (отсутствие сильных вибраций), глубина резания и т. д.

Выводы

Обработка металла резанием, несмотря на свой недостаток в виде большого количества отходов, продолжает активно использоваться в различных производственных отраслях.

При резании подвергается деформации форма детали без воздействия на структуру материала, режущий инструмент работает лишь с поверхностью изделия. Если прибавить к этому универсальность, высокоточность и другие плюсы, то они, несомненно, перекроют имеющиеся минусы. Поэтому можно с уверенностью заявить, что, несмотря на появление новых технологий обработки металла, обработка резанием сдаст свои позиции еще очень нескоро.

1. Характеристика и расчет режимов резания при токарных работах

1. Ключевые моменты процесса

Для работы подойдут следующие материалы: металлы, пластики, дерево, минералы. Конечно, для каждого конкретного случая требуется особый инструмент и технологические приемы. Если труд с относительно мягкими из них (пластмасса, алюминий, бронза) обычно не вызывает сложностей, то высоколегированные стали требуют строгого контроля качества заточки. В противном случае происходит быстрый износ режущей кромки. Для увеличения эффективности обязательно использовать эмульсию, обеспечивающую снижение трения и охлаждение рабочей зоны.

Кратко опишем процесс:

1. Деталь закрепляется в патроне или на двух центрах;

2. В зависимости от необходимых манипуляций выбираются параметры режима резания при токарной обработке;

3. Предмет устанавливается в правильное положение и проверяется надежность всех фиксаций;

4. Находим первую точку касания;

5. Начинаем снимать металл или другой материал;

6. Контролируем габариты штангенциркулем и микро́метром;

Следует четко понимать, что приемы достаточно разнообразны, и невозможно коротко описать все нюансы. Заготовка может быть величиной от доли миллиметра до нескольких десятков метров. Характеристики изделия кардинально отличаются по твердости и вязкости. Уровень первичной отделки болванки может быть самым разным и иметь внешний слой с другими качествами. Часто нужно сделать сферическую поверхность на маленьком участке. Это накладывает определенные ограничения, так как часть приспособлений не рассчитана на циклические нагрузки.

1. Какие бывают станки

В зависимости от технологических потребностей применяют разное оборудование. Принято деление на следующие подвиды:

• Токарно-винторезный. Это наиболее распространенный агрегат, позволяющий выполнять внушительный спектр работ. Пожалуй, любимым у токарей является К 62 в различных модификациях. Вся группа включает в себя универсальные устройства, отличающиеся степенью автоматизации и габаритами обрабатываемой детали. Большемерные заготовки точатся на ДИП 500. Для обучения специалистов используют модели ТВ-4 или ТВ-16.

• Карусельный аппарат предназначен для придания формы изделиям крупного диаметра. Внешне он представляет собой стол с патроном значительных размеров, вращающийся в горизонтальной плоскости. Инструмент для рассечения подается сверху и может быть не один. Названием он обязан схожести с детскими аттракционами.

• Лобовой. Можно сказать, что это такой же станок, только положенный набок. Это продиктовано технологической целесообразностью при некоторых производствах. Конструкции этой группы не имеют задней бабки и фиксация происходит только благодаря губкам. Основное преимущество – возможность придания изделию конической формы.

• Револьверный незаменим при изготовлении изрядного количества одинаковых деталей из нормированного материала. Например, сгонов из металлической трубы. За счет этого резко повышается эффективность, снижается брак и оптимизируются все процессы. Но у него есть главный недостаток – узкая специализация.

• Автомат продольного точения позволяет синхронизировать движение в двух плоскостях и создавать элементы сложной конфигурации, например, спирали с большим шагом. Как режущий предмет могут использоваться фрезы и сверла.

• Многошпиндельный автомат применяется для вальцевания элементов сразу несколькими насадками за одну установку. Бывают автоматические и полуавтоматические.

• ЧПУ. Если оснастить любое устройство для обработки металла системой, координирующей порядок, то мы получим центр с числовым программным управлением. При массовом производстве этот комплекс наиболее эффективен.

1. Способы и правила определения режимов приемлемого резания при точении: формулы

Для разных материалов и необходимой чистоты существуют свои оптимальные системы, включающие в себя скорость подачи, глубину захода и вид заточки.

Многие универсальные токари определяют эти параметры «на глазок». Тем более, они сильно зависят от технических характеристик самого́ станка. При создании программ для ЧПУ и полуавтоматики применяются конкретные математические варианты расчета. За основу берутся качества заготовки (твердость, вязкость, хрупкость, абразивность, подверженность температурным изменениям). Под это разрабатываются инструменты (как правило, несколько для различных технологических приемов). Затем происходит определение режимов идеального резания при умелой токарной обработке на основе жестких правил. Это дает приблизительные показатели, по которым можно назначить оптимальные значения. Более точные данные получаются эмпирическим путем (в процессе стендовых испытаний).

После этого возможно задать для каждой конкретной цели темп вращения шпинделя, интенсивность движения стержня для рассечения и его заглубление.

Наиболее распространенное сырьё – сталь и чугун. Вот таблица рекомендованных режимов резания при их токарной обработке:

1. Основные параметры

Время изготовления детали зависит от трех значений. Они определяют, какое количество металла будет сниматься за определенный период.

На практике предпочтительные величины можно узнать по справочнику режимов оптимального резания для грамотной токарной обработки. Они дают габариты, на которые можно опираться, как на базовые.

В дальнейшем придется учитывать как особенности оборудования (биение, дребезг, мощность, износ), так и отклонения в свойствах материала. Различные партии могут отличаться достаточно сильно, особенно это актуально для рядовых сортов черных металлов. Если в производстве использовать сырье с жестко заданными значениями, то такой процесс может стать экономически невыгодным из-за высокой цены.

Глубина

Это толщина слоя, удаляемая за один проход. На этот параметр влияет свойство поверхности, технические характеристики, качество резца (твердость и угол заточки) и скорость.

Подача

Показывает, на какое расстояние перемещается точка контакта за единицу времени. В универсальных станках рассматриваются её продольный и поперечный виды. Свои особенности есть при изготовлении конусов. Засчет увеличения радиуса заготовки при работе с внешней стороной, нагрузка на инструмент увеличивается, и это необходимо учитывать. У большинства аппаратов предусмотрены разнообразные программы движения от минимальных до резьбовых. На передней панели управления рычагом выставляется одна из функций, обеспечивающая смещение режущей кромки при каждом вращении вала. Это достигается усилием с коробки передач на суппорт (синхронно с вращением переднего шпинделя).

Скорость

По этой формуле понятно, как рассчитать и сделать определение режимов идеального резания при наружном и внутреннем точении.

Величины количества оборотов и диаметра заготовки поставлены, как пример. Соответственно, на показатель V влияет расстояние от центра и угловой темп патрона.

Теперь, зная ширину прохода резца и его заглубление, легко понять, какой объем сырья снимается за промежуток времени.

1. Проверка корректности рабочих параметров

Теоретические данные, полученные с помощью вычислений, способны дать результаты с довольно большими допусками. Чтобы окончательно выбрать оптимальный порядок, необходимо проверить эти выкладки на практике на наличие погрешностей. Отличаться могут как физические свойства материала, так и технические характеристики станка. В жизни не бывает абсолютно одинаковых агрегатов.

Корректировка режима обязательна каждый раз при:

• запуске новой серии;

• смене оборудования;

• замене партии заготовок.

При этом производится пробная обработка с плавным изменением всех рекомендуемых габаритов и выбираются значения, наиболее подходящие для этого случая. Похожие действия нужно повторить и при смене инструмента. Для бесперебойной эксплуатации рекомендуется подобрать норматив с достаточным запасом. Это позволит избежать брака и сэкономить время на переналадку.

1. Способы выбора действия

Имея на руках марку стали обрабатываемой детали и необходимую степень точности, можно получить предварительные цифры и осуществить расчет режимов для токарных операций.

Приняв первичное решение, нужно произвести пробную точку в рекомендуемых границах. По характеру стружки принимается решение снизить или увеличить вышеназванные основные параметры. В массовых производствах используются инструменты с фиксированной установкой.

После пробного прогона и принятия решения данные заносятся в технологическую карту. Существуют процессы, когда резец испытывает разные нагрузки на одном проходе. Если обрабатывать торцевую поверхность или конус, то порядок обтачивания будет отличаться в зависимости от расстояния до центра. Достаточно сильная разница может быть между черновой и чистовой точкой. Поэтому и приемы тоже различны. В карте обязательно отображаются такие особенности.

1. Выбор резца

От правильного определения режущего предмета напрямую зависит и скорость, и качество. Иногда для снятия слоя применяются фрезы или абразивные камни.

Расчет режимов для стали 45 или бронзы кардинально отличается. Если обработка сплава меди – задача посильная для начинающего токаря, то высокоуглеродистое железо повышенной прочности требует профильных инструментов и оборудования большого класса точности. К таким изделиям в большинстве случаев предъявляются высокие требования по уровню отделки. Если медный сплав засчет своей пластичности и скользкости прощает небольшую небрежность, то микроскопические отклонения при производстве коленчатого или распределительного вала, деталей коробки скоростей резко снижают срок службы готового продукта и все эксплуатационные характеристики.

Принципиально существует несколько видов режущего механизма, подходящего для разнообразных операций. Они могут быть цельными из твердого сплава, сборными и комбинированными.

По возможностям подразделяются на следующие виды:

• Проходной – позволяет эффективно формировать цилиндрическую поверхность по внешнему радиусу;

• Расточной – с помощью него точатся внутренние диаметры после сверления;

• Отрезной – за счет конструкции способен углубляться в массив на пару сантиметров. Предназначен для отделения и заготовки канавок;

• Резьбовой – обладает заниженным профилем.

Дальнейшие модификации применяются для решения нестандартных задач (например, создание профиля с заданным углом).

Острие изготавливается из высокопрочных сплавов с содержанием вольфрама, титана, тантала и т. д. Широкое распространение получили инструменты на основе карбидов. В особо сложных случаях лучше использовать абразивные материалы, где присутствуют корунд, алмаз.

Намного проще обстоит дело с мягким сырьем (бронза, алюминий). Здесь достаточно стали марки Р5М6 или аналогов.

1. Как вычислить скорость

Насколько быстро резец движется вдоль цилиндрической поверхности, можно легко узнать по количеству оборотов и расстоянию от центра до точки соприкосновения. Интенсивность подачи влияет на это минимально.

Металлообработка — это многогранный процесс, требующий постоянного совершенствования технологий. На рынке периодически появляются новинки, существенно снижающие издержки и уменьшающие сроки изготовления. Например, ленточнопильные станки от производителя «Роста» позволяют снизить себестоимость выпускаемой продукции.

В заключение мы предоставляем вам два видео, из которых будет понятно, как определить типовые режимы резания, как произвести расчет, назначение операций, и как назначить задачи при автоматизированной точке.

1. Характеристики расчет режимов резания при токарной обработке

Точение – один из многофункциональных методов обработки деталей разного типа. Он используется для чистовой и черновой работы с изделиями в процессе выполнения их ремонта или изготовления. Внимательный подход к подбору режимов резанья обеспечивает существенное повышение продуктивности данного процесса.

1. Понятие о режимах резания

Под режимом резания чаще всего подразумевают характеристики, которые находят расчетным путем. Это глубина, скорость и подача. Данные величины являются очень важными. Без них качественно выточить любую деталь просто невозможно.

При расчете режимов работы учитывают и другие характеристики производимых рабочих манипуляций:

• допустимые припуски;

• вес заготовок;

• частота вращения шпинделя станка.

При необходимости учитываются много других характеристик тех элементов, которые влияют на процесс обработки деталей.

1. Характеристика режимов работы

Расчет операции резания выполняется с использованием специальных справочных и нормативных документов, которых на данный момент существует немало. Необходимо тщательно изучить представленные таблицы и выбрать в них подходящие значения. Правильно выполненный расчет гарантирует высокую эффективность применяемого режима обработки детали и обеспечивает достижение лучшего результата.

Основные виды токарных работ по металлу

Но такой метод расчета является не всегда удачным, особенно в условиях производства, когда нецелесообразно тратить много времени на изучение таблиц с огромным числом значений. Установлено, что все величины режимов резания взаимосвязаны между собой. Если изменить одно значение, закономерно, что все остальные характеристики обработки станут иными.

Поэтому очень часто специалисты предпочитают применять расчетную или аналитическую методику определения режимов резания. Используются специальные эмпирические формулы, при помощи которых определяются все необходимые нормы. Чтобы расчеты по данной методике были абсолютно точными, необходимо знать следующие параметры токарного станка:

• частота вращения шпинделя;

• величины подач;

• мощность.

На современных производствах для выполнения подобных расчетов используют специальное программное обеспечение. Специалисту достаточно ввести известные данные, после чего компьютер выдаст вычисляемые величины. Применение программ для расчетов существенно облегчает работу специалистов и делает производство более эффективным.

Устройство токарного станка

1. Схема расчетов

Перед выполнением расчетов операции резания необходимо определить, какой тип режущего инструмента будет использоваться в данном случае. При токарной или абразивной обработке хрупких материалов выбирают оснащение с минимальными показателями. Следует не забывать, что во время работы деталь обычно довольно сильно нагревается. Если скорость обработки будет очень высокая, она может деформироваться, что приведет к ее непригодности.

Процесс резания металла

Обязательно учитывается, какая обработка будет осуществляться – чистовая или черновая. В первом случае подбирают рабочие параметры, которые обеспечат максимальную точность. Специалисты обращают внимание и на толщину срезаемого слоя. В зависимости от данной характеристики выбирается количество проходок для выполнения обрезки на специальном оборудовании.

Глубина

Глубина является одним из важнейших параметров для обеспечения качества изготовленных заготовок. Она определяет толщину срезаемого слоя за одну проходку. При выполнении подрезки торца за глубину принимают диаметр детали.

Учитывается количество проходов, что определяется припусками на обработку:

Изменение обрабатываемого диаметра

• 60% на черновую;

• 20–30% на получистовую;

• 10–20% на чистовую.

Для определения глубины обрезки цилиндрических заготовок используется следующая формула:

k=(D-d)/2, где к – глубина обрезки, D – первоначальный диаметр, d – получаемый диаметр.

При определении режимов резания при работе с плоскими деталями вместо диаметров используют длину. Принято считать, что при черновой обработке глубина должна составлять больше 2 мм, получистовой – 1–2 мм, чистовой – меньше 1 мм. Данный параметр зависит от требований к качеству деталей. Чем меньше класс точности, тем больше проходов необходимо выполнить для достижения необходимых свойств изделий.

Схема черновой обработки металла

Подача

Пример построения траектории движения резца

Под подачей подразумевают величину перемещения резца за один оборот заготовки. При выполнении черновой обработки данный параметр может иметь максимально возможные значения. На завершительном этапе работ значение подачи определяется с учетом квалитета шероховатости. Данная характеристика зависит от глубины обрезки и габаритов заготовки. Чем меньше размеры, тем она ниже. При большой толщине срезаемого слоя выбираются минимальные параметры подачи.

Чтобы облегчить работу специалистам, разработаны специальные таблицы. Там указаны значения подачи при разных условиях режима резанья. Для выполнения точных расчетов иногда необходимо знать размер державки резца.

Если резанье выполняется с существенными ударными нагрузками, значения с таблицы необходимо умножать на коэффициент 0,85. При работе с жаропрочной конструкционной сталью подача не должна быть больше 1 мм/об.

Подачи при черновом наружном точении

Скорость

Скорость резания – это один из важнейших показателей, который определяется на этапе расчетов перед выполнением основных работ. Ее значения зависят от проводимых операций. Обычно отрезание торцов происходит при максимально возможной скорости. Сверление или точение имеют совсем иные требования к данному рабочему параметру. Поэтому для качественного выполнения поставленных задач необходимо знать следующее:

Таблица для расчета режимов резания

• тип выполняемой слесарной операции;

• вид применяемого токарного инструмента;

• материал, из которого изготовлена заготовка.

При традиционной токарной обработке скорость определяется путем умножения диаметра заготовки на количество ее оборотов за минуту и на π. Полученное значение необходимо разделить на 1000. Также скорость резанья можно определить, используя стандартные таблицы для режимов резанья.

Проверка выбранных рабочих характеристик

Когда глубина, подача и скорость определены, их необходимо проверить. Полученные рабочие параметры не должны быть больше нормативных значений, которые указаны в паспорте эксплуатируемого токарного станка.

Обязательно необходимо определить мощность оборудования. Для этого силу обрезки умножают на ее скорость и делят на 1000. Полученное значение сравнивают с тем, что указано в паспорте станка. Если рассчитанные по формулам параметры больше, необходимо корректировать глубину, подачу и скорость, чтобы избежать повреждения оборудования и инструментов.

Выбор материала резца при токарной обработке

1. Какой режущий инструмент использовать

Изготовление деталей на подобных станках осуществляется при помощи специальных токарных резцов. Они должны обеспечивать следующее:

Виды и назначения токарных резцов

• качественную обработку деталей с получением нужной формы и размеров;

• достижение высокого качества обрабатываемой поверхности;

• высокую производительность при минимальных энергетических затратах;

• технологичность в изготовлении;

• ремонтоспособность;

• минимальный расход дорогих материалов для их изготовления.

Токарные резцы классифицируют по разным параметрам. По виду производимых работ они могут быть отрезными, проходными, фасонными, подрезными и т. д. Резцы изготовляются из различных материалов – алмазов, вольфрама, титан-вольфрама и других. В зависимости от конструктивного исполнения данные инструменты бывают цельными, сборными и комбинированными.

Выбор конкретного типа инструмента осуществляется с учетом режимов проводимых рабочих операций, твердости заготовки, геометрических параметров режущей части и других характеристик.