Особенности работы режущих инструментов и их конструкции

Из-за тяжелых условий работы (большого вылета резца, затрудненных условий деформации металла при переходе в стружку, малой жесткости режущей части и, следовательно, низкой виброустойчивости) 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¢...З°. 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 γ 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. 3, 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. 3, е показаны геометрические параметры строгальных резцов при несвободном и свободном резании (без вспомогательных кромок), а на рис. 3, 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...12°. При несвободном строгании рекомендуется главный угол в плане φ = 20...45°. Для чистовых операций (под шабрение) желательно снижать угол φ1 до 0.

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 сменных многогранных пластин (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 высокие прочность, надежность и стойкость;

2. меньшие расходы на смену и утилизацию пластин;

3. меньшие 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. меньшие 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. 4, 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. 4, б).

Рис. 4. 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 крепления (по ИСО):

• прихватом сверху;

• рычагом через отверстие с прижатием к боковым стенкам гнезда;

• винтом с конической головкой;

• штифтом через отверстие и прихватом сверху.

Некоторые примеры конструктивного исполнения этих схем на резцах приведены на рис. 5.

Рис. 5. 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

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. 5, д), разработанные фирмой «Sandvik Coromant» (Швеция). Здесь крепление пластины осуществляется силами упругой деформации стенки паза державки.

Резцы, оснащенные керамикой и синтетическими сверхтвердыми материалами. Указанные 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. 6, а).

Рис. 6. 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

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. 6, б), либо с применением промежуточных вставок (рис. 6, в). В последнем варианте вставка прессуется и спекается вместе с алмазом методом порошковой металлургии. Механическое крепление алмаза показано на рис. 6, 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. 6, д). В сечении, нормальном к режущей кромке, радиус скругления режущего клина достигает величины r < 1 мкм. 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 коррозионно-стойких 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 З...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. 6, е). Такие пластины имеют более крупные размеры и их можно крепить механическим путем в державках, применяемых для крепления твердосплавных пластин.

 

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.

 

Стержневые фасонные резцы

Простейшим фасонным резцом является стержневой с приваренной или напаянной режущей пластинкой. Переточка по задней поверхности, то есть по всей профильной режущей кромке - сложная и трудоемкая операция, поэтому, как правило, фасонные резцы перетачивают по передней поверхности. После переточки по передней поверхности исходный профиль режущей кромки сохраняется.

Стержневой резец допускает только 3-4 переточки по передней поверхности, так как после каждой переточки, чтобы установить режущую кромку резца по центру заготовки, резец поднимают выше при помощи подкладок, и он может упереться в верх паза резцедержателя.