Глава2 режущие инструменты для станков счпу

§ 2.1. Основные особенности инструментов для станков с чпу

Эффективность применения станков с ЧПУ в значитель­ной мере зависит от технического уровня применяемой инструмен­тальной оснастки — режущего и вспомогательного инструмента. На станках с ЧПУ, в том числе и на многоцелевых, в серийном и мелкосерийном производстве используют стандартные универсаль­ные режущие инструменты. Отсутствие специальных инструментов является одним из преимуществ станков с ЧПУ. Однако по срав­нению с инструментами для обычных станков значительно повы­шаются требования к качеству инструмента, в частности, к точ­ности размеров, геометрической форме, качеству заточки, мате­риалу инструмента, дроблению стружки. Это обеспечивает высо­кую режущую способность, стойкость, надежность (долговечность) работы инструмента, что обусловливает длительную автоматиче­скую работу станков и высокую производительность обработки.

На станках с ЧПУ применяют инструменты, оснащенные твер­дым сплавом и сверхтвердыми материалами (CTM).

§ 2.2. Инструменты для станков токарной группы

2.2.1. Резцы

Качество металлообработки на токарных станках с ЧПУ в значительной степени зависит от точности и стабильности пози­ционирования режущего инструмента. Номенклатура применяемо­го режущего инструмента определяется на основе анализа типовых деталеопераций, производимых на станках с ЧПУ.

Поскольку токарные станки с ЧПУ обеспечивают большую ско­рость резания, режущие кромки инструмента нагреваются до вы­соких температур (1000^СС). В этих условиях не могут работать инструменты из быстрорежущей стали, красностойкость которых не превышает 650°С. Более высокой красностойкостью (до 1200°С) и стойкостью на истирание обладают твердые сплавы, основой которых являются карбиды вольфрама и титана.

Вольфрамовые сплавы типа ВК более вязки, чем титановольфрамовые типа ТК. Поэтому твердые сплавы типа ВК применяют­ся для обработки чугунов, а типа ТК — для обработки сталей.

На станках с ЧПУ токарной группы особенно эффективно при­менение инструментов с многогранными неперетачиваемыми пластинами из твердого сплава и сверхтвердых материалов, обеспечи­вающими стабильность геометрии, возможность использования максимальной мощности станка, повышенную стойкость инстру­мента, быструю замену режущих элементов.

Рис. 2.1. Типы многогранных сменных пластинок:

а — ромбические; б — трехгранные с изломом сторон; в — трехгранные; г — четырехгран­ные; д — пятигранные; е — шестигранные

Для обработки ста­ли рекомендуются пластины из твердых сплавов Т5КЮ (85% кар­бида вольфрама, 6% карбида титана и 9% кобальта) и Т14К8 (78% карбида вольфрама, 14% карбида титана и 8% кобальта). Для обработки чугуна рекомендуются пластины твердых сплавов ВК4 (96% карбида вольфрама и 4% кобальта) и ВК6 (94% кар­бида вольфрама и 6% кобальта).

На станках с ЧПУ токарной группы применяют резцы со сле­дующими многогранными пластинами (рис. 2.1): ромбические пластины с углами при вершине 80°, применяемые для универ­сальных проходных и подрезных резцов, а также для расточных (рис. 2.1,а); трехгранные пластины с изломом сторон с углами при вершине 80°, применяемые для универсальных проходных и расточных резцов (рис. 2.1,6); недостатком их является сущест­венно меньшая длина режущей кромки и менее определенное ба­зирование относительно державки резца; трехгранные пластины с прямолинейными сторонами и углами при вершине 60° (рис. 2.1, в), применяемые у резцов для контурного точения, а также для про­ходных упорных резцов; пластины параллелограммные (правые и левые) с углом при вершине в плане 55°, применяемые для про­ходных контурных резцов, в тех случаях, где не могут быть использованы трехгранные пластины (например, если их не позволяет использовать геометрия обрабатываемой заготовки); четырехгран­ные (рис. 2.1, г), пятигранные (рис. 2.1,(3), шестигранные (рис. 2.1, е) пластины, предназначенные для проходных и подрез­ных резцов для предварительной обработки.

Для дробления стальной стружки в пластинах предусмотрены стружкозавивающие порожки или лунки, получаемые, заточкой или при прессовании пластин. Для повышения износостойкости плас­тин с одновременным повышением механической прочности приме­няют неперетачиваемые пластины из вязкого твердого сплава ти­па Т5КЮ или Т5К2 с износостойким покрытием. На окончательно обработанную пластину наносят тонкий слой (5—8 мкм) карбида титана.

Для повышения надежности (долговечности) режущих неперетачиваемых пластин, а также предохранения державки резца от повреждения при поломке режущих пластин под ними устанавли­вают твердосплавные опорные подкладки, форма которых соответ­ствует форме режущих пластин. Для обработки на токарных стан­ках с ЧПУ всех поверхностей заготовок за один цикл с автомати­ческим вводом в работу установленных на станке инструментов наиболее широко применяют универсальные резцы, позволяющие обрабатывать несколько видов поверхностей. Применение универ­сальных резцов обеспечивает возможность обработки всех поверх­ностей заготовки минимальным числом инструмента, обусловли­ваемым числом инструментальных позиций на станке, а также со­кращает вспомогательное время, затрачиваемое на смену инстру­мента.

Для наружного обтачивания заготовок применяют резцы то­карные сборные проходные с механическим креплением много­гранных пластин из твердого сплава с главным углом в плане φ = 45°, 60° и 92°. Резцы с φ = 45° и 90° могут применяться не толь­ко для наружного обтачивания, но и для подрезания торцов.

Резец (рис. 2.2, а) состоит из державки 1 с запрессованным в нее штифтом 4, служащим для закрепления твердосплавной опор­ной пластины 2. На штифт 4 свободно надевают многогранную твердосплавную пластину в, закрепляемую между штифтом и зад­ней опорной стенкой державки посредством клина 5 и винта 6. Задние углы а и ai получаются за счет соответствующей установ­ки пластины на державке резца. Угол установки пластины на рез­цах уменьшен для повышения их эксплуатационной стойкости, снижения сил резания и степени деформации стружки. Резцы дан­ной конструкции отличаются большой универсальностью, надеж­ностью, технологичностью и хорошим завиванием и дроблением стружки в диапазоне подач 0,3—0,8 мм/об. Резцы оснащаются стандартными многогранными пластинами с отпрессованными стружколомательными канавками. Пластины не перетачиваются. После износа одной из режущих кромок пластину поворачивают, и в работу вступает следующая кромка.

Рис. 2.2. Резцы с механическим креплением пластинок

Для контурной обработки фасонных деталей сложной конфигу­рации (врезание и обработка уступов, сферических поверхностей, конусов, канавок и др.) с одной установки применяют резцы для контурной обработки с механическим креплением параллелограммных и трехгранных пластин из твердого сплава. Резцы имеют уменьшенный угол при вершине 55—60°. Резец, оснащенный пла­стиной параллелограммной формы (рис. 2.2,6) состоит из держа­вок 3 с пазом под твердосплавную подкладку 5, которая крепится в пазу посредством штифта 4. Режущая пластина 6 имеет канавки вдоль режущих кромок и канавку на передней части, полученные при прессовании. Пластина крепится Г-образным прихватом 2 сверху и затягивается винтом 1. Верхняя часть прихвата входит в канавку на передней части пластины и затягивает ее в гнезде. Такими резцами также обтачивают канавки для выхода шлифо­вального круга с углом входа 30°, что позволяет заменить канавочный резец. Резец, оснащенный трехгранной пластиной правиль­ной формы (рис. 2.2,в), состоит из державки 3, в которой имеется паз под твердосплавную опорную подкладку 5, легко надеваемую на штифт 4, запрессованный в державке. На штифт свободно на­девается пластина 6 и закрепляется между штифтом и задней опорной стенкой державки посредством клина 2 и винта 1. Для уменьшения отрицательного угла наклона главной режущей кром­ки разворот пластины в гнезде державки осуществляется не по оси симметрии пластины, а в плоскости, расположенной под углом 45° к оси резца. Задние углы у резца при этом по главной задней поверхности равны 7°, по вспомогательной задней поверхности 20°30'. Резец широкоуниверсален: имеет три режущие кромки, бо­лее прочную вершину, прост в изготовлении. Применение резцов обеспечивает надежность крепления, хорошую работоспособность.

Для удобства программирования координаты вершины резца от боковой базовой стороны для всех резцов с неперетачиваемыми многогранными пластинами с одним сечением державок и одина­кового назначения приняты одинаковыми, что исключает ошибки при замене одного резца другим аналогичного назначения, но с различными пластинами.

На станках с ЧПУ используются также регулируемые резцы с уменьшенными габаритами — резцовые вставки (рис. 2.2,г), на­страиваемые на размер вне станка посредством регулировочных винтов державок. Регулирование и настройка вставок по длине осуществляется регулировочным винтом со сферической головкой, ввинченным в задний торец вставки. Головка винта упирается в жесткий штырь, установленный в теле державки резца. Настройка вставок по оси X производится боковым регулировочным винтом. При вращении винта вершина вставки перемещается по радиусу, причем радиальный размер изменяется несущественно. Закрепле­ние вставки в державке резца осуществляется либо клином, взаи­модействующим с верхней поверхностью державки вставки, ско­шенной под углом 15°, либо наклонным винтом, проходящим через овальные отверстия вставки. При этом вставка надежно базирует­ся шлифованными опорной и боковой поверхностями в державке резца.

Резцовые вставки выполняются квадратного сечения. Номен­клатура резцовых вставок предусматривает: резцовые вставки про­ходные, для контурного точения, с ромбическими, параллелепипедными, трехгранными и четырехгранными пластинами, а также резцовые вставки для нарезания резьбы. Номенклатура резцовых вставок, их геометрия, форма и размеры многогранных пластин совпадает с нерегулируемыми резцами. Это обеспечивает возмож­ность обработки резцовыми вставками тех же поверхностей, что и резцами. Резцовые вставки применяют на станках с ЧПУ для непосредственного закрепления в точных пазах револьверных голо­вок при отсутствии на станках промежуточного элемента — резцо­вого блока.

Для нарезания внутренних резьб с шагом до 2 мм применяют резцы с механическим креплением пластин, а для нарезания резьб с шагом 2...2,5 мм — резцы с напайными твердосплавными пла­стинами. Для нарезания наружной резьбы применяют токарные сборные резцы с механическим креплением ромбических твердо­сплавных пластин двух типов: для нарезания резьбы с шагом 1,5...4 мм с диаметром вписанной окружности 7,1 мм и для на­резания резьбы с шагом 4...6 мм с диаметром вписанной окруж­ности 8,5 мм. Форма пластин позволяет создать угол при вершине, равный 59°30', что предохраняет резьбу от разбивания и не тре­бует заточки резца по шаблону. Ромбическая пластина 3 устанав­ливается в гнезде державки 4 (рис. 2.2,(3) на опорной твердо­сплавной пластеине 2 и закрепляется посредством прихвата 6 и винта 5. От бокового поворота пластину предохраняет самоуста­навливающийся опорный штифт 1 со срезанной сегментной голов­кой. Такие резцы отличаются от резцов с напаянными пластина­ми — они компактны, имеют повышенную стойкость при нарезании резьбы с минимальным числом рабочих ходов. Необходимые гео­метрические параметры режущей части обеспечиваются благодаря установке пластины в державке под углом 10° и наличию выкру­жек вдоль режущих кромок. Это позволяет снизить силу резания и повысить точность нарезаемой резьбы.

Токарные сборные проходные резцы с механическим крепле­нием пластин из безвольфрамового твердого сплава предназначе­ны для чистовой и получистовой обработки заготовок из конструк­ционных и низколегированных сталей. Резцы комплектуются не-перетачиваемыми пластинами из безвольфрамового сплава квад­ратной и трехгранной формы. Такие резцы повышают точность и производительность обработки, стойкость их увеличивается в 1,5 раза по сравнению с резцами с напайными твердосплавными пла­стинами из сплава Т15К6. Применение инструмента с режущими сменными пластинами из керамики, обладающей высокой тепло­стойкостью (1200... 1400^СС), твердостью до НВ 30000 МПа, изно­состойкостью, химической устойчивостью, обеспечивает обработку деталей из сталей и чугуна с большими (до 8 раз) скоростями резания по сравнению с инструментом, оснащенным пластинами из твердых сплавов. Применение инструмента из керамики позво­ляет уменьшить основное (машинное) время обработки от 1,5 до 8 раз, заменить дефицитные вольфрамосодержащие твердые спла­вы, снизить шероховатость обработки, повысить качество обработ­ки поверхностного слоя закаленных сталей по сравнению с шли­фованной.

Режущие керамические материалы применяют трех основных групп: оксидная, состоящая из оксида алюминия (99%) с незна­чительными добавками оксида магния или других элементов. К ней относятся керамика ВО 13, ЦМЗЗЗ (белая), ВШ-75. Такие материалы применяют при чистовом или получистовом точении незакаленных или улучшенных конструкционных и легированных сталей и серых чугунов. Оксидно-карбидная керамика состоит из оксида алюминия 60—80%, карбидов и окислов тугоплавких ме­таллов. К ней относятся ВОК60 и ВЗ. Эти материалы применяют при обработке закаленных сталей, ковких, модифицированных и отбеленных чугунов. Группа на основе нитридов кремния состоит из нитридов кремния и тугоплавких материалов с включением оксида алюминия и некоторых других компонентов. К ней относят­ся кортинит ОНТ-20 и силинит-Р. Эти марки материала применяют при обработке улучшенных закаленных сталей, модифицирован­ных и отбеленных чугунов.

Механическая обработка инструментом, оснащенным сверх­твердым материалом (СТМ), характеризуется следующими осо­бенностями: возможностью обработки различных материалов прак­тически любой твердости, что позволяет осуществлять точение после термообработки. Высокая режущая способность СТМ позво­ляет работать на высоких скоростях резания (5000 м/мин при об­работке чугунов и 400... 600 м/мин при обработке закаленных сталей), при этом стойкость инструмента весьма высока, а износ небольшой. Работа на высоких скоростях резания и уменьшенных глубинах резания снижает силы резания, сокращает деформации системы станок — приспособление — инструмент — заготовка и, следовательно, повышает точность обработки, а также уменьшает износ узлов станка и приспособлений. Использование СТМ обес­печивает высокую точность обработки при длительной работе, что особенно важно для гибких производственных систем, а также низкую шероховатость обработанной поверхности.

Пластины из композиционных материалов, например компози­та 01, применяют для тонкого и чистового точения (без удара) заготовок из закаленных сталей и чугунов любой твердости, твер­дых сплавов с содержанием кобальта не менее 15%, с глубиной резания 0,05... 0,4 мм (максимально допустимая глубина резания 1 мм). Цельные пластины из композита 05 применяют для пред­варительного и окончательного точения (без удара) заготовок из закаленных сталей с твердостью не более HRC₉60 и чугунов лю­бой твердости с глубиной резания 0,05...3,0 мм; цельные пласти­ны из композита 10 и двухслойные из композита 10Д применяют для предварительного и окончательного точения (с ударом и без удара).

Токарные сборные резцы с механическим креплением много­гранных и круглых пластин из композиционных материалов (рис. 2.2, е) предназначены для предварительного и окончательно­го точения, растачивания и подрезания торцов деталей из зака­ленных сталей, чугунов, твердых сплавов, труднообрабатываемых сплавов на основе никеля. Такие резцы обеспечивают повышение производительности в 1,5... 3 раза по сравнению с точением твер­досплавными резцами и шлифованием. Пластины закрепляют в державке резца прихватом и винтом. Вставки из композиционных материалов диаметром 8... 16 мм обеспечивают шероховатость поверхности Rа = 0,1 ...0,8 мкм. Сборные токарные резцы: проход­ные, подрезные и расточные с механическим креплением много­гранных пластин из композиционных материалов (шестигранных или ромбических) имеют главный угол в плане 95° и 93°. Точение резцами из композиционных материалов особенно эффективно при обработке заготовок со сложным контуром с точным взаимным расположением поверхностей. Точение такими резцами обеспечи­вает шероховатость поверхности Rа = 0,1 мкм.

Сверхтвердый материал ПТНБ — поликристаллы твердого (ку­бического) нитрида бора по твердости приближается к алмазу, и превышает более чем в 3 раза твердость керамики и в 5 раз твер­дость быстрорежущей стали. Он также значительно превосходит все материалы, применяемые для лезвийного инструмента по теп­лостойкости: алмаз — в 1,9 раза, быстрорежущую сталь — в 2,3 ра­за, твердый сплав — в 1,7 раза, керамику — в 1,2 раза. Высокие физико-химические свойства поликристаллов твердого нитрида бора позволяют эффективно использовать их в режущем инстру­менте для чистовой и тонкой обработки заготовок из закаленных сталей различной твердости, чугунов, цветных металлов. Приме­няют различные типы сборных и цельных резцов из ПТНБ: про­ходные, расточные, резьбовые, фасонные, отрезные, подрезные.

Наиболее эффективной областью применения резцов, оснащен­ных гексанитом-Р, является обработка чугунов, закаленных и не­закаленных сталей. Высокая производительность процесса реза­ния сочетается с отсутствием прижогов, вырывов, сетки микротре­щин, имеющих место при шлифовании. Отличительной особен­ностью таких резцов является способность работать в условиях ударных нагрузок, что дает возможность использовать их на получистовых и чистовых операциях при обработке заготовок с преры­вистой поверхностью.

Основной формой пластин из СТМ проходных токарных и рас­точных резцов является шестигранная. Такие пластины имеют оптимальную геометрию, достаточную длину режущей кромки. Для резцов, работающих в упор при точении как цилиндрических, так и торцовых поверхностей, предусмотрена пластина ромбиче­ской формы с углом при вершине 80°. Взамен пластин трехгран­ной формы, надежное крепление которых трудно обеспечить, реко­мендуются ромбические пластины с углом при вершине 60°.

Для расточных работ, выполняемых на токарных станках с ЧПУ, применяют резцы с твердосплавными напаянными пласти­нами и сборные резцы с механическим креплением многогранных пластин. Минимальный диаметр растачиваемого отверстия 12 мм. Для обработки отверстий диаметром 12...20 мм применяют напайные резцы с цилиндрическим хвостовиком и с конической ра­бочей частью. Твердосплавная пластина впаивается в открытый со стороны торца паз, что обеспечивает высокую надежность за­крепления пластины и демпфирование рабочей части резца в про­цессе резания. Основным типом резца является резец с главным углом в плане 92°, обеспечивающий расточку ступенчатых отвер­стий с зачисткой торцовых ступеней. Резцы закрепляют в призма­тических пружинящих переходниках, устанавливаемых в резцовых блоках с призматическими пазами.