Дисциплина: «Процессы формообразования и инструменты»

1. Инструментальные углеродистые и легированные стали. Марки, свойства и область применения.

Углеродистые стали появились в середине 19 века и более пятидесяти лет были единственным материалом для изготовления режущего материала. Содержание углерода в них, от которого зависит свойства стали, составляет 0,6 -1,4%. Для получения высокой твердости углеродистые стали подвергают закалке (нагревают до 750-820°С и быстрого охлаждения в воде) со следующим отпуском при тем-ре 120 - 150°С для сжатия внутренних напряжений и повышение прочности и вязкости. Марки: У7; У7А; У8; У10; У10А; УН; У13; У13А. (У12А- угл. ст. 1,2%С, высококачественная)

Область применения: для изготовления ручного ин-та (зубило, отвертки, кернеры, ножницы), низкая теплостойкость, низкая твердость.

Легирование стали появились в конце 19 века. Это углеродистые стали легированные хромом -X, вольфрамом -В, ванадием - Ф, кремнием - С и др. элементами. Хром обеспечивает глубокую прокаливаемость и повышенную твердость; ванадий создает наиболее твердые и стойкие карбиды и благоприятствуют получению мелкозернистой структуры. Подвергаются термической обработке.

Марки: хромистые, хромокремневые, хромомолибденовые, хромовольфрамовые, хромованадиевые; 9ХС; ХВГ; ХВ5; 7ХФ; 10ХФ; ХВ4; 9ХВГ; 4Х5НФ1С; 5ХЗВЗМФС.

Область применения: метчики, зубила, калибры, сверла, развертки, гребенки, фрезы, при низких скоростях резания, протяжки разнокатные.

2. Быстрорежущие стали. Марки, свойства и область применение

Быстрорежущие стали появились в начале 20 века. Основным, легирующим элементом в них является вольфрам (6-18%). Помимо вольфрама быстрорежущие стали содержат ванадий, хром, кобальт, молибден. Введение их в сталь приводит к образованию сложных карбидов, связывающих почти весь углерод, в результате чего сталь приобретает высокую твердость, теплостойкость (до 650 С), износостойкость, сопротивляемость пластическому деформированию и хорошую прокаливаемость.

Быстрорежущие стали в зависимости от хим.состава различают:

1. Вольфрамовые, Р18

2. Вольфрамомолибденовые, Р6М5

3. Вольфрамованадиевые, Р12ФЗ

4. Кобальтовые, Р6М5К5

5. Безвольфрамовые, КМ5К5, ТМ20

По эксплуатационным свойствам различают стали:

1. Обычной производительности:

- вольфрамовые: Р18, Р9, Р12(дорогие, малопластичны, маловязкие);

- вольфрамомолибденовые: Р6М5; Р8МЗ (более дешевые, пластичные);

2. Повышенной производительности:

- вольфрамованадиевые: Р12ФЗ; Р6М5ФЗ (износостойкие, теплостойкие, повышенной твердости, но плохо шлифуются);

- вольфрамомолибденовые с повышенным содержанием углерода: 10Р6М5 9высокая однородная структура, более тв., износостойкие);

Область применения: для обрабатывания труднообрабатываемых мат-ов при высоких скоростях резания.

3. Высокая производительность - это стали с интерметаллидным упрочнением: Bl 1M7K23; В14М7К25. Область, применения: для обработки титановых сплавов жаропрочных сталей, имеет стойкость от 10 до 40 раз больше чем сталь Р18.

3. Твердые сплавы. Марки, свойства и область применения.

Твердые сплавы получают спеканием при тем-ре 1500°С карбидов титана, карбидов вольфрама с металлическим кобальтом. Кобальт является связкой, карбиды выполняют роль режущих элементов. Св-ва: HRC = 88...91; Q= 800- 1000°С; 1000-1800 МПа.

Преимущества: высокая твердость, высокая износостойкость, высокая теплостойкость. Недостатки: низкий предел прочности на изгиб, плохо воспринимает ударные нагрузки. Виды твердых сплавов:

1. Вольфрамокобальтовые твердые сплавы ( однокарбидные ВК)

Марки:ВК2; ВКЗ; ВК6; ВК8; ВК10 (ВК - 1% кобальта, 98% карбидовольфрама) чем больше кобальта, тем больше вязкость.

Обл. прим: для обработки чугунов, тугоплавких мат-ов, для черновой обработки стали.

2. Вольфрамотитанокобальтовые сплавы (двухкарбидные ТК)

Марки: Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10 (Т5К10 - 1-% кобальта, 5% карбидатитана, 85% карбидовольфрама). Область прим.: для обработки стали на высоких скоростях резания.

3. Вольфрамотитанотантанокобальтовые (трехкарбитные ТТК)

Марки: ТТ7К12, ТТ8К6 (ТТ7К12 - 12% кобальта, 7% карбидатитанотантана, 81% карбидовольфрама). Обл.прим: для обработки сталей, чугунов и цветных металлов с большими сечениями среза при прерывистом резании.

4. Безвольфрамовые твердые сплавы (БВТС) - сплавы на основе карбида и карбонитрида титана, сцементированных никелемолибденовой связкой (М + Мо). Марки: ТМ1, ТМЗ, ТН20, КНТ16, ТН30, ТН40, КНТ12, КНТ20, КНТ30. Обл.прим: чистовое и получистовое точение и фрезерование.

4. Минералокерамические материалы. Марки, свойства и область применения. В Зависимости от хим.состава сущ следующие типы:

1. Оксидная керамика (белая А1₂0з - 99%) Марки: ЦМ332 HRC91 30кГс/мм²Т=1300°С

ВО 13 HRC92 45кГс/мм²

ВЛ75 HRC 91-92 50 кГс/мм²

Преимущества: дешевизна, высокая твердость, температура устойчивость. Недостатки: низкая прочность, теплопроводность Применение: при чистовой и получистовой обработке сырых сталей, серых чкгкнов с высокими скоростями резания.

2. Оксидно-карбидная керамика (черная А^Оз - 60%). Марки: ВОК-60 HRC-94 60кГс/мм² Т=1000°С

В-3 j HRC-93 65кГс/мм²

40К-63 HRC- 94 70 кГс/мм²

Преимущества: высокая твердость, прочность. Недостатки: пониженная температура устойчивость, дороговизна.

Применение: для чистовой обработки и получистовой, прерывистой обработке, ковки высокопрочных чугунов, закаленных сталей, для обработки цветных металлов.

3. Керамика на основе карбида кремния. Преимущества: высокая твердость, прочность. Недостатки: стоимость, температура устойчивость Применение: для обработки чугунов, сплавов на основе никеля.

5. Сверхтвердые инструментальные материалы. Марки, свойства и область применения. К режущим сверхтвердым материалам относятся природные алмазы и синтетические алмазы, композиты.

1. Природные алмазы. Различают два типа природных алмазов: ювелирные и технические. Технические алмазы:

НУ=10⁵МПа =500МПа Q = 700 МПа Преимущества: высокая твердость, теплопроводность, низкий коэф. трения, выс-ая износостойкость, острая кромка.

Недостатки: дороговизна, низкий предел прочности, склонность к диффузии при обработке сталей и чугунов. Область прим-я: для шлифовальных и доводочных операций.

2. Синтетические алмазы.

Марки: бротсы, балласы (АСБ), карбонадо (АСПК). HV = 9...11 *10⁴МПа = до 600 МПа Q = от 600 до 800 С. Преимущества: высокая твердость, теплостойкость, большие размеры зерна. Недостатки: дороговизна, хрупкий, склонность к деформациям.

Область прим-я: чистовая обработка цветных сплавов, труднообрабатываемых мат-ов, керамики, стекло, пластмассы.

3. Композиты на основе кубического нитрида бора.

Марки: композитО 1 (эльбор), композит02 (белбор), композитОЗ (Измит). HV = 7,5МПа = 560МПа Q= 1200 С Преимущества: высокая твердость, высокая теплостойкость. Недостатки: хрупкость, дороговизна.

Область прим-я: чистовая обработка, тонкое точение, фрезерование закаленных сталей, чугунов на высоких скоростях резания V=900m/m

6. Конструкционные и геометрические элементы резца. Основные типы токарных резцов. Схемы обработки.

1. Обрабатываемая пов-ть.

2. Поверхность резания - пов-ть с которой контактирует режущий инструмент.

3. Обрабатываемая пов-ть. Конструкционные элементы резца: I - головка резца 11 - державка резца.

1 - передняя поверхность (по ней сходит стружка)

2 - главная задняя поверхность (нах-ся на стороне пов-ти резания)

3 - главная режущая кромка (контактирует с пов-тью резания)

4 - вспомогательная задняя поверхность

5 - вспомогательная режущая кромка (находится на стороне обработанной пов-ти и в процессе резания не участвует)

6 - вершина резца. Геометрические элементы резца.

1-основная плоскость - плоскость на которой лежит резец.

2-плоскость резания — касательно главной режущей кромке и пов-ти резания, перпендикулярна основной плоскости.

3-вспомогательная плоскость - касательно вспомогательной режущей кромке и перпендикулярно основной плоскости.

АА-главная секущая плоскость - перпендикулярна главной режущей кромке и основной плоскости.

ВВ-вспомогательная секущая плоскость - перпендикулярна главной вспомогательной режущей кромке и основной плоскости.

у - главный передний угол - это угол между плоскостью касательной передней пов-ти и основной плоскостью приведенной к вершине инструмента, рассмотренный в главной секущей плоскости АА. у делается для облегчения процесса резания, чем больше угол у, тем лучше сход стружки по передней пов-ти.

а - главный задний угол - это угол между плоскостью касательной главной задней пов-ти и плоскостью резания,

рассмотренный в главной секущей плоскости АА. а уменьшает трение главной задней пов-ти инструмента о пов-ть резания.

Р - угол заострения - это угол между касательной передней пов-ти инструмента и плоскостью касательной главной задней пов-ти, рассмотренный в главной секущей плоскости АА. р определяет прочность инструмента, р=90-(а+у), где (у+)

5 - угол резания - это угол между плоскостью резания и плоскостью касательной передней пов-ти резца. Чем

больше угол 5, тем меньше угол у, тем сход стружки хуже, врезание ин-та затруднено. 8=90-у, где (у+).

Yi - вспомогательный передний угол - это угол между плоскостью передней пов-ти и основной плоскостью приведенной к вершине резца, рассмотренный во вспомогательной секущей плоскости ВВ.

он - вспомогательный задний угол - это угол между вспомогательной поверхностью и задней касательной вспомогательной пов-тью, рассмотренный во вспомогательной секущей плоскости ВВ.

Pi - вспомогательный угол заострения - это угол между плоскостью касательной задней пов-ти инструмента и плоскостью касательной вспомогательной передней пов-ти, рассмотренный во вспомогательной секущей плоскости ВВ.

Ф - главный угол в плане - это угол между направлением вектора подачи инструмента и режущей кромкой, ф делается для того чтобы главная режущая кромка могла воздействовать на глубину срезаемого слоя, он влияет на износостойкость, чем меньше угол ф, тем больше прочность ин-та, лучше теплоотвод, но сила резания большие.

ф1- вспомогательный угол в плане - это угол между вспомогательной режущей кромкой и обработанной поверхностью. Он делается для исключения трения вспомогательной режущей кромки с обработанной поверхностью, чем больше угол ф[ тем качество обработанной пов-ти лучше, но прочность ухудшается, теплоотвод ухудшается.

8 - угол при вершине - это угол между главной режущей кромкой и вспомогательной режущей кромкой, влияет на прочность инструментам 180-(ф+ф1).

X - угол наклона главной режущей кромки - это угол наклона главной режущей кромки и основной плоскостью. X определяет направление схода стружки. X, (-) вершина самая высокая точка режущей кромки, в процессе эксплуатации начальную точку воспринимает вершина, стружка направлена в сторону обрабатываемой пов-ти, применяют для чистовой обработки; Х(+) вершина наименьшая точка режущей кромки, резец Х(+) делают для упрощения режущей кромки т.к. в момент врезания резца ударная сила не приходится на вершину, а на середину режущей кромки (более прочное место), стружка направлена на обработанную пов-ть, прим-ся при черновой обработке. А,(0) стружка сходит в направлении главной секущей плоскости перпендикулярно главной режущей кромке.

Основные типы токарных резцов:

1. Токарный проходной прямой резец.

2.Токарный проходной отогнутый резец. Применяют для обработки наружных поверхностей. Значение геометрических и конструкционных элементов этих резцов выбирают по нормалям и ГОСТ, исходя из условий обработки. Для прямых резцов обычно главный угол в плане ф=45...60, а ф] =10...15. У отогнутых ф= ф1 = 45. Эти резцы работают как проходные с продольным движением подачи и как нарезные с поперечным.

3. Проходной упорный резец - применяют для одновременной обработки цилиндрической пов-ти и торцевой плоскости. Резец работает с продольным движением подачи ф=45. Таким резцом рекомендуется обрабатывать нежесткие валы. При обработке таким резцом радиальная составляющая силы резания Р_у = 0, что снижает деформацию заг-ки.

4. Токарные подрезные резцы - применяют для подрезания торцов заг-ок. они работают с поперечным движением подачи ин-та по направлению к центру или от центра заг-ки.

5. Расточные резцы используют для растачивания отверстий, просверленных или полученных штамповкой или литьем. Применяют два типа расточных резцов: а) проходные для сквозного растачивания; б) упорные для глухого растачивания. У проходных резцов ф=45... 60, у упорных ф>90.

6. Отрезные резцы применяются для разрезания заг-ки на части, отрезания обработанной пов-ти и для прорезания канавок. Работает с поперечным движением подачи. Отрезной резец имеет главную режущую кромку, расположенную под углом ф=90 и две вспомогательные прямые с углами ф1=1...2. У стандартных резцов ширина режущей кромки а=3... 10 мм, выбирают в зависимости от диаметра заг-ки а=0,6Д°'⁵

7. Элементы режимов резания и срезаемого слоя при токарной обработке. Основное технологическое время при обработке резание.

Элементы срезаемого слоя.

а - толщина срезаемого слоя - это расстояние между двумя последовательными положениями пов-ти резания за

один оборот заг-ки

в - ширина срезаемого слоя - это величина контакта режущей части кромки с обрабатываемой пов-тью.

Элементы режимов резания.

1. Глубина резания - это расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями заготовки, t=D-d/2.

2. Подача - это величина перемещения точки режущей кромки относительно обработанной пов-ти в единицу времени, в направлении движения подачи. Продольные - движение вдоль оси заготовки; поперечные - перпендикулярно оси заг-ки; наклонные - движение под углом относительно оси заг-ки. Подача на оборот — подача соответствующая одному обороту ин-та или заг-ки, т.е. величина перемещения стола с обрабатываемой заготовкой или ин-та за один ее оборот, So=S_z х z (мм/об.), z-число зубьев ин-та. Подача на зуб - наз-ся величина перемещения стола с обрабатываемой заготовкой или ин-та за время ее поворота на один зуб, (мм/зуб). Минутная подача -наз-ся величина перемещения стола с обрабатываемой заг-ой или ин-та за 1 минуту, S_MMH = S_z^xz*n=So><n (мм/мин), w-частота вращения шпинделя станка.

3.Скорость - величина перемещения точки режущей кромки относительно пов-ти резания в единицу времени, V = 7iDn/1000

4.Частота вращения: n=1000v/7iD;

5.Основное время — это время непосредственной обработки заг-ки, T=(L/nS)i, L=l+li+l₂-nyTb ин-та в направлении подачи, li=t^xctg(p - величина врезания, 1i=2...5mm - величина перебега.

Основное время - это время непосредственной обработки заг-ки без участия человека, в процессе которого происходит снятие стружки. T=(L/nSo)i (мин), L=l+li+h - путь ин-та в направлении подачи;

/ - длина обработанной пов-ти; Ь - длина врезания, h=t ctgtp (мм); 1₂ - величина перебега, Ь=7... 5 I - число ходов.

8. Силы сопротивления резанию при точении. Действие сил сопротивления резанию на инструмент, станок, деталь.

При срезании стружки с обрабатываемого изделия резец преодолевает силы сцепления частиц металла испытываемого давлением со стороны изделия при этом такое же движение испытывает изделие со стороны ин-та. Возникает сила сопротивления резанию Р - равнодействующая сила. Для простоты равнодействующую силу Р раскладывают по координатным осям:

Pz - сила резания

Рх - сила подачи

Ру - радиальная сила Р = V P_z² + Р_х² + Р_у²

Сила резания Pz - главная (касательная) составляющая сила резания Pz совпадает по направлению со скоростью главного движения резания в вершине лезвия. С учетом силы Pz рассчитывают на прочность детали и узлы коробки скоростей станка, а также прочность резца.

Радиальная сила Ру - радиальная составляющая силы резания Ру направлена по радиусу вращательного движения резания в вершине лезвия (перпендикулярно оси заготовки). Эта составляющая определяет силу отжима резца заготовки и прогиб заготовки, влияющей на прочность изготовления детали; по силе Ру рассчитывают на прочность механизм поперечной подачи

Сила подачи Рх - осевая составляющая силы резания Рх действует параллельно оси главного вращательного движения резания. По этой силе рассчитывают механизм продольной подачи станки и изгибающий момент, действующий на стержень резца.

Pz = C_Pz t^xS^yV^zK_Pz

Py=C_Pyt^xS^y V^zKpy

Рх = C_PxfS^yV^zKp_x

Действие сил сопротивления резанию на инструмент.

Сила Pz изгибает резец в вертикальной плоскости и приживает пластину к телу резца. По силе Pz рассчитывают сечение державки резца на изгиб.

Сила Рх - сила подачи - изгибает резец в горизонтальной пл-ти, выворачивает резец из резцедержателя. По силе Рх рассчитывают сечение державки чернового резца.

Сила Ру - отталкивает резец от заготовки и пытается сместить его относительно резцедержателя. По силе Ру рассчитывают прочность крепления резца в резцедержателе.

Действие сил сопротивления резанию на заготовку.

Сила Рг' - создает момент сопротивления резанию от шпинделя станка. По этой силе рассчитывают мощность электродвигателя станка.

Сила Р_х' создает момент вывертывания с места крепления, вывертывание заготовки их центров патрона.

Сила Р_у изгибает заготовку в горизонтальной плоскости.

Действие сил сопротивления резания на станок.

Сила P_z действует через инструмент на резцедержатель, на суппорт, через суппорт на направляющие станка и пытается изогнуть его в вертикальной плоскости.

Сила P_z' через заготовку действует на шпиндель, на подшипники шпинделя станка, на детали коробки скоростей, на мощность электродвигателя станка. По силе P_z' рассчитывают прочность и жесткость шпинделя, всех деталей коробки скоростей, мощность электродвигателя станка.

Сила Рх через инструмент пытается развернуть резцедержатель, действует на суппорт и на направляющие станка изгибает в горизонтальной плоскости. Сила Рх препятствует продвижению ин-та и действует на элементы механизма подачи станка. По силе Рх рассчитывают элементы механизма подачи станка.

Сила Р_х' через заготовку действует на шпиндель, на подшипники шпинделя станка, на элементы коробки скоростей, на заднюю бабку. По силе Р_х' рассчитывают силу крепления заготовки в приспособлении и элемента подшипника шпинделя станка.

Сила Ру через инструмент действует на резцедержатель, на суппорт и пытается изогнуть направляющие станка в горизонтальной плоскости.

Сила Р_у' через заготовку действует на шпиндель станка, на подшипники шпинделя, на элементы коробки скоростей, на заднюю бабку в горизонтальной плоскости.

9. Скорость резания, допускаемая режущими свойствами резиа. Факторы, влияющие на допустимую скорость резания.

Уменьшение скорости резания приводит к уменьшению машинного времени след-но к увеличению производительности труда, но скорость резания нельзя назначить без учета конкретных условий обработки, т.к. это приводит к увеличению износа инструмента, к уменьшению стойкости инструмента, приводит к частым заточкам, что в свою очередь снижает производительность труда.

Факторы, влияющие на допустимую скорость резания.

Допустимая скорость - это максимальная скорость, которая может допустить инструмент при данной стойкости не теряя своих режущих свойств.

1. Обрабатываемый материал — чем выше ФМС обрабатываемого материала, тем больше сопротивление испытывает инструмент со стороны заготовки, тем большую работу совершает инструмент, тем больше выделяется тепла, тем больше износ инструмента, тем меньше стойкость, следовательно, тем меньшую скорость может допустить инструмент.

2. Материал режущей части инструмента - чем выше ФМС материала режущей части инструмента, тем большую нагрузку выдерживает данный инструмент, тем меньше изнашивается, тем больше стойкость инструмента, тем большую скорость можно допустить с таким инструментальным материалом.

3. Режимы резания: чем больше глубина резания и подача, тем больше объем срезаемого слоя, тем больше силы сопротивлению резания, тем больше работы совершает инструмент, тем больше тепла выдерживается в процессе резания, тем интенсивнее изнашивается инструмент, тем меньше стойкость инструмента, следовательно, тем меньшую скорость можно допустить при данной стойкости.

4. Геометрия ин-та: при увеличении угла у и уменьшении 8, уменьшается деформация в зоне резания, силы резания, тепловыделение, температура в зоне резания, уменьшается интенсивность износа, стойкость повышается, следовательно, тем большую скорость можно допустить при данной стойкости. Но с увеличением угла у уменьшается угол р, уменьшается объем головки резца, затрудняется теплоотвод, увеличивается износ, следовательно уменьшается стойкость инструмента. При увеличении угла а (увеличивается стойкость инструмента) уменьшается трение между задней поверхностью и поверхностью резания, уменьшается температура в зоне резания, уменьшается износ инструмента, увеличивается стойкость, следовательно, тем большую скорость можно допустить при данной стойкости. Но с увеличением угла а уменьшается (3, уменьшается объем головки резца, затрудняется теплоотвод, увеличивается износ, следовательно уменьшается стойкость инструмента. Чем больше угол ф, тем меньше объем головки резца (угол е), тем больше концентрации тепла режущей части инструмента, тем больше износ, тем меньше стойкость, тем меньшую скорость модно допустить при данной стойкости. Чем больше угол ф1 тем меньше контакта с обработанной поверхностью, тем меньше трения об обрабатываемую поверхность, тем меньше износ, тем мненье температуры в зоне резания, тем больше стойкость, тем большую скорость можно допустить при денной стойкости. Но при увеличении угла ф1 уменьшается угол s, уменьшается объем головки резца, увеличивается концентрация тепла в зоне резания, увеличивается износ, уменьшается стойкость, тем меньшую скорость можно допустить при данной стойкости. Угол Я по мере перехода от отрицательного значения к положительному, стойкость резца увеличивается, т.к. с Я+ резец воспринимает нагрузку на режущую кромку, а не на вершину.

5. Вид обработки - при работе с отрезными резцами стойкость инструмента небольшая, т.к. отрезной резец имеет два заострения вершины, главная режущая кромка полностью контактирует с обработанной поверхностью, малые углы ф. Все это приводит к концентрации тепла в зоне резания. Расточные резцы также работают в тяжелых условиях, в замкнутых пространствах, подвод СОЖ в зону резания и отвод тепла затруднен, вследствие чего стойкость невысокая, скорость небольшая по сравнению с проходньми резцами.

6. Сечение державки резца - чем больше сечение державки резца, тем более прочнее ин-т, тем выше стойкость инструмента, тем большую скорость можно допустить инструмент при данной стойкости.

7. Износ инструмента.

8. СОЖ

10. Обработка металлов строганием и долблением.

Основные движения: движение резания — возвратно-поступательное движение инструмента или заготовки относительно друг друга; движение подачи - перемещение заготовки или инструмента перпендикулярно движению резания. Конструктивные и геометрические элементы строгальных и долбежных резцов такие же что и у токарных резцов. Отличительные особенности строгальных резцов по геометрическим параметрам:

- угол X наиболее важен для строгальных резцов для сохранения их вершины, уменьшения воздействия удара и для плавности входа резца в заготовку.

- угол у у строгальных резцов на 5-10 меньше, чем у токарных, т.к. эти резцы работают с ударом. У резцов, оснащенных пластинами из твердого сплава, передний угол берут от 0 до -15° в зависимости от прочности обрабатываемого материала.

- угол а (задний угол) у продольных строгальных резцов 30-75 .

Для предохранения от разрушения и быстрого изнашивания лезвия у строгальных резцов по передней поверхности предусматривают ленточку, численно равной (0,8 - 1) S. Передний угол на ленточке XI = +5 для резцов из быстрорежущей стали и уг = -5...-15° для твердосплавных резцов.

Строгальный резцы применяются для обработки канавок, уступов.