Улучшение геометрии инструментов

Улучшение геометрии инструментов

Как указывалось, геометрические параметры инструментов должны быть оптимальными по стойкости. Однако обеспечить такие параметры не всегда возможно из-за ряда ограничений, в том числе конструктивных. По частичному снятию таких ограничений есть некоторые наработки, которые целесообразно рассмотреть.

Приоритетное значение приобретают мероприятия по увеличению задних углов там, где они малы. Это естественно, так как отклонение заднего угла от оптимального значения всего лишь на 5° понижает стойкость некоторых инструментов в четыре раза, в то время как отклонение переднего угла на ту же величину — всего лишь в два раза. Кроме того, инструменты с нулевым или отрицательными передними углами в состоянии резать, тогда как инструменты с нулевыми задними углами практически неработоспособны, а с отрицательными — вообще не могут резать.

Из-за конструктивных ограничений сильно отличаются от оптимальных геометрические параметры сверл, фасонных резцов и фасонных фрез, в том числе зуборезных, зуборезных долбяков, протяжек генераторной схемы резания для обработки сложных профилей. Рассмотрим подробнее уязвимые места этих инструментов с точки зрения геометрических параметров.

Улучшение геометрии фасонных резцов и фрез. Задние поверхности зубьев фасонных фрез затылованы для облегчения последующих переточек после затупления. Затылование фасонных фрез, как указывалось, проводят по схеме рис. 2.25. Фреза 1 равномерно вращается, а затыловочный резец 2 от вращающегося кулачка 3 получает равномерное поступательное движение в радиальном направлении по отношению к затылуемой фрезе, понижая заднюю поверхность зуба фрезы в сторону спинки, обеспечивая тем самым задний угол αВ. За полный оборот кулачка фреза поворачивается на угловой шаг ε.

Проектирование рабочей части

  Такое оформление задней поверхности зуба, называемое затыло- вапием, обычно по спирали Архимеда, обладает рядом преимуществ:  

  1. простота осуществления, так как легко изготовить кулачок, рабочий участок профиля которого очерчен простой кривой — спиралью Архимеда, описываемой уравнением р=bθ (приращение радиуса-вектора р пропорционально углу его поворота θ);
  2. простота переточек зубьев фрезы, поскольку переточки проводят по передней плоскости, а не но задней поверхности сложной формы; высота профиля зуба h при этом сохраняется, так как кривая cd — спираль Архимеда, хе — эквидистанта к ней (равноотстоящая) в полярной системе координат; ширина зуба по эквидистанте вдоль оси фрезы тоже не изменяется, поскольку воспроизводится неизменной в этом направлении шириной резца;
  3. задние углы при переточках изменяются в приемлемых пределах. Поскольку есть преимущества затылованного зуба, то с позиций диалектики должны быть и недостатки. Они состоят в том, что на отдельных участках профиля нормальные, или так называемые боковые задние углы, малы или равны нулю. Попытаемся установить взаимосвязь между углом при вершине αв и боковыми задними углами αNx.

Величина затылования, или спад затылка К, — это понижение задней поверхности зуба на угловом шаге зубьев фрезы ε, измеренное в радиальном направлении (рис.2.25). Это не что иное, как приращение радиуса-вектора спирали Архимеда на этом же угле.

Проектирование рабочей части

Проектирование рабочей части  

Воспользуемся уравнением (1.5) для токарного проходного резца. Выразим ctga через tga, заменим угол <р резца на соответствующий ему угол (90°-<р^), примем угол А,-0, переиндексируем углы и с достаточной для практических целей точностью получим:

Проектирование рабочей части

После подстановки значения tgαx взаимосвязь между боковыми задними углами αNx и углом при вершине фрезы αв определится уравнением

Проектирование рабочей части  Такая же зависимость между углом при вершине и боковыми задними углами у фасонных резцов, 1ак как вид резца в плане и направление подачи такие же, как и у фасонной фрезы, соответствуют рис 2.26.   Проектирование рабочей части  

Анализируя зависимость (2.4), нетрудно убедиться, что чем ближе рассматриваемая точка режущей кромки к оси фрезы, оси круглого фасонного резца или базе крепления призматического, тем больше значения боковых задних углов. С уменьшением угла в плане боковые задние углы уменьшаются вплоть до нуля, если φx=0, что является большим недостатком геометрии фасонных резцов и фрез с радиально затылованным зубом. В этом можно убедиться и без математических выкладок, четко представив схему затылования зуба фрезы или способ образования задних углов фасонных резцов.

В случае радиального затылования режущая кромка затыловочного резца движется вдоль участка 1—2 и 5—6 режущей кромки фрезы (рис. 2.27). Фреза при
этом вращается. Вид обработки повторяет подрезку торца детали. Поэтому участки 1—2 и 5—6 режущей кромки и прилегающие к ним задние поверхности зуба лежат на торцовых плоскостях фрезы. Они совпадают с плоскостями резания этой фрезой. Нет никакого зазора между поверхностями резания и задними поверхностями
зуба фрезы во время ее работы.

Задние углы на этих участках равны нулю. Самый большой нормальный задний угол, как видно на рис. 2.27, на участке 3—4, перпендикулярном направлению затылования, а на участках 2—3 и 4—5 — меньше.

Проектирование рабочей части

Фасонный резец обычной установки поворачивают вокруг линии, параллельной оси обрабатываемой детали, для отрыва его задней поверхности от плоскости резания и образования задних углов. Однако на участках задней поверхности, перпендикулярных оси поворота, этого отрыва не происходит. Задние углы равны нулю. Самый большой задний угол — на участках, параллельных оси поворота, а меньший — на наклонных.

Таким образом, исходя из пространственных представлений и математических выкладок, приходим к заключению, что чем больше режущая кромка отклоняется от оси обрабатываемой детали или оси фрезы, тем меньше боковые задние углы у фасонных резцов, а также фрез с радиально затылованным зубом.

Минимально приемлемые для работы боковые задние углы — 3°. Если они меньше, их необходимо увеличивать или изыскивать другие способы уменьшения трения на задних поверхностях с малыми значениями задних углов, особенно нулевыми. Увеличение заднего угла при вершине αв мало влияет на увеличение боковых задних углов, если угол в плане φх мал, меньше 15° (см. формулу 2.4), или совсем их не изменяет, если φх=0 (участок кромки ah, рис. 2.28, а. г, ж). Остается в резерве угол φх.

Если профиль детали открытый, φх=0 только с одной стороны, для увеличения угла φх используют дополнительный поворот резца в горизонтальной плоскости (рис. 2.28,64) или поворот детали при фрезеровании (рис, 2.28, з). В результате поворота уменьшаются значения φ и, соответственно, задние углы на других участках режущей кромки. Поэтому угол поворота резца или детали должен быть таким, чтобы угол в плане на участке ab не был больше, чем на других участках кромки.

Увеличение задних углов на неблагоприятных участках профиля фасонных резцов возможно дополнительным поворотом их в вертикальной плоскости, параллельной оси детали (рис. 2 28, в, е). Однако для круглых фасонных резцов этот прием не используют (получаются большие ошибки профиля детали), а заменяют его образованием винтовой задней поверхности резца в направлении предполагаемого поворота.

Проектирование рабочей части

Если профиль детали закрытый (углы φ с обеих сторон равны нулю, рис. 2.28, и), то резец поворачивать нельзя, так как на противоположном участке cd боковой задний угол станет отрицательным. Нельзя также поворачивать деталь при фрезеровании, так как этот участок невозможно образовать фрезой. В таких случаях затачивают вспомогательные углы в плане φ1 (рис. 2.28, и). Вспомогательные углы в плане φ1 на участках аb и cd задних углов не создают, но уменьшают трение на задних поверхностях этих участков инструмента.

Поэтому фасонные фрезы целесообразнее затыловать с двух сторон (косое затылование в направлении S, рис. 2.28, к). Косое затыло- вание образует задние углы на участках аЪ и cd’ но не обеспечивает сохранения ширины В профиля фрезы при переточках по передней поверхности зуба. Поэтому фасонные фрезы с двухсторонним косым затылованием зубьев делают составными, а для восстановления ширины профиля после переточек между ступицами половинок фрезы ставят мерные прокладки-кольца. Для перекрытия режущих кромок на стыке половин фрезы зубчатые венцы со стороны стыкующихся торцов выполняют в виде кулачковой муфты.

У фрез открытого профиля с целью увеличения задних углов до приемлемых значений вместо поворота детали (рис. 2,28, з) можно делать косое затылование в направлении S (рис. 2.28, ж). В таком случае фреза цельная, не составная

Одним из способов увеличения боковых задних углов фасонных фрез является переход на остроконечную форму зубьев. Однако переточку таких фрез надо осуществлять по задней поверхности в специальных приспособлениях. Дополнительные затраты на такие приспособления окупаются только при использовании фрез в условиях массового или крупносерийного производства. Так, перевод на остроконечную форму зубьев сборных червячных зуборезных фрез повышает их стойкость в 10 раз, но снижает точность зубо- обработки.

Когда профиль детали глубокий, то на участках, близко расположенных к оси или базе крепления фасонного резца, передние углы могут быть недостаточной величины. Их можно увеличить образованием на передней поверхности резца лунки полуцилиндрической формы вдоль режущей кромки на расстоянии 0,2—0,3 мм от нее (рис. 2.28, л).

  Улучшение геометрии сверл. Геометрия стандартных спиральных сверл с ω≈30° не оптимальна по стойкости. Есть ряд существенных недостатков, связанных с конструктивными и технологическими ограничениями (рис. 2.29, а):  

а)  переменные вдоль кромки передние у и задние а углы;

б)  отрицательный передний угол γпк у поперечной режущей кромки;

в)  нулевые значения вспомогательных задних углов α1 на круглошлифованных ленточках.

Проектирование рабочей части

Во время фрезерования стружечных канавок заготовка сверла равномерно вращается, а канавочная фреза равномерно перемещается вдоль оси заготовки, образуя винтовую стружечную канавку. Поэтому шаг винтовой стружечной канавки Т одинаковый на всех расстояниях от оси сверла, а угол наклона канавки ω изменяется (рис. 2.29, 6).

Проектирование рабочей части

Окончательно значение нормального переднего угла сверла в любой точке режущей кромки можно вычислить по формуле

Проектирование рабочей части Зависимость (2.5) с достаточной степенью точности отражает взаимосвязь между углами γх, φ и ω сверла и выявляет уменьшение переднего угла вдоль кромки от периферии к оси сверла. Если φ=90°, ю γ на периферии сверла равен ω, а в случае φ=0 — нормальный передний угол отрицательный и равен поперечному переднему углу. Это соответствует геометрическим представлениям по рис. 2.29, а Формулы, приведенные в некоторых источниках, в том числе в учебной литературе, ошибочны, так как отражают обратную приведенной зависимость переднего угла от угла в плане.  

Главные задние поверхности сверла затылованы так же, как и у фасонных фрез, поэтому можно воспользоваться зависимостями (2.3) и (2.4) для установления связей между задними углами сверла. В случае затылования вдоль оси сверла

Проектирование рабочей части   В отличие от переднего угла задний угол от периферии к центру сверла увеличивается. Изменения углов γх и αNx значительные (см. табл. 2.4). Поэтому эти углы не могут быть оптимальными во всех точках режущей кромки.   Проектирование рабочей части   Исправить положение можно путем плоской заточки задних главных поверхностей и передних на рабочем участке, как это делают у шнековых сверл.  

На поперечной режущей кромке (перемычке) передний угол γnk сильно отрицательный (рис. 2.29, а). На ее долю приходится свыше 50 % осевой силы резания. Для облегчения работы сверла перемычку подтачивают. Различают три основных вида подточки: обычная (с;гандартная); по методу ГАЗ (Горьковского автомобильного завода); по методу Жирова.

Стандартная подточка самая простая и состоит в вышлифовывании части сердцевины сверла на небольшой длине вдоль стружечной канавки. Ширина перемычки сокращается на 30—50 % за счет увеличения длины режущих кромок с некоторым увеличением передних углов на них (рис. 2.30, а).

Подточка по методу ГАЗ не сокращает ширины перемычки, а образует на ней положительные 3—5° передние углы с одновременным увеличением главных передних углов у перемычки (рис. 2.30, б). Узкую часть перемычки (0,1—0,2 мм) у оси сверла не подтачивают. Рекомендуется при сверлении стали — в два раза уменьшает осевую силу и почти на столько же повышает стойкость сверла.   Проектирование рабочей части   По методу Жирова перемычку вообще вырезают на небольшой длине сверла (рис. 2.30, в). Вместо нес на сверле образуются две выступающие кромки. Сверло становится как бы двухвершинным. Эффективность почти такая же, как и по методу ГАЗ, но из-за ослабления вершин рекомендуется при обработке чугуна.  

Для уменьшения трения и повышения стойкости сверл затачивают задние углы 6—8° на участках круглошлифованных ленточек длиной 1,5—4 мм от вершины зуба с оставлением нетронутыми части ленточек шириной до 0,3 мм. Такая подточка ленточек рекомендуется у сверл для обработки вязких металлов, склонных к налипанию на поверхностях трения.

К методам улучшения геометрии сверл относят также заточку переходных режущих кромок (двойную заточку).

Сверла диаметром до 12 мм подточкам не подвергают, так как ширина ленточек у них небольшая, перемычка короткая, в связи с чем подточки сложные, а эффективность их малая.

Улучшение геометрии зуборезных долбяков. У долбяков передние и задние углы вдоль режущей кромки тоже не постоянны. Убедимся в этом, установив между ними взаимосвязь.

Зубья долбяка образуют методом обкатки инструментальной рейкой. Для получения задних углов исходный контур рейки от передней плоскости и дальше вдоль оси долбяка равномерно смещают, приближая его к оси долбяка. Поэтому долбяк можно представить как набор бесконечно тонких зубчатых колес с разным смещением исходного контура рейки — от положительного (от оси) в передней плоскости до отрицательного (к оси) на заднем торце. Поэтому в любом осевом сечении долбяка Y—Y (рис. 2.31) задний угол можно считать одинаковым и равным заднему углу при вершине αв.

Зуб долбяка в плане повторяет резец с вектором подачи S в любой точке, перпендикулярным радиусу-вектору Rx в этой точке, так как подача зуба долбяка круговая. По аналогии с резцом сечение Y— Y, перпендикулярное подаче, назовем продольным, X—X, по подаче — поперечным, a N—N, нормальное к проекции режущей кромки на основную плоскость, — нормальным.

Для установления взаимосвязей между углами долбяка в различных секущих плоскостях воспользуемся формулами для пересчета углов резца, выполнив переиндексацию геометрических параметров.

Проектирование рабочей части

   

Проектирование рабочей части

Передняя поверхность долбяка коническая, и передний угол γ в любом радиальном сечении одинаков, а в поперечном сечении Х—Х γ’бх мал, им можно пренебречь. Точность расчетов останется приемлемой для целей практики. Поэтому уравнение связи между передними углами долбяка следующее:Проектирование рабочей части   Для установления взаимосвязи между задними углами воспользуемся уравнениями (1.5) и (1.1) токарного резца. С учетом переиндексации параметров для долбяка они примут вид: Проектирование рабочей части Решив эти уравнения совместно с уравнением (2.8) относительно αбх, получим:   Проектирование рабочей части   Если пренебречь влиянием угла λ, а это влияние действительнс незначительное, так как λ— функция небольшого но величине переднего угла у, то, используя уравнение (1.5), можно получить упрощенную формулу, достаточно точную для целей практики: Проектирование рабочей части   Действительно, если для долбяка со стандартными значениями γ=5° и α=6° рассчитать значения αбх на делительной окружности, то по уравнению (2.9) αбх ≈ 2°20′ а по уравнению (2.10) — 2°.                                                  

Перепишем для долбяка уравнение (1.11).

Проектирование рабочей части

Решив его совместно с уравнением (2.9) и выполнив соответствующие преобразования, получим выражение для вычисления поперечного заднего угла:  

Проектирование рабочей части

С точностью, достаточной для практических целей, вычислим α’бх, решив совместно уравнение (1.6), переписанное для долбяка, приняв

Проектирование рабочей части

Уравнения (2.10) и (2.12), как уже отмечалось, приближенные, но с достаточной степенью точности отражают взаимосвязь между задними углами зубьев долбяка и легко поддаются анализу, который выявляет, что при перемещении от вершины зуба к его основанию задние нормальные углы α6х и поперечные α’бх уменьшаются вплоть до нуля на основной окружности. Такой же характер и степень изменения нормального переднего угла (см. уравнение 2.8). Естественно, что стойкость долбяка низкая. Увеличить боковые задние и передние углы можно за счет увеличения углов при вершине: γ и αв. Однако это влечет за собой понижение точности зубообра- ботки. С увеличением этих углов глубина профиля изделия hд все больше и больше отличается от высоты профиля зуба долбяка hu (рис. 2.32). Поэтому для нарезания колес более низкой точности возможно увеличение γ до 15° и αв до 9°. Это позволяет увеличить стойкость долбяков в 3—4 раза по сравнению с долбяками, имеющими стандартные γ=5° и αв=6° [125].  

Проектирование рабочей части

Боковые передние углы долбяка можно увеличить, заглубив переднюю поверхность зуба вдоль боковой режущей кромки, как это делают у твердосплавных многогранных неперетачиваемых пластин, оставляя при этом у кромки нетронутую исходную переднюю поверхность в виде полоски небольшой ширины f (рис. 2.33, а). Подобным образом увеличивают боковые передние углы червячных зуборезных фрез (рис. 2.33, б). Осуществить такую заточку передней поверхности очень просто у фрез сборной конструкции.  

Другой способ увеличения передних углов состоит в том, что переднюю поверхность долбяка делают не просто конической, а конической многоярусной, состоящей из нескольких конусов, основания которых лежат в плоскости ас, перпендикулярной оси долбяка (рис 2 33, в) Режущая кромка при этом становится пилообразной, что в некоторой мере увеличивает волнистость профиля зуба нарезаемого колеса, но в целом точность зубодолбления даже повышается. Высота режущего контура зуба долбяка в проекции на изделие, а стало быть, и высота профиля зуба изделия почти равны высоте профиля зуба долбяка (hд≈hН)> так как γв по вершинам пилообразной кромки равен нулю (см. рис. 2.33, в). Если бы передняя поверхность была классически конусной под углом γк, даже меньшим, чем у γ предлагаемой конструкции (см. образующую ab, рис. 2.33, в ), то высота профиля детали h’д была бы больше высоты профиля зуба долбяка hи. Многоярусная передняя поверхность открывает возможность увеличения заднего угла при вершине αв, что позволяет дополнительно повысить стойкость долбяка без заметного понижения точности зубообработки по сравнению со стандартными долбяками, имеющими γ=5° и αв=6°.

Улучшение геометрии других инструментов. Неблагоприятна геометрия у отрезных, прорезных и пазовых фрез, метчиков, протяжек генераторной и других схем резания для обработки внутренних контуров.

Проектирование рабочей части

У отрезных и прорезных фрез задние вспомогательные углы равны нулю. Для уменьшения трения вспомогательных режущих кромок о тело обрабатываемой детали предусматривают вспомогательные углы в плане φ1 (толщину тела фрезы от периферии к посадочному отверстию уменьшают, делают так называемое поднутрение).
Однако и эти углы малы, ограничиваются прочностью тела фрезы (рис. 2.34, а). С целью увеличения углов φ1 у прорезных фрез поднутрение выполняют не по всему телу фрезы, а только на высоте h (рис. 2.34, б), минимально необходимой для работы. Можно заточить вспомогательные задние углы, как у дисковых трехсторонних фрез. Проектирование рабочей части

Стойкость при этом будет выше, однако увеличивается трудоемкость изготовления фрез. Для оценки экономической эффективности такого мероприятия необходимо провести сравнительные стойкостные испытания фрез с α1=0 и α1>0 и оценку целесообразности α1>0 по критерию минимума приведенных затрат

Заточку α1 можно предложить и у дисковых пазовых фрез, выбрав оптимальное сочетание α1 и φ1 сохраняющее ширину фрезы после стачивания при переточках в пределах, допускаемых отклонениями на ширину фрезеруемого паза. Но это уже будет дисковая трехсторонняя фреза.

У обычных, классических, протяжек генераторной схемы резания задние вспомогательные углы α1 равны нулю (см. рис. 2.7, в). Для уменьшения трения на
вспомогательных задних поверхностях зубьев протяжек можно предложить более совершенные схемы резания (см. рис. 2.11). Наиболее просты в изготовлении протяжки со схемами резания а и в. Лучшей из них является схема в, так как помимо образования вспомогательных задних углов α1 протяжка получает дополнительно
угол в плане φ1 Здесь необходимы специальные расчеты, чтобы несрезанные остаточные слои припуска О не выходили за пределы поля допуска на ширину паза. Как правило, углы otj в этом случае небольшие. Увеличить их значения можно, выполнив протяжки по схеме резания б. Однако требуется раздельная заточка по вспомогательным задним поверхностям каждого зуба. Возрастает трудоемкость изготовления протяжки и ее стоимость. Кроме того, требуется рассчитать допустимое значение таким образом, чтобы после выполнения всех возможных переточек протяжки ширина протянутого паза не вышла за пределы поля допуска. Рассмотренные схемы резания можно предложить и для других генераторных протяжек с профилем зубьев, допускающим использование этих схем.

Вспомогательные задние углы у стружкоразделительных канавок протяжек одинарной схемы резания можно обеспечить путем их раздельного образования по левым и правым сторонам (см. рис. 2.12, б).

У протяжек профильной схемы резания для обработки замкнутых контуров или контуров, закрытых с трех сторон, задние углы малы, ограничены точностью обработки. Тем не менее для конкретных случаев работы, задавшись предельной величиной стачивания зубьев протяжки по передним поверхностям, рассчитывают максимально допустимые значения задних углов, которые могут оказаться больше рекомендуемых в справочной литературе.

У машинных и машинно-ручных метчиков вспомогательные задние углы, образуемые затылованием резьбы по профилю, тоже очень малы, не превышают 20′. Ограничиваются точностью обработки из-за неустойчивости работы метчика. В случае больших значений α1 наступают осевые вибрации метчика, снижается его стойкость, обработанные резьбовые поверхности становятся волнистыми, и, естественно, точность резьбообработки уменьшается. Трение на боковых поверхностях резьбы метчика становится значительно меньшим, если обеспечить ему работу по схеме резания на рис. 2.11, г. Такие метчики называют корригированными. Они незаменимы для нарезания резьбы в труднообрабатываемых материалах, так как их стойкость значительно выше. Расчеты параметров см. п. 1.8.1.

Задние главные углы у метчиков тоже не оптимальные по стойкости. Они малы. Ограничения связаны с условиями работы. При больших а во время вывертывания метчика стружка и корни стружек в глухих резьбовых отверстиях попадают под затылочные поверхности метчика и скалывают режущие кромки (см. рис. 2.16). Если выполнить метчик обоюдоострым за счет седлообразного затылования или плоской заточки по задним главным поверхностям, то даже при больших значениях задних углов стружка не может попасть под затыло- вочные поверхности, а корни стружек срезаются спиночными кромками (см. рис. 2.17).

 

Контрольные вопросы

  1. В чем состоит сложность оптимизации геометрических параметров инструмента? Критерии оптимальности геометрических параметров.
  2. Влияние геометрических параметров на стойкость инструмента.
  3. Выбор формы рабочих поверхностей инструмента.
  4. Выбор передних и задних углов, углов в плане и углов наклона режущих кромок.
  5. Ограничения в выборе оптимальных значений углов заточки инструментов.
  6. Влияние переходных и зачистных режущих кромок на работоспособность инструментов.
  7. Недостатки геометрии сверл, фасонных резцов и фрез, зуборезных инструментов, дисковых, пазовых, отрезных и прорезных фрез, протяжек одинарной, профильной и генераторной схем резания. Способы улучшения геометрии.
  8. Использование зависимостей между передними и задними углами резца в различных секущих плоскостях для получения аналогичных зависимостей у всех остальных инструментов. Показать на примерах пересчета углов сверл, долбяков, фасонных резцов и фрез.

Смотрите также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *