Глава 3. Резцы и фрезы общего назначения

3.1. Типы резцов и фрез

Резец является одним из наиболее простых и распространенных режущих инструментов. Форма его рабочей части напоминает зуб любого сложнорежущего инструмента. Резцы применяются для черновой и чистовой обработок на универсальных станках с главным вращательным или поступательным движением, а также на специальных станках полуавтоматах и автоматах, станках с ЧПУ и автоматических линиях. Резцами обрабатываются тела вращения и отверстия, плоскости и фасонные поверхности, производится нарезание резьбы и т. д. [13, 29, 31, 36].

Рис. 3.1. Схемы работы резцов

Резцы классифицируются по следующим признакам.

1. По применяемости на станках (токарные, строгальные, долбежные, расточные, автоматные, для станков с ЧПУ и автоматических линий и т. д.). Из перечисленных резцов наиболее распространенными являются токарные (рис. 3.1, а). Строгальные (рис. 3.1,б) и долбежные (рис. 3.1, в) резцы работают в более тяжелых условиях, чем токарные. Это связано с прерывистой работой при врезании и выходе строгальных резцов, поэтому скорость резания при обработке этими резцами, даже оснащенными металлокерамическим твердым сплавом, не превышает 15...40 м/мин.

Для обеспечения при строгании стабильной толщины среза строгальные резцы обычно изогнутые, вершина их находится в одной вертикальной плоскости с опорной плоскостью резцедержателя. Поэтому вершина резца под воздействием силы P_z, описывая дугу окружности радиусом R, не углубляется в обрабатываемый материал. Наоборот, долбежные резцы работают в более жестких условиях, так как составляющая сила резания P_z, направлена вдоль вектора скорости и державки резца, а передняя поверхность находится со стороны торца державки.

Хотя геометрические параметры для строгальных и долбежных резцов выбираются по тем же правилам, что и для токарных, однако при этом учитываются некоторые особенности их работы.

Резцы для токарных автоматов и полуавтоматов обычно отличаются от обычных токарных габаритными размерами и конструкцией. Автоматные резцы имеют меньшее поперечное сечение державки (ВхН = 6х6 мм; 8х8; 10х10; 12х12; 16х16 мм и т. д.), рабочая часть из быстрорежущей стали значительно длиннее головки токарного резца, что повышает срок службы автоматных резцов. Для повышения жесткости системы СПИД при радиальном врезании автоматных резцов главный угол в плане φ увеличен до 60...90°, а вспомогательный угол φ₁ — до 35...40°. Кроме того, в этом случае применяются резцы тангенциальной установки.

2. По виду и характеру обработки (проходные прямые и отогнутые (рис. 3.2, а, б), подрезные (рис. 3.2, в), отрезные (рис. 3.2, г), расточные для сквозных и глухих отверстий (рис. 3.2, г, д), резьбовые (рис. 3.2,в) и т. д.).

3. По форме лезвия (резцы общего назначения, фасонные и ротационные). Первые имеют обычно одно прямолинейное главное режущее лезвие, вторые — фасонное и третьи — круговое. В последнем случае режущая часть представлена чашкой с круговым лезвием, которая в процессе точения непрерывно вращается, а лезвие тем самым обновляется, т. е. не имеет постоянного контакта с обрабатываемой деталью.

Рис. 3.2. Типы токарных резцов

Рис. 3.3. Формы головок резца

Рис. 3.4. Крепление алмаза в державке

3. По направлению подачи или расположению главного режущего лезвия (правые и левые, что определяется правилами правой и левой рук).

4. По конструкции головки (прямые отогнутые, изогнутые, с оттянутой головкой, пластинчатые (рис: 3.3, а—д)).

5. По роду материала, из которого изготовлена режущая часть резца (быстрорежущие цельные и напайные, твердосплавные напайные и с механическим креплением, а также оснащенные минералокерамикой, алмазные, эльборовые, рубиновые, лейкосапфировые и т. д.).

Наиболее широко применяются твердосплавные металлокерамические резцы.

При чистовой обработке применяются также резцы, оснащенные минералокерамикой и синтетическими сверхтвердыми материалами. Крепление режущих кристаллов к державке резца производится зачеканкой, напайкой и механическим способом. Кроме того, поликристалл алмаза или эльбора иногда крепится зачеканкой или запрессовкой в гнездо специальной опоры. Затем опора с закрепленным алмазом крепится прихватом или винтом к державке резца (рис. 3.4) [28, 36].

Геометрические параметры алмазного резца при обработке цветных и антифрикционных сплавов составляют: γ = 0...8°; α = 8...12°; r = 0,3...1,5 мм; φ = 45...90°; φ₁ = 20…45°, a эльборового при обработке труднообрабатываемых сталей и сплавов – γ = 0...15° , α = 6...10; φ = 30...60°; φ₁ = 10...45°; r = 0,6...2 мм. При этом режимы резания для алмазных резцов следующие ν = 300...600 м/мин, s = 0,01...0,07 мм/об, t = 0,03...0,3 мм, а для эльборовых — v = 60...160 м/мин, s = 0,02...0,1 мм/об, t = 0,05...0,5 мм.

Рис. 3.5. Способы установки резцов

7. По форме сечения державки резцов прямоугольные (ВхН = 10х16 мм; 12х16; 12х20; 16х20; 16х25; 20х25; 20х32; 25х32; 32х40; 40х50 мм и т. д.) с соотношением Н/В = 1,25 и 1,6; круглые (10; 15; 20; 25 мм) и квадратные (12х12; 16х16; 20х20; 25х25; 30х30; 40х40 мм и т. д.).

Круглые державки чаще всего применяются у расточных, резьбовых и других резцов, где необходим поворот их в резцедержателе или борштанге.

8. По установке относительно обрабатываемой детали токарные резцы бывают радиальные и тангенциальные (рис. 3.5,а, б).

У радиальных резцов державка обычно располагается в горизонтальной плоскости и испытывает поперечный изгиб от тангенциальной силы Р_г. Наоборот, тангенциальные резцы располагаются почти вертикально по касательной к обрабатываемой поверхности. Сила P_z в этом случае направлена вдоль державки, что приводит к ее сжатию и продольному изгибу, т. е. жесткость державки увеличивается. Поэтому тангенциальными резцами можно срезать более крупные стружки. Кроме того, заточка их проще и производится. Для получения переднего угла γ со стороны переднего торца державки. Задний же угол α обеспечивается за счет определенной установки резца: вершина его располагается ниже оси изделия на величину h, что обеспечивает получение вспомогательного заднего угла α₁:

где (см. рис. 3.5, б).

Для определения размеров сечения державки более нагруженного радиального резца необходимо приравнять действующий изгибающий момент к максимальному моменту, допускаемому сечением державки, т. е.:

M_изг = М'_изг.

При этом M_изг = P_zl даН·мм, M'_изг = σ_иW даН·мм, где l — вылет резца, мм; σ_и — допускаемое напряжение на изгиб материала державки; σ_и = 20 — 40 даН/мм², что зависит от материала державки и ее термообработки; W — момент сопротивления:

для прямоугольного сечения , а для круглого мм³.

Для державок прямоугольного сечения при Н = 1,6 В

.

Для державок квадратного сечения при В = Н

Для державок круглого сечения с диаметром d момент сопротивления

и ,

откуда

.

Производится также проверочный расчет по жесткости державки. Максимальная нагрузка, допустимая жесткостью резца, составляет

,

где Е — модуль упругости материала державки, I — момент инерции державки: для прямоугольного сечения ; для круглого I = 0,05 d⁴.

В свою очередь допустимая стрела прогиба радиального резца, рассчитанная по формуле , равна f 0,05...0,1мм. При чистовой обработке стрела прогиба f имеет меньшую величину.

9. По характеру обработки (обдирочные, чистовые и для тонкого (алмазного) точения). В последнем случае применяются резцы, оснащенные синтетическим сверхтвердым материалом.

Фрезы общего назначения являются одной из самых многочисленных подгрупп режущих инструментов. Они широко применяются для самых различных видов обработки: фрезерования наружных поверхностей, разрезки металлов и неметаллических материалов, прорезки пазов деталей, фрезерования шпоночных пазов валов, фрезерования зубьев инструментов, нарезания зубчатых колес и шлицев валов и т. д. Специальные фрезы для обработки зубьев колес, шлицев и т. д. рассматриваются в гл. 9.

Фреза является многозубым инструментом, представляющим тело вращения, на образующей поверхности которого, а иногда и на торце, имеются режущие зубья. Главное движение резания при фрезеровании — вращательное, его совершают фрезы. Движение подачи чаще всего бывает прямолинейным и его может иметь за готовка или фреза. В зависимости от направлений вращения фрезы и подачи заготовки различают встречное и попутное фрезерование. При встречном фрезеровании направления вращения фрезы и подачи заготовки не совпадают, при попутном — совпадают.

Фрезы [13, 29, 31, 36], так же как и резцы, можно классифицировать в зависимости от формы и конструкции зубьев, метода крепления их на станке, рационального использования материала, формы режущих лезвий, вида и характера обработки и т. д.

Фрезы с острозаточенными зубьями имеют три разновидности форм зуба: трапецеидальную (рис. 3.6, а), двуугловую (рис. 3.6,6) и параболическую (рис. 3.6, в). Трапецеидальная форма применяйся для фрез с мелким шагом зубьев t до 10 мм и высотой h, вставляющей 0,5...0,65 от окружного шага. Двуугловая форма используется для зубьев фрез с крупным окружным шагом более 10 мм и высотой h= (0,3...0,45)t_oкр. Указанную форму зубьев имеют фрезы с напайными пластинками твердого сплава.

1. По конструкции или форме зуба различают фрезы с остроконечными, или острозаточенными, и с затылованными зубьями.

Параболическая форма, которая часто для упрощения изготовления оформляется по дуге окружности радиусом R = (0,3...0,4)D_ф, применяется для фрез с крупным зубом, работающих на форсированных режимах резания.

Рис. 3.6. Формы зубьев фрез

Рис. 3.7. Логарифмическая спираль и конхоида,

спираль Архимеда

Зубья с затылованной задней поверхностью применяются в основном у фасонных фрез (рис. 3.6, г), переточка которых осуществляется только по передней поверхности зубьев. В качестве затыловочных кривых теоретически могут применяться прямая линия, окружность, спирали Архимеда и логарифмическая, а также конхоида логарифмической спирали.

Логарифмическая спираль 1 (рис. 3.7, а) обеспечивает постоянство размеров фасонного профиля фрезы и заднего угла, а поэтому является идеальной затыловочной кривой. Однако изготовление задней поверхности зуба фасонной фрезы по логарифмической спирали связано с определенными трудностями, так как при одной и той же величине затылования, но разных количествах зубьев и диаметрах, требуется свой кулачок.

Уравнение логарифмической спирали в полярных координатах имеет вид

ρ = ae ^mφ,

где а — постоянная величина: а = ρ при φ = 0; е—основание натуральных логарифмов; т — постоянный коэффициент: m = tgα_B, т. е. равен тангенсу постоянного по величине заднего угла; φ — текущий полярный угол для данной точки, рад.

Конхоида 2 логарифмической спирали является кривой, равноотстоящей от логарифмической спирали. Ею обычно затыловываются точки фасонного профиля фрезы, расположенные ближе к центру фрезы.

Спираль Архимеда (рис. 3.7, б) имеет некоторые допустимые погрешности профиля и заднего угла α_в. Однако поверхность, очерченная по этой спирали и уравнение которой в полярных координатах ρ = Bφ, легче в изготовлении.

Поэтому спираль Архимеда является наиболее распространенной кривой, используемой для оформления задней поверхности зубьев затылованных фрез. К тому же при затыловании зубьев фрез по спирали Архимеда, когда радиус-вектор пропорционален углу, для одной и той же величины затылования К требуется один и тот же кулачок, независимо от диаметра и числа зубьев фрезы.

Величина затылования по спирали Архимеда рассчитывается по формуле

,

где D — диаметр фрезы, мм; z — число зубьев.

2. В зависимости от размера фрез и метода их крепления на станке фрезы делятся на хвостовые, насадные и фрезерные головки.

Фрезерные головки или торцевые фрезы большого диаметра (сборные фрезы) могут закрепляться непосредственно на шпинделе винтами, базовой поверхностью может быть торцевая поверхность шпинделя (рис. 3.8, а) или отверстие фрезы (рис. 3.8,б). В этом случае крутящий момент передается с помощью двух диаметрально расположенных шпонок, закрепленных в пазах на торце шпинделя. Торцевые фрезы меньшего диаметра (рис. 3.8, в) крепятся на специальной оправке с помощью торцевых шпонок и винта, базовой поверхностью является цилиндрическое отверстие. В свою очередь коническая оправка устанавливается в шпиндель станка и затягивается штоком. Цилиндрические и дисковые фрезы закрепляются на фрезерных оправках, установленных в шпинделе станка и затянутых штоком (рис. 3.8, г). Фрезы на оправке крепятся шпонками и зажимаются промежуточными кольцами. В качестве базовых поверхностей используются цилиндрическое отверстие и торцевой поясок.

3. В зависимости от рационального использования инструментального материала фрезы бывают цельные из быстрорежущей стали и монолитные из пластифицированного твердого сплава, сборные со вставными ножами из быстрорежущей стали и напайными твердосплавными пластинками, а также с механическим креплением перетачиваемых пластинок твердого сплава, резцов-зубьев и т. д. Цельные быстрорежущие фрезы изготавливают 0 до 90 мм, а монолитные твердосплавные еще меньших размеров.

Рис. 3.8. Методы крепления фрез

Крепление ножей, резцов-зубьев и неперетачиваемых пластинок твердого сплава к корпусу фрез может осуществляться различными методами: с помощью продольного клина и рифлений (рис. 3.9,а), цилиндрического штифта со срезанной под углом 5° лыской (рис. 3.9,б), радиального клина (рис. 3.9, в), посредством упругих сил от нажима коническим штифтом (рис. 3.9, г), за счет конических радиального и осевого рифлений ножей (рис. 3.9, д, е), осевого и радиального клиньев (рис. 3.9, ж, з). Крепление многогранных и круглых пластинок производится установкой их на опорную плоскость державки и цилиндрический штифт с последующей фиксацией призмой и штифтом (рис. 3.9, и, к).

Рис. 3.9. Варианты крепления ножей, зубьев-резцов

и пластинок в корпусе фрезы

4. По виду поверхностей, на которых имеются зубья, фрезы, бывают цилиндрические и торцевые, концевые, дисковые двух- и трехсторонние и т. д. Цилиндрическими фрезами могут обрабатываться плоскости шириной меньше, чем длина цилиндрической фрезы. Это связано с тем, что на торцевых поверхностях они не имеют зубьев. Наоборот, при работе торцевыми фрезами может производиться обработка плоскостей, пазов, четвертей и других поверхностей любой ширины, что обеспечивается наличием зубьев с главными режущими лезвиями на образующей и вспомогательных лезвий на торцевых поверхностях фрезы.

Рис. 3.10. Геометрические параметры торцевой фрезы

Рис. 3.11. Геометрические параметры цилиндрической фрезы

Рассмотрим геометрические параметры торцевых (рис. 3.10) и цилиндрических (рис. 3.11) фрез, хотя их по аналогии можно определять на примере обычного проходного резца (см. § 1.6).

Геометрические параметры для любой точки К главного режущего лезвия АВ торцевых фрез рассматриваются в четырех плоскостях:

1) в главной секущей плоскости со следом N—N, перпендикулярной к главному режущему лезвию, измеряются главный передний γ и задний нормальный α_N углы;

Рис. 3.12. Типы фрез

2. в поперечной секущей плоскости со следом X—X, совпадающей с направлением подачи 5 детали, определяются главный задний угол а и поперечный передний угол γ_поп;

3. в продольной или параллельной оси фрезы плоскости со следом У—У измеряются продольные передний γ_прод и задний α_прод углы. Для периферийных точек главного режущего лезвия АВ продольный передний угол γ_прод равен углу наклона зубьев ω фрезы;

4. в диаметральной плоскости фрезы рассматриваются главные углы в плане φ главного и переходного φ_о лезвий, а также вспомогательный угол в плане φ₁ зубьев фрезы;

5. во вспомогательной секущей плоскости со следом п—п определяются вспомогательные передний γ₁ и задний α₁ углы.

По аналогии с определением углов в разных секущих плоскостях обычного проходного резца длин главных передних γ = γ_N и задних α = α_поп углов зубьев торцевой фрезы имеем:

tg γ = tg ω cos φ + tg γ_поп sin φ

и

tg α_N = tg α sin φ.

Определение геометрических параметров цилиндрических фрез с косым и прямым зубьями производится соответственно в двух (главной секущей и перпендикулярной к оси фрезы) (рис. 3.11, а) и одной главной секущей, перпендикулярной к оси (рис. 3.11,б), плоскостях.

Углы зубьев цилиндрической фрезы, измеряемые в двух указанных выше плоскостях, определяются исходя из зависимостей:

tg γ = tg γ_поп cos ω и tg α_поп = tg α_N cos ω.

5. По форме рабочей части и назначению различают фрезы цилиндрические

(рис. 3.12, а), дисковые и пилы (рис. 3.12, б, в), одно- и двухугловые дисковые

(рис. 3.12, г, д), торцевые цельные и сборные (рис. 3.12, е, и), концевые (рис. 3,12, ж, з), фасонные (полукруглые) затылованные (рис. 3.12, к) и т. д.

5. По расположению зуба относительно оси — с прямыми (рис. 3.12,6), винтовыми (рис. 3.12, а) и разнонаправленными (рис. 3.12, в) зубьями;

5. По направлению винтовых канавок — правые и левые.