Загальні відомості про визначення геометричних параметрів

Визначення геометричних параметрів різальної частини інструмента дана в ДСТУ 22498-93.

Стандартом регламентується інструментальна, статична та кінематична системи координат, в яких визначаються інструментальні, статичні і кінематичні елементи леза інструменту незалежно від його виду.

Геометричні параметри різальної частини інструмента залежать від форми і розмірів передньої і задньої поверхні і характеру його руху відносно заготовки.

При визначенні статичних геометричних параметрів розглядається швидкість головного руху різання, при кінематичних – швидкість результуючого руху, сумарного руху інструмента відносно заготовки.

При визначенні інструментальних геометричних параметрів розглядається положення різальної частини відносно елементів інструмента, прийнятих за базу, зручних для виготовлення і контролю інструмента.

При аналізі геометрії досліджуваної точки різальної кромки розглядаються площини P_g дотичні до передньої поверхні, площини дотичні до задньої поверхні Р_a, робоча площина Р_s, основна площина P_v, площина різання P_n, головна січна площина P_t, нормальна січна площина і січна площина сходу стружки.

Ці площини розглядаються в інструментальній, статичній та кінематичній системах координат. Найбільш часто при аналізі геометрії різального інструмента розглядається статична система координат. В цій системі основна площина P_v - це площина перпендикулярна швидкості головного руху; робоча площина Р_s - це площина в якій розташовані швидкості головного руху та руху подачі; площина різання P_n - це площина дотична до різальної кромки та перпендикулярна до основної площини; головна січна площина P_t - це площина перпендикулярна лінії перетину основної P_v та площини різання P_n; нормальна сіна площина Р_Н перпендикулярна до різальної кромки.

Передня площина в тій чи іншій координатній системі визначається переднім кутом g, який знаходиться між передньою площиною і площиною P_v.

В залежності від вибраної січної площини та координатної системи розглядають інструментальний передній кут g_і, статичний g_с та кінематичний g_к. Передній кут в нормальному перерізі до різальної кромки буде g_н.

Аналогічно з передніми кутами розділяються задачі кути a_і, a_с, a_к, a_н. Задній кут знаходиться у відповідній січній площині між задньою поверхнею і відповідною площиною різання.

Кут в площині різання між різальною кромкою і основною площиною є кутом нахилу різальної кромки l і аналогічно кутами g і a розглядаються кути l_і, l_с, l_к.

Кут в плані це кут в основній площині між площиною різання і робочою площиною, відповідно j_і, j_с, j_к є інструментальним, статичним і кінематичним кутами в плані.

Проектуючи різальний інструмент використовують інструментальну систему координат. Так як у різних інструментів форми передніх і задніх поверхонь і базові елементи можуть бути різними, то і геометричні параметри для кожного з інструментів особисті.

У одного і того ж інструмента при рішенні різних задач можуть використовуватись різноманітні інструментальні системи координат і коли це доцільно переходити від однієї системи координат до іншої.

При проектуванні інструменту бажано, щоб інструментальні геометричні параметри були близькими до статичних геометричних параметрів і в визначній степені характеризували процес різання. З цієї точки зору доцільно за інструментальну площину різання приймати площину дотичну до вихідної інструментальної поверхні в задній опорній точці різальної кромки. В цьому випадку в момент формування досліджуваною точкою різальної кромки оброблюваної поверхні деталі інструментальна площина різання і статична площина різання співпадуть та інструментальні геометричні параметри в заданий момент будуть в відповідній степені характеризувати процес різання. В загальному випадку статичні геометричні параметри не співпадають з інструментальними.

Площина на різальній частині інструмента може задаватися різноманітними способами. Площина може задаватися трьома точками, розташованими на площині. Такій спосіб задання передньої площини використовується, наприклад, при проектуванні кінцевих фрез зі сферичною вихідною інструментальною поверхнею.

Площину можна задавати двома прямими розташованими на ній. Цей спосіб відповідає визначенню передніх і задніх площин за допомогою повздовжніх та поперечних передніх і задніх кутів, що використовується, зокрема при виготовленні та переточках інструмента.

В різальному інструменті різальна кромка є лінією перетину передніх і задніх поверхонь, а при плоских поверхнях площин-прямою. В цьому випадку передню і задню площини можна задавати трьома лініями – різальною кромкою, другою прямою, розташованою на передній поверхні, і третьою розташованою на задній площині. Доцільно зазначені лінії задавати в інструментальній січній площині. Цей спосіб задавання передніх і задніх площин використовується на практиці найбільше часто.

Передні і задні поверхні різальної частини інструмента найбільш часто допускають ковзання “самих по собі”. Тому вони можуть задаватись однією лінією, розташованою відповідним чином на поверхні, та її рухом.

Так, наприклад, у призматичних фасонних різців задня циліндрична поверхня створюється при прямолінійно-поступальному русі різальної кромки. У спіральних свердел гвинтова передня поверхня задається положенням різальної кромки ті її гвинтовим рухом.

В відповідності з прийнятим заданням передніх і задніх поверхонь інструмента вибираються інструментальні геометричні параметри різальної частини.

Таким чином, наведений аналіз показує, що інструментальні геометричні параметри, як правило, не зорієнтовані відносно швидкості головного або результуючого руху. Проте сучасна теорія визначення геометричних параметрів базується на їх визначенні в інструментальній системі координат, яка не в повній мірі відображає процес різання.

Слід відзначити також, що задачі призначення геометричних параметрів базуються на знаннях виконавців та рекомендаціях, одержаних за експериментальними даними, зведеними в таблиці без врахування геометричних параметрів в процесі різання.

Зважаючи на те, що від геометричних параметрів в великій мірі, визначають роботу технологічної системи різання, важливо знати геометричні параметри в процесі їх роботи в різних точках різальної кромки в будь-який момент різання.

1.3 Вплив геометричних параметрів різальної частини на працездатність інструментів

Найчастіше величини геометричних параметрів різальної частини вибираються виходячи з умови забезпечення при обробці найбільшої стійкості інструменту. Проте залежно від конкретних умов доводиться у ряді випадків відходити від подібного вибору геометричних параметрів і визначати їх залежно від інших чинників. Зокрема вибір величин геометричних параметрів зуборізних долбяков проводиться виходячи з необхідності забезпечення необхідної точності обробки. У стандартних зуборізних долбяков задній кут на вершинній кромці приймається рівним a=6°, а передній кут g=5°, з метою уникнути неприпустимих спотворень профілю зубів нарізуваних коліс. Ці значення геометричних параметрів різальної частини зуборізних долбяков є, незадовільними з погляду стійкості інструменту. Необхідно при цьому враховувати, що відхилення геометричних параметрів від їх оптимальних значень призводить до значного зниження стійкості інструменту. Наприклад, відхилення величини заднього кута на 5° від його оптимального значення викликає зменшення стійкості різців до 2-х разів, а фрез - до 5 разів; відхилення величини переднього кута на 5° може привести до зниження стійкості різців до 3-х разів, а у фрез - до 2-х разів. Часто геометричні параметри ріжучої частини інструменту в різних точках ріжучої кромки мають різну величину. Тому в опорних найбільш завантажених точках ріжучих кромок або в точках розташованих на найбільш відповідальних ділянках приймають доцільні, оптимальні для певних умов.

При виготовленні інструменту важливо забезпечити необхідну точність відтворення геометричних параметрів різальної частини. Якщо точність виконання геометричних параметрів різальної частини істотно не впливає на точність обробки, то допуски на кути різальної частині інструменту приймаються зазвичай рівними ± 1¸2°.Для малих же величин кутів (до 3°) допуск береться ±30'. Якщо ж точність виготовлення геометричних параметрів впливає на точність обробки, то допуски на них залежать від допусків на оброблювану деталь і вибираються у вужчих межах. Так для зуборізних гребінок допуск на передні і задні кути приймається рівним ±10'.

При виборі геометричних параметрів різальної частини інструменту необхідно враховувати, що зайва їх диференціація ускладнює інструментальне господарство і виготовлення інструментів.

При виборі інструменту для обробки заданої деталі оптимальним буде спеціальний інструмент, відповідний прийнятим умовам експлуатації, з доцільними величинами геометричних параметрів різальної частини. При зміні умов експлуатації (новий оброблюваний матеріал, розміри заготовки і деталі, прийняті режими різання і тому подібне) доцільні величини геометричних параметрів ріжучої частини будуть змінюватися. Проте в практиці для різних, але близьких умов експлуатації використовується універсальний інструмент, що випускається інструментальними заводами. В процесі експлуатації при заточуванні універсальний інструмент може удосконалитися, пристосовуватися до відповідних умов експлуатації за рахунок зміни його' геометричних параметрів різальної частини.

Передній кут g є одним з найважливіших геометричних параметрів ріжучої частини інструменту з погляду його впливу на процес стружкоутворення. При прямокутному різанні, коли вектор швидкості різання перпендикулярний ріжучій кромці, січні площини вимірювання передніх кутів проводяться перпендикулярно різальній кромці. При косокутному різанні немає єдиної думки з питання про положення площини вимірювання переднього кута.

Відповідно до ДСТУ він може вимірюватися в нормальному до різальної кромки перетині, в головній січній площині і в площині сходу стружки. Положення про доцільність вимірювання переднього кута в площині сходу стружки було висунуте в роботах професорів Соколова Б.Г., Глебова С.Ф., Панкина А.В.[80] в докторській дисертації проф. Грановського Г.І., а також, професором, доктором технічних наук Шевченко Н.А. [20] і іншими дослідникам Проте відомі також роботи Брігса А.А., Розенберга О.M., Зорева Н.І., Мергента М.Е., Боброва В.Ф., Стаблера і інших, присвячені вивченню закономірностей косокутного різання. Як показав Брігс, рух будь-якої точки похилої різальної кромки у напрямі вектора швидкості різання може бути представлене таким, що складається з двох рухів: одного в нормальному до різальної кромки напрямі і другого в паралельному до різальної кромки напрямі. Академік Горячкин В.П. вказав, що для будь-якого випадку тертя ковзання, сили тертя у напрямі первинного руху тіла зменшуються, якщо до цього тіла прикладений додатковий рух, перпендикулярний до першого. До подібних виводів прийшов також проф. д.т.н. Розенберг О.M., критикуючи професорів Глебова С.Ф. і Пакнкина А.В., що пояснили зменшення сил при русі уздовж різальної кромки так званим кінематичним загостренням леза. На думку проф. Розенберга О.M. вимірювання робочого переднього кута у напрямі сходу стружки є не більш як поширеною помилкою. В результаті глибоких і всесторонніх досліджень в докторській дисертації проф. Бобров В.Ф. указує, що «вимірювання переднього кута у напрямі сходу стружки було б повністю виправданим тоді, коли при однакових передніх кутах, незалежно від кута нахилу ріжучої кромки, стійкість інструменту була б однаковою. Але цього не спостерігається. Вимірювання робочого переднього кута у напрямі сходу стружки позбавлене практичної цінності. Тому немає істотних підстав відмовлятися від вимірювання робочого переднього кута в площині, перпендикулярній до ріжучої кромки».

У роботах Стаблера було відрізнене, що тангенціальна складова сили різання є прямою функцією нормального переднього кута. По критерію споживаної потужності нормальний передній кут при косокутному різанні відповідає передньому) куту при прямокутному різанні.

Таким чином дослідження багатьох учених довели, що доцільно передній кут вимірювати в нормальному перетині як при прямокутному, так і при косокутному різанні.

Величина оптимального переднього кута залежить від значного числа змінних чинників, найважливішими з яких є:

- межа міцності і твердість оброблюваного матеріалу, його пластичні властивості:

- властивості інструментального матеріалу ріжучої частини інструменту:

- геометричні параметри ріжучої частини інструменту (кути a, l, і j);

- прийняті режими різання;

- якість передньої поверхні.

Як показують численні дослідження із збільшенням міцності. і твердості оброблюваного матеріалу величина оптимального переднього кута зменшується, а із збільшенням міцності інструментального матеріалу — зростає.

Процес різання є єдиним і дуже складним фізичним процесом, всі окремі елементи якого взаємозв'язані. Відхилення будь-якого з параметрів від його оптимального значення приводить до необхідності змінювати величини і інших параметрів, для того, щоб забезпечити при цьому максимально можливу стійкості інструменту. Так збільшення переднього кута приводить до необхідності зменшувати задній кут і навпаки. [16,19,20]

При малій товщині зрізу, сумірній з радіусом округлення різальної кромки, величина переднього кута істотно не впливає на процес різання. В цьому випадку передні кути рекомендується приймати рівними нулю g=0. Передні кути рівні нулю часто приймаються при проектуванні фасонних інструментів. В окремих випадках конструктивні особливості інструменту приводять до того, що величини передніх кутів, що приймаються, відрізняються від оптимальних. Так на круглих протяжках малого діаметру вибір великих передніх кутів обмежується утрудненнями в їх заточуванні.

Орієнтування при обробці інструментом з швидкорізальної сталі конструкційних сталей передній кут в нормальному до ріжучої кромки перетині приймається рівним g_н=10¸20°. [5,6,12,13,19,22,53]

Для інструментів з твердих сплавів передні кути вибираються в межах від - 10° до +10°.

Задній кут a є важливим елементом конструкції інструменту. Він служить для зменшення зусиль що виникають на задній поверхні, зниження тертя між задньою поверхнею інструменту і поверхнею різання, для забезпечення свободи переміщення задньої поверхні щодо поверхні різання, задньої кут впливає на величину радіусу округлення ріжучої кромки, на міцність інструменту, на типові явища унаслідок зміни розмірів різального клину. Надмірне збільшення заднього кута приводить до погіршення тепловідводу і зниження міцності різальної частини. [6,20,26]

Численні дослідження показують, що оптимальні величини задніх кутів визначаються головним чином товщиною зрізу.

Проф. д.т.н. Ларін М.Н. рекомендує при обробці почали величину заднього кута визначати по формулі:

(1.1)

Величини С і «к» визначаються на основі обробки експериментальних даних. Оптимальний задній кут збільшується із зменшенням товщини зрізу.

У більшості інструментів величина задніх кутів коливаються межах 5¸25°.Менші величини вибираються при чорновій обробці a=5¸8°,а великі - для чистової обробки 8-15°. У інструментів тих, що працюють з малою товщиною зрізу, типу фрез з дрібним зубом, величини задніх кутів доходять до 30°. При проектуванні інструментів рекомендується в усіх точках ріжучих кромок створювати позитивні задні кути не менше 3¸4°. В окремих випадках допускається мінімальну величину заднього кута доводити до 1°. [22,26,39,43,52]

У ряді випадків при виборі величин задніх кутів доводиться враховувати конструкції і область застосування проектованого інструменту. Так у круглих протяжок при переточуваннях зменшується діаметр зубів. Тому для того, щоб збільшити число можливих переточувань задній кут приймають рівним 2¸4°.

Часто величини задніх кутів не залишаються постійними при переході від однієї точки різальної кромки в іншу. [80] Тому не представляється можливим забезпечити оптимальні величини задніх кутів в усіх точках ріжучих кромок, відповідних умовам їх роботи. В результаті виникає завдання оцінки величин геометричних параметрів в різних точках різальних кромок при вибраних різноманітних інструментальних геометричних параметрах різальної частини. При прямокутному різанні січні площини вимірювання заднього кута проводяться перпендикулярно різальній кромці. При косокутному різанні немає єдиної думки про положення площини вимірювання заднього кута. Відповідно до ДСТУ2298-93 задній кут a_н може вимірюється в нормальній січній площині, в головній січній площині - a, в робочій площині між задньою поверхнею і напрямом швидкості результуючого руху різання в даній крапці ріжучої кромки - a_р.

Визначення задніх кутів в різних січних площинах викликане відсутністю єдиної думки про вплив заднього кута на фізичні явища, що відбуваються в процесі різання.

Фахівці, що вважають що задній кут a_р необхідно змінювати в робочій площині, обґрунтовують це тим, що задній кут a_р характеризують зазор між задньою поверхнею і траєкторією руху даної точки ріжучої кромки щодо заготовки, що дозволяє забезпечувати безперешкодне переміщення різального інструменту в процесі різання. [20]

Подібне твердження є не цілком обґрунтованим, оскільки при позитивному робочому задньому вугіллі a_р забезпечується зазор між задньою поверхнею і поверхнею різання поблизу ріжучої кромки. У зонах віддалених від ріжучої кромки задня поверхня може стикатися с. поверхнею різання, що неприпустимо. Крім того необхідно враховувати, що деформації оброблюваного матеріалу, напруга і сили різання на задній поверхні інструменту залежать від процесу стружкоутворення. Звідси ряд дослідників вважає, що задні кути доцільно визначати в нормальному до різальної кромки перетині, подібно до передніх кутів. [5]

Кут нахилу ріжучої кромки l найбільш багатообразно впливає на процес різання і працездатність ріжучого інструменту і має різне призначення. Кут l впливає на усадку стружки, на інтенсивність зносу інструменту, на збільшення контактної площі на передній поверхні, що приводить до зміни силової і теплової напруженості на контактних площах. Це використовується, наприклад, при конструюванні інструментів для обробки загартованих сталей, де величина кута l, що рекомендується, доходить до l=45°.

Кут нахилу різальної кромки l забезпечує відведення стружки в бажаному напрямі. В тому разі кут l вибирають в межах l=10-15°. Так при нарізуванні різьблення мітчиками l=10¸12° можна змусити стружку йти в заздалегідь оброблений отвір і створити так званий "безканавковий" мітчик.

Величина і знак кута l робить великий вплив на умови урізування різального інструменту в оброблюваний матеріал. У таких інструментів як токарні прохідні різці, торцеві фрези при позитивному знаку кута l=10¸15° відсовується від вершини інструменту місце первинного контакту з матеріалом заготовки, що зменшує небезпеку його механічного пошкодження. Для циліндрових і кінцевих фрез величини кута нахилу l різальних кромок, що рекомендуються, доходять до l=30¸40°, що забезпечує більш рівномірне фрезерування, оскільки кожен зуб поступово входить і поступово виходить із зіткнення із заготівкою.

Обробка з великими кутами нахилу різальної кромки l особливо ефективна при тому, що зрізає тонких стружок. В цьому випадку значення кута l досягає 60¸80°.

Складність вибору величин кута нахилу різальної кромки пояснюється тим, що часто зміна кутів l, приводить до відповідному, зміні величин передніх і задніх кутів. Так у прибуткових токарних різців використання позитивних кутів нахилу l головних різальних кромок приводить до погіршення умов різання на допоміжних різальних кромках.

Великий вплив на працездатність інструменту роблять кути в плані j.

Від кута в плані j залежить активна довжина різальної кромки, товщина зрізу, величина і напрям рівнодіючою зусилля різання, із зменшенням кута в плані стійкість інструменту і продуктивність обробки підвищується головним чином із-за зменшення товщини зрізу. Проте зменшення кутів в плані j приводить до збільшення радіальної складової зусилля різання, внаслідок чого зростає небезпека виникнення вібрацій при обробці різцями і фрезами. Тому при конструюванні різальних інструментів доцільно вибирати найменші величини кутів в плані j, що забезпечують обробку без низькочастотних вібрацій. Слід також враховувати, що через зростання радіальної сили різання при зменшенні кутів, що становить, в плані відповідно знижується точність обробки.

Найбільш поширеним кутом в плані при точінні і торцевому фрезеруванні є j=45°. В умовах підвищеної жорсткості технологічної системи кутів в плані j зменшується до 10°, а при зниженій жорсткості відповідно збільшується.

У фасонних інструментів кут в плані залежить від фрези обробленої поверхні деталі і прийнятої схеми обробки. Тому у фасонних інструментів не можна вибирати незалежні величини кутів плані.