М. И. Юликов, # Б. И. Горбунов, Н. В. Колесов Проектирование и производство режущего инструмента москва «машиностроение» 1987 ббк 34. 6 Ю34

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   32

2.4.1. Выбор схемы конструкции РИ

Разработка конструкции РИ начинается с выбора ее схемы на основе определенных исходных данных, в том числе предпо­лагается, что в исходные данные вошли решения, принятые на предшествующих двух этапах, а именно:

выбран определенный вариант кинематико-конструктивного решения процесса формообразования заданных поверхностей де­тали, т. е. определен вид РИ и его производящая поверхность;

выбраны определенная схема резания припуска и вариант ее осуществления (принципиальное решение) — предопределен характер расположения режущих кромок на производящей поверх­ности инструмента, т. е. определен тип РИ.

Выбор схемы конструкции является творческой деятельно­стью и он основан на использовании поэлементного принципа проектирования. Поэтому в первую очередь необходимо рас­смотреть классификацию основных частей и элементов конструк­ции РИ.

Наиболее развитая (сложная) конструкция РИ состоит из шести частей: рабочая часть, включающая режущие и калибрую­щие элементы; крепежно-присоединительная; корпусная (держа-вочная); механизм крепления режущей части к корпусной (дер-жавочной); механизм регулирования размеров рабочей части ин­струмента и центрирующе-направляющие части.

При выборе схемы конструкции определяется набор основных частей инструмента с указанием их пространственной взаимо­связи. Ввиду относительной простоты конструкций инструмента, за исключением некоторых сложных видов (например, трубомуфто-нарезных и расточных патронов, резьбонарезных и резьбонакат­ных головок), компоновка основных частей осуществляется по двум основным схемам:

концевой (осевой) инструмент, у которого основные части — рабочая, крепежно-присоединительная и корпусная (державоч-ная) — располагаются вдоль оси инструмента;

насадной инструмент, у которого указанные основные части компонуются в направлении, перпендикулярном к оси инстру­мента.

Схема развитой сборной конструкции РИ более сложная и включает не только набор основных частей, но и их элементов с соответствующей пространственной взаимосвязью. Схемы кон­струкций отдельных частей инструмента рассматриваются ниже при изложении материалов, относящихся к расчетной части СПРИ:

2.4.2. Расчетная часть третьего этапа системы проектирования РИ

Расчетная часть является основным содержанием процесса проектирования. Структура этой части СПРИ, включающая 16 блоков (см. рис. 1.1), обоснована в разд. 2.1. Ниже рассматри­вается каждый блок, кратко излагаются методика определения соответствующих параметров и характеристик и необходимая ин­формационная обеспеченность ее реализации.

2.4.2.1. Исходные данные (блок 1)

Расчетная часть начинается с исходных данных. В общем случае исходные данные могут включать:

деталь: материал (марка, НВ, а_в и др.), размеры;

операцию: наименование операции, припуск на обработку, технические требования к операции, точность и шероховатость поверхности обработки, режимы обработки (/, S, v), коэффициенты для определения Р_г, Т и др., партия деталей или тип производства;

станок и оснастку: модель станка, ряды частот вращения шпинделя и подач, мощность, тяговое усилие и др., наличие оправок кулачков, копиров, сменных зубчатых колес и т. д.;

инструмент: вид, тип (схема срезания припуска), типовая конструкция, назначение инструмента, параметры установки ин­струмента, требования к инструменту (в том числе точность исполнения), данные, относящиеся к технологии изготовления инструмента;

прочие данные.

С точки зрения системного проектирования исходные дан­ные должны включать все условия, необходимые для установле­ния существенных внешних и внутренних связей инструмента как системы, которые могут быть заданы (или определены) после 1-го и 2-го этапов проектирования. Те условия, которые не могут быть определены после 1-го и 2-го этапов, рассчитываются в до­полнительных исходных данных (блок 2, см. рис. 1.1) третьего этапа СПРИ или же в последующих блоках.

^ 2.4.2.2. Расчет дополнительных исходных данных (блок 2)

Содержание данного блока расчетной схемы является спе­цифическим для каждой конкретной задачи и вводится в связи с тем, что исходные данные должны включать минимально необ­ходимую и достаточную информацию для процесса проектирования. Дополнительные исходные данные определяются в каждом кон­кретном случае по своим расчетным зависимостям. К ним отно­сятся: определение расчетных размеров профиля детали с учетом допусков на них и разбивки: пересчет размеров профиля детали из одной плоскости в другую, необходимый для профилирования ин­струмента; расчет исходной инструментальной рейки для инст­румента, работающего по методу обкатки; определение положе­ния базовой линии на детали при ее обработке фасонным рез­цом; определение дополнительных размеров детали (например, зубчатого колеса), недостающих для расчета инструмента, и т. д.

Часть указанных расчетов, которые используются при кон­струировании большой группы инструментов, могут быть оформ­лены в самостоятельные модули и входить в общий фонд модулей, используемый при машинном проектировании.


^ 2.4.2.3. Выбор инструментальных материалов (блок 3)

Инструментальный материал (ИМ) оказывает большое влия­ние на производительность обработки, качество обработанной поверхности и на конструкцию самого инструмента, т. е. является важнейшей характеристикой режущего инструмента (табл. 2.4). Поэтому в системе СПРИ выбор ИМ осуществляется непосред­ственно после исходных данных (см. рис. 1.1).

Трудности выбора ИМ помимо сложности процесса резания и явлений, его сопровождающих, объясняются еще двумя причи­нами. Во-первых, в отличие от многих других характеристик или параметров инструмента выбор марок затруднен, так как не имеется одного какого-либо надежного и общего комплексного численного критерия, по которому можно было бы осуществлять выбор. Во-вторых, число возможных сочетаний различных фак­торов, условий работы инструмента, существенно влияющих на выбор ИМ, огромно. Очевидно, что дать рекомендации для каждых конкретных условий не представляется возможным.

Имеющиеся опытные данные, а также рекомендации по выбору ИМ в различных стандартах и нормативах позволяют с большим или меньшим основанием выбрать марку ИМ. При этом, однако, учитывается обычно от двух до пяти факторов, что для правиль­ного выбора ИМ часто совершенно недостаточно.

Изложенная ниже методика выбора марок ИМ учитывает боль­шее число факторов, что позволяет сделать выбор более обос­нованным. Использование таблиц соответствий [7, 11] также позволяет осуществлять выбор ИМ при автоматизированном про­ектировании.

Множество марок ИМ, допустимых при заданных условиях:

■Эдоп = / («1. «2. "з. ••■ . "is. "ы). (2.18)

где и_г — обрабатываемый материал (ОМ — см. прил. 1); и₂ — состояние поверхности заготовки; ы₃, ы₄, ы₅ — режимы резания (соответственно t, S, v)\ и_е — характер резания (прерывистое, непрерывное); и₇ — тип производства (массовое, серийное, еди­ничное); и₈ — жесткость технологической системы; ы₉ — тре­буемая надежность инструмента; и₁₀ — технология перетачива­ния инструмента (способ, трудоемкость, оборудование, инстру­мент для перетачивания); и_и — технология изготовления инстру­мента (ковка, прокат, литье, вышлифовка и др.); и₁₂ — размеры инструмента (режущей части); и_ля — угол р" заострения лезвия; и_ы — форма (размеры) профиля инструмента.

Зависимость (2.18) при выборе возможных марок ИМ от пе­речисленных условий <ш» можно выразить в форме таблиц соот­ветствий (например, табл. 2.5). В табл. 2.5 знак «+» означает, что данная марка ИМ рекомендуется для использования при данном значении и; знак «(+)» означает, что данная марка до­пускается для использования, но предпочтение имеет марка, которой соответствует знак «+», знак «—» означает, что марка не рекомендуется. Кодирование инструментальных материалов (ИМ) и обрабатываемых материалов (ОМ) соответствует табл. 2.4 и прил. 1.

Каждое из условий и_х, ... , и_ы может принимать два — четыре значения. Большое число значений весьма усложняет таблицы и алгоритмы без ощутимого эффекта. Исключение составляет усло­вие и_г — обрабатываемый материал ОМ (см. прил. 1): число зна­чений и_г должно соответствовать всем группам ОМ и различным их характеристикам (а_в, НВ), которые охватываются алгорит­мом. Это вызвано тем, что ОМ является условием, наиболее сильно влияющим на выбор ИМ. Вообще при разработке конкретного алгоритма число возможных значений каждого условия и должно соответствовать практике производства на данном предприятии. Например, число значений ы_х должно быть таким, чтобы вклю­чать все группы ОМ, каждая из которых при прочих равных ус­ловиях могла бы обрабатываться одной маркой ИМ данного вида инструмента. Условие и₂ может принимать два — три значения. Например, если обрабатываемая поверхность предварительно уже обработана, и₂ — 1; если имеется окалина после штамповки или литейная корка, то и₂ = 2.

Наибольшее влияние на выбор ИМ оказывает скорость реза­ния — условие и_ъ. В таблицах соответствия наиболее целесооб­разно ограничиваться двумя — тремя значениями и_ъ: и₆ = 1 — для нормативной скорости резания наиболее типичной марки ИМ данной группы, например, для Р6М5 группы быстрорежущих сталей; и_ъ = 2 — для повышенной скорости резания (при задан­ных t и 5); ы₅ = 3 — для пониженной скорости резания.

Некоторые из условий и в зависимости от вида инструмента и техпроцесса могут трактоваться различно. Например, размеры спиральных сверл и_ы могут оказывать влияние на выбор ИМ: свёрла из кобальтовых сталей диаметром менее 5 мм показывают невысокую стойкость из-за ухудшения теплоотвода при малой массе лезвия сверла. Кроме того, сверла и другие инструменты малого диаметра (метчики, протяжки) при малых размерах часто работают с предельными напряжениями, и поэтому предпочтение имеют марки ИМ более прочные и менее хрупкие. Для других видов инструмента, например, цельных стальных червячных фрез, характерно использование относительно больших диаметров (60— 200 мм и более). Здесь размер инструмента, как показывает прак­тика, может существенно повлиять на балл карбидной неоднород­ности, что особенно опасно для более твердых и хрупких марок ИМ.

Число условий и может быть увеличено или уменьшено. Например, технология изготовления инструмента — условие и_гг — может быть охарактеризована не одним, а несколькими условиями, если они существенно влияют на выбор ИМ. Если инструмент подвергается закалке с нагревом в печи без автоматического контроля и регулирования температуры закалки, то возникает возможность перегрева, т. е. завышения температуры нагрева по сравнению с оптимальной. Такая опасность имеется и в тех слу­чаях, когда термообработке подвергается одновременно партия различных инструментов из марок ИМ, имеющих разную опти­мальную температуру нагрева. В этих случаях должно учиты­ваться такое важное свойство ИМ, как чувствительность к пере­греву. Вообще технологические свойства инструментальных ма­териалов, особенно сталей, в технической литературе освещены недостаточно и мало систематизированы, что затрудняет их учет при выборе ИМ. В то же время они могут иметь не только суще­ственное, но в ряде случаев решающее значение при выборе той или иной марки ИМ. При разработке таблиц соответствий учет технологических свойств является обязательным. В связи с этим в прил. 2 рассмотрены основные технологические свойства быстро­режущих сталей. Некоторые из этих свойств могут не учитываться в таблицах соответствий, но лишь в тех случаях, когда по усло­виям изготовления или эксплуатации (ы₁₀, ы_и и др.) они не ока­зывают влияния иа выбор марки ИМ. Например, если канавки сверла не вышлифовываются или не прокатываются, а фрезе­руются, то шлифуемость или ковкость можно не учитывать. Если при переточках инструмента объем шлифовальных работ значи­телен (червячные фрезы, протяжки), то при использовании для заточки корундовых кругов необходимо учитывать шлифуемость как технологическое свойство марки ИМ; это свойство влияет, кроме трудоемкости шлифования, и на стойкость инструмента. Если же для переточек используются эльборовые круги, то шли­фуемость можно не учитывать.

Если какие-либо условия и из вышеперечисленных мало из­меняются, оставаясь в пределах стандартных или нормативных, их можно не учитывать. Анализ показал, что число условий и, как правило, должно быть не менее 6.

В качестве примера рассмотрим выбор марки ИМ для спираль­ного сверла по табл. 2.5. Сверла выполняются цельными из угле­родистой, легированной или быстрорежущей стали. В таблице приведены 19 наиболее часто рекомендуемых для сверл марок ИМ; их кодирование соответствует табл. 2.4. Сверление производится в заготовке из стали 45; диаметр отверстия d ■= 10 мм; длина 50 мм; режимы: S = 0,25 мм/об; v — 0,65 м/с.

Условия ы_г ... ы₁₄ следующие: u_t — ОМ53 (см. прил. 1); ы₂ — корка или окалина отсутствуют; ы₄ — подача средняя (нормативная); ы₅ — скорость резания повышена; и₆ — резание непрерывное (отверстие не имеет пересечения с другими отверстиями или полостями); щ — тип производства — серийное; Ug — жесткость технологической системы пониженная [в частно­сти, отношение (lid) — 5, т. е. достаточно велико]; щ — особых требований к надежности нет; и_п — способ изготовления — вы-шлифовка канавок в цельной закаленной заготовке, перегрев и обезуглероживание при закалке исключены; н_1а — 5 < d < 50; u_ia — угол р заострения лезвия понижен (из-за увеличения угла подъема спирали канавки сверла до 24—30^е для лучшего отвода стружки, что необходимо ввиду увеличенного отношения lid).

Условие «а здесь не учитывается, так как при сверлении £ — — 0,5d всегда. Условие и₁₀ также отсутствует в табл. 2.5, так как перетачивание сверла осуществляется эльборовым кругом на специальном заточном станке. Особого влияния на выбор ИМ технология заточки не оказывает. При использовании обычных корундовых кругов следовало бы вводить условие и₁₀, так как шлифуемость ИМ корундовым кругом сильно различается для разных марок (см. ниже).

При данных условиях u_lt ... , и_1Я в соответствии с табл. 2.5 допускаются следующие марки ИМ:

для и_г — (6), (10), 16, 18—20, (21), (28), 32;

для и_г — ограничений нет;

для ы₄ — 6—21, (22), (24), 25, 26, (27—36);

для и₆ — (18), 20—24, (25), 26—30, 35, 36;

для и,, и щ — ограничений нет;

для Us — (6), 10, 16, (17—20), (25);

для «„ —(10), 16—21, (22), (24), (27)—(36);

для «ц — 16, 20, (21), 25, 26, (27), (29);

для и₁₂ — ограничений нет;

для «„ — 10—20, (21), 25, (26—28).

Марки ИМ, входящие в каждое из перечисленных множеств, в нашем примере сводятся лишь к одной: ИМ (20), т. е. (Р6М5К5). Для тех же условий, но при средней скорости резаиия (v = = 0,4 ч- 0,45 м/с) множество допустимых марок, определенное таким же способом из табл. 2.5, включает две марки: ИМ 16 и (20)', т. е. Р6М5 и (Р6М5К5). Предпочтительной является Р6М5, так как марка Р6М5К5 взята в скобки, т. е. не рекомендуется, но допускается.

При использовании таблиц соответствий возможны случаи, когда ни одна марка не допускается и не рекомендуется для заданных условий. Это означает, что при данных условиях ис­пользование всех рассмотренных марок будет неэффективно, а стойкость инструмента низкая. В таком случае надо прежде всего изменить исходные данные, что практически требует либо изме­нения режимов резания, либо других условий эксплуатации или изготовления инструмента. Можно также увеличить число рас­сматриваемых марок или решать вопрос о применении ИМ дру­гой группы, например, твердого сплава вместо быстрорежущей стали.


Возможен случай, когда допускаемых марок несколько. При автоматизированном проектировании должен быть предусмотрен дополнительный критерий или даже несколько критериев, исполь­зуемых последовательно, с помощью которых из числа допускае­мых марок выбирается одна. Такими критериями могут быть де­фицитность, например, пропорциональная содержанию в марке вольфрама, стоимость, хрупкая или пластическая прочность и др. При неавтоматизированном проектировании окончательный выбор

Рис. 2.21. Зависимость твердости ////с _г быстрорежущих сталей от темпера­туры


марки ИМ из числа найден­ных возможных может быть также осуществим с учетом их физико-механических свойств (табл. 2.6 и табл. 2.7; рис. 2.21 и рис. 2.22).


В рассмотренном при­мере при выборе марки ИМ для сверла (принимают, что скорость резания повышена и канавки сверла не вышли­фовываются, а фрезеруются) множество допустимых ма­рок, найденное из табл. 2.5, включает ИМ (18) и (20), т. е. (Р9К5) и (Р6М5К5). Сравним эти марки по физико-механическим свой­ствам. По хрупкой прочности Р6М5К5 обладает преимуществом, так как имеет значительно большее о„ как при 20 °С (табл. 2.6), так и во всем диапазоне температур 200—600 °С (рис. 2.22). Марка Р6М5К5 несколько уступает марке Р9К5 по о_в, а_сж при 20 °С, в то же время существенно превосходя ее по вязкости а_к. По важнейшему показателю пластической прочности — HRQ — при 20 °С Р6М5К5 имеет некоторое преимущество, а при Т =


- 20О 400 S00 бОО 650 %"С

Рис. 2.22. Зависимость прочности быстрорежущих сталей от темпервтуры


= 200 -г- 600 °С HRQ, обеих марок совпадают (рис. 2.21). Такой весьма приближенный анализ свойств позволяет отдать некоторое предпочтение марке Р6М5К5 с точки зрения стойкости сверла при данных условиях (учитывая повышенную скорость резания, невысокую жесткость технологической системы и уменьшенный угол В лезвия).

Рассмотрим другой пример. Твердосплавный токарный резец предназначен для чистового точения стали марки 10Х15Н27ТЗМР, о_в = 1030 МПа, НВ 217 (ОМ 108 см. прил. 1). Технологический процесс и режимы заданы: S = 0,15 мм/об; t = 0,6 мм; v — 0,6 ч-4-0,7 м/с, Условия и% ■—и₁₄: поверхность без корки; ( и 5 —

=» 1,0 -5- 0,3 м/с. Поскольку все остальные условия (о,, в_я, ... , u_tt) — средние, их не учитываем, принимая во внимание лишь режимы резания. Заданные режимы, как видно из сравнения их с приведенным диапазоном возможных t, S, о, нельзя отнести к крайне низким, как при тонком точении, или к крайне высоким (по t и S), как при черновой обработке, хотя они значительно ближе к тонкому точению.

Для тонкого точения используется наиболее твердая и наиме­нее прочная марка ВКЗ-М, а для тяжелых условий грубого точе­ния — наиболее прочная ВК8. Поэтому с достаточным основанием можно принять, как наиболее рациональные для данных режимов, марки: ВК6-ОМ, ВК6-М и ВК4. Оптимальная из них по стойкости должна определяться опытным путем. При автоматизированном проектировании табл. 2.8 может быть дополнена другими усло­виями и аналогично табл. 2.5.

В случаях, когда разрабатывается новый технологический процесс, новое оборудование или инструмент, необходимо решать вопрос о выборе группы инструментальных материалов. Хотя имеются известные теоретические основы, в окончательных реко­мендациях ориентируются на экспериментальные данные, опыт промышленности и, как правило, необходимы экономические расчеты вследствие существенной разницы в стоимости ИМ раз­ных групп. Ориентировочная область использования различных групп ИМ в зависимости от вида и типа инструмента, точности обработки и типа производства показана в прил. 3 и в зависимо­сти от материала обрабатываемой детали — в прил. 4. Выбор марки ИМ среди различных групп осуществляется в следующей последовательности: выбор возможных для использования групп ИМ; выбор марки ИМ в каждой группе; выбор (окончательный) группы и марки ИМ.

Рассмотрим следующий пример. Необходимо выбрать марку ИМ резца, предназначенного для тонкого растачивания отверстия в цилиндре из алюминиевого сплава АЛЗО (ОМ 5, прил. 1); диа­метр отверстия d = 22 мм; длина / = 45 мм; припуск 0,1мм; требуемая шероховатость Ra = 0,25 мкм. Тип производства — массовое, годовая программа выпуска А — 250 000 шт/год. Ре­жимы не заданы; по опытным данным, операция может осущест­вляться на специальном расточном станке твердосплавным резцом при v = 3,17 м/с, S = 0,021 мм/об, * = 0,1 мм.

В соответствии с прил. 3 и 4 для данного типа производства при обработке сплава АЛЗО с заданной шероховатостью можно использовать твердый сплав, композит и алмаз. Из опыта известно, что композит наиболее эффективен при обработке чугуна и зака­ленной стали. Для тонкого точения цветных металлов, в частности алюминиевых сплавов, успешно применяются твердый сплав и алмаз. Поэтому сравним эти два материала для данных условий.

Условия ы₂ и_м: отсутствие корки, весьма малые t и 5,

высокая скорость резания, непрерывное резание, повышенная

27

Рис. 2.23. Деталь

с учетом свойств ИМ или ВКЗ-М. Режимы