Резание металлов и режущие инструменты

ВЫСШЕЕ ОБРАЗОВАНИЕ - БАКАЛАВРИАТ серия основана в 1 996 г.




В.Г. СОЛОНЕНКО
А.А. РЫЖКИН





                РЕЗАНИЕ МЕТАЛЛОВ И РЕЖУЩИЕ ИНСТРУМЕНТЫ





УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ



Допущено
      Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров и магистров 15.03.05, 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

znanium.com


Москва ИНФРА-М 2023

УДК 621.9(075.8)
ББК 34.5я73
      С60
      Рецензенты:
         заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. В.К. Старков (МГТУ «Станкин»);
         кафедра «Технология авиационных двигателей, общего машиностроения и управление качеством» Рыбинской государственной авиационной технологической академии (зав. кафедрой — заслуженный деятель науки и техники РФ, д-р техн. наук, проф. В.Ф. Безъязычный)
      Солоненко В.Г.
С60 Резание металлов и режущие инструменты : учебное пособие / В.Г. Солоненко, А.А. Рыжкин. — Москва : ИНФРА-М, 2023. — 415 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).
         ISBN 978-5-16-004719-5 (print)
         ISBN 978-5-16-104605-0 (online)
         В пособии рассмотрены элементы процесса резания металлов, инструментальные материалы, явления, сопровождающие процесс резания металлов, виды смазочно-охлаждающих жидкостей, режимы резания при точении, особенности отдельных видов лезвийной обработки, конструкции режущих инструментов, шлифование, инструментальное обеспечение автоматизированного производства. Даны элементы теории проектирования режущих инструментов, освещены вопросы моделирования и надежности режущих инструментов и процесса резания.
         Для студентов вузов, обучающихся по направлениям 15.03.05 и 15.04.05 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».
УДК 621.9(075.8)
ББК 34.5я73


















ISBN 978-5-16-004719-5 (print)
ISBN 978-5-16-104605-0 (online)

© Солоненко В.Г., Рыжкин А.А., 2011

ПРЕДИСЛОВИЕ


   В основу учебного пособия положены материалы, сформировавшиеся в результате многолетнего преподавания авторами таких дисциплин, как «Резание материалов», «Процессы формообразования и инструменты», «Режущий инструмент», «Проектирование инструментов», «Проектирование и производство режущих инструментов», «Теория проектирования инструментов», «Математическое моделирование процесса резания и режущих инструментов», «Физико-химические основы обработки материалов», «Надежность станочных и инструментальных систем» и др. Базовыми при подготовке лекционных курсов и, соответственно, настоящего учебного пособия явились книги известных советских и русских ученых и педагогов А. А. Авакова, В.Ф. Боброва, А,М. Вульфа, А.Д. Макарова, П.Р. Родина, И.И. Семенченко, В.М. Матюшина, Г.Н. Сахарова, В.К. Старкова, П.И. Яще-рицина, М.Л. Еременко, Н.И. Жигалко и др. В некоторых разделах приведены результаты собственных исследований авторов.
   В учебном пособии даны разделы, посвященные изучению явлений, сопровождающих резание металлов; дана информация о современных инструментальных материалах, о конструкциях режущих инструментов; изложены вопросы, связанные с их проектированием.
   Авторы уверены, что инженеры-механики специальностей 151001,151002 и 151013 должны знать основу современного и будущего производств — обработку металлов резанием и металлорежущие инструменты.
   Можно надеяться, что научный уровень и последовательность изложения будут способствовать успешному усвоению учебного материала студентами высших учебных заведений указанных и других технических специальностей для решения тех задач, которые будут возникать перед ними в их инженерной деятельности.


Авторы

ВВЕДЕНИЕ

   С тех пор как человечество научилось применять для своих нужд металлы и сплавы, возникли вопросы, связанные с их обработкой для придания заготовкам из них соответствующих форм деталей. Основным способом получения деталей является способ удаления (скоблением, опиловкой, резанием) слоя металла в виде стружки с заготовки. Первые объяснения процессов, происходящих при этом, появились во второй половине XIX века и в начале XX столетия, когда зародилась наука о резании металлов (И.А. Тиме, К.А. Зворыкин, А.А. Брике, Я.Г. Усачев).
   За прошедшие 100 с лишним лет проблемы, связанные с обработкой металлов резанием, не потеряли актуальности, а скорее — возросли. Это связано прежде всего с глобальным направлением человеческой деятельности — изготовлением всевозможных машин и агрегатов, которые бы снизили затраты живого труда. При этом в целом какой-либо серьезной альернативы сегодняшним металлическим конструкциям, несмотря на достаточно широкое применение, например, пластмасс, нет и не предвидится ее в обозримом будущем. Больше того, проблема не снижается в условиях широкого использования безотходных технологий получения деталей машин (высокоточных литья и ковки, порошковой металлургии) и методов, основанных на лазерных технологиях. Во всех случаях как минимум чистовая обработка путем снятия стружки (лезвийными или абразивными инструментами) нужна.
   Необходимо также иметь в виду следующее. Машиностроение и важнейшая подотрасль его — станкостроение являются базами для изготовления любых изделий, которые люди применяют в своей деятельности и жизни. Для получения наибольшей отдачи от отрасли и подотрасли необходимо совершенствование с выведением их на качественно новый уровень максимальной автоматизации. Эта задача не может быть решена без внедрения в производство прогрессивных конструкций режущих инструментов на основе изучения физических процессов, сопровождающих резание металлов. Такое изучение необходимо как продолжение столетнего исследования в связи с ис
4

пользованием новых конструкционных материалов, обладающих неизвестными свойствами с точки зрения их обрабатываемости резанием; в связи с появлением перспективных инструментальных материалов, не содержащих, в частности, дефицитных вольфрама и кобальта (появление новых инструментальных материалов, позволяющих работать на повышенных скоростях резания по сравнению с традиционными режущими материалами, всегда приводило к модернизации существующих станков или замене их парка — требовались более мощные приводы, повышенные жесткость, точность и т. д.), и, главное, со стремлением повысить производительность металлообработки.
   Международные данные говорят о том, что незапланированные остановки автоматизированного и автоматического оборудования из-за несвоевременного вывода из строя режущих инструментов и других проблем обработки резанием составляют до 50 % всех отказов такого оборудования. Это еще раз подчеркивает значимость металлообработки резанием, которая согласно тем же международным данным будет превалировать при изготовлении деталей машин в обозримом будущем.
   В учебном пособии даны десять разделов, включающих вопросы элементов процесса резания, инструментальных материалов, явлений, сопровождающих процесс резания металлов, смазочно-охлаждающих жидкостей, особенностей отдельных видов лезвийной обработки с конструкциями режущих инструментов, шлифования, элементов теории проектирования, моделирования и надежности режущих инструментов. Авторы надеются, что книга поможет студентам машиностроительных вузов глубже изучить особенности процесса обработки металлов резанием и использовать полученные знания в своей дальнейшей практической деятельности.

1. ЭЛЕМЕНТЫ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ МЕТАЛЛОВ

   Сущность технологии изготовления деталей машин состоит в последовательном использовании различных технологических способов воздействия на обрабатываемую заготовку для придания ей заданных формы и размеров. Одним из таких способов является механическая обработка резанием, которая осуществляется режущими инструментами (РИ) на металлорежущих станках. Обработка резанием заключается в срезании с обрабатываемой заготовки некоторой части металла, оставленной на обработку и названной припуском. Он может удаляться одновременно с нескольких поверхностей заготовки или последовательно друг за другом с каждой обрабатываемой поверхности. Иногда припуск может быть настолько большим, что его срезают не сразу, а за несколько проходов. После срезания всего припуска заготовка превращается в готовую деталь.
   Металл, удаляемый в процессе резания с заготовки, подвергается пластическому деформированию и разрушению, в результате чего, отделившись от заготовки, приобретает характерную форму; в таком виде его называют стружкой. Срезаемая с заготовки стружка является отходом обработки металлов резанием. Пластическое деформирование и разрушение материала с превращением его в стружку проходит в специфических условиях. Это определяет и специфические условия процесса, справедливые только для резания металлов. Таким образом, все виды и способы получения деталей машин, основанные на срезании припуска и превращения его в стружку, определяются сочетанием «резание металлов» [18; 66].
   При всем многообразии вопросов, касающихся обработки металлов резанием, необходимо начать с элементарных понятий, определившись с поверхностями, имеющими место при резании металлов. При этом следует ориентироваться на самый простой способ обработки резанием — точение.

1.1. ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ТОЧЕНИИ
   Технология изготовления большинства деталей механизмов и машин включает операции механической обработки снятием стружки — для обеспечения формы, размеров и шероховатости поверхно
6

         Рис. 1.1. Поверхности при точении
7 — поверхность заготовки; 2— поверхность резания, по которой снимается стружка; 3 — поверхность детали



сти, заданных чертежом. При точении (рис. 1.1) заготовка получает вращательное движение, а инструмент (резец) — движение подачи.



1.2: КОНСТРУКТИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ТОКАРНОГО РЕЗЦА


   Державка //резца (рис 1.2) представляет собой стержень прямоугольного, квадратного или другого сечения и служит для закрепления его в резцедержателе станка.
   Головка резца (рабочая часть) /участвует непосредственно в снятии стружки; ограничивается она передней 6, главной задней 7, вспомогательной задней 5, нижней и боковой поверхностями. Пересечение передней и главной задней поверхностей образует главную режущую кромку 2, а пересечение передней и вспомогательной задней — вспомогательную режущую кромку 4. Пересечение главной и вспомогательной режущих кромок образует вершину 3 резца.
   По передней поверхности 2, воспринимающей давление срезаемого слоя, сходит стружка 1 (рис. 1.3). Главная задняя поверхность обращена к поверхности 2 (см. рис. 1.1), с которой снимается стружка и которая называется поверхностью резания. Вспомогательная задняя поверхность обращена к обработанной поверхности 3, т. е. к поверхности, полученной после снятия припуска [78].

Рис. 1.2. Конструктивные элементы токарного резца

Рис. 1.3. Процесс снятия стружки

7

1.3. ДВИЖЕНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ

   При обработке на токарных станках различают два движения: главное — вращательное движение у заготовки и движение подачи S резца (рис. 1.4) [78].


Рис. 1.4. Схемы главного движения и движения подачи при точении: а — продольном; б — поперечном

1.4. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ И КООРДИНАТНЫЕ ПЛОСКОСТИ (НА ПРИМЕРЕ ТОЧЕНИЯ)

   Согласно ГОСТ 25762—83 [8] различают следующие системы координат и координатные плоскости.
   Инструментальная система координат — прямоугольная система координат с началом в вершине лезвия, ориентированная относительно геометрических элементов режущего инструмента, принятых за базу. Инструментальная система координат применяется для изготовления и контроля инструмента.
   Статическая система координат — прямоугольная система координат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки, ориентированная относительно направления скорости главного движения резания. Статическая система координат применяется для приближенных расчетов углов лезвия в процессе резания и для учета изменения этих углов после установки инструмента на станке.
   Кинематическая система координат — прямоугольная система координат с началом в рассматриваемой точке режущей кромки, ориентированная относительно направления скорости результирующего движения резания.


8

   Основная плоскость — координатная плоскость, проведенная через рассматриваемую точку режущей кромки перпендикулярно направлению скорости главного или результирующего движения резания в этой точке.
   Инструментальная основная плоскость — основная плоскость инструментальной системы координат.
   Статическая основная плоскость — основная плоскость статической системы координат.
   Кинематическая основная плоскость — основная плоскость кинематической системы координат.
   Плоскость резания — координатная плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке, перпендикулярная основной плоскости.
   Инструментальная плоскость резания — координатная плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная инструментальной основной плоскости.
   Статическая плоскость резания — координатная плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная статической основной плоскости.
   Кинематическая плоскость резания — координатная плоскость, касательная к режущей кромке в рассматриваемой точке и перпендикулярная кинематической основной плоскости.
   Главная секущая плоскость — координатная плоскость, перпендикулярная линии пересечения основной плоскости и плоскости резания.
   Инструментальная главная секущая плоскость — координатная плоскость, перпендикулярная линии пересечения инструментальной основной плоскости и плоскости резания.
   Статическая главная секущая плоскость — координатная плоскость, перпендикулярная линии пересечения статических основной плоскости и плоскости резания.
   Кинематическая главная секущая плоскость — координатная плоскость, перпендикулярная линии пересечения статических основной плоскости и плоскости резания.
   Кинематическая главная секущая плоскость — координатная плоскость, перпендикулярная линии пересечения кинематических основной плоскости и плоскости резания.                                          точении

9

   Нормальная секущая плоскость — плоскость, перпендикулярная режущей кромке в рассматриваемой точке.
   Секущая плоскость схода стружки — плоскость, проходящая через направления схода стружки и скорости резания в рассматриваемой точке режущей кромки.
   На рис. 1.5 показано взаимное положение плоскости резания 1 и основной плоскости 2.



1.5. ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ТОКАРНОГО РЕЗЦА

   Обработка резанием производится различными РИ: резцами, сверлами, фрезами, протяжками и т. д. В каждом из них можно выделить режущий клин, определяющий возможности срезания некоторого слоя металла (припуска). Форма режущего клина бывает различной и определяется наиболее простым и удобным видом инструмента для изучения геометрических параметров его режущей части. На основании понятий и определений геометрических параметров токарного резца, имеющего в своем сечении режущий клин, изучают геометрию более сложных РИ.
   На рис. 1.6 даны геометрические параметры токарного резца.
   Передний угол у — угол между следом касательной к передней поверхности в рассматриваемой точке и нормалью в той же точке к следу плоскости резания. Назначение переднего угла — обеспечить беспрепятственный сход стружки по передней поверхности РИ. Он может быть положительным, направленным в тело резца (см. рис. 1.6), нулевым и отрицательным. Зависит величина переднего угла от свойств обрабатываемого материала: для материалов, дающих сливную стружку, он положительный; для материалов, дающих стружку скалывания, он нулевой или отрицательный. Кроме того, нулевой передний угол применяют у фасонных режущих инструментов (в частности, резцов) с целью сохранения профиля при переточках таких инструментов по передним поверхностям.
   Главный задний угол а — угол между следом касательной к главной задней поверхности в рассматриваемой точке и следом плоскости резания. Назначение заднего угла — обеспечить свободное перемещение задней поверхности резца относительно поверхности резания. Он может быть положительным, направленным в тело резца (см. рис. 1.6). В исключительных случаях он может быть нулевым; в этом случае след задней поверхности совпадает со следом плоскости резания. Главный задний угол не может быть отрицательным, поскольку в

10