Резание металлов и режущий инструмент

УДК [621.91+621.9.06-05](075.8)
ББК 34.63я73
 
Д39

Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Технология машиностроения» межгосударственного образования 
учреждения высшего образования «Белорусско-Российский университет» (проректор по научной 
работе доктор технических наук, профессор В.М. Пашкевич); главный научный сотрудник лаборатории металлургии в машиностроении ГНУ «Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси» доктор технических наук, доцент В.Е. Антонюк

Все права на данное издание защищены. Воспроизведение всей книги или любой ее части не может 
быть осуществлено без разрешения издательства.

ISBN 978-985-06-3268-5 
©Дечко Э.М., Дечко М.М., 2020
 
© Оформление. УП «Издательство
 
“Вышэйшая школа”», 2020

Дечко, Э. М.
Д39  
Резание металлов и режущий инструмент : учебное пособие /  
 
Э. М. Дечко, М. М. Дечко. Минск : Вышэйшая школа, 2020. –
 
287 с. : ил.
 
 
ISBN 978-985-06-3268-5.

Представлены материалы по современным тенденциям в области обработки металлов 
резанием, конструкциям и системам режущих инстументов, интенсификации процессов 
резания, отражен опыт ведущих зарубежных фирм, представлены результаты компьютерного моделирования нагрузок в режущей и крепежной частях сверл, фрез и ленточных пил в 
процессе механической обработки.
Для студентов, магистрантов и аспирантов учреждений высшего образования машиностроительного профиля.

УДК [621.91+621.9.06-05](075.8)
ББК 34.63я73 

Условные обозначения

АСИ 
– автоматизированная смена инструментов
ВК 
– однокарбидный сплав
ЗК 
– зубчатое колесо
КНБ 
– кристаллический нитрид бора
МНП 
– многокромочная неперетачиваемая пластина
ПКНБ 
– поликристаллический нитрид бора
ПЛК (PLC) – программированный логический контроллер
РТК 
– работотехнические комплексы
СМП 
– сменная металлокерамическая пластинка
СОЖ 
– смазочно-охлаждающая жидкость
СОС 
– смазочно-охлаждающая среда
СОТС 
– смазочно-охлаждающая технологическая смазка
СПИД 
– Станок – Приспособление – Инструмент – Деталь
СТМ 
– сверхтвердый материал
ТК 
– двухкарбидный сплав
ТН 
– безвольфрамовый сплав
ТПС 
– технологическая подсиситема
ТП 
– технологический процесс
ТС 
– технологическая система
ТТК 
– трехкарбидный сплав
ЧПУ 
– числовое программное управление
ЧМФ 
– червячно-модульная фреза
ЭВМ 
– электронно-вычислительная машина
HSM 
– высокоскоростная обработка

Введение

Обработка металлов резанием является наиболее распространенным завершающим технологическим процессом, обеспечивающим получение деталей необходимых форм, размеров и оказывающим влияние на эксплуатационные свойства машин и механизмов. В процессе механической обработки 
в поверхностях деталей наблюдаются изменения качества поверхностного 
слоя, характеризуемого шероховатостью, наклепом, напряжениями, изменением структуры металлов и другими показателями. Эти изменения предопределяют выбор последующих операций обработки и в конечном счете сказываются на точности размеров, надежности и долговечности изделий.
Изучение дисциплины «Теория резания материалов» («Обработка материалов резанием»), как правило, начинается на 3-м курсе. На первых курсах 
студенты изучают дисциплины «Механика материалов», «Технология конструкционных материалов», «Детали машин», «Материаловедение» и др.
Традиционно изложение дисциплины «Теория резания материалов» («Обработка материалов резанием»), согласно учебным программам и планам, начинается с напоминания основных видов обработки материалов резанием, 
геометрических и конструктивных параметров инструментов, сечений среза, 
сочетаний движений детали и инструмента. Далее рассматриваются инструментальные материалы, стружкообразование, силы резания, тепловые процессы, изнашивание инструментов и их стойкость, обрабатываемость различных материалов, рациональные режимы резания и их оптимизация, особенности работы на станках с ЧПУ, современные тенденции в развитии процессов резания и др.
В результате изучения дисциплины «Теория резания материалов» предусматривается освоение методик выбора режущего инструмента и расчета режимов резания для различных видов обработки на основе справочно-нормативной базы, зарубежных каталогов, использования вычислительной техники 
для оптимизации процессов обработки. Накопленный опыт в области обработки металлов резанием позволяет использовать системный подход при преподавании данной дисциплины с учетом взаимосвязанных  факторов, сопутствующих  этому процессу.

Раздел 1
Раздел 1
РЕЗАНИЕ МЕТАЛЛОВ

Глава 1. Тенденции развития 
металлообработки и станкостроения

1.1. Тенденции развития металлообработки

Исходя из анализа технической литературы в области металлообработки, 
технической литературы, экспозиций и каталогов международных выставок 
в 2010–2019 гг. в Германии, Польше, России, Беларуси, можно отметить следующие тенденции развития металлообработки.
1. Разрабатываются новые материалы для режущих инструментов со специальными свойствами, влияющими на формирование изделий с учетом качества поверхностей деталей после обработки: высокая прочность; низкая или 
высокая теплопроводность; сложные микроструктуры поверхностных и внутренних слоев; устойчивость к резким температурным перепадам, переменным 
нагрузкам и др.
2. Некоторые обрабатываемые материалы имеет низкую обрабатываемость резанием по уровням допускаемых скоростей резания, качеству поверхности, силам и температурам резания, истирающему воздействию на инструмент.
3. Наблюдается усложнение форм обрабатываемых поверхностей заготовок и повышение требований к их качеству, к точности размеров деталей 
до 0,002–0,003 мм.
4. Разрабатываются многослойные и наноизносостойкие покрытия для 
режущих инструментов; специальные технологии обработки покрытий и изменений структур основы; покрытия, обеспечивающие обработку заготовок 
без смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).
5. Совершенствуются формы как передних, так и опорных поверхностей 
сменных режущих пластин с учетом обеспечения дробления стружки, жесткости, точности их позиционирования, затрат времени на их замену.
6. Предлагаются практически все группы инструментов с внутренним 
подводом СОЖ, направленных непосредственно в зону резания под высоким 
давлением.
7. Расширяется использование комбинированных инструментов на станках с числовым программым управлением (ЧПУ), предлагаются специальные 
модульные инструментальные системы для типовых деталей (шатуны, валы, 
корпуса и др.), имеющих сложные формы поверхностей заготовок, и т.п.

8. Осуществляются оптимизация процессов обработки и компьютеризация организации производства, сокращение сроков подготовки производства, 
проектирования инструментальной оснастки и технологических процессов.
9. Ведущие фирмы – производители режущего инструмента публикуют 
в каталогах справочные материалы по режимам резания для сталей, чугунов, 
цветных металлов, титана и их сплавов и др.
10. Происходят специализация производств, переделы рынка, размещение 
производств в иных странах.

1.2. Тенденции развития станкостроения 
иведущиемировыефирмы попроизводству станков 
иметаллорежущего инструмента

Исходя из анализа литературы по вопросам стойкостроения, можно отметить следующие тенденции развития станкостроения.
1. Разрабатываются многоцелевые высокоскоростные многокоординатные станки, обрабатывающие центры, станки с термозащитными рабочими 
зонами, с частотой вращения шпинделей до 10 000–100 000 об/мин.
2. Наблюдается дальнейшее увеличение уровня скоростей резания, в первую очередь на операциях точения, фрезерования, сверления, на заготовительных операциях.
3. Предлагаются расчеты режимов резания на электронно-вычислительных машинах (ЭВМ) по программам фирм – производителей режущих инструментов.
4. Сокращается вспомогательное время: скорость перемещений – 45–
100 м/мин, смена инструментов – за 0,1 с.
5. Увеличивается количество инструментов в магазинах, паллетах, а также 
их вынос за пределы станины.
6. Повышаются точность обработки, производительность и надежность 
процесса обработки.
7. Предусматривается защита узлов станков от продуктов резания, температурных перепадов и пыли в цеху.
8. Возрастает внимание к технике безопасности и экологии, в том числе 
защита оборудования и др.
Все это в свою очередь требует особых условий в цехах (термо- и теплозащита); качественных материалов заготовок; высокоточного и быстродействующего вспомогательного, режущего инструмента и инструментальных систем; 
разработки соответствующих современных технологий; создания сервисных 
служб и др. Должен быть комплексный подход к решению этих задач. В настоящее время практически в большинстве конструкций режущих инструментов используются твердые сплавы и износостойкие покрытия.
Основные задачи в металлообработке в условиях глобализации, возрастающей конкуренции, специализации предприятий, борьбы технологий, непрерывного обновления и совершенствования продукции – обеспечение ка

чества обработки (размеры и состояние поверхности), заданной производительности, минимизация производственных затрат.
Таким образом, имеем цепочку «технология – оборудование – качество – цена». Термин «цена – качество» вообще стал общепринятым. Все это 
неразрывно связано с оптимизацией процессов резания и технологического 
процесса в целом, с обеспечением надежности многообразных групп режущих 
инструментов и управлением процессами обработки по определенным критериям.
Производители станков, например в Японии, утверждают, что они повысили «уровень интеллекта» станков. Фирма OKUMA внедрила в станках ряд 
новшеств:
 
систему предупреждения столкновений движущихся частей станков – 
Anti-kollision, обеспечивающую безопасную работу на высоких скоростях 
и сокращающую время обработки;
 
систему компенсации температурных деформаций станка для высокоточной обработки, что сохраняет точностные характеристики деталей даже 
при работе оборудования без предварительного прогрева зоны резания и в 
цехах без специальной системы кондицианирования воздуха;
 
систему Machining Navi, позволяющую определять оптимальные условия 
резания для высокоэффективной обработки;
 
систему предотвращения перегрузки станков – Collision Avoidence Sistem 
для обеспечения безопасности работы на высоких скоростях и сокращения 
время обработки.
Фирма MAKINO использует инновационные технологии производства 
высокоскоростных шпинделей, управление перемещением и регулированием 
температурных режимов. Отрасли применения: космическая промышленность, автомобилестроение, энергетика. Общая задача – рост производительности при снижении расходов.
На рис. 1.1 показан станок фирмы MORISEIKI – MH 503 (обороты шпинделя – 6000 об/мин; емкость магазина – до 240 инструментов).
На рис. 1.2. показан многоцелевой горизонтальный обрабатывающий 
центр с боковым устройством смены инструментов фирмы HAAS.
Токарный обрабатывающий центр с ЧПУ фирмы DIAMOND 20/32 показан на рис. 1.3. В магазине центра 25 инструментов, скорость перемещений – 18 м/мин; мощность двигателя – 5,5 кВт; обороты шпинделя – 
8000 об/мин; расход воздуха – 10 л/мин, давление – 5 кг. Количество инструментов в главном шпинделе: пять инструментов для наружной обработки; 
четыре неподвижных инструмента для внутренней обработки; шесть поперечных приводных инструментов; три фронтальных приводных инструмента; 
четыре неподвижных инструмента в противошпинделе для внутренней обработки; три приводных инструмента в противошпинделе для обработки с обратной стороны.
Большинство многоцелевых станков оснащаются одной или двумя револьверными головками, работающими по принципу обычного токарного 

Рис. 1.1. Станок MH 503:
а – установка и снятие инструментов с помощью двухпозиционной системы паллет; б – движения шпинделей и револьверной головки

Рис. 1.2. Многоцелевой горизонтальный обрабатывающий центр с боковым устройством смены 
инструментов, обеспечивающим фрезерование, сверление, нарезание резьбы и другие операции за один установ с пяти сторон:
а – общий вид станка с системами электронной тепловой компенсации для шариковых винтовых пар; б – 
устройство бокового исполнения смены инструмента емкостью 40–70 гнезд

центра; инструментальным шпинделем; шпинделем, в котором можно использовать вращающийся инструмент и применять который можно для выполнения токарных операций.
Автоматическая смена инструмента и возможность наклона шпинделя 
вокруг оси предъявляют к токарному инструменту следующие требования:
 
один инструмент для работы при различных подводах и траекториях;
 
специализированный инструмент для установки в инструментальный 
шпиндель, развернутый под углом 45°;
 
достаточный вылет и геометрическая проходимость инструмента;
 
быстрая и согласованная смена инструмента;
 
экономия пространства инструментального магазина.
К ведущим странам – производителям металлорежущих станков на мировом рынке относятся Германия, Италия, США, Япония, Китай, Тайвань 

Рис. 1.3. Токарный обрабатывающий центр с ЧПУ 20/32

и страны бывшей Югославии. Среди потребителей металлорежущего оборудования на первых местах находятся Китай, Япония, Германия, США, Швейцария.
По данным фирмы ISCAR, Китай, Япония, Германия, США, Италия, 
Южная Корея, Тайвань более 10 лет назад потребляли 68% мирового выпуска 
станков.

1.3. Классификация обрабатывающего оборудования

Современное обрабатывающее оборудование подразделяется на три класса (рис. 1.4):
 
1-й класс – станки с ЧПУ, самый многочисленный и представительный 
класс;
 
2-й класс – производственные комплексы на базе программируемых логических контроллеров (PLC – ПЛК);
 
3-й класс – робототехнические комплексы (РТК), выполненные на базе 
промышленных роботов.

Технические характеристики современных промышленных роботов достигли таких значений, что это позволяет использовать их на технологических 
операциях, ранее выполняемых на станках с ЧПУ.
Компания КUKA ROBOTIKS первая среди производителей промышленных роботов стала развивать свою концепцию их применения в приложениях, 
традиционно считавшихся прерогативой станочного оборудования с ЧПУ. 
Обрабатывающие центры, разработанные на базе роботов, используются 
в различных отраслях промышленности: в аэрокосмической (сверление, обрезка, клепка, укладка слоев ленточных материалов); в металлообработке (точение, фрезерование, сверление, пиление); в литейном производстве (обрезка 
литников и прибылей, фрезерование, снятие заусенцев); в моделировании 
(фрезерование, сверление); деревообработке; обработке камня и др.
Существенное отличие систем управления РТК заключается в том, что 
они «понимают» привычные для программистов станков с ЧПУ CNC-коды. 

Рис. 1.4. Состав мирового рынка обрабатывающего оборудования:
78% – станки с ЧПУ; 14% – производственные комплексы на базе програмируемых логических контроллеров; 8% – промышленные роботы