Классификация и нормы точности станков

Металлорежущие станки в соответствии с видами обработки делятся на десять групп. Каждая группа подразделяется на десять типов, а каждый тип на десять типоразмеров:

I.Группы станков определяются технологическим назначением станка:

- токарные;

- сверлильные и т.д.;

Типы:

1) Расположением рабочих органов:

- бесцентровошлифовальные;

- внутришлифовальные и др.;

2) Количеством главных рабочих органов:

- одношпиндельные;

- многошпиндельные;

3)Степенью автоматизации:

- автомат;

- полуавтомат и т п.;

II. По степени специализации станки подразделяются:

1) Универсальные общего назначения;

2) Специализированные;

3) Специальные;

4) Широкоуниверсальные;

III. По типоразмерам станки бывают:

1) Токарные – по наибольшему размеру обрабатываемой детали над станиной;

2) Сверлильные – по наибольшему диаметру сверления в сплошном материале средней твердости;

3) Фрезерные – по размерам стола и т.д.

Металлорежущие станки изготавливаются пяти классов точности:

1. Нормальной – Н;

2. Повышенной – П;

3. Высокой - В;

4. Особо высокой – А;

5. Особо точной – С.

Условное обозначение модели металлорежущего станка состоит из сочетаний цифр и букв. Первая цифра обозначает группу, вторая - тип станка, последние цифры – типоразмер. Буква после первой или второй цифры указывает на различное исполнение и модернизацию основной базовой модели станка. Наличие букв в конце цифровой части обозначает модификацию базовой модели, степень точности или особенности станка.

Пример прочтения условного обозначения модели металлорежущего станка 16Б16П: Токарно – винторезный станок с наибольшим диаметром обрабатываемого изделия над станиной 320 мм (высотой центров 160 мм) повышенной точности.

Теория резания

Срезание слоя металла впервые было исследовано основоположником учения о резании металлов И.А. Тамме. Согласно его теории резец под действием силы вдавливается в обрабатываемый материал, сжимая расположенный перед ним слой, вследствие чего в срезаемом слое образуются значительные напряжения, вызывающие упругие и пластические деформации. В момент, когда возникающие напряжения превосходят прочность обрабатываемого материала, происходит сдвиг (скалывание) элемента стружки по плоскости, которая была названа плоскостью сдвига. С обработанной поверхностью она образует угол, называемый углом сдвига, не зависящий от геометрических параметров режущего инструмента и свойств обрабатываемого материала и равный обычно .

Т.е., резание – это процесс последовательного упругого и пластического деформирования срезаемого слоя металла, а затем его разрушения.

Коэффициент усадки стружки позволяет приблизительно оценить степень пластического деформирования поверхностного слоя обрабатываемой детали при резании:

(18)

где путь резца;

длина стружки.

При резании металлов поверхностный слой обработанной детали пластически деформируется на глубину от нескольких сотых до целого миллиметра и более, вызывая упрочнение (наклеп).

При наклепе повышается твердость и прочность поверхностного слоя, а пластичность снижается, что положительно при окончательной обработке и отрицательно при промежуточной. Кроме того, при резании пластичных материалов (сталь, латунь и др.) происходит наростообразование.

Нарост – образование на передней поверхности резца у режущей кромки плотно и скопления скопление частиц металла (застой), прочно укрепляющихся на поверхности. Он периодически разрушается и образуется вновь.

Наибольшее наростообразование происходит при средних скоростях резания При малых и больших скоростях наростообразование незначительное. В основном негативное влияние на шероховатость поверхности нарост оказывает при чистовой обработке. Применение СОЖ и тщательно доведенных резцов со значительными передними углами уменьшают наростообразование.

При ОМР стружка бывает:

I. Сливная – сплошная лента, завивающаяся в спираль с зазубринами (пластичные металлы: мягкая сталь, латуни, алюминий и др.);

II. Стружка скалывания – состоит из отдельных связанных между собой элементов, образуется при обработке металлов средней твердости;

III. Стружка надлома – состоит из отдельных несвязанных или слабо связанных между собой кусочков металла неправильной формы (хрупкие металлы: чугуны, бронзы, некоторые сплавы алюминия и др.). Эта стружка наиболее удобна для удаления из зоны резания и транспортирования.

Сливная стружка является самой неудобной и опасной при работе. Чтобы изменить её вид и структуру необходимо:

- придать (переточить) соответствующую геометрическую форму режущей части резца;

- применять стружколомы.

Резец для ОМР состоит из рабочей части (головки) и стержня (тела), предназначенного для закрепления резца в резцедержателе.

На рабочей части резца, срезающей стружку, заточкой образуются следующие поверхности:

1) Передняя, по которой сходит стружка;

2) Две задние, обращенные к обрабатываемой заготовке.

Режущие кромки резца – пересечение передней и задних поверхностей (главная и вспомогательная).

Вершина резца – сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок.

В некоторых случаях резцы могут иметь переходную режущую кромку и примыкающую к ней переходную заднюю поверхность.

Главная задняя поверхность – задняя поверхность, проходящая через главную режущую кромку.

Вспомогательная задняя поверхность – поверхность, проходящая через вспомогательную режущую кромку.

При станочной обработке заготовок на них различают следующие поверхности:

1) Обрабатываемая;

2) Обработанная;

3) Поверхность резания, образующаяся при резании непосредственно режущей кромкой.

Поверхность резания является переходной от обрабатываемой к обработанной.

Для определения углов резцов установлены следующие координатные и секущие плоскости:

1) Плоскость резания – плоскость, касательная к поверхности резания и проходящая через главную режущую кромку резца;

2) Основная плоскость – плоскость, параллельная направлению продольной и поперечной подач;

3) Главная секущая плоскость – плоскость, перпендикулярная к проекции главной режущей кромки на основную плоскость;

4) Вспомогательная секущая плоскость – плоскость, перпендикулярная к проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость.

Главные углы резца –углы, измеренные в главной секущей плоскости.

Вспомогательные углы резца – углы, измеренные во вспомогательной секущей плоскости.

Главные углы:

I. Главный задний угол - угол между главной задней поверхностью резца и плоскостью резания. Служит для уменьшения трения ( );

II. Угол заострения - угол между передней и главной задней поверхностями резца;

III. Передний угол - угол между передней поверхностью резца и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания ( ). Влияет на стойкость ( );

IV. Угол резания - угол между передней поверхностью резца и плоскостью резания.

Соотношения между главными углами резца:

;

; (19)

.

Углы в плане (измеряются в основной плоскости):

I. Главный угол в плане – угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи. Влияет на стойкость и шероховатость поверхности ( );

II.Вспомогательный угол в плане - угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением, обратным направлению подачи.

Угол наклона главной режущей кромки - угол между главной режущей кромкой и линией, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости. Измеряется в плоскости, проходящей через главную режущую кромку перпендикулярно к основной плоскости. От него зависит направление отвода стружки ( ).

Технологические параметры режима резания представляют собой:

I. Глубина резания t – толщина слоя металла, снимаемого за один проход. Она определяется расстоянием между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренным перпендикулярно.

Для продольного точения цилиндрической поверхности:

, (20)

где D- диаметр заготовки;

d- диаметр обработанной поверхности;

II.Скорость резания - скорость главного движения, представляющей собой путь точки, расположенной на обрабатываемой поверхности заготовки относительно режущей кромки инструмента в единицу времени.

Для главного вращательного движения (точение, сверление, фрезерование):

, (21)

где D- диаметр заготовки;

n – частота вращения заготовки или инструмента.

Кроме того:

(22)

где K – общий поправочный коэффициент, учитывающий измененные условия резания в сравнении с теми, для которых даны значения :

Т – стойкость инструмента.

III. Подача s – величина перемещения режущей кромки инструмента относительно заготовки в направлении подачи за один оборот или двойной ход заготовки или инструмента с соответствующими размерностями.

В зависимости от направления движения подачи могут быть:

- продольная;

- поперечная;

- наклонная;

- вертикальная;

- тангенциальная;

- круговая и др.

Сечение срезаемого слоя характеризуется:

1) Ширина срезаемого слоя b - расстоянии между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания:

; (23)

2) Толщина срезаемого слоя a – расстояние между двумя последовательными положениями главной режущей кромки за время одного полного оборота заготовки, измеренное в направлении, нормальном ширине срезаемого слоя:

; (24)

3)Номинальная площадь поперечного сечения срезаемого слоя определяется произведением подачи на глубину резания или толщины срезаемого слоя на его ширину:

(25)

Тогда шероховатость поверхности через остаточные гребешки c площадью сечения будет равна:

. (26)

Силы резания при точении:

I. Сила Pz - касательная или вертикальная составляющая силы резания, действующая в плоскости резания в направлении главного движения;

II.Сила Ру – радиальная составляющая силы резания, действующая перпендикулярно к оси обрабатываемой заготовки;

III. Сила Рх – осевая составляющая силы резания или сила подачи, действующая вдоль оси заготовки параллельно направлению продольной подачи.

IV. Равнодействующая сила резания R, действующая на резец или главная составляющая силы резания:

. (27)

По силе Pz определяется крутящий момент на шпинделе станка, мощность резания и производится динамический расчет коробки скоростей.

Для точения:

, (28)

где CPz- коэффициент, зависящий от свойств обрабатываемого материала;

t- глубина резания;

s- подача;

KPz- обобщенный поправочный коэффициент на измененные условия обработки в сравнении с теми, для которых дано значение СPz.

По силе Ру рассчитывают на прочность станины и суппорта.

По силе Рх рассчитывают механизм подачи станка.

При точении острым резцом с геометрическими параметрами , и соотношение сил составляет:

;

. (29)

Крутящий момент на шпинделе станка:

, (30)

где Dзаг – диаметр обрабатываемой заготовки.

Мощность, затрачиваемая на резание при продольном точении (эффективная мощность):

, (31)

где n – частота вращения заготовки.

Величина мощности от силы Рх составляет 1-2% от всей мощности, поэтому ею пренебрегают:

. (32)

Мощность, расходуемая электродвигателем:

, (33)

где - КПД, =0,7-0,8 для станков.

Условие выполнения ТО ОМР:

. (34)

При резании практически вся затрачиваемая механическая энергия превращается в тепловую. Образующиеся в зоне резания тепло порождает тепловые потоки, быстро распространяющиеся в стружку, заготовку, инструмент и окружающую среду.

Тепловой баланс процесса выражается :

, (35)

где QI - тепло, образующееся в результате упругопластических деформаций и разрушения при срезании стружки и формировании поверхностного слоя;

QII – тепло, образующееся от трения стружки о переднюю поверхность инструмента;

QIII – тепло, образующееся от трения задних поверхностей инструмента о поверхность резания и отработанную поверхность заготовки;

q1,q2,q3,q4 – количество тепла, уходящее соответственно в стружку, заготовку, режущий инструмент и в окружающую среду.

При обработке пластичных металлов со скоростью =50 и 200 м/мин Q1 =75 и 25% от общего количества тепла резания.

По практическим данным, количество тепла, уходящее в стружку, составляет 25-85% всей выделившейся теплоты, в заготовку – 10-50%, в режущий инструмент – 2-8%. При этом с увеличением скорости резания отводимое стружкой тепло увеличивается, а заготовкой и инструментом – уменьшается.

В нормальных условиях работы инструментом у него должна быть следующая температура:

- углеродистые стали t =200-250⁰С;

- быстрорежущие стали t =550-600⁰С;

- твердый сплав t= 800-1000⁰С;

- минералокерамика t= 1000-1200⁰С.

Стойкость инструмента – время его работы между переточками при определенном режиме резания.

Так стойкость токарных резцов:

- из быстрорежущей стали Т =30-60мин;

- твердого сплава Т =45-90мин;

Для фрез цилиндрических Т=180-240мин.

Критерий затупления – предельно допустимая величина износа, при которой инструмент теряет нормальную работоспособность.

При чистовой обработке резцами, фрезами, развертками, протяжками и другими инструментами устанавливается технологический критерий затупления.

Технологический критерий затупления – такая величина износа задней поверхности, превышение которой приводит к тому, что точность и шероховатость обработанной поверхности перестают удовлетворять техническим условиям.

Т.к. изнашивание, главным образом, происходит по задней поверхности и определяется высотой стертой фаски h3 ,то для токарных резцов, оснащенных пластинками из твердого сплава, величина допустимого износа будет равна:

- для чернового точения стали h3=0,8-1,0 мм;

- при точении чугуна h3=1,4-1,7 мм.

А у фрез в зависимости от их типа и характера обработки

h3=0,15-2,0 мм.

Катастрофическое изнашивание – состояние инструмента на задней поверхности, при котором продолжать процесс резания невозможно.

Смазочно – охлаждающие вещества оказывают большое влияние на резание и качество обработанной поверхности. В качестве смазочно – охлаждающих веществ или технологических средств (СОТС), главным образом, используются жидкости – СОЖ, в которые иногда добавляются твердые вещества (порошки мыла и парафина, битум, воск, графит, дисульфит молибдена, соду и др.). Значительно реже для этой цели используются газы.

СОЖ подразделяются на две основные группы:

1) Охлаждающие (черновая обработка):

- эмульсии;

- водные растворы соды, солей и др.

2) Смазывающие (чистовая обработка, нарезание резьбы и зубьев):

- минеральные и растительные масла;

- керосин;

- сульфофрезоры и др.;

При использовании СОЖ:

- стойкость режущего инструмента значительно возрастает, а следовательно, увеличивается допустимая скорость резания;

- обработанные поверхности имеют большую точность и меньшую шероховатость;

- уменьшается на 10-15% эффективная мощность резания.

Для охлаждения хрупких материалов, когда образуется стружка скалывания, довольно часто используются газы, подаваемые под давлением в зону резания: азот, сжатый воздух, углекислота и др.

Производительность обработки резанием – количество деталей, обрабатываемых за определенное время Т (смена, ч):

, (36)

где ТШК – время обработки детали или норма штучно – калькуляционного времени.

(37)

или

(38)

где Тшт- штучное время, затрачиваемое на каждую деталь или норма штучного времени;

Тпз- подготовительно – заключительное время, отнесенное к одной или партии деталей n.

(39)

где То – основное (технологическое) время, затраченное на резание;

Тв - вспомогательное время, необходимое для установки и снятия детали , измерения её при обработке, управление станком и др. ;

Тоб – время обслуживания станка и рабочего места, отнесенное к одной детали;

Тот – время перерывов на отдых и естественные надобности, отнесенное к одной детали.

Основное (машинное) время для обработки на станках с главным вращательным движением:

, (40)

где h – расчетная длина обработки, в направлении подачи,

, (41)

здесь l – непосредственная длина обрабатываемой поверхности;

l1,l2 - длины врезания и перебега;

n- частота вращения заготовки или инструмента;

s- подача;

i – число проходов.