Проектирование и расчет режущего инструмента для дипломной работы: Фасонные резцы, метчики и протяжки

В современном машиностроении, где требования к точности, качеству поверхности и производительности постоянно растут, успех любого производственного процесса напрямую зависит от эффективности и надежности режущего инструмента. По данным отраслевых исследований, до 60% общей стоимости механической обработки может приходиться на расходы, связанные с инструментом, включая его закупку, переточку и замену. Это подчеркивает критическую важность грамотного проектирования и точного расчета режущего инструмента, что является краеугольным камнем для инженера-технолога. Без глубокого понимания принципов его работы, взаимодействия с обрабатываемым материалом и влияния конструктивных параметров невозможно обеспечить конкурентоспособность продукции и оптимизацию технологических процессов.

Настоящее руководство призвано стать комплексным справочником для студента технического вуза, выполняющего дипломную работу по машиностроению. Оно структурирует ключевые знания и методики, необходимые для проектирования и расчета таких специфических и широко востребованных инструментов, как фасонные резцы, метчики и протяжки.

Цели и задачи дипломной работы, на выполнение которой ориентирован данный материал, включают:

• Освоение фундаментальных принципов теории резания и их применение в практике проектирования.
• Изучение методик расчета геометрических и прочностных параметров различных типов режущего инструмента.
• Анализ влияния материалов инструмента и заготовки на режимы резания и стойкость.
• Разработку конкретных конструктивных решений для фасонных резцов, метчиков и протяжек.
• Обоснование выбора оптимальных режимов резания для заданных условий эксплуатации.

В рамках данной работы мы последовательно рассмотрим три основных типа режущего инструмента:

1. Фасонные резцы: Инструменты для формирования сложных профилей на телах вращения, незаменимые в массовом производстве.
2. Машинные метчики: Предназначенные для нарезания точной внутренней резьбы, критически важные для сборки различных узлов.
3. Круглые протяжки: Инструменты для высокопроизводительной и высокоточной обработки внутренних поверхностей отверстий.

Каждый из этих инструментов имеет свою специфику в проектировании, расчетах и эксплуатации, которые будут детально изучены.

Теоретические основы резания и принципы проектирования режущего инструмента

Процесс обработки металлов резанием: Сущность и основные требования

В сердце машиностроительного производства лежит процесс обработки металлов резанием — сложная совокупность физических и механических явлений, направленных на преобразование заготовки в деталь с заданной геометрической формой, точностью и качеством поверхности. Это достигается путем срезания режущим инструментом тонкого слоя материала, который превращается в стружку.

Основная цель процесса резания — формирование детали, строго соответствующей конструкторской документации. Для достижения этой цели к процессу предъявляется ряд ключевых требований:

1. Высокое качество обработанных поверхностей: Отсутствие дефектов, соответствие заданному классу шероховатости, обеспечение функциональных свойств детали.
2. Высокая точность обработки: Соблюдение заданных допусков на размеры и форму, минимизация погрешностей.
3. Высокая производительность труда: Максимальное сокращение времени обработки одной детали, что напрямую влияет на экономическую эффективность производства.
4. Экономичность: Оптимизация затрат на инструмент, энергию, смазочно-охлаждающие жидкости (СОЖ) и рабочую силу.

Реализация этих требований является комплексной задачей, требующей глубокого понимания взаимодействия инструмента, материала заготовки и условий резания, что, по сути, формирует основу для успешного инженера-технолога.

Обрабатываемость материалов резанием: Влияние физико-механических свойств

Понятие «обрабатываемость материалов резанием» является фундаментальным для любого инженера-технолога. Это комплексное свойство материала заготовки, которое определяет, насколько легко и эффективно он поддается механической обработке. Оно характеризуется четырьмя ключевыми аспектами:

• Сила резания: Величина сопротивления, которое оказывает материал срезанию.
• Качество обработанной поверхности: Шероховатость, наличие наростов, заусенцев, микротрещин.
• Стойкость инструмента: Период времени, в течение которого инструмент сохраняет свои режущие свойства до переточки или замены.
• Форма стружки: Характер образования и отвода стружки, влияющий на безопасность и автоматизацию процесса.

Влияние физико-механических свойств заготовки:

Свойство материала	Влияние на процесс резания	Последствия для инструмента и процесса
Твердость	Высокое сопротивление деформации.	Увеличение сил резания, повышенный износ инструмента. Требуются более прочные материалы инструмента и меньшие режимы резания.
Прочность	Требуется больше усилий для разрушения материала.	Увеличение сил резания, риск поломки инструмента при чрезмерных нагрузках.
Пластичность	Способность к значительной деформации без разрушения.	Материал более податлив при резании, что может уменьшать силы резания. Однако высокая пластичность часто приводит к наростообразованию на режущей кромке, ухудшению качества поверхности и образованию сливной стружки.
Вязкость	Высокая энергия разрушения, материал «тянется».	Увеличение сил резания, высокий коэффициент деформации стружки. Может вызывать образование длинной, трудноудаляемой стружки, налипание на инструмент.

Таким образом, выбор оптимального инструмента и режимов резания невозможен без всестороннего анализа обрабатываемости конкретного материала.

Факторы, влияющие на эффективность обработки: Материал заготовки, инструмент и условия резания

Эффективность металлообработки резанием — это многофакторная система, где каждый элемент взаимодействует с остальными, определяя конечный результат. Эти факторы можно условно разделить на три большие группы:

1. Факторы, связанные с обрабатываемым материалом:
   • Твердость, прочность, пластичность, вязкость: Как уже обсуждалось, эти свойства напрямую определяют сопротивление материала резанию, тип образующейся стружки, склонность к наростообразованию и износу инструмента.
   • Микроструктура и химический состав: Например, наличие карбидов в стали увеличивает её твердость и абразивность, а содержание легирующих элементов (углерод, титан) может существенно изменять обрабатываемость.
2. Факторы, связанные со свойствами материала инструмента, его конструкцией и качеством:
   • Материал инструмента: Быстрорежущие стали (Р6М5, Р18), твердые сплавы (ВК8, Т15К6), керамика, сверхтвердые композиты — каждый материал имеет свою область применения, прочность, теплостойкость и износостойкость.
   • Геометрия режущей части: Передний, задний, главный углы в плане, радиус при вершине — эти параметры критически влияют на силы резания, тепловыделение, стойкость и качество поверхности.
   • Качество изготовления инструмента: Точность геометрических параметров, отсутствие дефектов, качество заточки и полировки, правильность термообработки.
3. Факторы, связанные с реальными условиями протекания процесса резания:
   • Глубина резания (t): Определяет толщину снимаемого слоя. Большие t увеличивают производительность, но и нагрузку на инструмент и станок.
   • Подача (S): Перемещение инструмента или заготовки за один оборот или ход. Влияет на шероховатость поверхности и производительность.
   • Скорость резания (V): Относительная скорость движения режущей кромки относительно заготовки. Наиболее сильно влияет на стойкость инструмента и тепловыделение.
   • Применение смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ): Снижают температуру в зоне резания, уменьшают трение, улучшают качество поверхности и облегчают отвод стружки.
   • Жёсткость технологической системы: Жёсткость станка, приспособления, инструмента и заготовки определяет устойчивость процесса к вибрациям и точность обработки.
   • Вибрации: Могут приводить к ухудшению качества поверхности, ускоренному износу инструмента и даже его поломке.

Понимание и учёт всех этих факторов являются основой для рационального проектирования инструмента и выбора режимов обработки.

Методологические основы проектирования режущего инструмента

Проектирование режущего инструмента — это не просто чертёж, а сложный инженерный процесс, основанный на глубоком анализе требований к детали, характеристик обрабатываемого материала и возможностей оборудования. Этот процесс можно разделить на три ключевых этапа, которые часто выполняются итерационно:

1. Определение вида инструмента на базе кинематики формообразования: На этом этапе анализируется, как будет формироваться поверхность детали. Например, для получения плоской поверхности может потребоваться фреза, для тел вращения — резец, для отверстий — сверло, метчик или протяжка. Кинематика определяет принципиальную схему работы инструмента.
2. Определение типов инструментов на основе различных схем срезания припуска: После выбора вида инструмента переходят к конкретному типу. Например, если выбран резец, то далее нужно определить, будет ли это проходной, подрезной, расточной или фасонный резец. Выбор типа зависит от конфигурации обрабатываемой поверхности, размеров детали, требований к точности и шероховатости, а также серийности производства.
3. Конструирование инструментов по принципу взаимозаменяемости: На этом этапе разрабатывается конкретная конструкция инструмента с учётом стандартизации и унификации. Принцип взаимозаменяемости позволяет использовать стандартные элементы (хвостовики, державки, крепёжные детали) и упрощает замену инструмента в процессе производства.

В процессе проектирования инженер постоянно сталкивается с необходимостью поиска готовых решений в справочниках и ГОСТах, их оптимизации под конкретные условия, доработки существующих конструкций (например, изменение геометрии для нового материала) или разработки совершенно новых инструментов для уникальных задач.

Современное проектирование все чаще опирается на методологические основы автоматизированного проектирования (САПР), которые включают:

• Системный подход: Рассмотрение инструмента как части большой технологической системы (станок-приспособление-инструмент-деталь), где изменение одного элемента влияет на все остальные.
• Учёт уровня сложности творческих задач: Разработка алгоритмов и программного обеспечения, способного автоматизировать рутинные расчёты, но оставляющего за инженером принятие ключевых конструкторских решений.
• Методическое и математическое обеспечение:
  • Моделирование объекта: Создание 3D-моделей инструмента и его взаимодействия с заготовкой.
  • Построение математической модели: Разработка формул и уравнений, описывающих геометрию, кинематику, прочность и тепловые процессы.
  • Разработка алгоритма: Создание пошаговой инструкции для ЭВМ по расчёту и оптимизации параметров инструмента.

Таким образом, проектирование режущего инструмента — это сложный, многоуровневый процесс, требующий как глубоких теоретических знаний, так и практического опыта, а также владения современными инженерными инструментами.

Влияние геометрических параметров режущей части инструмента на процесс резания

Геометрия режущей части инструмента — это его «лицо», определяющее, как он будет взаимодействовать с обрабатываемым материалом. Даже небольшие изменения в углах заточки могут кардинально повлиять на силы резания, процесс стружкообразования, стойкость инструмента и качество обработанной поверхности. Рассмотрим ключевые геометрические параметры:

1. Передний угол (γ):
   • Определение: Угол между передней поверхностью инструмента и плоскостью, перпендикулярной плоскости резания.
   • Влияние:
     • Увеличение γ: Уменьшает силу резания, облегчает сход стружки, способствует улучшению качества обработанной поверхности и снижению износа инструмента. Это происходит потому, что уменьшается деформация стружки и снижается трение на передней поверхности.
     • Недостатки большого γ: Ослабляет режущую кромку, делая её более хрупкой и увеличивая риск выкрашивания или поломки, особенно при обработке твёрдых материалов или ударных нагрузках.
     • Применение отрицательных γ: При обработке очень твёрдых или закалённых сталей (с пределом прочности σ_в > 80 кг/мм²) твердосплавными резцами применяются отрицательные передние углы (от -5° до -10°). Это значительно увеличивает прочность режущей кромки, несмотря на возрастание силы резания, что критично для предотвращения её разрушения.
     • Типичный диапазон: Может изменяться от +30° (для мягких материалов) до -20° (для очень твёрдых и хрупких материалов).
2. Задний угол (α):
   • Определение: Угол между задней поверхностью инструмента и плоскостью резания.
   • Влияние:
     • Назначение: Главная функция заднего угла — предотвратить трение между задней поверхностью лезвия и обработанной поверхностью заготовки.
     • Увеличение α: Снижает трение на задней поверхности, уменьшает тепловыделение и износ задней поверхности. Однако это приводит к ослаблению лезвия, уменьшая его прочность.
     • Выбор: Для вязких материалов, склонных к наростообразованию, применяют большие углы α (для лучшего отвода стружки и уменьшения прилипания). Для твёрдых и хрупких материалов, а также при больших сечениях среза, применяют меньшие углы α для сохранения прочности режущей кромки.
     • Типичный диапазон: Для токарной обработки обычно находится в диапазоне от 6° до 12°.
3. Главный угол в плане (φ):
   • Определение: Угол между главной режущей кромкой и направлением подачи.
   • Влияние:
     • Стойкость инструмента и шероховатость: Оказывает существенное влияние на стойкость инструмента и качество обработанной поверхности.
     • Уменьшение φ: Снижает шероховатость обработанной поверхности за счёт уменьшения толщины срезаемого слоя. Однако это приводит к увеличению радиальной составляющей силы резания, которая отжимает деталь от инструмента.
     • Последствия увеличенной радиальной силы: Может вызывать прогиб детали (особенно длинных и тонких валов) и возникновение вибраций, что ухудшает точность и качество обработки.
     • Применение: При обработке длинных и тонких деталей, склонных к прогибу и вибрациям, угол φ увеличивают с типичных 45° до 70°, а иногда и до 90°, чтобы уменьшить радиальную составляющую силы резания.
4. Радиус при вершине (r):
   • Определение: Закругление режущей кромки в области вершины инструмента.
   • Влияние:
     • Прочность режущей кромки: Увеличение радиуса при вершине значительно повышает прочность режущей кромки, распределяя нагрузку на большую площадь.
     • Чистота обработанной поверхности: Больший радиус при вершине способствует снижению шероховатости обработанной поверхности за счёт сглаживания следов от подачи.
     • Теплоотвод: Улучшает условия теплоотвода от режущей кромки.
     • Недостатки: Слишком большой радиус может вызвать вибрации при определённых условиях резания и увеличить радиальную составляющую силы.

Таким образом, подбор оптимальных геометрических параметров режущей части инструмента — это сложная задача, требующая компромиссов между прочностью кромки, силами резания, качеством поверхности и стойкостью инструмента.

Расчёт и проектирование фасонных резцов

Общие сведения и классификация фасонных резцов

Фасонные резцы — это специализированный вид режущего инструмента, предназначенный для обработки тел вращения, имеющих сложный наружный или внутренний профиль. Их основное преимущество заключается в возможности получения заданной формы за один проход или за короткий цикл обработки, что делает их незаменимыми в условиях крупносерийного и массового производства, особенно на станках-автоматах и револьверных станках. Но каковы их основные особенности и как они классифицируются?

Классификация фасонных резцов:

Фасонные резцы можно классифицировать по нескольким признакам:

1. По форме:
   • Стержневые (прямые): Простейшие резцы, изготавливаемые из одного куска быстрорежущей стали. Применяются для несложных профилей.
   • Призматические: Имеют форму призмы, закрепляются в специальных державках. Позволяют многократные переточки без изменения профиля.
   • Круглые: Выполнены в виде диска с режущим профилем по окружности. Обладают наибольшей стойкостью, так как имеют множество рабочих участков, которые могут быть последовательно использованы после поворота резца. Идеальны для массового производства.
2. По виду подачи:
   • Осевые: Подача осуществляется вдоль оси заготовки.
   • Радиальные: Подача перпендикулярна оси заготовки. Наиболее распространены для профильной обработки.
   • Тангенциальные: Подача по касательной к обрабатываемой поверхности.
3. По расположению оси:
   • С осью, параллельной оси детали.
   • С осью, перпендикулярной оси детали (радиальные).
   • С осью, наклонной к оси детали.
4. По форме передней поверхности:
   • С прямой передней поверхностью.
   • С винтовой передней поверхностью.

Недостатки фасонных резцов:
Несмотря на свои преимущества, фасонные резцы имеют и ряд ограничений, которые необходимо учитывать при проектировании:

• Низкая жёсткость: Особенно у стержневых и некоторых призматических резцов, что может приводить к вибрациям и ухудшению качества поверхности. Это обуславливает необходимость применения малых подач, снижая производительность.
• Переменные кинематические передние и задние углы: Из-за сложного профиля режущей кромки фактические передние и задние углы могут изменяться вдоль профиля, что усложняет расчёты и может негативно сказаться на условиях резания.

Методика профилирования круглого фасонного резца с радиальной подачей

Профилирование круглого фасонного резца с радиальной подачей — это один из наиболее сложных и ответственных этапов его проектирования. Цель — определить точную геометрию резца таким образом, чтобы при его радиальной подаче был сформирован заданный профиль детали. Расчёт начинается с тщательно подготовленных исходных данных:

1. Чертеж детали: Содержит полную информацию о геометрии и размерах обрабатываемой поверхности, а также требования к точности и шероховатости.
2. Углы α и γ: Задний и передний углы резца в базовой точке, которые выбираются на основе обрабатываемого материала и условий резания.
3. Наружный радиус резца (R): Радиус, соответствующий базовой точке профиля детали. Часто выбирается как радиус, соответствующий минимальному радиусу детали при наружной обработке.
4. Размеры C_2..i: Координаты узловых точек профиля детали, которые были найдены на предыдущих этапах общего расчёта.

Процесс профилирования включает следующие шаги:

1. Выбор базовой точки: На профиле детали выбирается базовая точка, относительно которой будут производиться все дальнейшие расчёты. Как правило, это точка с минимальным или максимальным радиусом, удобная для измерения и привязки.
2. Определение радиусов резца (R_i): Для каждой узловой точки профиля детали необходимо рассчитать соответствующий радиус на профиле резца. Этот расчёт учитывает передний (γ) и задний (α) углы резца, а также смещение режущей кромки относительно оси резца. Формулы для R_i обычно имеют вид:

Ri = √((R ⋅ cosγ + Yi ⋅ sinγ)2 + (R ⋅ sinγ - Yi ⋅ cosγ + Xi)2)

где R — наружный радиус резца; γ — передний угол; X_i и Y_i — координаты узловых точек профиля детали относительно базовой точки.

3. Определение высотных размеров профиля (P_i): Эти размеры представляют собой высоты профиля резца в осевом сечении, которые критически важны для обеспечения точности получаемых диаметров детали. Они рассчитываются как разница между радиусами R_i и R_{базовое} с учётом поправок на углы и положение резца.
   • Например, для призматического резца высотные размеры профиля (P_i) в осевом сечении определяются по формуле:

Pi = Ci + Yi ⋅ tg(α) + Xi ⋅ tg(γ)

где C_i — радиальные размеры профиля детали, X_i и Y_i — осевые и радиальные координаты точек профиля детали.

4. Учёт размера H: Размер H может одновременно служить радиусом контрольной риски r_к, которая наносится на резец для контроля правильности заточки и износа.

Пример данных для расчёта круглого фасонного резца с радиальной подачей:

Параметр	Значение
Угол α	8°
Угол γ	10°
R (наружный радиус резца)	30 мм
C2	5 мм
C3	10 мм

Исходными данными являются углы α и γ, наружный радиус резца (R), соответствующий базовой точке, и размеры C_2..i, найденные в общей части расчёта. Размер H может одновременно являться радиусом контрольной риски r_к для контроля правильности заточки резца.

Таким образом, профилирование фасонного резца требует тщательных геометрических расчётов, чтобы обеспечить точное воспроизведение заданного контура детали.

Коррекция профиля резца: Необходимость и точность расчётов

Одним из ключевых аспектов проектирования фасонных резцов, особенно с радиальной подачей, является необходимость коррекции профиля. Это обусловлено тем, что профиль резца в диаметральном сечении (или в сечении, перпендикулярном оси резца) не совпадает с заданным профилем детали. Причина этого несовпадения кроется в наличии заднего (α) и переднего (γ) углов, которые сообщают режущей кромке определённую ориентацию в пространстве, отличную от перпендикулярной оси резца.

Представьте себе, что вы пытаетесь воспроизвести сложный контур детали, используя резец, у которого режущая кромка не лежит в плоскости, перпендикулярной оси заготовки. Если не внести коррективы, форма, сформированная резцом, будет отличаться от желаемой.

Почему возникает несовпадение?

• Передний угол (γ): Изменяет положение режущей кромки по высоте относительно центра резца, что приводит к искажению профиля в осевом сечении.
• Задний угол (α): Влияет на форму профиля в сечении, перпендикулярном главной режущей кромке, создавая необходимые зазоры для предотвращения трения.

Необходимость коррекции:
Без коррекции профиль обработанной детали будет иметь погрешности, превышающие допустимые значения. Коррекция позволяет «исказить» профиль резца таким образом, чтобы при контакте с заготовкой и срезании материала он формировал именно тот контур, который задан чертежом детали.

Точность коррекционных расчётов:
Поскольку фасонные резцы применяются для получения точных профилей, коррекционные расчёты должны выполняться с максимально возможной точностью. Традиционно эти расчёты производятся до седьмого знака после запятой, а затем округляются до 0,001 мм для окончательных результатов. Такая высокая точность обусловлена кумулятивным эффектом малейших ошибок по всей длине профиля, которые могут привести к значительным отклонениям в форме готовой детали. В современных условиях эти расчёты, как правило, выполняются с помощью специализированного программного обеспечения, которое обеспечивает необходимую точность и позволяет оперативно вносить изменения.

Таким образом, коррекция профиля — это неотъемлемая часть процесса проектирования фасонных резцов, гарантирующая получение высокоточных деталей.

Расчёт и проектирование машинных метчиков

Геометрические параметры метчиков: Выбор и обоснование

Машинные метчики — это многолезвийный осевой инструмент, предназначенный для нарезания внутренней резьбы. Их эффективность и качество нарезаемой резьбы напрямую зависят от правильно выбранных геометрических параметров режущей части. Рассмотрим основные из них:

1. Угол заборного конуса (φ):
   • Определение: Угол, образуемый режущими кромками заборной части метчика с осью инструмента.
   • Назначение: Заборный конус облегчает ввод метчика в отверстие и обеспечивает постепенное срезание припуска, что снижает нагрузку на каждый зуб.
   • Влияние: Чем меньше угол, тем длиннее заборный конус, тем плавнее процесс резания и меньше нагрузка на зубья, но тем дольше процесс нарезания.
2. Передний угол (γ):
   • Определение: Угол между передней поверхностью зуба и радиальной плоскостью, проходящей через режущую кромку.
   • Выбор: Критически зависит от обрабатываемого материала, регламентируется ГОСТ 3266-71 (впоследствии заменён на ГОСТ 3266-81):
     • 0…5°: Для чугуна, бронзы, нержавеющей стали. Эти материалы часто хрупкие или твёрдые, поэтому небольшой передний угол обеспечивает прочность режущей кромки и предотвращает выкрашивание.
     • 8…10°: Для сталей средней твёрдости. Оптимальный компромисс между прочностью кромки и облегчением резания.
     • 12…15°: Для мягкой и вязкой стали. Большой передний угол уменьшает силы резания и способствует лучшему сходу стружки, что важно для предотвращения налипания.
     • 16…25°: Для мягких сплавов (например, алюминиевых, магниевых). Очень большие углы для максимально лёгкого резания и предотвращения образования наростов.
3. Задний угол (α):
   • Определение: Угол между задней поверхностью зуба и винтовой поверхностью, параллельной оси метчика.
   • Выбор при заточке (затыловании):
     • 6…8°: Для ручных метчиков. Обеспечивает достаточный зазор при относительно небольших усилиях.
     • 10…12°: Для черновых машинных и гаечных метчиков. Больший угол для снижения трения при значительном съёме металла.
     • 4°: Для чистовых машинных метчиков. Меньший угол для повышения прочности калибрующих зубьев и обеспечения высокой точности и чистоты резьбы.
4. Угол наклона лезвия (λ) (или осевой угол подточки передней поверхности):
   • Определение: Угол наклона режущей кромки заборной части метчика относительно его оси.
   • Назначение: Выполняется на заборной части и обычно составляет 5…6° для лучшего отвода стружки.
   • Влияние: Особенно эффективен при нарезании резьбы в сквозных отверстиях, так как направляет стружку вперёд, предотвращая её скопление и заклинивание.

Правильный выбор этих параметров является залогом долговечности метчика, качества нарезаемой резьбы и стабильности процесса.

Конструктивные особенности метчиков: Количество канавок и их влияние

Конструкция метчика, в частности, количество и форма стружечных канавок, играет ключевую роль в процессе резьбонарезания. Эти параметры влияют на прочность инструмента, условия стружкоотвода, силы резания и даже на точность центрирования.

Количество канавок:
В практике наибольшее распространение получили метчики с тремя и четырьмя канавками, хотя существуют варианты с двумя, пятью и более канавками. Исторически и конструктивно сложилось так, что число канавок у метчиков рекомендуется выбирать нечётным для уменьшения толщины среза. Это связано с тем, что при нечётном количестве канавок ни один зуб не находится точно напротив другого, что способствует более равномерному распределению нагрузки и лучшему отводу стружки.

Сравнение трёх- и четырёхканавочных метчиков:

Характеристика	Трёхканавочные метчики	Четырёхканавочные метчики
Толщина среза	Более равномерное распределение нагрузки, меньшая толщина среза на зуб.	Большая толщина среза на зуб, особенно при обработке вязких материалов.
Склонность к заеданиям	Менее склонны к заеданиям.	Более склонны к заеданиям, особенно при обработке вязких материалов.
Крутящий момент	Меньший крутящий момент.	Выше, чем у трёхканавочных метчиков тех же размеров.
Изготовление	Дешевле в производстве, но требуют специальных контрольных приспособлений.	Более просты в контроле, но дороже в изготовлении.
Объём для стружки	Больший объём стружечных канавок.	Меньший объём стружечных канавок, затруднённый отвод стружки.
Центрирование	Более надёжное центрирование в отверстии.	Менее надёжное центрирование.
Прочность	Достаточная прочность для большинства применений.	Высокая прочность, особенно для больших диаметров.

Метчики с внутренним размещением стружки:
Это особая конструкция метчиков, отличающаяся наличием внутренней цилиндрической полости. Эта полость служит для:

• Размещения стружки: Стружка не выводится наружу по канавкам, а направляется внутрь метчика, что особенно удобно при нарезании резьбы в глухих отверстиях.
• Подачи СОЖ: Внутренняя полость может использоваться для подачи смазочно-охлаждающей жидкости непосредственно в зону резания, что улучшает охлаждение, смазывание и стружкоотвод.

Такие метчики повышают стабильность процесса и качество резьбы, но требуют более сложной конструкции.

Метчики с винтовыми канавками:
Применяются для нарезания резьбы:

• В глухих отверстиях: Винтовые канавки обеспечивают эффективный вывод стружки вверх по канавке, предотвращая её скопление на дне отверстия.
• В отверстиях с прерывистой поверхностью: Снижают ударные нагрузки и улучшают плавность резания.
• При обработке вязких сталей и сплавов: Облегчают вывод стружки, предотвращая её налипание и заклинивание.

Метчики с укороченными канавками (бесканавочные):
Эти метчики обладают наибольшей прочностью, так как отсутствие глубоких канавок максимально сохраняет тело инструмента. Они также обеспечивают надёжное центрирование в отверстии. Однако их применение ограничено материалами, образующими короткую, ломкую стружку, или при нарезании в сквозных отверстиях, где стружка может свободно выходить вперёд.

Выбор конкретной конструкции метчика определяется совокупностью факторов: типом резьбы, материалом заготовки, глубиной отверстия, требованиями к качеству и производительности.

Стандарты и размерные характеристики метчиков

Проектирование и изготовление метчиков в России строго регламентируется Государственными стандартами (ГОСТ), что обеспечивает их взаимозаменяемость, качество и соответствие технологическим требованиям. Эти стандарты охватывают как геометрические параметры, так и конструктивные особенности.

Ключевые ГОСТы для метчиков:

• ГОСТ 3266-81 (заменил ГОСТ 3266-71): Один из основных стандартов, регламентирующий конструкцию и размеры машинных и ручных метчиков для метрической, трубной и дюймовой резьбы. Он определяет геометрические параметры, допуски и маркировку.
• ГОСТ 24705-2004: Определяет основные нормы взаимозаменяемости для метрической резьбы (профиль, основные размеры, допуски).
• ГОСТ 6357-81: Стандарт на трубную цилиндрическую резьбу (основные размеры, допуски).
• ГОСТ 6951-71: Регламентирует гаечные метчики с изогнутым хвостовиком.
• ГОСТ 1604-71: Стандарт для гаечных метчиков.
• ГОСТ 7250-60: Применяется для дюймовой резьбы.
• ГОСТ 6227-80: Для конической резьбы.
• ГОСТ 19090-93: Для трубной цилиндрической резьбы (аналогичен, но может содержать отличия в деталях).

Основные размерные характеристики метчиков:

Рабочая часть метчика, которая непосредственно взаимодействует с заготовкой, состоит из нескольких элементов, каждый из которых имеет свои размерные параметры:

1. Рабочая часть: Включает режущую и калибрующую части.
   • Режущая часть (заборный конус): Это начальная часть метчика, на которой происходит основное срезание металла. Её длина зависит от диаметра резьбы и обычно составляет 2-4 шага резьбы (P). Чем длиннее режущая часть, тем плавнее процесс резания и меньше нагрузка на каждый зуб, но тем больше осевая сила.
   • Калибрующая часть: Следует за режущей частью. Она имеет полный профиль резьбы и предназначена для обеспечения точности размеров, формы и чистоты поверхности нарезанной резьбы. Длина калибрующей части обычно составляет несколько витков и обеспечивает окончательное формирование резьбы, а также центрирование метчика в отверстии.
2. Хвостовик: Это часть метчика, предназначенная для его закрепления в патроне станка или воротке.
   • Диаметр хвостовика: Стандартизован и выбирается в зависимости от диаметра метчика.
   • Длина хвостовика: Об��спечивает надёжное закрепление и вылет инструмента.
   • Квадратный конец (тан): Часто присутствует на конце хвостовика для передачи крутящего момента от воротка или специального патрона.
3. Общая длина инструмента: Сумма длин рабочей части и хвостовика.

Все эти параметры строго контролируются ГОСТами и справочными данными, что позволяет инженерам точно выбирать и проектировать метчики для конкретных технологических операций.

Расчёт параметров резьбонарезания

Точный расчёт параметров резьбонарезания является критически важным для обеспечения качества резьбы, предотвращения поломки инструмента и оптимизации процесса. Неправильный выбор параметров может привести к браку, повреждению оборудования и потере времени.

1. Диаметр сверла под резьбу (d_св):
Это один из наиболее важных параметров. От него зависит, какое количество металла будет срезано метчиком.

• Если диаметр отверстия слишком мал: Возникает чрезмерное сопротивление резанию, что приводит к:
  • Значительному увеличению крутящего момента.
  • Перегреву инструмента.
  • Налипанию стружки на режущие кромки.
  • Заклиниванию метчика в отверстии.
  • Наиболее вероятный исход — поломка метчика.
• Если диаметр отверстия слишком велик: Профиль резьбы будет неполным, что снизит её прочность и надёжность соединения.

Методика расчёта:
Для метрической резьбы диаметр сверла d_св обычно рассчитывается по следующей формуле:

dсв = D - (1.0825 ⋅ P)

или

dсв = D - (0.866 ⋅ P)

для 75% профиля резьбы.

Где:

• D — номинальный наружный диаметр резьбы (указывается в обозначении резьбы, например, М10).
• P — шаг резьбы.

Пример: Для резьбы М10 с шагом 1.5 мм (D=10 мм, P=1.5 мм):
d_св = 10 — (0.866 ⋅ 1.5) ≈ 10 — 1.299 ≈ 8.7 мм.
Обычно используются таблицы стандартных диаметров сверл, но понимание формулы позволяет обосновать выбор.

2. Крутящий момент (M_кр) при нарезании резьбы:
Крутящий момент — это усилие, необходимое для вращения метчика. Он зависит от:

• Диаметра резьбы (D): Чем больше диаметр, тем больше M_кр.
• Шага резьбы (P): Чем больше шаг, тем больше M_кр.
• Материала заготовки: Твёрдые и вязкие материалы требуют большего M_кр.
• Геометрии инструмента: Передний угол, задний угол, число канавок.
• Условий резания: Применение СОЖ, скорость резания.

Формула для приближённого расчёта:

Mкр = Cm ⋅ Dx ⋅ Py ⋅ K

Где C_m, x, y — коэффициенты, зависящие от материала и условий, K — поправочные коэффициенты (например, на износ инструмента, твёрдость материала). Эти коэффициенты берутся из справочников.

3. Осевая сила (F_o):
Осевая сила — это сила, действующая вдоль оси метчика. Она также зависит от тех же факторов, что и крутящий момент. При нарезании резьбы метчик самозатягивается, но при больших осевых силах может произойти деформация инструмента или даже его поломка, особенно в начале процесса или при использовании метчиков с большим углом заборного конуса.

4. Скорость резания (V):
Скорость резания для метчиков выбирается значительно ниже, чем для токарных операций, из-за сложного нагружения и необходимости обеспечения высокой точности. Она зависит от материала, диаметра, шага, типа метчика и СОЖ. Типичные значения для стали могут быть 5-15 м/мин.

5. Расчётная проверка на прочность:
Метчики, особенно малых диаметров, подвержены скручиванию. Важно провести проверку на прочность с учётом пиковых значений крутящего момента, чтобы избежать поломки.

Напряжение кручения:

τ = Mкр / Wп

Где W_п — полярный момент сопротивления сечения метчика (для круглого сечения W_п = πd³/16).
Расчётное напряжение τ должно быть меньше допустимого напряжения для материала метчика.

Точные расчёты и правильный выбор параметров резьбонарезания, подкреплённые знанием ГОСТов и справочных данных, являются залогом успешной и безопасной обработки резьбы.

Расчёт и проектирование круглых протяжек

Общие требования и проверка на прочность

Протягивание — это высокопроизводительный и высокоточный метод обработки внутренних и наружных поверхностей, позволяющий получить сложный профиль за один проход инструмента. Круглые протяжки используются для обработки отверстий. Однако, несмотря на высокую эффективность, протяжки являются одними из самых нагруженных режущих инструментов, что предъявляет к их проектированию особые требования.

Высокие растягивающие нагрузки:
Главная особенность протяжек заключается в том, что они испытывают очень большие растягивающие нагрузки в процессе работы. Это связано с тем, что протяжка, проходя через отверстие, последовательно срезает слои металла каждым из своих зубьев. Суммарная сила резания от всех одновременно работающих зубьев может достигать значительных величин, растягивая тело протяжки.

Необходимость проверки на прочность:
Из-за высоких растягивающих нагрузок протяжки должны быть проверены на прочность по наиболее слабым сечениям. Такими сечениями обычно являются:

• Шейка передней части: Участок между хвостовиком и режущей частью, где диаметр может быть наименьшим.
• Сечения по дну стружечных канавок: В этих местах ослабляется тело протяжки, и концентрация напряжений может быть максимальной.
• Хвостовик: Особенно в местах крепления.

Методика проверки на прочность:

1. Определение суммарной силы резания (F_рез): Рассчитывается как сумма сил резания всех одновременно работающих зубьев протяжки. F_рез = Σ F_zi, где F_zi — сила резания одного зуба. Сила F_zi зависит от ширины среза, толщины срезаемого слоя, обрабатываемого материала и геометрии зуба.
2. Расчёт напряжений растяжения (σ_раст): В наиболее опасном сечении:

σраст = Fрез / Amin

Где A_min — минимальная площадь поперечного сечения протяжки.

3. Сравнение с допустимым напряжением: Полученное напряжение σ_раст должно быть значительно меньше предела текучести материала протяжки, с учётом коэффициента запаса прочности.

σраст ≤ [σ]раст

Где [σ]_раст — допустимое напряжение для материала протяжки.

Стружкоотвод:
Второй критически важный аспект — стружка, срезаемая при протягивании, должна свободно размещаться в стружечных канавках и свободно выходить из них после прекращения резания. Недостаточный объём канавок или их неправильная форма могут привести к заклиниванию стружки, её налипанию, повреждению инструмента и обрабатываемой поверхности. Это подчёркивает важность правильного проектирования не только режущих зубьев, но и стружечных канавок.

Расчёт конструктивных элементов протяжки

Проектирование круглой протяжки — это комплексный процесс, включающий расчёт множества конструктивных элементов, каждый из которых играет свою роль в обеспечении эффективности и качества обработки.

1. Определение припуска на сторону отверстия под протягивание:
Припуск — это толщина слоя материала, который необходимо снять. Он определяется исходя из:

• Начальных размеров заготовки: Диаметр отверстия до протягивания.
• Конечных размеров детали: Диаметр отверстия после протягивания.
• Метода предварительной обработки: Сверление, растачивание, зенкерование.
• Требований к точности и шероховатости: Чем выше требования, тем меньше припуск на зуб.

2. Выбор подъёма на зуб (S_z):

• Определение: Подъём на зуб (S_z) — это разность радиусов двух соседних режущих зубьев. По сути, он определяет толщину срезаемого слоя (a = S_z), снимаемого каждым зубом.
• Влияние:
  • Производительность: Больший S_z обеспечивает большую производительность, так как за один проход снимается больше материала.
  • Нагрузка на зуб: Однако, слишком большой S_z увеличивает нагрузку на каждый зуб, что может привести к его поломке, увеличению сил резания и вибрациям.
  • Качество поверхности: Малый S_z способствует получению более гладкой поверхности.
• Типовые значения: Для протяжек, обрабатывающих цилиндрические отверстия, высота зубьев рабочей части постепенно увеличивается от хвостовика к калибрующей части в пределах 0,01-0,2 мм. Точное значение S_z выбирается в зависимости от:
  • Обрабатываемого материала: Для твёрдых и хрупких материалов S_z меньше, для мягких и пластичных — больше.
  • Размеров протягиваемого отверстия: Для малых отверстий S_z меньше, для больших — больше.
  • Типа протяжки: Черновая, чистовая.

3. Профиль и размеры зуба:

• Передний угол (γ) и задний угол (α): Выбираются по таблицам в зависимости от обрабатываемого материала.
  • Задний угол для черновых зубьев: Обычно 2-3°. Обеспечивает достаточный зазор для стружки и снижает трение.
  • Задний угол для калибрующих зубьев: Обычно 1°. Небольшой угол повышает прочность зубьев и обеспечивает высокую точность и чистоту поверхности.
• Форма стружечной канавки: Должна обеспечивать свободное размещение и выход стружки.
• Шаг зубьев (t_z): Расстояние между соседними зубьями. Выбирается таким образом, чтобы:
  • Одновременно работало несколько зубьев (обычно 2-4), что обеспечивает плавность процесса и снижает вибрации.
  • Был достаточный объём для размещения стружки.
  • Обеспечивалась необходимая прочность протяжки.
• Шаг калибрующих зубьев: Принимается равным 0,6 — 0,8 шага режущих зубьев. Это позволяет уменьшить нагрузку на калибрующие зубья, которые снимают минимальный слой металла, но отвечают за окончательную точность и качество поверхности.

4. Геометрические параметры лезвия:
Выбор переднего и заднего углов для режущих и калибрующих зубьев протяжек производится по специализированным справочным таблицам, учитывающим тип обрабатываемого материала (сталь, чугун, цветные сплавы), его твёрдость и требования к качеству обработки.

Тщательный расчёт каждого из этих элементов является залогом создания эффективной и долговечной протяжки, способной обеспечить требуемую точность и качество обработки.

Проектирование стружечных канавок

Проектирование стружечных канавок в протяжке — это не менее важная задача, чем расчёт режущих зубьев. Канавки должны не просто собирать стружку, а обеспечивать её беспрепятственное размещение, уплотнение (при необходимости) и свободный выход после окончания резания. Неправильно спроектированные канавки могут привести к заклиниванию стружки, её налипанию, повреждению инструмента и обрабатываемой поверхности.

Основные требования к стружечным канавкам:

1. Достаточный объём:
   • Площадь сечения стружечной канавки между зубьями должна отвечать условию:

Sканавки ≥ K ⋅ Sсреза

Где:

• S_{канавки} — площадь поперечного сечения стружечной канавки.
• S_среза — площадь сечения срезаемого металла, снимаемого одним зубом (зависит от ширины резания и подъёма на зуб S_z).
• K — коэффициент заполнения канавки. Этот коэффициент учитывает объёмный фактор стружки: стружка, свёрнутая в рулон или измельчённая, занимает больший объём, чем исходный металл. Как правило, K принимается из специализированных справочников и зависит от вида обрабатываемого материала (для вязких материалов K может быть значительно больше) и конструкции протяжки. Типовые значения K могут варьироваться от 2.5 до 8.

2. Обеспечение свободного размещения стружки:
   • Форма канавки должна способствовать сворачиванию стружки в компактный рулон или её измельчению, предотвращая образование длинных, спутанных элементов, которые могут заклинить.
   • Обычно применяются канавки с пологим дном и большим радиусом сопряжения со спинкой зуба, чтобы стружка не ломалась и не застревала.
3. Свободный выход стружки:
   • После прохождения протяжки через отверстие стружка должна легко выпадать из канавок. Этому способствует определённая форма канавки и, при необходимости, применение специальных устройств для очистки.

Геометрические параметры канавок:

• Радиус закругления дна канавки: Большой радиус (R) способствует лучшему сворачиванию стружки и снижает концентрацию напряжений в теле протяжки, повышая её прочность.
• Угол наклона дна канавки (угол уклона): Влияет на направление схода стружки и её уплотнение.
• Высота канавки: Определяет максимально возможный объём для стружки.
• Шаг зубьев: Косвенно влияет на объём стружечной канавки, так как определяет расстояние между соседними канавками. Для калибрующих зубьев, как правило, применяется меньший шаг (0,6 — 0,8 шага режущих зубьев), так как они снимают меньший слой металла и требуют меньшего объёма канавок.

Проектирование стружечных канавок требует детального анализа свойств обрабатываемого материала, чтобы предсказать форму и объём образующейся стружки, и выбрать оптимальные параметры канавок для её эффективного отвода.

Материалы режущего инструмента и требования к качеству

Выбор материалов для режущей части

Выбор материала для режущей части инструмента является одним из наиболее ответственных этапов проектирования, поскольку он напрямую определяет стойкость инструмента, режимы резания, качество обработанной поверхности и, в конечном итоге, экономическую эффективность процесса. Материалы для режущего инструмента должны обладать уникальным сочетанием свойств: высокой твёрдостью, износостойкостью, прочностью, теплостойкостью и ударной вязкостью.

1. Быстрорежущие стали (БРС):
Это традиционные и широко используемые материалы, особенно для фасонных резцов, метчиков и протяжек. Они сохраняют высокую твёрдость при температурах до 600-650°C.

• Маркировка и применение:
  • Р6М5 (по ГОСТ 19265-73): Наиболее распространённая марка быстрорежущей стали с твёрдостью 63…66 HRC. Отличается хорошим сочетанием режущих свойств, обрабатываемости и экономичности. Широко применяется для фасонных резцов, метчиков, протяжек, свёрл, фрез.
  • Р18: Классическая марка БРС с высоким содержанием вольфрама. Обладает высокой теплостойкостью и износостойкостью, но менее технологична и дороже. Применяется для инструмента, работающего в тяжёлых условиях.
  • Р6М5К5, Р9М4К8: Быстрорежущие стали с добавлением кобальта (К). Кобальт повышает теплостойкость и твёрдость при высоких температурах, что делает их идеальными для обработки труднообрабатываемых и твёрдых сталей.
• Свойства:
  • Высокая твёрдость (62-66 HRC) после термической обработки.
  • Достаточная прочность и ударная вязкость.
  • Хорошая шлифуемость, что важно для заточки сложных профилей.

2. Твердосплавные пластины с покрытием:
В условиях современного производства, особенно на станках с ЧПУ, где требуется высокая производительность и долговечность инструмента, все шире применяются твердосплавные пластины.

• Материал основы: Твёрдые сплавы (на основе карбидов вольфрама, титана, тантала в кобальтовой связке, например, ВК8, Т15К6) обладают значительно большей твёрдостью и теплостойкостью по сравнению с БРС.
• Покрытия для повышения долговечности: Для дальнейшего улучшения эксплуатационных характеристик твердосплавные пластины покрывают сверхтвёрдыми износостойкими слоями. Эти покрытия значительно повышают:
  • Износостойкость: Снижают трение и абразивный износ.
  • Термостойкость: Увеличивают стойкость инструмента при высоких температурах.
  • Химическую стабильность: Предотвращают диффузионный износ.
• Примеры покрытий:
  • Нитрид титана (TiN): Жёлто-золотистого цвета, одно из первых широко применяемых покрытий. Увеличивает твёрдость и износостойкость.
  • Нитрид титана-алюминия (TiAlN): Фиолетово-серого цвета. Обладает более высокой термостойкостью и окислительной стабильностью, что позволяет работать на более высоких скоростях резания.
  • Нитрид ал��миния-хрома (AlCrN): Более современные покрытия с улучшенными свойствами для обработки высокотемпературных сплавов и закалённых сталей.
  • Другие покрытия: карбид титана (TiC), оксид алюминия (Al₂O₃) и многослойные покрытия, комбинирующие преимущества нескольких материалов.

Выбор материала для корпусов режущих инструментов:
Корпуса (державки) режущих инструментов, в отличие от режущей части, не подвергаются непосредственному износу при резании, но должны обеспечивать надёжное крепление режущих элементов и обладать следующими свойствами:

• Твёрдость и прочность: Для предотвращения деформаций и поломок.
• Износостойкость: Для сохранения посадочных и опорных поверхностей.
• Ударная вязкость: Для поглощения ударных нагрузок.
• Термодинамическая и циклическая прочность: Для работы в условиях переменных нагрузок и температур.
• Теплопроводность и теплоёмкость: Для отвода тепла от режущей части.

Как правило, для корпусов используются высококачественные легированные стали, подвергнутые термообработке для достижения оптимального сочетания этих свойств.

Требования к качеству инструмента и стандартизация

Качество режущего инструмента — это совокупность его свойств, определяющих пригодность для выполнения заданных функций. В машиностроении качество инструмента не может быть субъективной категорией; оно строго регламентируется и контролируется. В России эту функцию выполняют государственные стандарты (ГОСТы), которые представляют собой технические условия на приёмку инструмента.

Стандартизация качества по ГОСТам:

• ГОСТ 25751-83: «Инструменты режущие. Термины и определения общих понятий» — это основополагающий документ, который унифицирует терминологию, используемую в области режущего инструмента. Он обеспечивает единое понимание всех участников производственного процесса.
• Технические условия на приёмку инструмента: ГОСТы регламентируют множество аспектов, которые контролируются на различных этапах производства и эксплуатации:
  1. Внешний вид: Отсутствие видимых дефектов (трещин, раковин, сколов, заусенцев).
  2. Размеры и допуски: Соответствие всех геометрических размеров инструмента (диаметров, длин, углов) чертежам и установленным допускам. Отклонения посадочных, опорных и установочных размеров, даже незначительные, могут критически повлиять на точность установки инструмента по отношению к заготовке и, как следствие, на точность обработки.
  3. Материал: Соответствие химического состава и марки стали или твёрдого сплава, указанным в конструкторской документации.
  4. Твёрдость: Один из ключевых параметров, определяющий режущие свойства и стойкость инструмента.
  5. Испытания в работе: Выборочные испытания партии инструмента в реальных условиях резания для подтверждения его работоспособности и стойкости.
  6. Клеймение: Нанесение на инструмент информации о марке материала, производителе, размерах и других важных данных.
  7. Упаковка: Требования к упаковке, обеспечивающие сохранность инструмента при транспортировке и хранении.

Последствия низкого качества инструмента:
Низкое качество инструмента может быть обусловлено двумя основными причинами:

1. Неправильный выбор материала: Использование материала, не соответствующего условиям резания (например, слишком низкая твёрдость или теплостойкость).
2. Наличие дефектов:
   • Трещины, раковины, плены, волосовины: Эти дефекты, часто невидимые невооружённым глазом, являются концентраторами напряжений и могут привести к преждевременному разрушению инструмента.
   • Неправильная термообработка: Несоблюдение режимов закалки, отпуска или отжига может привести к недостижению требуемой твёрдости, хрупкости или пережогу металла.

Контроль качества изготовления и термообработки

Контроль качества изготовления режущего инструмента — это многоступенчатый процесс, охватывающий все этапы от поступления заготовки до выпуска готовой продукции. Особое внимание уделяется качеству термической обработки, которая формирует окончательные механические свойства материала, и точности геометрических параметров.

1. Контроль качества термообработки:
Термическая обработка (закалка, отпуск) является критическим этапом для быстрорежущих сталей и твёрдых сплавов, определяющим их твёрдость, прочность и износостойкость.

• Контроль по твёрдости: Это основной метод. Твёрдость определяется прибором Роквелла (HRC) или эталонным напильником.
  • Быстрорежущие стали: Твёрдость инструментов из быстрорежущей стали обычно должна составлять HRC 62-65. Отклонение от этого диапазона может свидетельствовать о неправильно проведённой термообработке:
    • Ниже 62 HRC: Недостаточная твёрдость, инструмент будет быстро изнашиваться.
    • Выше 65 HRC: Чрезмерная твёрдость, инструмент становится хрупким и склонным к выкрашиванию.
  • Твёрдые сплавы: Для твёрдых сплавов применяются другие шкалы твёрдости (например, HRA), и их контроль осуществляется по аналогичным принципам.
• Влияние дефектов: Наличие таких дефектов, как трещины, раковины, плены, волосовины, которые могут образоваться как на стадии получения заготовки, так и в процессе термообработки, значительно снижает прочность и надёжность инструмента.

2. Контроль геометрических параметров и точности:

• Отклонения посадочных, опорных и установочных размеров: Эти отклонения оказывают прямое влияние на точность установки инструмента относительно заготовки и станка. Даже минимальные несоответствия могут привести к:
  • Биению инструмента, что ухудшает качество поверхности и ускоряет износ.
  • Нарушению соосности или параллельности, вызывая отклонения в размерах и форме детали.
  • Неправильному распределению нагрузки на режущие кромки.
• Измерения: Используются высокоточные измерительные приборы: микрометры, калибры, угломеры, проекторы, координатно-измерительные машины.

3. Цикл изготовления режущего инструмента:
Производство режущего инструмента — это многостадийный процесс, требующий строгого соблюдения технологии:

1. Заготовительный этап: Выбор и подготовка исходного материала (прутки, пластины).
2. Формообразующие операции: Механическая обработка (фрезерование, точение, сверление) для придания инструменту предварительной формы.
3. Основная термическая обработка: Закалка и отпуск для достижения требуемой твёрдости и прочности.
4. Шлифовально-заточные операции: Окончательное формирование режущей геометрии инструмента, заточка и доводка режущих кромок. Это один из самых ответственных этапов, определяющий конечную точность и качество инструмента.
5. Дополнительная термообработка (при необходимости): Например, низкотемпературный отпуск для снятия внутренних напряжений или нанесение покрытий.

Таким образом, комплексный подход к контролю качества на всех этапах производства является залогом выпуска высокоэффективного и надёжного режущего инструмента.

Оптимизация процессов резания и выбор режимов обработки

Элементы режима резания: Глубина, подача, скорость

Выбор рациональных режимов резания — это краеугольный камень эффективной металлообработки. Элементы режима резания, а именно глубина, подача и скорость, определяют производительность, стойкость инструмента, качество обрабатываемой поверхности и экономичность процесса. Их следует выбирать последовательно, основываясь на анализе требований к детали, свойств материала заготовки и характеристик инструмента.

1. Глубина резания (t):
   • Определение: Расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по нормали к последней. По сути, это толщина снимаемого слоя материала в радиальном или осевом направлении.
   • Расчёт для точения: t = (D — d) / 2, где D — диаметр заготовки, d — диаметр обработанной поверхности.
   • Расчёт для сверления: t = D / 2, где D — диаметр сверла.
   • Выбор: Глубина резания выбирается максимально возможной, чтобы снять весь припуск за минимальное количество проходов. Однако её ограничивают прочность режущей кромки, жёсткость технологической системы (станок-инструмент-деталь) и мощность станка. Для черновой обработки глубина резания может быть значительной, для чистовой — минимальной.
2. Подача (S):
   • Определение: Величина перемещения инструмента за один оборот заготовки (мм/об) при точении или за один двойной ход при строгании.
   • Влияние:
     • Производительность: Прямо влияет на производительность.
     • Шероховатость поверхности: Чем больше подача, тем выше шероховатость.
     • Нагрузка на инструмент: Увеличение подачи увеличивает нагрузку.
   • Выбор: Рекомендуется выбирать максимально возможную величину подачи, которая обеспечивается прочностью инструмента, жёсткостью системы, мощностью станка и при этом не ухудшает требуемого качества поверхности.
   • Типовые значения подачи (S) при токарной обработке: (Приводятся в таблицах режимов резания)

Материал заготовки	Материал инструмента	Диапазон подачи (мм/об)
Чугуны, цветные металлы	Твердосплавные резцы (ВК8)	0.1 – 1.8
Закалённые стали, чугуны	Твердосплавные резцы (ВК6)	0.05 – 1.0
Жаропрочные, нержавеющие стали	Твердосплавные резцы (ТТ7К12)	0.1 – 1.2

3. Скорость резания (V):
   • Определение: Путь, который проходит наиболее удалённая от оси вращения точка поверхности резания относительно режущей кромки в направлении главного движения в единицу времени (м/мин).
   • Расчёт для станков с вращательным движением (точение, сверление): V = (π ⋅ D ⋅ n) / 1000, где D — диаметр обрабатываемой поверхности (мм), n — частота вращения заготовки (об/мин).
   • Влияние:
     • Стойкость инструмента: Скорость резания оказывает наиболее сильное влияние на стойкость инструмента. Увеличение V ведёт к экспоненциальному снижению стойкости из-за роста температуры в зоне резания.
     • Производительность: Увеличение V повышает производительность.
     • Качество поверхности: Существует оптимальная скорость резания, обеспечивающая наилучшее качество поверхности и максимальную размерную стойкость.
   • Выбор: Определяется после выбора глубины и подачи, чтобы обеспечить требуемую стойкость инструмента и производительность.

Рациональный режим резания — это такой режим, который обеспечивает наиболее полное использование режущих свойств инструмента и возможностей станка при условии получения необходимого качества обработки.

Факторы, ограничивающие режимы резания

При стремлении к максимальной производительности, выражающейся в увеличении режимов резания (глубины, подачи, скорости), инженер неизбежно сталкивается с рядом ограничивающих факторов. Игнорирование этих ограничений может привести к преждевременному износу инструмента, браку деталей, поломке оборудования и снижению общей эффективности производства.

Основные факторы, ограничивающие режимы резания:

1. Стойкость инструмента:
   • Это, пожалуй, наиболее критический фактор. Стойкость инструмента (время работы до переточки или замены) обратно пропорциональна скорости резания в степени, а также зависит от глубины и подачи.
   • Увеличение скорости резания вызывает значительный рост температуры в зоне резания, что приводит к ускоренному износу режущей кромки (абразивному, диффузионному, адгезионному) и, в конечном итоге, к потере режущих свойств инструмента.
   • Цель оптимизации — найти такой режим, при котором производительность максимизируется при приемлемой стойкости инструмента, чтобы минимизировать общую стоимость обработки (включая стоимость инструмента, его переточки и время простоя станка).
2. Жёсткость и прочность обрабатываемой детали:
   • Тонкостенные или длинные детали (например, валы) обладают низкой жёсткостью и склонны к прогибу или вибрациям под действием сил резания.
   • При высоких режимах резания силы могут быть настолько велики, что вызовут недопустимые деформации детали, что приведёт к нарушению точности размеров и формы, а также к ухудшению качества поверхности.
   • В таких случаях приходится уменьшать глубину резания и подачу, чтобы снизить силы.
3. Жёсткость и прочность узлов станка:
   • Каждый станок имеет определённые пределы по жёсткости своих узлов (шпиндель, суппорт, станина).
   • Чрезмерные силы резания могут вызвать вибрации станка, что негативно скажется на точности и качестве обработки, а также приведёт к ускоренному износу подшипников и других механизмов.
   • В предельных случаях возможно даже разрушение элементов станка.
4. Мощность привода главного движения станка:
   • Для осуществления процесса резания требуется определённая мощность, которая расходуется на преодоление сопротивления материала и трение.
   • Мощность резания N_рез = (F_z ⋅ V) / (1020 ⋅ η), где F_z — главная составляющая силы резания, V — скорость резания, η — КПД привода.
   • Если требуемая мощность резания превышает номинальную мощность привода станка, это может привести к перегрузке двигателя, его остановке или выходу из строя.
   • При выборе режимов резания всегда необходимо проверять, чтобы потребляемая мощность не превышала доступную мощность станка.
5. Наростообразование: При обработке некоторых пластичных материалов на определённых скоростях резания может образовываться нарост на передней поверхности инструмента, что ухудшает качество обработанной поверхности и увеличивает силы резания.

Таким образом, задача инженера-технолога заключается в нахождении оптимального баланса между желаемой производительностью и ограничениями, налагаемыми инструментом, заготовкой и оборудованием.

Методы расчёта и оптимизации режимов резания

Выбор и оптимизация режимов резания — это ключевой этап технологического процесса, направленный на достижение наилучшего сочетания производительности, качества и экономичности. Существуют различные подходы к этому процессу:

1. Методы расчёта режимов резания:

• Аналитический (эмпирический) способ:
  • Основан на использовании эмпирических формул теории резания. Эти формулы (например, для силы резания, стойкости инструмента) получены в результате многочисленных экспериментов и содержат коэффициенты, учитывающие свойства обрабатываемого материала, геометрию инструмента, условия обработки (СОЖ) и другие факторы.
  • Пример формулы стойкости инструмента (формула Тейлора-Кронберга):

T = Cv / (Vm ⋅ Sy ⋅ tx) ⋅ Kм ⋅ Kинс ⋅ Kсож

Где T — стойкость инструмента (мин), V — скорость резания, S — подача, t — глубина резания. C_v, m, y, x — коэффициенты, зависящие от материала инструмента и заготовки. K_м, K_инс, K_сож — поправочные коэффициенты на материал инструмента, его геометрию, применение СОЖ и т.д.

• Преимущества: Позволяет относительно точно рассчитать режимы для конкретных условий, учитывая широкий спектр параметров.
• Недостатки: Требует большого количества справочных данных и достаточно трудоёмок.
• Статистический способ (по справочникам и отраслевым нормативам):
  • Наиболее распространённый в практике подход. Режимы резания выбираются из специализированных справочников, таблиц и отраслевых нормативов (например, «Режимы резания для токарной обработки», «Режимы фрезерования»).
  • Эти справочники содержат рекомендуемые значения глубины, подачи и скорости резания для различных комбинаций обрабатываемых материалов, материалов инструмента, типов операций и требований к качеству.
  • Преимущества: Простота и скорость выбора режимов.
  • Недостатки: Может не учитывать специфические условия конкретного производства или уникальные характеристики инструмента/материала, что приводит к неоптимальным результатам.

2. Оптимизация режимов резания:
Цель оптимизации — найти такой набор режимов, который обеспечивает наилучшее значение выбранного критерия при соблюдении всех ограничений. Критериями могут быть:

• Наибольшая производительность (наименьшее машинное время).
• Наименьшая себестоимость обработки.
• Наилучшее качество обработанной поверхности.
• Наименьший износ инструмента.

Методы оптимизации:

• Методы учёта случайности процесса резания:
  • Процесс резания по своей природе является стохастическим (случайным). Разброс стойкости режущего инструмента, отказы оборудования, колебания качества заготовок и разброс вспомогательного времени могут существенно влиять на эффективность.
  • Оптимизация с учётом случайности предполагает использование вероятностных моделей для прогнозирования результатов, например, путём применения Монте-Карло симуляций или методов математической статистики. Это позволяет выбрать режимы, которые не только оптимальны в среднем, но и устойчивы к случайным отклонениям, снижая процент брака и непредвиденные простои.
• Применение методов искусственного интеллекта (ИИ):
  • Современные подходы к оптимизации всё чаще используют ИИ для обработки больших объёмов данных и нахождения нетривиальных решений.
  • Генетические алгоритмы: Имитируют процесс естественного отбора, «эволюционируя» набор режимов резания для нахождения наиболее эффективного решения. Они способны обрабатывать многопараметрические задачи и находить глобальные оптимумы.
  • Нейронные сети: Могут быть обучены на исторических данных о режимах резания, стойкости инструмента и качестве поверхности. После обучения нейросеть может прогнозировать оптимальные режимы для новых условий, а также корректировать их в реальном времени, например, с учётом уровня вибрации. Вибрации являются серьёзной проблемой в металлообработке, приводящей к износу и браку. Нейронные сети могут анализировать данные с датчиков вибрации и динамически изменять скорость, подачу или глубину резания для минимизации колебаний.

3. Примеры параметров при расчёте режимов фрезерования:
При расчёте режимов фрезерования, помимо t, S, V, необходимо учитывать специфические геометрические параметры фрезы:

• Задний и передний угол зубьев: Влияют на силы резания и износ.
• Угол наклона винтовой канавки зубцов: Влияет на плавность входа зуба в материал и направление схода стружки.
• Главный и вспомогательный углы в плане: Определяют форму срезаемого слоя и распределение нагрузки на зубья.

Оптимизация режимов резания — это непрерывный процесс, который позволяет снизить себестоимость обработки, повысить производительность, уменьшить нагрузку на персонал и значительно снизить процент брака, тем самым повышая конкурентоспособность производства.

Влияние легирующих элементов на обрабатываемость и износ

Обрабатываемость конструкционных материалов резанием является сложным свойством, которое не ограничивается лишь базовыми физико-механическими характеристиками, такими как твёрдость или прочность. Значительное влияние на этот процесс оказывает химический состав материала, и в частности, наличие и концентрация легирующих элементов. Эти элементы могут как улучшать, так и ухудшать обрабатываемость, влияя на микроструктуру, наростообразование и стойкость инструмента.

1. Углерод (C):

• Влияние на обрабатываемость: Увеличение содержания углерода в сталях (в пределах до 0.8-1.0%) приводит к повышению твёрдости и прочности, что, с одной стороны, может повысить качество обработки (уменьшение наростообразования, улучшение чистоты поверхности).
• Влияние на износ инструмента: С другой стороны, увеличение твёрдости и появление карбидов железа (цементита) в структуре стали увеличивает абразивный износ инструмента, требуя применения более износостойких материалов режущей части. При очень высоком содержании углерода (высокоуглеродистые стали, чугуны) материал становится более хрупким, что может облегчать стружколомние, но усиливать ударные нагрузки на инструмент.

2. Титан (Ti):

• Влияние на обрабатываемость: Титан относится к элементам, которые в большинстве случаев ухудшают обрабатываемость сталей и сплавов.
• Механизмы влияния:
  • Образование тугоплавких карбидов и нитридов: Титан образует очень твёрдые и тугоплавкие соединения (карбиды титана TiC, нитриды титана TiN), которые значительно повышают абразивность материала. При резании эти частицы действуют как абразивные зёрна, интенсивно изнашивая режущую кромку.
  • Наростообразование: Титан обладает высокой химической активностью и склонностью к адгезии (прилипанию) к материалу инструмента. Это приводит к усилению наростообразования на передней поверхности резца, что в свою очередь:
    • Ухудшает качество обработанной поверхности.
    • Увеличивает силы резания.
    • Ускоряет износ инструмента (особенно при отрыве нароста, который уносит с собой частицы режущей кромки).
  • Усложнение стружкообразования: Титансодержащие сплавы часто образуют вязкую, трудноломаемую стружку, что затрудняет её отвод и может приводить к заклиниванию.

3. Другие легирующие элементы:

• Хром (Cr), Молибден (Mo), Вольфрам (W), Ванадий (V): Эти элементы образуют твёрдые карбиды, повышая твёрдость, прочность и теплостойкость стали. В умеренных количествах они могут улучшать обрабатываемость за счёт более благоприятного стружкообразования. Однако при высоких концентрациях они значительно увеличивают твёрдость и абразивность, требуя более мощного оборудования и износостойкого инструмента.
• Никель (Ni): Повышает прочность и вязкость. Часто ухудшает обрабатываемость, способствуя наростообразованию и образованию длинной, сливной стружки.
• Марганец (Mn), Кремний (Si): В малых количествах влияют на прочность. При высоких концентрациях могут образовывать абразивные включения.
• Сера (S) и Фосфор (P): Вредные примеси. Сера в виде сульфидов железа ухудшает механические свойства, но может улучшать обрабатываемость, облегчая стружкообразование (особенно в автоматах сталях). Фосфор повышает хладноломкость.

Понимание влияния легирующих элементов позволяет инженеру не только правильно выбрать материал для инструмента, но и оптимизировать режимы резания, а иногда и корректировать состав обрабатываемого материала, чтобы улучшить его обрабатываемость без ущерба для эксплуатационных свойств детали.

Заключение

Проектирование и расчёт режущего инструмента — это многогранный инженерный процесс, требующий глубоких знаний в области теории резания, материаловедения и технологических процессов. В данном руководстве мы рассмотрели ключевые аспекты, необходимые для успешного выполнения дипломной работы по машиностроению, сфокусировавшись на фасонных резцах, метчиках и протяжках.

Мы начали с фундаментальных теоретических основ резания, подчеркнув важность понимания сущности процесса, требований к качеству и производительности, а также комплексного влияния обрабатываемости материалов. Детальный анализ геометрических параметров режущей части — переднего, заднего, главного углов в плане и радиуса при вершине — выявил их критическую роль в формировании сил резания, стружкообразовании, стойкости инструмента и качестве поверхности. Было показано, как эти параметры должны быть адаптированы к различным материалам и условиям обработки, включая применение отрицательных передних углов для твёрдых сталей.

В разделах, посвящённых фасонным резцам, метчикам и протяжкам, были представлены исчерпывающие методики расчёта и проектирования. Для фасонных резцов мы углубились в принципы профилирования и необходимость высокоточной коррекции профиля. При проектировании метчиков акцент был сделан на обоснованный выбор геометрических параметров согласно ГОСТам, а также на критический анализ влияния количества канавок и их конструктивных особенностей на процесс резьбонарезания. В случае протяжек были подробно изложены требования к прочности инструмента, расчёт подъёма на зуб и особенности проектирования стружечных канавок, обеспечивающих эффективный отвод стружки.

Особое внимание было уделено материалам режущего инструмента и требованиям к качеству. Мы проанализировали применение различных марок быстрорежущих сталей и твердосплавных пластин с современными покрытиями (TiN, TiAlN, AlCrN), подчеркнув их роль в повышении долговечности и производительности. Была раскрыта важность стандартизации (ГОСТы) и многоступенчатого контроля качества изготовления и термообработки, что является залогом надёжности и точности инструмента.

Наконец, раздел об оптимизации процессов резания представил комплексный подход к выбору режимов обработки. Мы определили ключевые элементы — глубину, подачу и скорость резания, — а также факторы, ограничивающие их применение. Важной частью стало рассмотрение современных методов оптимизации, включая аналитические и статистические подходы, а также применение искусственного интеллекта (генетических алгоритмов и нейронных сетей) для учёта случайности процесса и динамической коррекции режимов в условиях вибрации. Особое значение было придано детализации влияния конкретных легирующих элементов (углерод, титан) на обрабатываемость материалов и износ инструмента, что позволяет глубже понять и прогнозировать поведение материала в процессе резания.

Таким образом, представленное руководство обеспечивает студента технического вуза всеми необходимыми знаниями и методиками для успешного проектирования и расчёта режущего инструмента. Применение изложенных принципов и подходов позволит не только выполнить дипломную работу на высоком инженерном уровне, но и заложить прочный фундамент для будущей профессиональной деятельности в области машиностроения, обеспечивая высокое качество, точность и эффективность металлообработки.

Список использованной литературы

1. Звягольский, Ю. С. Технология производства режущего инструмента : учебное пособие / Ю. С. Звягольский, В. Г. Солоненко, А. Г. Схиртладзе. – М. : КНОРУС, 2016.
2. Кирсанов С. В. Расчет фасонных резцов и протяжек для обработки круглых отверстий: учебно-методическое пособие по курсовому проектированию. Томский политехнический университет, 2010.
3. Максимов М. А., Кудинов Е. И., Назарков В. А. Проектирование круглых протяжек. Учебное пособие. – Горький: ГПИ, 1974. 103 с.
4. Немцов Ю. Ю. Проектирование машинных метчиков. Методические рекомендации и задания на проектирование. Для студентов, обучающихся по направлению 151000 всех форм обучения. – Н.Новгород: НГТУ, 2007. 16 с.
5. Основы проектирования режущих инструментов : учеб. для вузов по спец. «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты».
6. Проектирование фасонных резцов. Методическое пособие для студентов специальностей 151001 и 151002 / НГТУ. 2-я редакция, испр. и доп. Сост.: Ю. Ю. Немцов. Н. Новгород, 2008. 36 с.
7. Проектирование режущего инструмента: учебное пособие. SPbPU EL.
8. Проектирование режущего инструмента: методические указания. Юго-Западный государственный университет, 2017.
9. Режимы резания металлов: Справочник / Ю.В. Барановский, Л.А. Брахман, А.И. Гдалевич и др. – М.: НИИТавтопром, 1995.
10. Таблица метчиков и плашек: размеры, шаг резьбы, классы точности. Studbooks.net, 2025.
11. Юликов М.И., Горбунов Б.И., Колесов Н.В. Проектирование и производство режущего инструмента. – М.: Машиностроение, 1987.
12. Общие требования к оформлению пояснительных записок и текстовой части чертежей: метод. указ. для студентов машиностроительных специальностей / НГТУ: сост.: Т.Н. Гребнева. Н.Новгород, 2010. 65 с.
13. Режущий инструмент и основы проектирования режущего инструмента: методические указания. Ульяновский государственный технический университет, 2003.
14. ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТЧИКОВ И КРУГЛЫХ ПЛАШЕК: учебное пособие. Ульяновский государственный технический университет, 2008.