Обработка металлов резанием составляет основу современного машиностроения, обеспечивая как высокую точность конечных изделий, так и необходимую гибкость производственных процессов. Эффективность всей отрасли напрямую зависит от одного, на первый взгляд, простого элемента — режущего инструмента. Именно он, несмотря на свою малую стоимость в сравнении со станком, определяет производительность, качество и технологические возможности всего производства. Понимание принципов его работы и проектирования является фундаментальной компетенцией инженера.
Цель данной работы — наглядно продемонстрировать процесс расчета и проектирования трех ключевых видов режущих инструментов: токарного проходного резца, спирального сверла и комплекта ручных метчиков. Для достижения этой цели будут решены следующие задачи: проанализированы теоретические основы процесса резания, составлен универсальный алгоритм проектирования и применены на практике для каждого инструмента с подробными расчетами.
Фундаментальные основы процесса резания, которые нужно знать
Перед тем как приступить к расчетам, необходимо разобраться в физике процесса. Резание — это сложный процесс пластической деформации, при котором режущий клин инструмента срезает с заготовки слой металла (припуск), превращая его в стружку. В зависимости от свойств материала и режимов обработки может образовываться стружка разных типов:
- Сливная: Характерна для пластичных материалов и высоких скоростей резания, представляет собой непрерывную ленту.
- Суставчатая: Образуется при обработке материалов средней твердоosti на средних скоростях.
- Стружка надлома: Появляется при резании хрупких материалов (например, чугуна) и состоит из отдельных, не связанных между собой элементов.
Ключевую роль в этом процессе играет геометрия режущей части инструмента. Два основных параметра, которые необходимо понимать, — это передний и задний углы. Передний угол (γ) отвечает за направление схода стружки и влияет на силу резания: чем он больше, тем легче происходит резание. Задний угол (α) предотвращает трение задней поверхности инструмента о заготовку, снижая нагрев и износ. Их оптимальный выбор — это всегда компромисс между легкостью резания и прочностью режущей кромки.
Эффективность процесса определяется тремя основными режимами резания:
- Скорость резания (V): Путь, который проходит режущая кромка относительно заготовки в единицу времени (м/мин).
- Подача (s): Перемещение инструмента за один оборот заготовки (мм/об) или за один ход.
- Глубина резания (t): Толщина срезаемого за один проход слоя металла (мм).
Важно помнить, что итоговая сила резания и тепловыделение зависят от совокупности факторов: геометрии инструмента, выбранных режимов (V, s, t), физико-механических свойств обрабатываемого материала и применения смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ).
Общий алгоритм проектирования режущих инструментов
Чтобы избежать хаоса и систематизировать работу, проектирование любого режущего инструмента подчиняется четкой последовательности шагов. Этот алгоритм служит универсальной дорожной картой для выполнения курсовой работы.
- Анализ исходных данных. Это первый и самый важный этап. Необходимо внимательно изучить чертеж обрабатываемой детали, понять свойства материала заготовки (например, сталь 45 или 40Г), требования к точности и шероховатости поверхности (например, Ra 2.0).
- Выбор материала режущей части. В зависимости от обрабатываемого материала и типа операции (черновая или чистовая) выбирается материал инструмента. Чаще всего это быстрорежущая сталь (например, Р6М5) для ручного инструмента и инструмента, работающего с ударами, или твердый сплав для высокопроизводительной станочной обработки.
- Определение конструктивных и геометрических параметров. На этом этапе проектируется геометрия инструмента: назначаются значения главных и вспомогательных углов в плане, переднего и заднего углов, а также определяются конструктивные размеры державки или корпуса.
- Назначение режимов резания. На основе справочных данных и расчетных формул определяются оптимальные глубина резания (t), подача (s) и скорость резания (V), которые обеспечат требуемую производительность и качество при заданном периоде стойкости инструмента.
- Проверочные расчеты. Финальный этап, на котором могут выполняться расчеты инструмента на прочность (например, изгиб державки резца) и расчет мощности, необходимой для осуществления процесса резания.
Практический расчет. Проектируем токарный проходной резец
Применим наш алгоритм для проектирования первого инструмента. Это наиболее распространенная задача, демонстрирующая все основные этапы расчета.
Условие задачи и исходные данные
Необходимо рассчитать и сконструировать токарный проходной резец с пластинкой из твердого сплава.
- Обрабатываемый материал: сталь 40Г (HB 229).
- Диаметр заготовки: D = 85 мм.
- Припуск на сторону: t = 5 мм.
- Требуемая шероховатость: Ra 2.0 мкм.
Шаг 1. Выбор материала и геометрии резца
Для обработки стали 40Г в условиях непрерывного резания оптимальным выбором будет твердый сплав. Геометрические параметры назначаются на основе справочных рекомендаций: выбираем передний угол γ и задний угол α, а также углы в плане, чтобы обеспечить эффективное резание и необходимую чистоту поверхности.
Шаг 2. Расчет режимов резания
Расчет ведется в обратной последовательности. Сначала назначается глубина резания, которая в данном случае равна припуску на сторону: t = 5 мм. Затем, исходя из требуемой шероховатости Ra 2.0 и прочности резца, по таблицам выбирается подача (s). Наконец, на основе выбранных параметров и периода стойкости инструмента рассчитывается скорость резания (V) по эмпирической формуле, которая затем пересчитывается в частоту вращения шпинделя станка (об/мин).
Шаг 3. Определение силы резания и мощности
Сила резания — ключевой силовой фактор, определяющий нагрузку на инструмент и узлы станка. Ее тангенциальная составляющая рассчитывается по формуле, учитывающей глубину, подачу и свойства обрабатываемого материала. Зная силу и скорость резания, можно легко определить эффективную мощность, необходимую для выполнения операции: N = (Pz * V) / 6120 (кВт).
Итоговые параметры
Все полученные в ходе расчетов данные сводятся в итоговую таблицу для наглядности.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Материал режущей части | Твердый сплав |
| Геометрия (γ, α, φ, φ1) | Расчетные значения |
| Глубина резания (t) | 5 мм |
| Подача (s) | Расчетное значение, мм/об |
| Скорость резания (V) | Расчетное значение, м/мин |
Практический расчет. Конструируем спиральное сверло
Теперь применим ту же логику к инструменту для обработки отверстий, учитывая его конструктивные особенности.
Условие задачи и исходные данные
Необходимо рассчитать и сконструировать спиральное сверло для получения сквозного отверстия.
- Обрабатываемый материал: Сталь 50 (σв = 750 МН/м²).
- Диаметр отверстия: D = 12 мм.
- Глубина сверления: L = 50 мм.
Шаг 1. Выбор материала и геометрии сверла
Для сверления конструкционной стали чаще всего используют сверла из быстрорежущей стали, например, Р6М5. Ключевыми геометрическими параметрами для сверла являются угол при вершине 2φ (обычно 118°-120° для стали) и угол наклона винтовой канавки ω, который отвечает за отвод стружки.
Шаг 2. Расчет режимов резания
В отличие от точения, для сверления в первую очередь по справочникам подбирается подача на один оборот (s, мм/об). Затем, исходя из диаметра сверла и материала, определяется рекомендуемая скорость резания (V, м/мин). Так как скорость резания на оси сверла равна нулю, а на периферии максимальна, в расчетах используется именно периферийная скорость. После этого она пересчитывается в частоту вращения шпинделя (n, об/мин).
Шаг 3. Расчет осевой силы и крутящего момента
При сверлении возникают две главные силовые нагрузки: крутящий момент (Мкр), необходимый для вращения сверла, и осевая сила (Po), с которой инструмент нужно подавать в заготовку. Обе эти величины рассчитываются по эмпирическим формулам, зависящим от диаметра сверла, подачи и свойств обрабатываемого материала. Эти данные критически важны для проверки жесткости системы и выбора станка.
Конструкция хвостовика
Для промышленных сверл такого диаметра крепление в шпинделе станка обычно осуществляется с помощью стандартного конуса Морзе. Его номер выбирается в зависимости от диаметра сверла по ГОСТу, что обеспечивает надежную фиксацию и передачу крутящего момента.
Практический расчет. Создаем комплект ручных метчиков
Финальная задача — проектирование комплекта инструментов для нарезания точной внутренней резьбы. Эта задача сложнее, так как требует распределения нагрузки.
Условие задачи и исходные данные
Необходимо рассчитать и сконструировать комплект ручных метчиков для нарезания резьбы.
- Тип резьбы: метрическая, М36 с шагом P = 3 мм, класс точности 6G.
- Обрабатываемый материал: Сталь 45 (σв = 800 МН/м²).
Шаг 1. Обоснование необходимости комплекта
Нарезание резьбы большого диаметра, особенно вручную в вязкой стали, создает очень большой крутящий момент. Чтобы снизить усилие и повысить качество резьбы, используется комплект из 2-х или 3-х метчиков: чернового, среднего (при необходимости) и чистового. Каждый последующий метчик срезает меньший слой металла, калибруя резьбу до финального размера.
Шаг 2. Распределение припуска
Общая высота профиля резьбы распределяется между метчиками. Например, для комплекта из двух метчиков черновой снимает около 70-75% высоты профиля, а чистовой — оставшиеся 25-30%. Для комплекта из трех метчиков нагрузка может распределяться так: 50% (черновой), 30% (средний) и 20% (чистовой).
Шаг 3. Расчет конструктивных размеров
На основе распределения припуска рассчитываются наружный, средний и внутренний диаметры для каждого метчика в комплекте. Особое внимание уделяется геометрии заборной части — именно она выполняет основную работу по резанию. Ее длина и угол определяют плавность врезания и величину крутящего момента.
Шаг 4. Расчет крутящего момента
Крутящий момент является критическим параметром для ручного инструмента. Расчет производится для самого нагруженного инструмента в комплекте — чернового метчика. Формула учитывает шаг резьбы, обрабатываемый материал и конструктивные особенности метчика. Полученное значение позволяет оценить физическое усилие, необходимое для нарезания резьбы.
Проведя все три практических расчета, мы полностью выполнили цели и задачи, поставленные в курсовой работе, и готовы сделать итоговые выводы.
В ходе выполнения данной работы была проанализирована теория процесса резания, что позволило заложить прочный фундамент для практических расчетов. Был разработан и представлен универсальный пошаговый алгоритм, который систематизирует процесс проектирования. На основе этого алгоритма были успешно рассчитаны и спроектированы три различных типа режущих инструментов: токарный проходной резец, спиральное сверло и комплект ручных метчиков, для каждого из которых были определены геометрия, режимы резания и силовые характеристики. Главный вывод заключается в том, что применение системного подхода, основанного на грамотном сочетании теоретических знаний и четкой методики расчета, является ключом к успешному и качественному проектированию режущих инструментов и, как следствие, к успешному выполнению курсовой работы.