Режущий инструмент

Режущий инструмент является составной частью комплексной автоматизированной системы станка с ЧПУ. Тщательному выбору и подготовке инструмента для станков с ЧПУ и ГПС должно удаляться особое внимание. Это связано с высокой стоимостью этого оборудования и необходимостью достижения максимальной производительности и более высокой точности обработки. Для обеспечения автоматического цикла работы этих станков требуется более высокая степень надежности работы инструмента.

Режущий инструмент для станков с ЧПУ должен удовлетворять следующим требованиям: обеспечению высоких и стабильных режущих характеристик; удовлетворительному формированию и отводу стружки; обеспечению заданных условий по точности обработки; универсальности приминения для типовых обрабатываемых поверхностей различных деталей на разных моделях станков; быстросменности при переналадке на другую обрабатываемую деталь или замене затупившегося инструмента.

Приминение сборного инструмента со сменными многогранными пластинами (СМП) позволяет повысить эксплуатационные качества инструмента, обеспечивает значительную экономию дефицитных режущих материалов. Вместе с тем создаются благоприятные условия для широкого применения более износо- и теплостойких режущих материалов.

Сборный инструмент с СМП нашел широкое применение, выпуск его постояннно увеличивается, как по объему, так по наменклатуре. Удельный вес такого инструмента сегодня составляет 35-40% общего объема выпуска режущего инструмента.

Поиск путей снижения себестоимости изготовления инструмента и повышения гибкости инструментального производства привел к унификации конструкции за счет широкого применения резцовых вставок, кассет и головок, в которых устанавливаются СМП. Взаимозаменяемость вставок, кассет и головок для различных типов режущих инструментов позволяет создавать их гаммы по видам и размерам и объеденять большие группы инструмента в так называемые системы. В совокупности с набором удлинителей, стандартных, стандартных и специальных хвостовиков такие системы являются удобным средством удовлетворения потребностей в специализированном инструменте и сведения до минимума доли индивидуальных заказов. При этом на разработку конструкции и изготовления инструмента требуется меньше затрат.

Для составления различных типов инструмента используется определенное число сменных элементов, которые после сборки представляют собой взаимосвязанный механизм, обладающий достаточными результирующими жесткостью и точностью. Такой метод позволяет создавать комбинированный инструмент с наименьшими затратами.

Режущий инструмент в условиях гибкого производства должен переналаживаться применительно к изменения номенклатуры обрабатываемых деталей путем перекомпоновки унифицированных взаимозаменяемых узлов.

Задача обеспечения надежности режущих инструментов решается созданием новых инструментальных материалов с повышенным износо- и теплостойкостью, прочностью и твердостью.

В качестве материалов для изготовления лезвийного инструмента для станков с ЧПУ используют: твердые сплавы, керамику, сверхтвердые синтетические материалы и быстрорежущие стали.

Твердые сплавы подразделяются на четыре группы: вольфрамовые, титано-вольфрамовые, титанотанталововольфрамовые и безвольфрамовые. Они различаются по химическому составу, физико -механическим и эксплуатационным свойствам.

По классификации ISO твердые сплавы независимо от химического состава подразделяются в зависимости от их пригодности для обработки определенных материалов на три группы. Каждая группа обозначается буквой и цветом (синим, желтым или красным) и разделена на подгруппы, характеризующие конкретное назначение твердых сплавов: Р (синий) - сплавы для обработки углеродистой и легированной стали; М (желтый) - промежуточная или универсальная, - сплавы для обработки ковкого чугуна, легированных сталей, склонных к наклепу и адгезии, а также стали повышенной обрабатываемости; К (красный) - сплавы для обработки серого и отбеленного чугунов, цветных металлов, закаленной стали, пластмасс и древесины.

С целью сокращения номенклатуры и повышения универсальности применения твердых сплавов, усовершенствования их состава и свойств проводится за счет дополнительного их легирования карбидами титана, тантала, киобия, гафния, повышающими тепло- и износостойкость сплавов. Легирование твердых сплавов рутением повышает их стойкость к ударным нагрузкам и улучшает вязкость. Применение этих сплавов при торцевом фрезеровании позволяет повысить стойкость инструмента в 3 раза даже без применения износостойких покрытий.

Основным направлением повышения работоспособности твердих сплавов является нанесение на них износостойких покрытий, повышающих стойкость инструмента по сравнению с непокрытым инструментом, применяемым в тех же областях, в 3-4 раза.

В качестве покрытий применяют в основном карбид титана толщиной 5-6 мм, наносимый газофазным методом (CVD), и нитрид титана, наносимый плазменно-вакуумным методом (PVD) на установках типа "Булат".

Керамические пластины для режущего инструментов изготавливают прессованием и спеканием из составных элементов. Белая или оксидная керамика состоит из 99 % оксида алюминия (Al2O3) и не содержит связующего материала. Высокая твердость основы и ее тугоплавкость предопределяет хорошие режущие свойства керамики, однако изгибная прочность оксидной керамики находится на низком уровне (250-350 Н/мм2). Прочность керамики увеличивают добавлением карбидов мметаллов, в частности карбида титана (так называемая черная керамика). При этом прочность на изгиб увеличивается до 700-750 Н/мм2.

В настоящее время используются оба вида керамического режущего инструмента. Наиболее широко применяют марки оксидно карбидной керамики В-3 ВОК-60 по ГОСТ 25003-81 и ВО-13 по ТУ 48-19-411-87. Основная область применения этих марок - чистовое и получистовое точение закаленных сталей и серых чугунов. Возможна обработка конструкционных, легированных и быстрорежущих сталей. При обработке сталей скорость резания 200-250 м/мин, чугунов - 150-250 м/мин.

Рекомендуются следующие области применения композита разных марок:

  • композиты 01 и 02 - тонкое и чистовое точение без удара деталей из закаленных сталей твердостью HRC 55-70, чугунов любой твердости и твердых сплавов типов ВК15, ВК20 и ВК25 с подачей до 0,15 мм/об и глубиной резания 0,05-0,5 мм (максимально допустимые глубины резания могут достичь 1-1,5 мм);
  • композит 05 и его модификации - чистовое и получистовое точение без удара из закаленных сталей средней твердости HRC 40-60 и чугунов твердостью до HB 300 с подачей до 0,3 мм/об и глубиной резания 0,2-2,0 мм;
  • композиты 10 и 09 - тонкое, чистовое и получистовое точение с ударом и без удара деталей из закаленных сталей твердостью не выше HRC 60, чугунов любой твердости и твердых сплавов типа ВК 15, ВК20 и ВК25 с подачей до 0,2 мм/об и глубиной резания 0,05-1,5 мм.

Основной объективной предпосылкой ждя эффективного применения инструмента из СТМ в автоматизированных линиях, гибких производственных модулях и ситемах являются возможность реализации оптимальных для СТМ высоких и сверхвысоких скоростей. Резкое увеличение скорости резания при прочих равных условиях обеспечивает соответствующее увеличение минутной подачи инструмента, т.е. производительности процесса, а ткаже уменьшению силы резания, наклепа и шероховатости обработанной поверхности, т.е. увеличение точности и качества обработки. Установлено, кроме того, что при увеличении скорости резания (в определенных пределах) возрастает надежность работы инструмента из СТМ. Это - важно обстоятельство при использовании автоматизированного оборудования.

Быстрорежущие стали по ГОСТ 19265-73 применяют для изготовления режущего инструмента, в котором другие материалы не нашли еще применение (сперальные сверла, фасонные резцы, зенкера, развертки, метчики и т.п.).

Сперальные сверла, круглые плашки, ручные метчики, фасонные фрезы изготавливают в основном из сталей нормальной производительности типа Р6М5 и Р2М8, часть инструмента изготавливают только из быстрорежущей стали повышенной производительности типа Р6М5К (содержание кобальта 5-10%). Это концевые фрезы, зенкеры, зенковки и сперальные сверла для труднообрабатываемых материалов.

В последние годы расширилось применение покрытий инструмента из быстрорежущей стали нитридом титана в целях повышения стойкости.

Рекомендуется следующая номенклатура быстрорежущего инструмента с покрытием: сверла спиральные с цилиндрическим хвостовиком диаметром 2-16 мм, сверла сперальные с коничемким хвостовиком диаметром до 16 мм и длиной до 220 мм, концевые фрезы (в том числе "кукурузные", торцево-цилиндрические насадные), конические зенковки, метчики всех видов.

Отработаны следующие рекомендации по эксплуатации инструмента с покрытием:

  • наибольшему износу должна подвергаться та поверхность инструмента, которая не перетачивается после затупления;
  • ленточка износа по задней поверхности инструмента, которая не перетачивается обычно как критерий затупления;
  • даже инструмент с остро заточенными зубьями следует перетачивать только по одной поверхности, в основном по передней так, чтобы на задней поверхности покрытие осталось;
  • поскольку различие в стойкости покрытого и непокрытого инструментов возрастает с повышением скорости резания, следует работать на более высоких скоростях резания для повышения производительности труда и увеличения суммарного числа деталей, обработанных одним инструментом.

В сборном режущем инструменте от правильного выбора способа крепления пластин в значительной степени зависят его надежность, долговечность и стойкость.

Крепление должно обеспечивать: надежность (не допускать микро смещений пластины в процессе резания); плотный контакт опорной поверхности пластины с опорной поверхностью паза в державочной части; точность позиционирования и взаимозаменяемость режущих кромок при повороте и смене пластин; стабильность геометрии, дробление, завивание и надежный отвод стружки; минимальное время для смены лезвий, и, кроме того, оно должно быть компактным и технологичным.

Конструкции крепления зависят от конструкций самих СМП, а также от вида инструмента, величины и направления нагрузки на пластину в процессе резания, от условий размещения элементов крепления и других факторов.

К СМП предъявляются высокие требования по точности для стабильности настроечного размера до вершины режущей кромки при ее замене по мере износа. Поскольку в процессе эксплуатации СМП не подвергаются заточке, они должны иметь геометрию режущего клина, близку к оптимальной. При обработке вязких материалов инструмента с СМП должны гарантироватьстабильное дробление или процесс резания будет невозможен. Кроме того, пластины должны обладать высокимим прочностью и износостойкостью, а также компактно и жестко закрепляться в державной части.

Пластины без заднего угла получили название негативных, так как при установке в пазу державки имел место отрицательный передний угол, равный углу наклона опорной поверхности паза. Пластины с задними углами можно устанавливать в корпусе положительным передним углом. Такие пластины получили назавание позитивных.

Коэффициент использования твердого сплава в негативных пластинах в 2 раза выше, чем в позитивных, так как первые после износа всех режущих кромок с одной стороны могут быть повернуты, при этом их опорная поверхность становится передней поверхностью.

Недостаток этих пластин заключается в том, что при обработке с отрицательными переднимим углами возникают большие силы резания, вызывающие при определенных условиях вибрацию и приводящие к выкрашиванию и пломке пластин.

Наибольшее распространение в последнее время получают СМП с центральным отверстием и способы их крепления на резцах и фрезах с использованием этого центрального отверстия. СМП без отверстия с плоскими опорной и передней поверхностями в основном используются лишь для резцов с положительными передними углами.

В семействе СМП с центральным отверстием широко применяют пластины с тороидальной формой отверстия. Такие пластины имеют задний угол 7° устанавливаются на корпусах резцов с нулевым углом врезки, обеспечивая тем самым главный и вспомогательный задние углы 7° и угол наклона режущей кромки, равный нулю. По сравнению со стандартными резцами, оснащенными негативными СМП, имеющими цилиндрическое отверстие, новые резцы обеспечивают более легкое резание. Коническое отверстие в пластине позволяет применить наидолее простой способ крепления СМП на резце - с помощью винта, имеющего коническу головку. Такой винт подтягивает СМП к базовым сторонам гнезда в корпусе и ко дну этого гнезда. Крепление отличается не только простотой, но и компактностью, что позволяет создавать резцы с сечениями державок 10×10 мм.

Типы механического крепления СМП по ISO

Соверщенствование методов точного прессования дает возможность изготовлять пластины с большими положительными передними углами (одно- и двухсторонними) с установкой в державках, предназначенных для негативных пластин. При этом сохраняется положительный передний угол, благодаря чему снижаются (до 30%) силы резания, затрачиваемая мощность станка, нагрузка на пластину и обрабатываемую деталь, уменьшается опасность появления вибраций.

Пластины такого типа называют негативно-позитивными, имея в виду то, что они устанавливаются в державке подобно негативным пластинам, но сохраняют при этом положительный передний угол в процессе резания.

Стандартами ISO предусмотрено четыре типа механического крепления перечисленных СМП (рис.МИ.1).

Режущие пластины из минерало-керамики (ГОСТ 25003-81) имеют, как правило, трехгранную квадратную, ромбическую и круглую форму, плоскую переднюю поверхность, а также упрочняющую отрицательную фаску на передней поверхности шириной приблизительно 0,2 мм с предним углом -20°.