Расчет режимов резания для операций механической обработки


С. В. ГРУБЫЙ











            РАСЧЕТ РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ ДЛЯ ОПЕРАЦИЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ


Учебное пособие
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 621.941.1
ББК 34.5
     Г90

Рецензенты:
доктор технических наук, профессор, заслуженный работник высшей школы РФ, заведующий кафедрой станков и инструментов Тюменского индустриального университета £. В. Артамонов;
доктор технических наук, профессор кафедры металлорежущих станков и инструментов Кузбасского государственного технического университета С. И. Петрушин




     Грубый, С. В.
Г90 Расчет режимов резания для операций механической обработки : учебное пособие / С. В. Грубый. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 200 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0665-9

      Рассмотрены задачи выбора и расчета режимов резания для операций однопозиционной и одноинструментной механической обработки: наружного продольного точения напай-ными и сборными твердосплавными резцами; точения резцами из сверхтвердых материалов; обработки отверстий осевыми инструментами; фрезерования поверхностей фрезами различных типов. Приведен алгоритм и последовательность расчета сил и момента при фрезеровании концевыми фрезами. Разработаны уравнения характеристик резания. Изложены методические указания для выполнения домашних заданий по учебной дисциплине «Проектирование операций механической обработки».
      Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки «Проектирование технологических машин и комплексов», «Технологические машины и оборудование», «Машиностроение».

      The problems of selecting and calculating cutting modes for single-position and single-tool machining operations are considered: external longitudinal turning with soldered and prefabricated carbide cutters; turning with cutters made of superhard materials; hole processing with axial tools; milling surfaces with various types of cutters. The algorithm and sequence of calculation of forces and moment when milling with end mills are given, and the equations of cutting characteristics are developed. Guidelines for completing homework in the academic discipline are set out «Design of machining operations».
      The textbook is intended for students studying in the areas of under-preparation «Design of technological machines and complexes», «Technological machines and equipment», «mechanical engineering».

УДК 621.941.1
                                                                   ББК 34.5



ISBN 978-5-9729-0665-9

     © Грубый С. В., 2021
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

            ОГЛАВЛЕНИЕ



ПРЕДИСЛОВИЕ....................................................5
ВВЕДЕНИЕ.......................................................7
1. РАСЧЕТ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАРУЖНОГО ПРОДОЛЬНОГО ТОЧЕНИЯ............................................9
1.1. Домашнее задание - выбор режима резания для операции точения твердосплавными напайными резцами......................9
1.2. Расчет режимных параметров для операции точения твердосплавными сборными резцами..............................................33
     1.2.1. Геометрические параметры лезвия...................33
     1.2.2. Расчетные показатели точения сборными резцами.....39
     1.2.3. Режущие свойства сборных твердосплавных резцов....46
     1.2.4. Расчетные степенные уравнения.....................51
2. УПРАВЛЕНИЕ РЕЖИМНЫМИ ПАРАМЕТРАМИ ТОЧЕНИЯ СБОРНЫМИ РЕЗЦАМИ..............................................60
2.1. Полиномиальные уравнения скорости изнашивания сборных резцов, силы и температуры резания....................................60
2.2. Расчет параметров шероховатости обработанной поверхности.74
2.3. Технико-экономические показатели точения.................76
2.4. Параметрическая оптимизация режимных параметров точения сборными резцами......................................79
2.5. Примеры решения задач....................................93
3. РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ИНСТРУМЕНТАМИ ИЗ СВЕРХТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛОВ.....................105
3.1. Режущие свойства резцов из нитрида бора.................105
3.2. Расчет параметров процессарезания и изнашивания резцов из нитрида бора..............................................114
3.3. Прецизионная обработка алмазными резцами................120
3.4. Анализ условий алмазного точения и фрезерования на сверхточных станках.......................................126

3

3.5. Режимы резания и качество алмазной лезвийной обработки

на сверхточных станках..................................132
     3.5.1. Алмазное точение торцевых поверхностей......132
     3.5.2. Алмазное фрезерование плоских поверхностей..135
4. РАС ЧЕТ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ СВЕРЛЕНИЯ И ФРЕЗЕРОВАНИЯ..........................................145
4.1. Домашнее задание - параметры режима резания для операций сверления спиральными сверлами.............145
4.2. Домашнее задание - параметры режима резания для операции фрезерования...............................153
4.3. Примеры решения задач..............................158
4.4. Расчет сил и момента резания при фрезеровании концевыми фрезами......................163
4.5. Полиномиальные уравнения характеристикрезания для фрезерования концевыми фрезами......................180
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................192
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ..............................194
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................197

4

            ПРЕДИСЛОВИЕ



     Учебное пособие разработано в обеспечение программы учебной дисциплины «Проектирование операций механической обработки» в соответствии с самостоятельно устанавливаемым образовательным стандартом МГТУ имени Н. Э. Баумана, основной профессиональной образовательной программой для направления подготовки 15.05.01 «Проектирование технологических машин и комплексов» - специализация «Проектирование механообрабатывающих и инструментальных комплексов в машиностроении». Учебное пособие также предназначено для изучения специальных дисциплин по направлению подготовки магистров 15.04.02 «Технологические машины и оборудование» и аспирантов по направлению 15.06.01 «Машиностроение».
     Целью учебной дисциплины является формирование у студентов соответствующих знаний по выбору и расчету режимов резания для операций механической обработки. Здесь самостоятельная дисциплина учебного плана по проектированию операций рассматривается как обязательная составляющая общей теории резания и финишных методов обработки. Учебное пособие дополняет литературные источники и лекции прежде всего в части решения расчетных задач, а также является методическим обеспечением для выполнения домашних заданий по этой учебной дисциплине.
     Освоение учебного пособия предполагает предварительное изучение следующих дисциплин учебного плана по специальности: информатика, математический анализ; технология конструкционных материалов, металлорежущее оборудование, основы теории резания. В свою очередь, учебное пособие рассматривается как предшествующее для дисциплин образовательной программы специалистов: основы технологии машиностроения; оптимизация механической обработки; основы проектирования режущих инструментов; научно-исследовательская работа; выпускная квалификационная работа.
     Учебное пособие рекомендовано использовать при изучении специальных дисциплин по направлению подготовки магистров: оптимизация механической обработки; сверхтвердые материалы, технология и особенности эксплуатации; современные процессы механической и физико-технической обработки.

5

     Аспиранты могут использовать учебное пособие при изучении дисциплины по технологии и оборудованию механической и физико-технической обработки и подготовке к сдаче экзамена по научной специальности.
     В методическом плане учебное пособие является самостоятельным и самодостаточным по тексту и содержанию. Рекомендуемые литературные источники содержат, в том числе и дополнительные материалы, которые не включены из-за ограничений по объему соответствующего учебного курса. Для решения расчетных задач студентам рекомендовано использовать программирование на алгоритмическом языке высокого уровня, в частности, Delphi, входящее в учебную программу университета.

6

            ВВЕДЕНИЕ



     В учебном плане МГТУ имени Н. Э. Баумана по подготовке специалистов курс теории резания представлен тремя самостоятельными дисциплинами: «Основы теории резания», «Проектирование операций механической обработки», «Финишные и абразивные методы обработки поверхностей деталей машин». Эти дисциплины включают лекции, домашние задания, лабораторные работы. По теории резания ведущими преподавателями кафедры (современное название «Инструментальная техника и технологии») был написан ряд учебников, среди которых: «Основы теории резания металлов» заведующего кафедрой профессора Бес-прозванного И. М. (1948 г.); «Резание металлов» авторов Грановского Г. И., Гру-дова П. П., Кривоухова В. А., Ларина М. Н., Малкина А. Я. (1954 г.); «Резание металлов» заведующего кафедрой профессора Грановского Г. И. в соавторстве с Грановским В. Г. (1985 г.). Учебное пособие автора (2020 г.) [1] дополняет кафедральные источники по теории резания и финишным методам обработки прежде всего в части решения расчетных задач по параметрам и показателям процесса.
     Содержание настоящего ученого пособия направлено на расширение и поддержку теоретической части дисциплины по проектированию операций механической обработки. Здесь рассмотрены вопросы выбора и расчета режимов резания для операций однопозиционной и одноинструментной механической обработки: наружного продольного точения напайными и сборными твердосплавными резцами, в том числе управления параметрами; точения резцами из сверхтвердых материалов - кубического нитрида бора, алмаза синтетического и природного; обработки отверстий осевыми инструментами; фрезерования поверхностей фрезами различных типов.
     Текст учебного пособия содержит варианты исходных данных и методические рекомендации для выполнения двух домашних заданий по проектированию операций в соответствии с программой учебной дисциплины:
     -       выбор режима резания для операции точения твердосплавными напайными резцами;
     -       выбор режима резания для операций сверления спиральными сверлами и фрезерования различными типами фрез.

7

     Эти домашние задания базируются на использовании в расчетах степенных уравнений и поправочных коэффициентов, приведенных в справочных и учебных литературных источниках [2-7]. Вместе с тем отмечена основная проблема в расчетах режимов резания, связанная с отсутствием степенных уравнений для современных марок обрабатываемых и инструментальных материалов, прогрессивных конструкций режущих инструментов. Поэтому в учебном пособии изложены методические вопросы по разработке степенных и полиномиальных уравнений для выходных показателей процесса: стойкости и скорости изнашивания инструмента, силы, температуры, шероховатости обработанной поверхности. Выходные показатели количественно связаны с режимными параметрами точения, как показано на примере сборных резцов и фрезерования цельными твердосплавными концевыми фрезами. Рассмотрены некоторые смежные и вытекающие из общего методического подхода вопросы параметрической оптимизации и управления режимными параметрами.
     Уделено внимание выбору и расчету режимных параметров лезвийной обработки заготовок из различных материалов и областей применения инструментами из сверхтвердых материалов - на основе нитрида бора, алмаза синтетического и природного. Здесь также рассмотрена обработка поверхностей с оптическим качеством на деталях различного назначения алмазным точением и фрезерованием на сверхточных станках.
     В пособии изложены как теоретические вопросы, так и приведены примеры решения типовых задач. В силу ограниченности объема учебной дисциплины в пособии рассмотрен только определенный круг вопросов, которые непосредственно рассматриваются в лекциях и направлены на выбор или расчет режимов резания.
     Учебное пособие предназначено для студентов по специальности проектирования технологических машин и комплексов со специализацией по механообрабатывающим и инструментальным комплексам в машиностроении при подготовке к лекциям и выполнении домашних заданий. Магистрантам и аспирантам рекомендовано использовать учебное пособие при изучении соответствующих специальных дисциплин и при выполнении научной части выпускной квалификационной работы, и диссертации.

8

ГЛАВА 1. РАСЧЕТ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ НАРУЖНОГО ПРОДОЛЬНОГО ТОЧЕНИЯ

1.1. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ - ВЫБОР РЕЖИМА РЕЗАНИЯ ДЛЯ ОПЕРАЦИИ ТОЧЕНИЯ ТВЕРДОСПЛАВНЫМИ НАПАЙНЫМИ РЕЗЦАМИ

     Рассмотрен выбор режима резания для операции наружного продольного точения (растачивания) заготовки на токарном станке с ЧПУ твердосплавным напайным резцом. Для этого типа резца геометрические параметры лезвия назначаются в зависимости от марки и механических характеристик обрабатываемого материала, и физически реализуются путем заточки.
     Сформулировано задание по каждому варианту исходных данных: требуется обработать вал длиной l и диаметром d.
     Поверхность диаметром d должна быть выполнена по одному из этапов (стадий) и соответствующим квалитетам точности и шероховатости:
     h7 - h8, Rₐ = 0,32 -1,25 мкм, этап обработки 4-й, отделочная обработка (тонкое алмазное обтачивание, принять Rₐ = 0,63 мкм);
     h9 - h 11, Rₐ = 0,8 -2,5 мкм, этап обработки 3-й, чистовая обработка (принять Rₐ = 1,5 мкм);
     h12-h13, Rₐ = 2-16 мкм, этап обработки 2-й, получистовая обработка (принять Rₐ = 5 мкм);
     h 14, Rₐ = 12-40 мкм, этап обработки 1-й, черновая обработка (принять Rₐ = 20 мкм).
     Расчет режима резания необходимо выполнить для одного из заданных этапов обработки: 1-й, 2-й или 3-й.
     Обрабатываемый материал назначается из следующих групп ОМ: углеродистые и легированные стали; коррозионностойкие стали; титановые сплавы; серый чугун; алюминиевые сплавы. Обрабатываемый материал характеризуется маркой, твердостью и условным пределом прочности. Вид заготовки - прокат

9

или литье, состояние поверхности - с коркой для этапа 1, без корки для этапов 2, 3. Наружный диаметр заготовки имеет h15-h17 квалитетточности.
     Заданы схемы операции: на проход (главный угол в плане <р = 45 град); в упор <р = 90 град; в упор <р = 75 град; в упор <р = 60 град; в упор <р = 30 град. Рассмотрены три схемы крепления заготовки на станке: в патроне консольно; в патроне с поджимом задним центром; в центрах с поводком или через рифленый центр.
     Задание предусматривает:
     1.       Определить количество этапов и глубину резания для каждого этапа для получения требуемого квалитета точности обработанной поверхности по таблице 1.1. Таблица сформирована по данным учебного пособия [2].


Таблица 1.1

Назначение глубины резания для каждого этапа обработки

             Этап обработки - квалитет точности         
Диаметр  1-й -       2-й-          3-й-        4-й -   
 d, мм  черновая получистовая    чистовая    отделочная
          h 14    h 13, h 12  h 11, h 10, h9    8,7    
           Глубина резания на каждом этапе t, мм        
 < 18     2,0        0,9           0,5          0,2    
  30      2,5        1,0           0,6          0,2    
  50      3,0        1,3           0,7          0,3    
  80      3,5        1,5           0,8          0,3    
120       4,5        1,7           0,9          0,3    
180       5,0        2,0           1,0          0,4    
250       5,5        2,2           1,1          0,4    

      Указанный диаметр в таблице включает весь диапазон от предыдущего значения. Например, значение d = 30 мм включает весь диапазон диаметров 18 < d < 30. Общий припуск на обработку определяется суммой припусков по всем этапам. В частности, для диаметра детали d 115h7 диаметр заготовки составляет dz = 115 + 2 • 4,5 + 2 -1,7 + 2 • 0,9 + 2 • 0,3 = 129,8 мм. Расчетный диаметр для 2-го этапа обработки составляет d = 120,8 мм, глубина резания -1 = 1,7 мм. Расчетный диаметр для 1-го этапа обработки составляет d = 129,8 мм, глубина резания -1 = 4,5 мм.


10

     2.      Выбрать тип резца токарного с пластинами из твердого сплава по таблице 8.3, назначить габаритные размеры резца по таблице 8.6 из справочника [3]. Расстояние от опорной поверхности резца до оси вращения шпинделя выбрать в соответствии с паспортными данными станка.
     3.      Выбрать и показать в виде эскиза форму заточки передней и задней поверхности резца по таблице 8.9 [3]:
     -       форма I, плоская с положительным передним углом, алюминиевые сплавы, у = 20, а = 10 град;
     -       форма I, плоская с положительным передним углом, серый чугун, у = 2, а = 6 град;
     -       форма II, плоская с отрицательной фаской, сталь углеродистая и легированная с сть < 700 МПа, размер фаски f = 0,1 ^ 0,3 мм, у = 10, а = 6 град;
     -       форма Y, криволинейная с отрицательной фаской, коррозионностойкая сталь с сть < 850 МПа, у = 16, а = 8 град;
     -       форма YI, криволинейная с отрицательной фаской, углеродистая, легированная, коррозионностойкая сталь с 700 <сть < 1000 МПа, у = 12, а = = 10 град;
     -       форма У1а, криволинейная с отрицательной фаской, углеродистая, легированная, коррозионностойкая сталь с 1000 <сть < 1300 МПа, у = 8, а = = 10 град;
     -       форма Y6, криволинейная с отрицательной фаской, титановый сплав, у = 3, а = 10 град.
     Назначить геометрические параметры режущей части резца для указанного этапа обработки и схемы операции:
     -       главный угол в плане <р принять в соответствии с заданной схемой операции, вспомогательный угол в плане Ф1 = 15 град, угол наклона кромки X = 5 град, радиус закругления вершины r = 1 мм для высоты державки резца H = 16,20 мм и r = 1,6 мм для высоты державки резца H = 25, 32 мм;
     -       значения углов заднего и переднего по таблице 1.2.
     Толщину твердосплавной пластины принять равной h = 7 мм.

11

Таблица 1.2
Значения углов переднего и заднего при точении заготовок из различных ОМ твердосплавными резцами

       Обрабатываемый материал        Y ,град а,град
Углеродистые и легированные стали      10-15   6-8  
Коррозионностойкие, жаростойкие стали  10-16   6-10 
Титановые сплавы                      3-(-5)   8-10 
Серый чугун                            0-10    6-8  
Алюминиевые сплавы                     10-20   8-10 

     4.       Выбрать марку твердого сплава по таблице 3 справочника [4], по таблице 2.6 справочника [5], по таблице 5 справочника [6] для обработки:
     -       углеродистых, легированных, коррозионностойких сталей - двухкарбидные твердые сплавы марок Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, трехкарбидные с износостойкими покрытиями марок TT10K8B-TiN, TT10K8E-TiC;
     -       серого чугуна и коррозионностойких сталей - однокарбидные твердые сплавы без и с износостойкими покрытиями марок ВК6, ВК6М, ВК6-ОМ, ВК8, ВКб-TiN, ВК6-ПС;
     -      титановых сплавов - однокарбидный твердый сплав марок ВК8, ВК6М;
     -       алюминиевых сплавов - быстрорежущая сталь марки Р6М5 и однокарбидные твердые сплавы марок ВК6, ВК6М, ВК6-ОМ, ВК8.
     5.       Выполнить операционный эскиз обработки для заданной схемы операции и типа крепления заготовки. Инструмент расположить в конечном положении, указать линейные размеры, включая длину врезания и перебега.
     6.     Рассчитать параметры режима резания.
     6.1. Глубина резания.
     Глубина резания t, мм, назначается по этапам обработки в соответствии с таблицей 1.1.
     6.2. Подача инструмента на оборот заготовки.
     Для черновой и получистовой и чистовой обработки (этапы 1, 2, 3) значение подачи на оборот s, мм/об, рассчитывается по выражению:

                       C..dz
s =     :   -fSKjKₖKₙₚKdSKᵣₛ.                (1.1)


12