Классификация металлорежущего инструмента
Металлорежущий инструмент разделяют по нескольким признакам. Основными критериями классификации выступают вид операции, характер удаления материала, конструктивное исполнение и тип режущей части. От этих параметров зависят ограничения по скорости, подаче и глубине обработки, а также стойкость инструмента и показатели точности получаемой поверхности. Подобрать инструмент с нужными параметрами можно в каталоге ТД ТМТ.
По виду обработки: резцы, фрезы, сверла, протяжки
Резцы применяют при точении, подрезке торцов, нарезании резьбы и растачивании. Они имеют одну режущую кромку и работают в условиях непрерывного или прерывистого контакта с заготовкой. Фрезы представляют собой многолезвийный инструмент, используемый для плоских, пазовых и фасонных поверхностей. Каждый зуб фрезы периодически входит в материал и выходит из него, что создаёт переменную нагрузку и влияет на тепловой режим.
Сверла служат для получения и увеличения отверстий. Распространены спиральные сверла с двумя главными режущими кромками и винтовыми канавками для отвода стружки. Протяжки обрабатывают внутренние и наружные поверхности с высокой точностью. У протяжки несколько зубьев последовательно выступают один за другим, каждый следующий зуб снимает тонкий слой материала. Это обеспечивает стабильное формирование поверхности за один проход.
По конструкции: цельные, сборные, сменные пластины
Цельный инструмент изготавливают из одного материала. Он отличается высокой жёсткостью и простотой, однако при повреждении режущей части замене подлежит весь инструмент. Сборные конструкции состоят из корпуса и закреплённой режущей части. Корпус чаще выполняют из конструкционной стали, а рабочую зону — из более стойкого инструментального материала.
Инструменты со сменными пластинами допускают поворот или замену режущего элемента без изменения положения корпуса. Это сокращает время переналадки и позволяет использовать покрытия с разными свойствами на одной державке. Механическое крепление пластины не требует пайки, что исключает термическое влияние на твердосплавный материал. Конструкция должна обеспечивать точное базирование пластины, поскольку при несоосности возрастает вибрация и ухудшается шероховатость.
Геометрия и материалы режущей части
Основные углы и форма режущей кромки
Геометрия определяет условия контакта кромки с обрабатываемым материалом. Передний угол влияет на деформацию срезаемого слоя и силы резания. Положительное значение облегчает сход стружки, однако снижает прочность режущего клина. Отрицательный передний угол используют при прерывистом резании и обработке хрупких материалов. Задний угол уменьшает трение задней поверхности о заготовку; его типичный диапазон составляет 5–12° в зависимости от подачи и обрабатываемого материала.
Форма режущей кромки включает радиус скругления и наличие упрочняющей фаски. Малый радиус создаёт более острую кромку и снижает силы резания, но повышает риск выкрашивания. Увеличенный радиус стабилизирует кромку при высоких нагрузках, однако может способствовать росту остаточных напряжений в поверхностном слое. Угол наклона кромки задаёт направление схода стружки и распределение ударной нагрузки в момент врезания.
Инструментальные материалы и покрытия
Быстрорежущая сталь сохраняет рабочую твёрдость примерно до 600–650 °C. Она сочетает теплостойкость с высокой прочностью на изгиб, поэтому используется для свёрл, протяжек и мелкоразмерных фрез. Твёрдый сплав выдерживает нагрев до 900–1000 °C и имеет более высокую твёрдость, но уступает быстрорежущей стали по прочности на изгиб. Твердосплавный инструмент применяют при скоростном точении, фрезеровании и сверлении. Керамика сохраняет твёрдость при температурах до 1200 °C. Она химически инертна, но хрупка, поэтому применяется преимущественно при чистовой обработке чугуна и закалённых сталей.
Покрытия из нитридов, карбидов и оксидов изменяют трение и сопротивление абразивному изнашиванию. Тонкий износостойкий слой на режущей кромке повышает стойкость инструмента без изменения его габаритных размеров. Покрытие снижает адгезионное схватывание между стружкой и передней поверхностью, что уменьшает тепловыделение и вероятность наростообразования.
Режимы резания и их влияние на процесс
Скорость, подача и глубина резания
Скорость резания определяет температуру в зоне контакта и интенсивность диффузионного изнашивания. Подача задаёт толщину стружки и нагрузку на единицу длины кромки. Глубина резания задаёт ширину срезаемого слоя. При выборе режимов учитывают твёрдость заготовки, теплостойкость инструмента и жёсткость технологической системы. Для чистовых операций подачу и глубину уменьшают, а скорость повышают; для черновых увеличивают подачу и глубину, снижая скорость до допустимого предела. Материал детали ограничивает допустимую скорость: жаропрочные и нержавеющие стали обрабатывают на пониженных режимах по сравнению с углеродистыми сталями.
Тепловыделение и отвод тепла
Значительная часть механической энергии при резании переходит в теплоту. Температура на передней поверхности может превышать 800–1000 °C. Тепловой поток распределяется между стружкой, инструментом и заготовкой. Если отвод тепла недостаточен, режущая кромка разупрочняется и теряет твёрдость. Подача смазочно-охлаждающей жидкости снижает температуру в зоне резания, уменьшает трение и вымывает мелкие продукты изнашивания. Направленная подача жидкости в зону контакта стабилизирует тепловой режим и уменьшает термические деформации детали.
Износ и стойкость инструмента
Виды износа и причины возникновения
Различают износ по задней поверхности, лункообразование на передней поверхности, выкрашивание кромки и пластическую деформацию. Износ по задней поверхности возникает от абразивного истирания. Лунка образуется под действием диффузии и адгезии при высоких температурах. Выкрашивание связано с переменными нагрузками и термической усталостью. Критерий затупления по износу задней поверхности обычно принимают в диапазоне 0,2–1,0 мм в зависимости от типа операции и требований к точности. Износ увеличивает силу трения, повышает шероховатость поверхности и изменяет фактический размер обработки.
Способы продления срока службы
Стойкость инструмента повышают снижением скорости резания до уровня, при котором температура не превышает допустимый предел для материала режущей части. Уменьшение подачи снижает механическую нагрузку на кромку, но слишком малая подача может привести к трению без устойчивого стружкообразования. Применение покрытий и смазочно-охлаждающей жидкости замедляет абразивное и адгезионное изнашивание. Стабильное закрепление инструмента и заготовки сокращает вибрационную составляющую, которая провоцирует локальное выкрашивание кромки.
Контроль качества и типичные дефекты обработки
Шероховатость, точность и остаточные напряжения
Шероховатость обработанной поверхности зависит от подачи, радиуса при вершине резца или фрезы, износа кромки и вибраций. При чистовой обработке часто контролируют параметр Ra в пределах 0,8–1,6 мкм, при черновой — Ra 3,2–6,3 мкм. Отклонение размера и формы возникает из-за упругих деформаций системы, теплового расширения и постепенного износа инструмента. Остаточные напряжения формируются в результате пластической деформации и локального нагрева. Их контроль проводят методами послойного травления, рентгеновской дифрактометрии или измерения деформации образца. Неконтролируемые напряжения могут вызывать последующее коробление детали после снятия припуска.
Вибрации и их подавление
Вибрации возникают при прерывистом резании, нестабильной силе трения, большом вылете инструмента или недостаточной жёсткости заготовки. Источник возбуждения может быть связан с собственной частотой системы станок–приспособление–инструмент–деталь. Вибрации ухудшают точность размеров, оставляют на поверхности волны и ускоряют выкрашивание кромки. Для подавления уменьшают вылет резца или фрезы, повышают жёсткость крепления, изменяют скорость и подачу так, чтобы частота возбуждения не совпадала с собственной частотой системы. Применение виброгасящих оправок и балансировка фрез также снижают амплитуду колебаний.
