Металл кесуге арналған бұрышсыз кескіш құралдар

Кіріспе

Машинада өңдеуде қолданылатын айналмас кескіш құрал.

Машинада өңдеу кезінде, кескіш – металл токарлық станоктарында, форма беру станоктарында және фрезерлік станоктарда қолданылатын айналмас кескіш құрал. Мұндай кескіштерді басқа кескіш құралдардан, мысалы, ара немесе су ағынымен кесетін құралдардан ерекшелеу үшін, көбінесе "бір ұшты кескіш құрал" деп те атайды. Кесу жиегі нақты өңдеу операциясына қарай кестеленеді және қажет болған жағдайда қайта кестеленеді немесе пішіні өзгертіледі. Кескіш құрал кесу кезінде құрал ұстағышымен берік ұсталады.

Геометрия

Арқалық кесу бұрышы чиптің бағытын басқаруға көмектеседі, ол кесудің сыртқы және ішкі бөліктерінің ұзындығындағы айырмашылықтан жұмыста қисаяды. Сондай-ақ, ол жұмыстың кескіш құралға түсіретін қысымын, құралды жұмыстың ішіне тарта отырып, тежеуге көмектеседі. Бүйірлік кесу бұрышы арқалық кесу бұрышымен бірге чип ағынын басқарады, кескіштің қозғалысына жұмыстың қарсылығын ішінара тежейді және кесілетін материалға қарай оңтайландырылуы мүмкін. Мысалы, мыс үшін артқы және бүйірлік кесу бұрыштары 0 градусқа тең болса, алюминий үшін артқы кесу бұрышы 35 градус, ал бүйірлік кесу бұрышы 15 градус болады. Мұрын радиусы кесудің бетін тегіс етеді, себебі ол бұрынғы кесуді жауып, өткір құралдың тудыратын өршілдерін және ойыстарын жоя алады. Радиус ұштың беріктігін де арттырады, өйткені өткір ұш өте нәзік болады. Мұрын радиусы кесу операцияларына байланысты өзгереді, мысалы, қара жуып алу, жартылай аяқтау немесе аяқтау, сондай-ақ кесілетін компонент материалына: болат, шойын, алюминий және басқалары. Қалған бұрыштардың барлығы, құралдың кесу жиегінен басқа бөлігі жұмысты тигізбеу үшін жасалған. Алдыңғы клиренс бұрышы әдетте 8 градус, ал бүйірлік клиренс бұрышы 10-15 градус, және күтілетін азық беру жылдамдығына ішінара байланысты. Қажетті жұмысты атқаратын ең аз бұрыштар ұсынылады, себебі жиектің артындағы қолдаудың азаюы және кесу кезінде пайда болатын жылуды сіңіру қабілетінің төмендеуі салдарынан құрал әлсірейді. Құралдың үстіңгі жағындағы кесу бұрыштары кесу үшін міндетті түрде дәл болуы қажет емес, бірақ тиімді кесу үшін артқы және бүйірлік кесу үшін оңтайлы бұрыш болуы керек.

Болат

Бастапқыда барлық кескіш құралдар жоғары көміртекті құралдық болаттан жасалған, олар тиісті қатайту және қайта қатайту процестерінен өткен. Жоғары жылдамдықты болаттың (ЖЖБ) (20-ғасырдың басында), синтезделген карбидтің (1930-шы жылдары), керамикалық және алмаз кескіштердің пайда болуынан бері, бұл материалдар кесу қолданыстарының басым бөлігінде бұрынғы құралдық болаттарды біртіндеп ығыстырды. Бүгінде көптеген кескіш құралдар ЖЖБ, кобальт болат немесе карбидтен жасалады.

Карбидтер және керамика

Карбид, керамика (мысалы, кубикалық бор нитриді) және алмаз, HSS-тен жоғары қаттылыққа ие, көбінесе HSS-ке қарағанда материалды жылдамдатылған түрде жоюға мүмкіндік береді. Бұл материалдар болаттан қымбат әрі нашаррақ болғандықтан, кескіш құралдың корпусы әдетте болаттан жасалады, ал қатты материалдан жасалған кішкентай кескіш жиегі қоса тіркеледі. Кескіш жиек әдетте бұралып немесе қысқыштармен бекітіледі (мұндай жағдайда ол енгізілген жиек деп аталады) немесе болаттан жасалған сапқа дәнекерленеді (бұл әдетте тек карбид үшін қолданылады).

Кіріспелер

Дерлік барлық жоғары өнімді кескіш құралдар индекстелетін кіргіштерді пайдаланады. Мұның бірнеше себебі бар. Біріншіден, осы материалдармен қолдау көрсетілетін өте жоғары кесу жылдамдықтары мен қоректік жылдамдықтарында кесу ұшы, оны сабына бекітетін қосымша материалды ерітуге жеткілікті температураға жете алады. Экономикалық жағдай да маңызды; кіргіштер симметриялы түрде жасалады, сондықтан бірінші кесу жиегі тоқырағанда оларды бұрып, жаңа кесу жиегін ұсынуға болады. Кейбір кіргіштерді тіпті кері бұрып қоюға болады, соның арқасында әр кіргіште 16 кесу жиегіне дейін болады. Кіргіштердің көптеген түрлері бар: кейбіреулері қара жуып алуға, ал кейбіреулері аяқтауға арналған. Тағы басқалары бұрыштарды кесу сияқты арнайы жұмыстар үшін жасалады. Өнеркәсіп кіргіштерді формасы, материалы, жабын материалы және өлшемі бойынша сипаттау үшін стандартталған номенклатураны қолданады.

Қалыптау құралдары

Қалыптау құралы – өңделетін бөлшектің пішініне ұқсас өрнекке дәл ұнтақталған құрал. Қалыптау құралын бір операция ретінде қолдануға болады, соның арқасында слайдтардан (алдыңғы, артқы және/немесе тік) және мұнарадан көптеген басқа операцияларды – мысалы, қорап тәрізді құралдарды – жоюға болады. Қалыптау құралы жұмысшешімді ілгеріте отырып, бір немесе бірнеше диаметрді бұрады. Қалыптау құралдары пайдаланбастан бұрын диаметрлер бірнеше слайд пен мұнара операциялары арқылы өңделген, демек бөлшекті жасау үшін көбірек жұмыс қажет болған. Мысалы, қалыптау құралы бірнеше диаметрді бұра алады, сонымен қатар бір операцияда бөлшекті кесіп, мұнараны жылжыту қажеттілігін жояды. Бір шпинделі машиналарда мұнараны жылжыту қажеттілігін болдырмау сағаттық өнімділікті едәуір арттыра алады. Ұзақ сериялы жұмыстарда қалыптау құралының тозуын азайту үшін материалдың көбін алып тастау үшін басқа слайд немесе мұнара станциясындағы дөңгелектеу құралын қолдану жиі кездеседі. Қалыптау құралдарының түрлі түрлері бар. Инсерттермен жабдықталған қалыптау құралдары – қысқа және орташа сериялы өндірісте (50-ден 20 000 данаға дейін) ең көп қолданылады. Дөңгелек қалыптау құралдары көбінесе ұзақ сериялы жұмыстар үшін қолданылады, себебі құралдың тозуын құрал ұстағышында айналдыру арқылы құрал ұшынан бірнеше рет жоюға болады. Сондай-ақ, жеңіл өңдеу кескіштері үшін қолданылатын шкивинг құралы да бар. Қалыптау құралдарын кобальт болаттан, карбидтен немесе жылдам кесетін болаттан жасауға болады. Карбидке ерекше күтім қажет, өйткені ол өте қатыгез және діріл пайда болғанда сынып қалуы мүмкін. Қалыптау құралдарын пайдаланудың бір кемшілігі – жұмысшешімге берілетін азыту жылдамдығы әдетте төмен болады, құралдың еніне байланысты айналымда 0,0005"-тан 0,0012"-ға дейін. Ені кең қалыптау құралдары көбірек жылу тудырады және дірілге бейім. Жылу және діріл құралдың қызмет ету мерзімін қысқартады. Сонымен қатар, өңделетін бөлшектің кіші диаметрінен 2,5 есе үлкен қалыптау құралын қолдану бөлшектің жұлып кету қаупін арттырады. Ұзын бөліктерді өңдегенде мұнарадан қосымша тіреу қолдануға болады, бұл бұру ұзындығын бөлшектің ең кіші диаметрінен 2,5 есеге дейін 5 есеге дейін арттырады, сондай-ақ дірілді азайтуға көмектеседі. Кемшіліктеріне қарамастан, қосымша операцияларды жою көбінесе қалыптау құралдарын пайдалануды ең тиімді шешім етеді.

A form tool is precision ground into a pattern that resembles the part to be formed. The form tool can be used as a single operation and therefore eliminate many other operations from the slides (front, rear and/or vertical) and the turret, such as box tools. A form tool turns one or more diameters while feeding into the work. Before the use of form tools, diameters were turned by multiple slide and turret operations, and thus took more work to make the part. For example, a form tool can turn many diameters and in addition can also cut off the part in a single operation and eliminate the need to index the turret. For single spindle machines, bypassing the need to index the turret can dramatically increase hourly part production rates. On long running jobs it is common to use a roughing tool on a different slide or turret station to remove the bulk of the material to reduce wear on the form tool. There are different types of form tools. Insert form tools are the most common for short to medium range jobs (50 to 20,000 pcs). Circular form tools are usually for longer jobs, since the tool wear can be ground off the tool tip many times as the tool is rotated in its holder. There is also a skiving tool that can be used for light finishing cuts. Form tools can be made of cobalt steel, carbide, or high speed steel. Carbide requires additional care because it is very brittle and will chip if chatter occurs. A drawback when using form tools is that the feed into the work is usually slow, 0.0005" to 0.0012" per revolution depending on the width of the tool. Wide form tools create more heat and usually are problematic for chatter. Heat and chatter reduces tool life. Also, form tools wider than 2.5 times the smaller diameter of the part being turned have a greater risk of the part breaking off. When turning longer lengths, a support from the turret can be used to increase turning length from 2.5 times to 5 times the smallest diameter of the part being turned, and this also can help reduce chatter. Despite the drawbacks, the elimination of extra operations often makes using form tools the most efficient option.

Бет ұстағыш және құрал бағанасы

Құрал бағанасы – металл өңдеу токарлық станогінің, кескішті тікелей ұстайтын немесе кескішті ұстайтын құрал ұстағышты орналастыратын бөлігі. Құрал бағаналарының (негізгі құрал бағаналары, қисайтылатын құрал бағаналары, жылдам ауыстырылатын құрал бағаналары және құрал бағаналары мұнаралары сияқты) және құрал ұстағыштардың (әртүрлі геометриясы мен мүмкіндіктері бар) көптеген әртүрлі конструкциялары бар.

Құрал қорабы

Құрал қорабы – мұнаралы токарлық станок немесе бұрандалы машинаның мұнарасына орнатылатын құрал. Ол, негізінен, құрал ұстағыш болып табылады және оның ілеспе тірегі де бірге қозғалады. Құрал білгісі (немесе бірнеше құрал білгісі) және ықшам ілеспе тірек (әдетте V пішіндес немесе екі роликпен) жұмыс дайындамасын қоршап тұратын корпуста (оның айналасында "қорап" құрайтын) бір-біріне қарама-қарсы орналасады. Құрал білгісі жұмыс дайындамасына бүйірлік күш түсіргенде, ілеспе тірек оған қарсы тұрады, бұл беріктікті қамтамасыз етеді. Қондырғының тағы бір, кең таралған түрі ілеспе тірек емес, екі роликті пайдаланады. Бір ролик "өлшеу ролігі", ал екінші ролик "тегістеу ролігі" деп аталады. Роликтер айналатын дайындамамен бірге айналып, айналым бетіндегі іздерді азайтады. Қарсы құрал білгілері (ілеспе тірек орнына) бір-бірінің бүйірлік күштерін теңестіру үшін қолданылуы мүмкін ("тепе-тең токарлық құрал" деп аталады), мұндай жағдайда құрал қорабы пішіні, функциясы және қуыс фрезамен ұқсас бола бастайды.

Клапперлік қорап

Қалыптау, ойық жасау және жолақтау станоктарында көбінесе аспап ұстағыш ретінде "қос қанатты қорап" қолданылады, ол соққының бос жүрісі кезінде еркін қозғалады. Келесі кесу кезінде ол кесу позициясына "шапқылап" оралады. Оның қозғалысы көбелек түріндегі кері клапанның жұмысына ұқсас.

Ұшқышты кескіштер

Фрезерлік кескіштердің бір немесе екі кескіш ұшы орнатылған түрі – fly cutters. Ұштары шпиндельдің айналымымен бірге айналып, беттік кесулер жасайды. Fly cutters – бұл кескіш ұштардың ротациялық механизмнің бөлігі ретінде қолданылуы (көптеген басқа кескіш ұштар сызықтық түрде қолданылады).

Тарих

Құрал-саймандар ғасырлар бойы қолданылып келеді, бірақ олардың технологиялық дамуы бүгінге дейін жалғасуда. 1900 жылға дейін дерлік барлық құрал-саймандарды өздері жасаған, және көптеген машина жасау шеберханаларында ұстаханалар болған. Шын мәнінде, жақсы машина жасаушылардан ұсталық білімі күтілген, ал болатты жылумен өңдеудің химиясы мен физикасы қазіргі ғылымдармен салыстырғанда жақсы түсінілмегенімен, жылумен өңдеудің практикалық өнері өте дамыған және көптеген білікті металлургтерге жақсы таныс болған. Құралдар көміртекті құралдық болаттан жасалған, олардың құрамында жеткілікті мөлшерде көміртегі болғандықтан жақсы қатайтылған. Әрбір құрал балғамен соғылып, суға салынған, содан кейін астас таспен кестеленген. Жылумен өңдеудің және ұштың геометриясының нақты ерекшеліктері жеке тәжірибе мен қалауға байланысты болған. 1890-1910 жылдар аралығында Фредерик Уинслоу Тейлор құралдарды және олардың кесу өнімділігін (оның ішінде геометриясы, металлургиясы және жылумен өңдеуі, сондай-ақ жылдамдықтары мен қоректері, кесу тереңдігі, металл алу жылдамдығы және құралдың қызмет ету мерзімі) зерттеуге ғылыми әдістерді қолданғанда маңызды технологиялық жетістік болды. Ол Маунсел Уайт және басқа да көмекшілермен бірге жылдам болаттарды (олардың қасиеттері олардың қорытпа элементтерінің қоспаларынан және жылумен өңдеу әдістерінен туындайды) әзірледі. Оның кесу тәжірибелері тонналармен жұмыс дайындамасын өңдеп, мыңдаған құралдарды тоздырып, таудай кескіштер шығарды. Олар негізінен Уильям Селлерс (Midvale Steel және Cramp's Shipyard директоры) және кейіннен Bethlehem Steel компаниясымен қаржыландырылды. Тейлор бір нүктелі кескіштерді жасау үшін жаңа материалдарды ғана емес, сонымен қатар оңтайлы геометрияны (кесу бұрыштары, бос кеңістік бұрыштары, ұштың радиустары және т.б.) анықтады. Ол құралдың қызмет ету мерзімін болжау үшін Тейлор теңдеуін жасады. Тейлордан кейін жеке шеберлердің қара өнері металл өңдеу технологиясының ең жоғары деңгейін білдіретіні енді ескерілмеді. Бұл 19 және 20 ғасырлардағы кең таралған үрдістің бір бөлігі болды, онда ғылым күнделікті өмірдің материалдық мәдениетінде өнермен үйлестірілді (қолданбалы ғылым). Жылдам болаттармен қатар Stellite де бір нүктелі кескіштер үшін материал ретінде пайда болды. Алмаздық кесу ұзақ уақыттан бері қолданылып келсе де, осы жаңа, қымбат металдар пайда болғанға дейін кесулік инсерттерді қолдану кеңінен таралмады. Бұрын көптеген бір нүктелі кескіштер толығымен құралдық болаттан жасалған (содан кейін ұшы кестеленген). Енді бөлек ұшты (бір материалдан) ұстағышқа (басқа материалдан) бекіту көбірек таралды. 1920 жылдары коммерциялық қолжетімді карбидтің және Екінші дүниежүзілік соғыстан кейін керамикалық инсерттердің дамуымен бұл үрдіс үдеді, өйткені карбид пен керамика одан да қымбат және тіреу ретінде пайдалануға жарамсыз. Алайда, технологиялық даму бірден ескі әдістерді ығыстырған жоқ. 1900-1950 жылдар аралығында машина жасаушы үшін көміртекті құралдық болаттан құрал жасау әлі де сирек емес еді. Бүгінде жаппай өндірісте қолданылатын бір нүктелі кескіштердің (мысалы, автомобиль бөлшектерін жасауда) карбидтік және керамикалық құралдар HSS немесе кобальт болаттан жасалған құралдардан әлдеқайда көп. Басқа өңдеу контекстерінде (мысалы, шеберханаларда, құралдық бөлмелерде және хоббимен айналысуда) соңғылары әлі де кең таралған. Әрбір инсерт геометриясының түрін атау үшін салалық стандарттық белгілеулердің толық жүйесі әзірленді. Карбид пен керамиканың қоспаларының саны артып келеді, ал алмаз бұрынғыдан да көп қолданылады. Кесу интерфейсіндегі жылдамдықтар, қоректендіру, кесу тереңдігі және температуралар өсуді жалғастыруда (соңғысы сұйық, ауа немесе аэрозоль арқылы қарқынды салқындатумен тепе-теңделеді), ал цикл уақыты қысқаруда. Өнімнің бірлік құнын төмендету үшін өнім өндірушілердің арасындағы бәсекелестік құрал өндірушілердің технологиялық дамуын үнемі жетелейді, егер ҒЗТК және құралдарды сатып алудың амортизациялық шығындары өнімділікті арттыру арқылы (мысалы, еңбекақыны азайту) үнемделген қаражаттан төмен болса.

Tool bits have been used for centuries, yet their further technological development continues even today. Before about 1900, almost all tool bits were made by their users, and many machine shops had forges. In fact, good machinists were expected to have blacksmithing knowledge, and although the chemistry and physics of the heat treatment of steel were not well understood (as compared with today's sciences), the practical art of heat treatment was quite advanced, and something that most skilled metalworkers were comfortably acquainted with. Tool bits were made of carbon tool steels, which have high enough carbon content to take hardening well. Each bit was forged with a hammer, quenched, and then ground with a grindstone. The exact details of the heat treatment and tip geometry were a matter of individual experience and preference. A substantial technological advance occurred in the 1890–1910 period, when Frederick Winslow Taylor applied scientific methods to the study of tool bits and their cutting performance (including their geometry, metallurgy, and heat treatment, and the resulting speeds and feeds, depths of cut, metal removal rates, and tool life). Along with Maunsel White and various assistants, he developed high speed steels (whose properties come from both their alloying element mixtures and their heat treatment methods). His cutting experiments chewed through tons of workpiece material, consumed thousands of tool bits, and generated mountains of chips. They were sponsored in large part by William Sellers (a principal of Midvale Steel and Cramp's shipyard) and later by Bethlehem Steel. Not only did Taylor develop new materials to make single point cutters from, but he also determined optimum geometry (rake angles, clearance angles, nose radiuses, etc.). He developed Taylor's Equation for Tool Life Expectancy. After Taylor, it was no longer taken for granted that the black art of individual craftsmen represented the highest level of metalworking technology. This was part of a larger trend during the 19th and 20th centuries by which science was mixed with art in the material culture of everyday life (applied science). Stellite soon joined high speed steels as a material for single point cutters. Although diamond turning had been around for a long time, it was not until these new, expensive metals came about that the idea of cutting inserts became commonly applied in machining. Before this, most single point cutters were forged entirely of tool steel (then ground at the tip). Now it became more common to attach a separate tip (of one material) to a holder (of another). With the development of commercially available cemented carbide (1920s) and ceramic inserts (post WWII), this trend accelerated, because carbide and ceramic are even more expensive and even less suited to serving as a shank. The technological development, however, did not immediately displace the older ways. Between 1900 and 1950, it was still not uncommon for a machinist to forge a tool from carbon tool steel. Today, among the single point cutters used in mass production (such as of automotive parts), insert tools using carbide and ceramic far outnumber HSS or cobalt steel tools. In other machining contexts (e. g., job shops, toolrooms, and hobbyist practice), the latter are still well represented. An entire system of industry standard notation has been developed to name each insert geometry type. The number of carbide and ceramic formulations continues to expand, and diamond is used more than ever before. Speeds, feeds, depths of cut, and temperatures at the cutting interface continue to rise (the latter counterbalanced by copious cooling via liquid, air, or aerosols), and cycle times continue to shrink. Competition among product manufacturers to lower the unit costs of production continually drives technological development by the tool manufacturers, as long as the costs of R&D and tooling purchase amortization are lower than the amount of money saved by productivity increases (e. g., wage expense reduction).