Режущий инструмент с одной точкой: геометрия и материалы.

Введение

Неротационный режущий инструмент, используемый в механической обработке.

В механической обработке режущий инструмент (или просто инструмент) — это неротационный режущий инструмент, применяемый на металлорежущих токарных станках, формовочных станках и планёрах. Такие инструменты часто называют однорежущими, в отличие от других режущих инструментов, таких как пилы или абразивно-струйные резаки. Режущая кромка шлифуется в соответствии с конкретной операцией обработки и может быть повторно заточена или изменена по мере необходимости. Заточенный режущий инструмент надежно закрепляется в державке во время резания.

Геометрия

Задний угол наклона предназначен для управления направлением стружки, которая естественным образом изгибается вглубь обрабатываемой детали из-за разницы в длине внешней и внутренней частей реза. Он также помогает компенсировать давление детали на инструмент, втягивая инструмент в работу. Боковой угол наклона, вместе с задним углом наклона, контролирует отвод стружки и частично компенсирует сопротивление детали движению режущей кромки, и может быть оптимизирован для конкретного обрабатываемого материала. Например, для латуни требуется задний и боковой угол наклона 0 градусов, в то время как для алюминия используются задний угол наклона 35 градусов и боковой угол наклона 15 градусов. Радиус вершины режущей кромки обеспечивает более гладкую поверхность реза, поскольку он может перекрывать предыдущий проход и устранять неровности, образующиеся при использовании заостренного инструмента. Радиус также укрепляет режущую кромку, так как острый конец довольно хрупок. Радиус вершины режущей кромки варьируется в зависимости от операций обработки, таких как черновая, получистовая или чистовая обработка, а также от материала детали: стали, чугуна, алюминия и других. Все остальные углы служат для обеспечения зазора, чтобы никакая часть инструмента, кроме режущей кромки, не касалась детали. Передний угол зазора обычно составляет 8 градусов, а боковой угол зазора – 10-15 градусов и частично зависит от ожидаемой скорости подачи. Желательно использовать минимальные углы, обеспечивающие необходимую работу, поскольку инструмент становится слабее по мере увеличения остроты режущей кромки из-за уменьшения поддержки за ней и снижения способности поглощать тепло, выделяющееся при резке. Углы наклона на верхней поверхности инструмента не обязательно должны быть точными для резания, но для эффективного резания существует оптимальный угол для заднего и бокового наклона.

Сталь

Первоначально все резцы изготавливались из высокоуглеродистых инструментальных сталей с соответствующей закалкой и отпуском. С момента появления быстрорежущей стали (HSS) (начало XX века), твердого сплава (1930-е годы), керамических и алмазных режущих инструментов, эти материалы постепенно заменили более ранние виды инструментальной стали практически во всех режущих операциях. Большинство резцов сегодня изготавливаются из HSS, кобальтовой стали или твердого сплава.

Карбиды и керамика

Карбид, керамика (например, кубический нитрид бора) и алмаз, обладающие большей твердостью, чем HSS, в большинстве случаев обеспечивают более быстрое удаление материала по сравнению с HSS. Поскольку эти материалы дороже и более хрупкие, чем сталь, обычно корпус режущего инструмента изготавливается из стали, а небольшая режущая кромка изготавливается из более твердого материала и крепится к корпусу. Режущая кромка обычно привинчивается или зажимается (в этом случае она называется вставкой), либо припаивается к стальному хвостовику (это обычно делается только для карбида).

Вставки

Почти все высокопроизводительные режущие инструменты используют сменные твердосплавные пластины. Этому есть несколько причин. Прежде всего, при очень высоких скоростях резания и подачах, обеспечиваемых этими материалами, режущая кромка может достигать температур, достаточных для плавления паяльного материала, которым она крепится к хвостовику. Важную роль играет и экономичность: пластины изготавливаются симметричными, поэтому, когда первая режущая кромка затупится, их можно поворачивать, представляя новую режущую кромку. Некоторые пластины даже можно перевернуть, что обеспечивает до 16 режущих кромок на одной пластине. Существует множество типов пластин: одни предназначены для черновой обработки, другие – для чистовой. Третьи – для специализированных операций, таких как нарезание резьбы или фрезерование канавок. В отрасли используется стандартизированная номенклатура для описания пластин по форме, материалу, материалу покрытия и размеру.

Формовочные инструменты

Формовочный инструмент – это прецизионно отшлифованный шаблон, повторяющий форму изготавливаемой детали. Формовочный инструмент может использоваться в одной операции, что позволяет исключить множество других операций с салазок (передней, задней и/или вертикальной) и револьверной головки, таких как упорные плашки. Формовочный инструмент обрабатывает один или несколько диаметров при подаче в деталь. До появления формовочных инструментов диаметры обрабатывались множеством операций на салазках и револьверной головке, что усложняло процесс изготовления детали. Например, формовочный инструмент может обрабатывать несколько диаметров и одновременно обрезать деталь в одной операции, устраняя необходимость в индексировании револьверной головки. Для одношпиндельных станков исключение необходимости индексирования револьверной головки может значительно повысить часовую производительность. При длительных серийных работах обычно используют черновой инструмент на другой салазке или позиции револьверной головки для удаления большей части материала и снижения износа формовочного инструмента. Существуют различные типы формовочных инструментов. Вставные формовочные инструменты наиболее распространены для коротких и средних серий (от 50 до 20 000 деталей). Круглые формовочные инструменты обычно используются для более длительных серий, поскольку износ инструмента можно устранять шлифовкой кончика инструмента при его вращении в державке. Также существует инструмент для строгания, который можно использовать для легкой чистовой обработки. Формовочные инструменты могут быть изготовлены из кобальтовой стали, твердого сплава или быстрорежущей стали. Твердый сплав требует особого внимания, так как он очень хрупкий и может сколоться при вибрации. Недостатком использования формовочных инструментов является обычно медленная подача в деталь – от 0,0005" до 0,0012" на оборот, в зависимости от ширины инструмента. Широкие формовочные инструменты создают больше тепла и часто вызывают вибрацию. Тепло и вибрация снижают срок службы инструмента. Кроме того, при использовании формовочных инструментов, ширина которых превышает в 2,5 раза наименьший диаметр обрабатываемой детали, возрастает риск отрыва детали. При обработке деталей большой длины можно использовать поддержку от револьверной головки для увеличения длины обработки с 2,5 до 5 раз наименьшего диаметра детали, что также может помочь снизить вибрацию. Несмотря на недостатки, исключение дополнительных операций часто делает использование формовочных инструментов наиболее эффективным решением.

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.

Поддерживающий биты и столб инструмента

Суппорт – это часть металлорежущего токарного станка, который либо непосредственно удерживает режущий инструмент, либо удерживает держатель инструмента, в котором находится режущий инструмент. Существует большое разнообразие конструкций суппортов (включая простые суппорты, качающиеся суппорты, быстросменные суппорты и суппортные башни) и держателей инструментов (с различной геометрией и характеристиками).

Коробка инструмента

Коробчатый инструмент устанавливается на револьверной головке токарного станка или многорезцового автомата. По сути, это суппорт, который перемещает вместе с собой упор качения. Режущий инструмент (или несколько инструментов) и компактный упор качения (обычно V-образный или с двумя роликами) устанавливаются напротив друг друга в корпусе, который окружает заготовку (образуя "коробку" вокруг нее). Когда режущий инструмент оказывает боковое отклоняющее усилие на заготовку, упор качения противодействует ему, обеспечивая жесткость. Другой распространенный тип коробчатого инструмента использует два ролика вместо упора качения. Один ролик называется "выравнивающим роликом", а другой – "прикатывающим роликом". Ролики вращаются вместе с заготовкой, чтобы уменьшить образование заусенцев на обработанной поверхности. Вместо упора качения могут использоваться встречные режущие инструменты для компенсации отклоняющих сил друг друга (такой инструмент называется "сбалансированным токарным инструментом"), в этом случае коробчатый инструмент начинает перекрываться по форме, функции и назначению с полым фрезером.

Клаперная коробка

Для обработки на фасонных, прорезных и строгальных станках часто используется тип инструментального зажима, называемый "хлопушка", который свободно поворачивается на обратном ходе суппорта или станины. При следующем режущем ходе он "хлопает" обратно в рабочее положение. Его движение аналогично движению обратного клапана бабочкового типа.

Мухорезки

Мухорезки — это тип фрезерного резца, в котором устанавливаются один или два режущих элемента. Эти элементы вращаются вместе со шпинделем, снимая слой материала при чистовом фрезеровании. Мухорезки представляют собой применение режущих элементов в составе вращающегося инструмента (в отличие от большинства других применений, где режущие элементы используются для прямолинейной обработки).

История

Инструментальные резцы использовались на протяжении веков, но их дальнейшее технологическое развитие продолжается и по сей день. До 1900 года почти все резцы изготавливались самими пользователями, и во многих мастерских были кузницы. Фактически, от хороших механиков ожидалось знание кузнечного дела, и хотя химия и физика термической обработки стали были недостаточно изучены (по сравнению с современными науками), практическое искусство термической обработки было достаточно развито, и большинство квалифицированных металлургов хорошо с ним знакомы. Резцы делались из углеродистых инструментальных сталей, содержащих достаточное количество углерода для успешной закалки. Каждый резец ковался молотом, закалялся и затем затачивался на точильном камне. Конкретные детали термической обработки и геометрии режущей кромки определялись индивидуальным опытом и предпочтениями. Значительный технологический прогресс произошел в период с 1890 по 1910 год, когда Фредерик Уинслоу Тейлор применил научные методы к изучению инструментальных резцов и их режущей способности (включая их геометрию, металлургию, термическую обработку, а также полученные скорости резания, подачу, глубину резания, скорость съема металла и срок службы инструмента). Вместе с Маунселом Уайтом и различными помощниками он разработал быстрорежущие стали (свойства которых обусловлены как составом легирующих элементов, так и методами термической обработки). Его эксперименты по резке перерабатывали тонны заготовок, потребовали тысячи резцов и образовали горы стружки. Эти работы финансировались в основном Уильямом Селлерсом (владельцем Midvale Steel и верфи Cramp) и позднее компанией Bethlehem Steel. Тейлор разработал не только новые материалы для изготовления одноточечных резцов, но и определил оптимальную геометрию (углы наклона передней и задней поверхностей, радиусы вершины и т.д.). Он разработал уравнение Тейлора для определения ресурса инструмента. После Тейлора больше не считалось само собой разумеющимся, что секреты мастерства отдельных ремесленников представляют собой наивысший уровень металлообрабатывающих технологий. Это было частью более широкой тенденции в XIX и XX веках, когда наука сочеталась с искусством в материальной культуре повседневной жизни (прикладная наука). Вскоре к быстрорежущим сталям в качестве материала для одноточечных резцов присоединился стеллит. Хотя алмазная обработка существовала уже давно, идея использования сменных режущих пластин стала широко применяться в машиностроении только с появлением этих новых, дорогих металлов. До этого большинство одноточечных резцов полностью ковались из инструментальной стали (а затем затачивались на кончике). Теперь стало более распространенным прикреплять отдельную режущую вставку (из одного материала) к держателю (из другого). С развитием коммерчески доступных твердых сплавов (в 1920-х годах) и керамических вставок (после Второй мировой войны) эта тенденция ускорилась, поскольку твердый сплав и керамика еще дороже и еще менее пригодны для использования в качестве хвостовика. Однако технологическое развитие не сразу вытеснило старые методы. В период с 1900 по 1950 год было еще не редкостью, когда механик выковывал инструмент из углеродистой инструментальной стали. Сегодня, среди одноточечных резцов, используемых в массовом производстве (например, деталей для автомобилей), количество резцов со сменными вставками из твердого сплава и керамики значительно превышает количество инструментов из быстрорежущей или кобальтовой стали. В других областях машиностроения (например, в мелкосерийном производстве, инструментальных цехах и в любительском деле) последние все еще широко представлены. Разработана целая система отраслевых стандартов для обозначения каждого типа геометрии вставки. Количество составов твердых сплавов и керамики продолжает расширяться, а алмаз используется как никогда раньше. Скорости резания, подача, глубина резания и температуры в зоне резания продолжают расти (последнее компенсируется обильным охлаждением жидкостью, воздухом или аэрозолями), а время цикла продолжает сокращаться. Конкуренция между производителями продукции за снижение себестоимости производства постоянно стимулирует технологическое развитие производителей инструментов, пока затраты на НИОКР и амортизацию стоимости инструмента ниже суммы денег, сэкономленных за счет повышения производительности (например, за счет сокращения расходов на оплату труда).

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).