Расчет режимов резания при фрезерованииСоставители: Л.Г. Баграмов, А.М. Колокатов - МГАУ, 2000. - ХХ с. В части I методических указаний даны общие теоретические сведения о фрезеровании, изложена последовательность операций по расчёту режима резания при торцовом фрезеровании на основе справочных данных. Методические указания могут быть использованы при выполнении домашнего задания, в курсовом и дипломном проектировании студентами факультетов ТС в АПК, ПРИМА и Инженерно-педагогического, а также при проведении практических и научно-исследовательских работ. Рис.9, табл.ХХ, список библ. - ХХ наименований. Рецензент: Бочаров Н.И. (МГАУ) Обработка производится многолезвийным инструментом - фрезой. При фрезеровании главное движение резания D r - вращение инструмента, движение подачи D S - перемещение заготовки (Рис. 1.), на карусельно - фрезерных и барабанно-фрезерных станках движение подачи может осуществляться вращением заготовки вокруг оси вращающегося барабана или стола, в отдельных случаях движение подачи может осуществляться перемещением инструмента (копировальное фрезерование). Фрезерованием обрабатываются горизонтальные, вертикальные, наклонные плоскости, фасонные поверхности, уступы и пазы различного профиля. Особенностью процесса резания при фрезеровании является то, что зубья фрезы не находятся в контакте с обрабатываемой поверхностью всё время. Каждое лезвие фрезы последовательно вступает в процесс резания, изменяя толщину срезаемого слоя от наибольшей к наименьшей, или наоборот. Одновременно в процессе резания могут находиться несколько режущих кромок. Это вызывает ударные нагрузки, неравномерность протекания процесса, вибрации и повышенный износ инструмента, повышенные нагрузки на станок. При обработке цилиндрическими фрезами (режущие кромки расположены на цилиндрической поверхности) рассматривается два способа обработки (Рис. 2.) в зависимости от направления движения подачи заготовки: - встречное фрезерование, когда направление движения режущей кромки фрезы, находящейся в процессе резания, противоположно направлению движения подачи; - попутное фрезерование, когда направление движения режущей кромки фрезы, находящейся в процессе резания, совпадает с направлением движения подачи. При встречном фрезеровании нагрузка на зуб возрастает от нуля до максимума, силы, действующие на заготовку, стремятся оторвать её от стола, а стол поднять. Это увеличивает зазоры в системе СПИД (станок - приспособление - инструмент - деталь), вызывает вибрации, ухудшает качество обработанной поверхности. Этот способ хорошо применим для обработки заготовок с коркой, производя резание из-под корки, отрывая её, тем самым значительно облегчая резание. Недостатком такого способа является большое скольжение лезвия по предварительно обработанной и наклёпанной поверхности. При наличии некоторого округления режущей кромки она не сразу вступает в процесс резания, а поначалу проскальзывает, вызывая большое трение и износ инструмента по задней поверхности. Чем меньше толщина срезаемого слоя, тем больше относительная величина проскальзывания, тем большая часть мощности резания расходуется на вредное трение. При попутном фрезеровании этого недостатка нет, но зуб начинает работу с наибольшей толщины срезаемого слоя, что вызывает большие ударные нагрузки, однако исключает начальное проскальзывание зуба, уменьшает износ фрезы и шероховатость поверхности. Силы, действующие на заготовку, прижимают её к столу, а стол - к направляющим станины, что уменьшает вибрации и повышает точность обработки. 1.2. Конструкция фрез. Инструментом при фрезеровании являются фрезы (от французского la frais - клубника), представляющие собой многолезвийный инструмент, лезвия которого расположены последовательно в направлении главного движения резания, предназначенные для обработки с вращательным главным движением резания без изменения радиуса траектории этого движения и хотя бы с одним движением подачи, направление которого не совпадает с осью вращения. Фрезы бывают: по форме - дисковые, цилиндрические, конические; по конструкции - цельные, составные, сборные и насадные, хвостовые; по применяемому материалу режущей кромки - быстрорежущие и твердосплавные; по расположению лезвий - периферийные, торцовые и периферийно-торцовые; по направлению вращения - праворежущие и леворежущие; по форме режущей кромки - профильные (фасонные и обкаточные), прямозубые, косозубые, с винтовым зубом; по форме задней поверхности зуба - затылованные и незатылованные, по назначению - концевые, угловые, прорезные, шпоночные, фасонные, резьбовые, модульные и др. Рассмотрим элементы и геометрию фрезы на примере цилиндрической фрезы с винтовыми зубьями (Рис. 3.). У фрезы различают переднюю поверхность лезвия А , главную режущую кромку К, вспомогательную режущую кромку К', главную заднюю поверхность лезвия А , вспомогательную заднюю поверхность лезвия А' , вершину лезвия, корпус фрезы, зуб фрезы, спинку зуба, фаску. В координатных плоскостях статической системы координат (Рис. 4.) рассматриваются геометрические параметры фрезы, среди которых , - передний и задний углы в главной секущей плоскости, Н - передний угол в нормальной секущей плоскости, - угол наклона зуба. Передний угол облегчает образование и сход стружки, главный задний угол способствует уменьшению трения задней поверхности по обработанной поверхности заготовки. У незатылованных зубьев передний угол выполняется в пределах = 10 о ...30 о , задний угол = 10 о ...15 о в зависимости от обрабатываемого материала. У затылованного зуба задняя поверхность выполняется по спирали Архимеда, что обеспечивает ему постоянство профиля сечения при всех переточках инструмента. Затылованный зуб перетачивается только по передней поверхности и выполняется, ввиду сложности, только у профильного инструмента (фасонного и обкаточного), т.е. форма режущей кромки которого определена формой обработанной поверхности. Передний угол затылованных зубьев выполняется, как правило, равным нулю, задний угол имеет значения = 8 о ...12 о . Угол наклона зубьев обеспечивает более плавное вхождение лезвия в процесс резания по сравнению с прямыми зубьями и придаёт определённое направление сходу стружки. Зуб торцовой фрезы имеет режущее лезвие более сложной формы. Режущая кромка состоит (Рис. 5.) из главной, переходной и вспомогательной, имеющие главный угол в плане , угол в плане переходной режущей кромки п и вспомогательный угол в плане 1 . Геометрические параметры фрезы рассматриваются в статической системе координат. Углы в плане это углы в основной плоскости Р vc. Главный угол в плане - это угол между рабочей плоскостью Р Sc и плоскостью резания Р nc Величина главного угла в плане определяется исходя из условий резания как у токарного резца, при =0 режущая кромка становится только торцовой, а при =90 она становится периферийной. Вспомогательный угол в плане 1 - это угол между рабочей плоскостью Р Sc и вспомогательной плоскостью резания Р' nc, он составляет 5 о ...10 о , а угол в плане переходной режущей кромки - половину от главного угла в плане. Переходное режущее лезвие повышает прочность зуба. Износ фрез определяется, так же как и при точении, величиной износа по задней поверхности. Для быстрорежущей фрезы допустимая ширина изношенной ленточки по задней поверхности составляет при черновой обработке сталей 0,4...0,6 мм, чугунов - 0,5...0,8 мм, при получистовой обработке сталей 0,15...0,25 мм, чугунов - 0,2...0,3 мм. Для твёрдосплавной фрезы допустимый износ по задней поверхности составляет 0,5...0,8 мм. Стойкость цилиндрической быстрорежущей фрезы составляет Т = 30...320 мин, в зависимости от условий обработки, в некоторых случаях достигает 600 мин, стойкость твёрдосплавной фрезы Т= 90...500 мин. Различают три вида фрезерования - периферийное, торцовое и периферийно - торцовое. К основным плоскостям и поверхностям, обрабатываемым на консольных фрезерных станках (Рис. 6.), относятся: горизонтальные плоскости; вертикальные плоскости; наклонные плоскости и скосы; комбинированные поверхности; уступы и прямоугольные пазы; фасонные и угловые пазы; пазы типа 'ласточкин хвост'; закрытые и открытые шпоночные пазы; пазы под сегментные шпонки; фасонные поверхности; цилиндрические зубчатые колёса методом копирования. Горизонтальные плоскости обрабатываются цилиндрическими (Рис. 6. а) на горизонтально-фрезерных станках и торцовыми (Рис. 6. б) на вертикально-фрезерных станках фрезами. Поскольку у торцовой фрезы одновременно участвует в резании большее количество зубьев, обработка ими более предпочтительна. Цилиндрическими фрезами обрабатываются, как правило, плоскости шириной до 120 мм. Вертикальные плоскости обрабатывают торцовыми фрезами на горизонтальных станках и концевыми - на вертикальных (Рис. 6. в, г). Наклонные плоскости обрабатывают торцовыми и концевыми фрезами на вертикальных станках с поворотом оси шпинделя (Рис. 6. д, е), и на горизонтальных станка угловыми фрезами (Рис. 6. ж). Комбинированные поверхности обрабатывают набором фрез на горизонтальных станках (Рис. 6. з). Уступы и прямоугольные пазы обрабатывают дисковыми (на горизонтальных) и концевыми (на вертикальных) фрезами (Рис. 6. и, к), при этом концевые фрезы допускают большие скорости резания, так как одновременно участвует в работе большее количество зубьев. При обработке пазов дисковые фрезы предпочтительнее. Фасонные и угловые пазы обрабатываются на горизонтальных станках фасонными, однои двухугловыми фрезами (рис. 6. л, м). Паз типа 'ласточкин хвост' и Т-образные пазы обрабатываются на вертикально-фрезерных станках, как правило, за два прохода, сначала концевой фрезой (или на горизонтально-фрезерном станке дисковой фрезой) обрабатывается прямоугольный паз по ширине верхней части. После этого окончательно паз обрабатывается концевой одноугловой и специальной Т-образной (Рис. 6. н, о) фрезой. Закрытые шпоночные пазы обрабатываются концевыми фрезами, а открытые - шпоночными на вертикальных станках (Рис. 6. п, р). Пазы для сегментных шпонок обрабатываются на горизонтально-фрезерных станках дисковыми фрезами (Рис. 6. с). Фасонные поверхности незамкнутого контура с криволинейной образующей и прямолинейной направляющей обрабатываются на горизонтальных и вертикальных станках фасонными фрезами (Рис. 6. т). Торцовое фрезерование - наиболее распространенный и производительный способ обработки плоских поверхностей деталей в условиях серийного и массового производства. 2. ТОРЦОВОЕ ФРЕЗЕРОВАНИЕ. 2.1. Основные типы и геометрия торцовых фрез. В большинстве случаев для обработки плоскостей открытых и углублённых применяются торцовые фрезы имеющие периферийные лезвия (Рис. 7.), т.е. работающие по принципу периферийно - торцовых. Конструкции торцовых фрез стандартизованы, основные типы которых приведены в табл.1 /ГОСТ ____-__, ____-__, ____-__, ____-__, ____-__, ____-__ /. При обработке плоскостей этими фрезами, основную работу по удалению припуска выполняют режущие кромки, расположенные на конической и цилиндрической поверхности. Режущие кромки, расположенные на торце, производят как бы зачистку поверхности, поэтому шероховатость обработанной поверхности получается меньше, чем при фрезеровании цилиндрическими фрезами. На Рис. 7. приведены геометрические параметры торцовой фрезы /ГОСТ 25762-83/. Зуб торцовой фрезы имеет две режущие кромки: главную и вспомогательную. В основной плоскости P v рассматриваются углы в плане: главный угол в плане j , вспомогательный угол в плане j 1 и угол вершины . Главный угол в плане j - это угол между плоскостью резания P n и рабочей плоскостью P S . С уменьшением главного угла в плане при постоянной подаче на зуб и постоянной глубине резания толщина среза уменьшается, а ширина увеличивается, вследствие чего стойкость фрезы повышается. Однако работа фрезы с малым углом в плане ( j 20 0 ) вызывает возрастание радиальной и осевой составляющих сил резания, что при недостаточно жесткой системе СПИД приводит к вибрациям обрабатываемой заготовки и станка. Поэтому для торцовых твердосплавных фрез при жесткой системе и при глубине резания t = 3...4 мм принимают угол j = 10...30 0 . При нормальной жесткости системы - j = 45...60 0 ; обычно принимают j = 60 0 . Вспомогательный угол в плане j 1 у торцовых фрез принимают равным 2...10 0 . Чем меньше этот угол, тем меньше шероховатость обработанной поверхности. В главной секущей плоскости P рассматриваются передний угол g и главный задний угол a . Передний угол g - это угол между основной плоскостью P v и передней поверхностью А , главный задний угол a - это угол между плоскостью резания Р n и главной задней поверхностью А . Передний угол g для торцовых твердосплавных фрез g = (+10 0 )...(-20 0 ). Главный задний угол a для торцовых твердосплавных фрез a = 10...25 0 . В плоскости резания рассматривается угол наклона главной режущей кромки l . Это угол между режущей кромкой и основной плоскостью P v . Он оказывает влияние на прочность зуба и стойкость фрезы. У торцовых твердосплавных фрез угол l рекомендуется выполнять в пределах от +5 0 до +15 0 при обработке стали и от -5 0 до +15 0 при обработке чугуна. Угол наклона винтовых зубьев w обеспечивает более равномерное фрезерование и уменьшает мгновенную ширину среза при врезании. Этот угол выбирается в пределах 10...30 0 . 2.2. Выбор торцовой фрезы 2.2.1 . Выбор конструкции фрезы. При выборе конструкции (типа) фрезы предпочтительным является применение сборных конструкций фрез с неперетачиваемыми пластинами из твердого сплава. Механическое крепление пластин дает возможность поворота их с целью обновления режущей кромки и позволяет использовать фрезы без переточки. После полного износа пластины она заменяется новой. Завод изготовитель снабжает каждую фрезу 8...10 комплектами запасных пластин. Весь комплект пластин можно заменить непосредственно на станке, при этом затрата времени на замену 10...12 ножей не превышает 5...6 минут. 2.2.2. Выбор материала режущей части. Фрезы для работы при невысоких скоростях резания и малых подачах изготовляют из быстрорежущих и легированных сталей Р18, ХГ, ХВ9, 9ХС, ХВГ, ХВ5. Фрезы для обработки жаропрочных и нержавеющих сплавов и сталей изготовляют из быстрорежущих сталей Р9К5, Р9К10, Р18Ф2, Р18К5Ф2, а при фрезеровании с ударами - из стали марки Р10К5Ф5. Марки твердых сплавов выбирают в зависимости от обрабатываемого материала и характера обработки (табл.5). для чистовой обработки применяется твёрдый сплав с меньшим содержанием кобальта и большим содержанием карбидов (ВК2, ВК3 Т15К6 и т.д.), а для черновой обработки - с большим содержанием кобальта, который придаёт определённую пластичность материалу и способствует лучшей работе при неравномерных и ударных нагрузках (ВК8, ВК10, Т5К10 и т.д.). 2.2.3. Выбор типа и диаметра фрезы. Стандартные диаметры фрез (ГОСТ 9304-69, ГОСТ 9473-80, ГОСТ 16222 - 81, ГОСТ 16223 - 81, ГОСТ 22085 - 76, ГОСТ 22086 - 76, ГОСТ 22087 - 76, ГОСТ 22088 - 76, ГОСТ 26595 - 85), приведены в таблицах 1...4, их обозначения (для праворежущих торцовых фрез) - в таблицах 2, 3 и 4. Леворежущие фрезы изготавливаются по специальному заказу потребителя. Типы торцовых фрез выбирают по условиям обработки из таблицы 1. Размеры фрезы определяются размерами обрабатываемой поверхности и толщиной срезаемого слоя. Диаметр фрезы, для сокращения основного технологического времени и расхода инструментального материала, выбирают с учётом жесткости технологической системы, схемы резания, формы и размеров обрабатываемой заготовки. При торцовом фрезеровании для достижения режимов резания, обеспечивающих наибольшую производительность, диаметр фрезы D должен быть больше ширины фрезерования B: D = (1,25...1,5) • В 2.2.4. Выбор геометрических параметров Рекомендуемые значения геометрических параметров режущей части торцовых фрез с пластинами из твердого сплава приведены в табл.6 /4/, а из быстрорежущей стали Р18 - в табл. 7 /ГОСТ ____-__, ____-__, ____-__/. 2.3. Выбор схемы фрезерования Схемы фрезерования определяется по расположению оси торцовой фрезы заготовки относительно средней линии обрабатываемой поверхности (рис.8.). Различают симметричное и несимметричное торцовое фрезерование /5/. Симметричным называют такое фрезерование, при котором ось торцовой фрезы проходит через среднюю линию обрабатываемой поверхности (рис. 8.а). Несимметричным фрезерованием называют такое фрезерование, при котором ось торцовой фрезы смещена относительно средней линии обрабатываемой поверхности (рис. 8.б, 8.в). Симметричное торцовое фрезерование делится на полное, когда диаметр фрезы D равен ширине обрабатываемой поверхности В, и неполное, когда D больше В (рис.8.а). Несимметричное торцовое фрезерование может быть встречным или попутным. Отнесение фрезерования к этим разновидностям производят по аналогии с фрезерованием плоскости цилиндрической фрезой. При несимметричном встречном торцовом фрезеровании (рис.8.б) толщина срезаемого слоя a изменяется от некоторой небольшой величины (зависящей от величины смещения) до наибольшей a max =S z , а затем несколько уменьшается. Смещение зуба фрезы за пределы обрабатываемой поверхности со стороны зуба, начинающего резание, обычно принимается в пределах С 1 = (0,03...0,05) • D При несимметричном попутном торцовом фрезеровании (рис.8.в) зуб фрезы начинает работать с толщиной среза близкой к максимальной. Смещение зуба фрезы за пределы обрабатываемой поверхности со стороны зуба, заканчивающего резание, принимается незначительным, близким к нулю) С 2 0. При обработке чугунных заготовок во многих случаях диаметр фрезы меньше ширины обрабатываемой поверхности поскольку чугунные заготовки ввиду хрупкости чугуна, особенно при изготовлении корпусных деталей, выполняются больших габаритов. Торцовое фрезерование чугунных заготовок при B ф рекомендуется проводить при симметричном расположении фрезы. При торцовом фрезеровании стальных заготовок обязательным является их несимметричное расположение относительно фрезы, при этом: - для заготовок из конструкционных углеродистых и легированных сталей и заготовок имеющих корку (черновое фрезерование) сдвиг заготовок - в направлении врезания зуба фрезы (рис. 8.б), чем обеспечивается начало резания при малой толщине срезаемого слоя; - для заготовок из жаропрочных и коррозийно-стойких сталей и при чистовом фрезеровании сдвиг заготовки - в сторону выхода зуба фрезы из резания (рис. 8.в), чем обеспечивается выход зуба из резания с минимально возможной толщиной срезаемого слоя. Несоблюдение указанных правил приводит к значительному снижению стойкости фрезы /5/. 2.4. Назначение режима резания К элементам режима резания при фрезеровании относятся (Рис. 9.): - глубина резания; - скорость резания; - подача; - ширина фрезерования. Глубина резания t определяется как расстояние между точками обрабатываемой и обработанной поверхностей находящихся в плоскости резания и измеренное в направлении, перпендикулярном направлению движения подачи. В отдельных случаях эта величина может измеряться как разность расстояний точек обрабатываемой и обработанной поверхностей до стола станка или до какой-либо другой постоянной базы, параллельной направлению движения подачи. Глубину резания выбирают в зависимости от припуска на обработку, мощности и жесткости станка. Надо стремиться вести черновое и получистовое фрезерование за один проход, если это позволяет мощность станка. Обычно глубина резания составляет 2...6 мм. На мощных фрезерных станках при работе торцовыми фрезами глубина резания может достигать 25 мм. При припуске на обработку более 6 мм и при повышенных требованиях к величине шероховатости поверхности фрезерование ведут в два перехода: черновой и чистовой. При чистовом переходе глубину резания принимают в пределах 0,75...2 мм. Независимо от высоты микронеровностей глубина резания не может быть меньшей величины. Режущая кромка имеет некоторый радиус округления, который по мере износа инструмента увеличивается, при малой глубине резания материал поверхностного слоя подминается и подвергается пластическому деформированию. В этом случае резания не происходит. Как правило, при небольших припусках на обработку и необходимости проведения чистовой обработки (величина шероховатостей R a = 2…0,4 мкм) глубина резания берётся в пределах 1 мм. При малой глубине резания целесообразно применять фрезы с круглыми пластинами (ГОСТ 22086-76, ГОСТ 22088-76). При глубине резания, большей З...4 мм, применяют фрезы с шести-, пятии четырехгранными пластинами (табл.2). При выборе числа переходов необходимо учитывать требования по шероховатости обработанной поверхности: - черновое фрезерование - R a = 12,5...6,3 мкм (3...4 класс); - чистовое фрезерование - R a = 3,2...1,6 мкм (5...6 класс); - тонкое фрезерование - R a = 0,8...0,4 мкм (7...8 класс). Для обеспечения чистовой обработки необходимо провести черновой и чистовой переходы, количество рабочих ходов при черновой обработке определяют по величине припуска и мощности станка. Число рабочих ходов при чистовой обработке определяется требованием шероховатости поверхности. В производственных условиях при необходимости проведения черновой и чистовой обработки они разделяются на две отдельные операции. Это вызвано следующими соображениями. Черновая и чистовая обработки проводятся с применением различного материала режущей части фрезы и при разных скоростях резания что вызвало бы неоправданно большие затраты времени на переналадку станка , если эти переходы будут выполняться в одной операции. Черновая обработка приводит к большим вибрациям и неравномерным и знакопеременным нагрузкам, это, в свою очередь, приводит к быстрому износу станка и потере точности обработки. Черновая обработка приводит к образованию большого количества стружки, а также абразивной пыли, что требует специальных мер по уборке отходов. Как правило, станки для черновой обработки находятся обособленно от станков, выполняющих окончательную - чистовую и тонкую. Подача при фрезеровании - это отношение расстояния, пройденного рассматриваемой точкой заготовки в направлении движения подачи, к числу оборотов фрезы или к части оборота фрезы, соответствующей угловому шагу зубьев. Таким образом, при фрезеровании рассматривается подача на оборот S o (мм/об) - перемещение рассматриваемой точки заготовки за время, соответствующее одному обороту фрезы, и подача на зуб S z (мм/зуб) - перемещение рассматриваемой точки заготовки за время, соответствующее повороту фрезы на один угловой шаг зубьев. Помимо этого рассматривается также скорость движения подачи v s (ранее определялась как минутная подача и в старой литературе и на некоторых станках такой термин ещё применяется), измеряемая в мм/мин. Скорость движения подачи - это расстояние, пройденное рассматриваемой точкой заготовки вдоль траектории этой точки в движении подачи за минуту. Эта величина используется на станках для наладки на необходимый режим, поскольку у фрезерных станков движение подачи и главное движение резания кинематически не связаны между собой. Применение соотношения скоростей подачи и резания помогает правильно определить величины S o и S z . Используя зависимости: S o = S z z, v s = S o n где z - число зубьев фрезы, n - число оборотов фрезы (об/мин) определим v s = S o n = S z z n. Исходной величиной при черновом фрезеровании является подача на один зуб S z , так как она определяет жёсткость зуба фрезы. Подачу при черновой обработке выбирают максимально возможной. Ее величина может быть ограничена прочностью механизма подачи станка, прочностью зуба фрезы, жесткостью системы СПИД, прочностью и жесткостью оправки и по другим соображениям. При чистовом фрезеровании определяющей является подача на один оборот фрезы S o , которая влияет на величину шероховатости обработанной поверхности. Рекомендуемые подачи для различных условий резания приведены в таблицах 8, 9, 10 /5, 6/. Ширина фрезерования B (мм) - величина обрабатываемой поверхности, измеренная в направлении, параллельном оси фрезы - при периферийном фрезеровании, и перпендикулярном к направлению движения подачи - при торцовом фрезеровании. Ширина фрезерования определяется наименьшей из двух величин: ширины обрабатываемой заготовки и длины или диаметра фрезы.
Величины C v q, m, x, y, u, p приведены в табл.11. Средние значения периода стойкости торцовых фрез при диаметре фрезы следующие Таблица 2.2.4. - 1
Допускается применение такой ступени скорости, при которой увеличение фактического числа оборотов по отношению к расчетному будет не более 5%. По выбранному числу оборотов шпинделя станка уточняют фактическую скорость резания
Мощность, затрачиваемая на резание, должна быть меньше или равна мощности на шпинделе: N р N шп , где N р - эффективная мощность резания, кВт; N шп - допустимая мощность на шпинделе, определяемая по мощности привода, кВт. Приводом станка является совокупность механизмов от источника движения до рабочего органа. Приводом главного движения резания является совокупность механизмов от электродвигателя до шпинделя станка, а его мощность определится исходя из мощности электродвигателя и потерь в механизмах. Мощность на шпинделе определится по формуле N шп = N э • h , где N э - мощность электродвигателя привода главного движения резания, кВт, h - КПД механизмов привода станка, h = 0,7 ... 0,8.
Горизонтальная составляющая силы резания Р г представляет собой силу, которую необходимо приложить для обеспечения движения подачи, она должна быть меньше (или равна) наибольшей силы, допускаемой механизмом продольной подачи станка: Р г Р доп , Н. где Р доп - наибольшее усилие, допускаемое механизмом продольной подачи станка (Н), берется из паспортных данных станка (табл.20). Горизонтальная составляющая силы резания определяется из приведённых ниже соотношений и зависит от вида торцового фрезерования /5/: - при симметричном фрезеровании - Р г = (0,3...0,4) • Р z ; - при несимметричном встречном - Р г = (0,6...0,8) • Р z ; - при несимметричном попутном - Р г = (0,2...0,3) • Р z ; Если условие Р г Р доп не выдерживается, необходимо уменьшить силу резания Р z за счет уменьшения подачи на зуб S z и, соответственно, скорости движения подачи v S (минутной подачи S м ). 2.6. Расчёт времени выполнения операции и использования оборудования Штучное время Т шт - время, затрачиваемое на выполнение операции, определяется как интервал времени, равный отношению цикла технологической операции к числу одновременно изготовляемых изделий и рассчитывается как сумма составляющих Т шт = Т о + Т всп + Т обс + Т отд , (мин) где Т о - основное время, это часть штучного времени, затрачиваемая на изменение и последующее определение состояние предмета труда, т.е. время непосредственного воздействия инструмента на заготовку; Т всп - вспомогательное время, это часть штучного времени, затрачиваемая на выполнение приёмов, необходимых для обеспечения непосредственного воздействия на заготовку. Т обс - время обслуживания рабочего места, это часть штучного времени, затрачиваемая исполнителем на поддержание средств технологического оснащения в работоспособном состоянии и уход за ними и рабочим местом. Время обслуживания рабочего места складывается из времени организационного обслуживания (осмотр и опробование станка, раскладка и уборка инструмента, смазка и очистка станка) и времени технического обслуживания (регулирование и подналадка станка, смена и подналадка режущего инструмента, правка шлифовальных кругов и т.п.); Т отд - время на личные потребности, это часть штучного времени, затрачиваемая человеком на личные потребности и, при утомительных работах, на дополнительный отдых; 2.6.1. Основное время Основное время при фрезеровании равно отношению длины пути, пройденного фрезой, за число рабочих ходов к скорости движения подачи, и определяется по формуле
Величина врезания l 1 при фрезеровании торцовыми фрезами определяется из условий:
Оценку технико-экономической эффективности технологической операции проводят по ряду коэффициентов, в числе которых: коэффициент основного времени и коэффициент использования станка по мощности /7, 8, 9/. Коэффициент основного времени К о определяет его долю в общем времени, затрачиваемом на выполнение операции
Ориентировочно величина коэффициента K о для разных станков находится в следующих пределах - протяжные станки - K о = 0,35...0,945; - фрезерные непрерывного действия - K о = 0,85...0,90; - остальные - K о = 0,35...0,90. Если коэффициент основного времени Kо ниже этих величин, то необходимо разработать мероприятия по уменьшению вспомогательного времени (применение быстродействующих приспособлений, автоматизация измерений детали, совмещение основного и вспомогательного времени и др.). Коэффициент использования станка по мощности К N определяется как
Полная электрическая мощность, потребляемая из сети, S распределяется на активную P и реактивную Q. Их соотношения определяются как При полной загрузке электродвигателя значение cos не будет равно 1, т.е. при этом из сети расходуется также и реактивная энергия. С учётом используемых электродвигателей примерные значения cos будут следующими: при загрузке 100% cos =0,85, при загрузке 50% - 0,7, при загрузке 20% - 0,5, и на холостом ходу - 0,2 этой величины. Рассмотрим пример правильности применения ряда фрезерных станков (моделей 6Р13, 6Н13, 6Р12, 6Н12, 6Р11), если мощность потребная на резание составляет N рез =3,2 кВт.
Исходными данными для расчёта режима резания являются: материал заготовки - поковка из стали 20Х; предел прочности материала заготовки - s в = 800 МПа (80 кг/мм 2 ); ширина обрабатываемой поверхности заготовки, В - 100 мм; длина обрабатываемой поверхности заготовки, L - 800 мм; требуемая шероховатость обработанной поверхности, R a - 0,8 мкм (7 класс шероховатости); общий припуск на обработку, h - 6 мм; средняя дневная программа производства по данной операции, П - 200 шт. 3.1.2. Цель расчётов. В результате проведённых расчётов необходимо: выбрать фрезу по элементам и геометрическим параметрам; выбрать фрезерный станок; рассчитать величины элементов режима резания - глубина резания t, подача S, скорость резания v; провести проверку выбранного режима резания по мощности привода и прочности механизма подачи станка; произвести расчёт времени, необходимого для выполнения операции; произвести расчёт необходимого количества станков; провести проверку эффективности выбранного режима резания и подбора оборудования. 3.2. Порядок расчета. 3.2.1. Выбор режущего инструмента и оборудования. Исходя из общего припуска на обработку h = 6 мм и требований к шероховатости поверхности, фрезерование ведем в два перехода: черновой и чистовой. По таблице 1 определяем тип фрезы - выбираем торцовую фрезу с многогранными твердосплавными пластинками по ГОСТ 26595-85. Диаметр фрезы выбираем из соотношения: D = (1,25...1,5) • В = 1,4 • 100 = 140 мм Выбор фрезы уточняем по таблицам 1, 2, 3, 4 - ГОСТ 26595-85, диаметр D = 125 мм, число зубьев z = 12, пятигранные пластинки, условное обозначение - 2214-0535. Материал режущей части фрезы выбираем по таблице 5 для чернового фрезерования углеродистой и легированной незакалённой стали - Т5К10, для чистового фрезерования - Т15К6. Геометрические параметры фрезы выбираем по таблицам 6 и 7 для фрез с пластинами из твёрдого сплава (табл. 6) при обработке стали конструкционной углеродистой с в 800 МПа и подачей для чернового фрезерования > 0,25 мм/зуб: g = -5 0 ; a = 8 0 ; j = 45 0 ; j о = 22,5 0 ; j 1 = 5 0 ; l = 14 0 ; для чистового фрезерования с подачей g = -5 0 ; a = 15 0 ; j = 60 0 ; j о = 30 0 ; j 1 = 5 0 ; l = 14 0 . Черновое фрезерование производим по схеме - несимметричное встречное (Рис. 8.б), чистовое - несимметричное попутное (Рис. 8.в). Предварительно принимаем проведение работ на вертикально - фрезерном станке 6Р13, паспортные данные в таблице 20. 3.2.2. Расчёт элементов режима резания. 3.2.2.1. Назначение глубины резания. При назначении глубины резания в первую очередь из общего припуска выделяется та его часть, которая остаётся для проведения чистовой обработки - t 2 = 1 мм. Чистовое фрезерование проводится за 1 рабочий ход i 2 = 1. Отсюда припуск h 1 при черновом фрезеровании составит : h 1 = 6 - 1 = 5 мм. Для снятия этого припуска достаточно одного рабочего хода, поэтому принимаем число рабочих ходов при черновом фрезеровании i 1 = 1. Тогда глубина резания t 1 при черновом фрезеровании составит t 1 = h 1 / i 1 = 5 / 1 = 5 мм. 3.2.2.2. Назначение подачи. Подачу при черновом фрезеровании выбираем из таблиц 8 и 9. Для торцовых фрез с пластинами из твёрдого сплава (табл. 8) с мощностью станка > 10 кВт при несимметричном встречном фрезеровании для пластинки Т5К10 подача на зуб находится в пределах S z1 = 0,32…0,40 мм/зуб. Принимаем меньшую величину для гарантированного обеспечения условия по мощности на шпинделе S z1 = 0,32 мм/зуб, подача на оборот составит . S о1 = S z1 • z =0,32 • 12 = 3,84 мм/об. Подачу при чистовом фрезеровании выбираем по таблице 10. Для торцовых фрез с пластинами из твёрдого сплава (часть Б) с материалом, имеющим в 700 МПа с шероховатостью обработанной поверхности R a = 0,8 мкм с углом j 1 = 5 0 подача на оборот фрезы находится в пределах S о2 = 0,30…0,20 мм/об. Принимаем большую величину для повышения производительности процесса S о2 = 0,30 мм/об. При этом подача не зуб составит S z2 = S о2 / z = 0,30 / 12 = 0,025 мм/зуб. 3.2.2.3. Определение скорости резания. Скорость резания определяем по формуле:
Исходя из принятых величин уточняем значения подач на зуб и на оборот S oф1 = 800 / 200 = 4 мм/об; S zф1 = 4 / 12 = 0,333 мм/зуб; S oф2 = 315 / 1050 = 0,3 мм/об; S zф2 = 0,3 / 12 = 0,025 мм/зуб; 3.2.3. Проверка выбранного режима резания Выбранный режим резания проверяем по характеристикам станка: мощности на шпинделе станка и максимально допустимому усилию, прилагаемому к механизму подачи. Поскольку нагрузки на станок при черновой обработке значительно выше, чем при чистовой, проверку выбранного режима резания проводим для чернового фрезерования. Мощность, затрачиваемая на резание, должна быть меньше или равна мощности на шпинделе : N р N шп . Мощность на шпинделе N шп = N э • h = 11 • 0,8 = 8,8 кВт.
Принимаем увеличение в 1,3 раза. Общий поправочный коэффициент K р = K m р • K vр • K g р • K j р . К m р определяем по таблице 17 для обработки конструкционных углеродистых и легированных сталей К m р = ( s в /750 ) np , показатель степени n p = 0,3 , тогда К m р = ( 800/750 )0,3 = 1,02. K vр определяем по таблице 18 для черновой обработки при скорости резания до 100 м/мин при отрицательных значениях переднего угла K vр1 = 1, для чистовой обработки при скорости резания до 600 м/мин K vр2 = 0,71. K g р и K j р определяем по таблице 19. При g = -5 о K g р = 1,20 и при j = 45о K j р1 = 1,06, при j = 60 о K j р2 = 1,0. Величина общего поправочного коэффициента составит К р1 = 1,02 • 1 • 1,20 • 1,06 = 1,297; К р2 = 1,02 • 0,71 • 1,20 • 1,0 = 0,869
Наиболее эффективно снижение мощности резания за счёт уменьшения скорости резания, а также уменьшения подачи на зуб. Мощность резания необходимо уменьшить в 5,5 раза, для этого скорость резания уменьшим за счёт уменьшения числа оборотов фрезы с 200 до 40 об/мин с 78,5 м/мин до 14,26 м/мин. Скорость движения подачи при этом снизится с 768 мм/мин до v S1 = 0,32 • 12 • 40 = 153,6 мм/мин. Поскольку изменение глубины резания приведёт к необходимости проведения второго рабочего хода, изменим величину скорости движения подачи до 125 мм/мин (таблица 20), при этом подача на зуб фрезы составит S z1 = 125/12 • 40 = 0,26 мм/зуб. Подставив новое значение подачи на зуб в формулу расчёта главной составляющей силы резания получим P z1 = 31405,6 Н, крутящий момент станет равным М кр1 = 1960,3 Нм, мощность резания N р1 = 8,04 кВт, что удовлетворяет требованиям по мощности привода. Вторым условием является то, что горизонтальная составляющая силы резания (усилие подачи) должна быть меньше (или равна) наибольшей силы, допускаемой механизмом продольной подачи станка: Р г Р доп . Для станка 6Р13 Р доп = 15000 Н. Горизонтальная составляющая силы резания Рг при условии несимметричного встречного чернового фрезерования Р г = 0,6 • Р z1 = 0,6 • 31364,3 = 18818,58 Н. Так как условие Р г Р доп не соблюдается (18818,58 > 15000 ), выбранный режим резания не удовлетворяет условию прочности механизма продольной подачи станка. Для снижения горизонтальной составляющей силы резания необходимо уменьшить подачу на зуб фрезы. Представим формулу расчёта главной составляющей силы резания в виде
Фактическая подача на оборот фрезы составит S oф = 2 мм/об, фактическая подача на зуб фрезы составит S zф = 0,167 мм/зуб. В связи с многократным превышением показателей первого расчёта над допустимыми необходимо провести проверку правильности выбора режима резания при чистовом переходе.
Окончательно данные расчёта сведены в таблице
Величину перебега фрезы l 2 для чернового и чистового фрезерования принимаем одинаковой l 2 = 5 мм. Число рабочих ходов i при чистовом и черновом фрезеровании равно 1. Общая длина прохода фрезы для чернового и чистового фрезерования L = 800 + 38 + 5 = 843 мм. Основное время при торцовом фрезеровании заготовки за черновой и чистовой переходы составит:
Штучное время, затрачиваемое на данную операцию, определяется как Т шт = Т о + Т всп + Т обс + Т отд Вспомогательное время Т всп , затрачиваемое на установку и cнятие детали, определяем по таблице 21. Принимаем способ установки детали при длине 800 мм - на столе с выверкой средней сложности; при массе детали до 10 кг - время на установку и снятие заготовки равно 1,8 мин. Вспомогательное время на рабочий ход (таблица 22) принимаем для обработки плоскостей с одной пробной стружкой - 0,7 мин и на последующие проходы - 0,1 мин всего - 0,8 мин. Вpемя на измеpение заготовки с помощью штангенциркуля (таблица 23) по ширине и толщине заготовки (высоте от стола) - размеры до 100 мм с точностью до 0,1 мм, принимаем равным 0,13 мин. Т всп = 1,8 + 0,8 + 0,13 = 2,73 мин. Тогда оперативное время T оп1 = Т о + Т всп = 10,54 + 2,73 = 13,27 мин. Т о2 = 2,68 + 2,73 = 5,41 мин Время на обслуживание pабочего места и вpемя на отдых принимаем в процентах от оперативного времени: Т отд1 + Т обс1 = 10 % • T оп = 0,1 • 13,27 = 1,32 мин ; Т отд2 + Т обс2 = 10 % • T оп = 0,1 • 5,41 = 0,54 мин ; Штучное время, затрачиваемое на данную операцию, Т шт1 = Т о1 + Т всп1 + Т обс1 + Т отд1 = Т о1 • 0,1 Т о1 =13,27 + 1,32 = 14,59 мин. Т шт2 = Т о2 + Т всп2 + Т обс2 + Т отд2 = Т о2 • 0,1 Т о2 = 5,41 + 0,54 = 5,95 мин. 3.2.4.3. Определение штучно-калькуляционного времени
Предпочтительней принять загрузку шести станков с добавлением одной целой смены за определённый период времени. Для операции чистовой обработки 3 станка не будут полностью загружены в течение смены и с тем, чтобы их не переналаживать на выполнение другой операции необходимо откорректировать размер сменного задания - операционную партию. Одну смену за определённый период можно освободить для выполнения других работ или профилактики оборудования. При этом операционные партии составят П 1ф = Z 1ф • Т см • 60 / Т шк1 =6 • 8 • 60 / 14,71 = 196 шт. П 2ф = Z 2ф • Т см • 60 / Т шк2 =3 • 8 • 60 / 6,07 = 237 шт. При черновой обработке нехватка оборудования составит (П 1 - П 1ф ) / П 1 = (200 - 196) / 200 = 1 / 50, т.е. через 50 смен необходимо добавить ещё одну для выполнения всего задания. При чистовой обработке излишек времени оборудования составит (П 2ф - П 2 ) / П 2 = (237-200) / 200 = 10 / 54, т.е. примерно на каждые 6 смен одна смена может быть освобождена для выполнения других работ. 3.2.5.2. Коэффициент основного вpемени В рассчитанных операциях основное время в составе штучного времени будет иметь следующую долю К о1 = Т о1 / Т ш1 = 10,54 / 14,59 = 0,72 К о2 = Т о2 / Т ш2 = 2,68 / 5,95 = 0,45 Данные говорят о том, что при выполнении чистовой обработки относительно много времени отводится для вспомогательных действий, поэтому следует провести организационные или технологические мероприятия по механизации процессов, сокращению вспомогательного времени, совмещению основного и вспомогательного времени и т.д. При выполнении черновой обработки доля основного времени достаточно высока и не требует первоочередного проведения каких-либо мероприятий. 3.2.5.3. Коэффициент использования мощности станка При операции черновой обработки мощность резания составляет 8,04 кВт при мощности на шпинделе станка 8,8 кВт, при этом коэффициент использования мощности составит К N = N p / N ст • h = 8,04 / 11 • 0,8 = 0,92 Коэффициент использования мощности станка K N достаточно высок, при необходимости он может быть несколько повышен за счёт увеличения подачи на зуб. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Колокатов А.М. Методические указания по расчету (назначению) режимов резания при торцовом фрезеровании. - М.,МИИСП, 1989. - 27 с. 2. Некрасов С.С. Обработка материалов резанием. - М.: Агропромиздат, 1988.- 336 с. 3. Резание конструкционных материалов, режущие инструменты и станки /Кривоухов В.А., Петруха П.П. и др. - М. :Машиностроение, 1967. - 654 с. 4. Краткий справочник металлиста./ Под ред. А.Н.Малова и др. - Изд.2-е.- М. :Машиностроение, 1971. - 767 с. 5. Справочник технолога - машиностроителя. В 2 т. /Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К.Мещерякова.- 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1985. 6. Долматовский Г.А. Справочник технолога по обработке металлов резанием. - 3-е изд., перераб. - М.:ГНТИ, 1962. - 1236 с. 7. Некрасов С.С., Байкалова В.Н Методические рекомендации по выполнению домашнего задания по курсу 'Обработка конструкционных материалов резанием' (для студентов факультетов механизации сельского хозяйства и инженерно-педагогического). - М.: МИИСП, 1988. - 38 с. 8. Некрасов С.С., Байкалова В.Н., Колокатов А.М. Определение технической нормы времени станочных операций: Методические рекомендации. - М.: МГАУ, 1995. - 20 с. 9. Некрасов С.С., Колокатов А.М., Баграмов Л.Г. Частные критерии оценки технико-экономической эффективности технологических процессов: Методические рекомендации. - М.: МГАУ, 1997. - 7 с. ПРИЛОЖЕНИЯ Таблица 1 Стандартные торцовые фрезы
Большие значения подач брать для меньшей глубины и ширины фрезерования, меньшие - для больших значений глубины и ширины. Таблица 10 Подачи на оборот фрезы, мм/об, при чистовом фрезеровании : А. торцовыми фрезами из быстрорежущей стали
Подачи даны для фрез из быстрорежущей стали с углом j 1 = 2 0 . Для фрез с j 1 = 0 0 подачи можно увеличить на 50...80 %. Б. торцовыми фрезами с пластинами из твердого сплава
Таблица 12 Поправочный К m v , учитывающий физико-механические свойства обрабатываемого материала.
Таблица 17 Поправочный коэффициент К m р зависимости силы резания от качества обрабатываемого материала для обработки стали и чугуна,
Таблица 18 Поправочный коэффициент К vр зависимости главной составляющей силы резания от скорости резания
Методические рекомендации План 2000, п. |
Расчет режимов резания при фрезеровании
Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина. 2000. 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1.1. Элементы теории резания Фрезерование является одним из наиболее распространённых и высокопроизводительных способов механической обработки резанием.
