Материал: Основы проектирования инструментов с применением ЭВМ. Жачкин С.Ю

Алмазы. Алмазы и алмазные инструменты находят широкое применение в промышленности. Алмаз является одной из разновидностей углерода с удельным весом 3,5...3,6. Вес алмаза измеряется в каратах (1 карат равен 0,205 г). От графита алмаз отличается пространственным расположением атомов углерода в кристалле. Элементарная ячейка содержит 18 атомов углерода, из которых восемь расположены в вершинах куба, шесть - в центре граней куба и четыре - в центре четырех из восьми квадратов, образованных делением кубической ячейки тремя взаимно перпендикулярными плоскостями. Каждый атом углерода прочно связан с четырьмя окружающими его атомами, чем и объясняются повышенные физико-механические свойства алмаза.

Алмаз является самым твердым материалом (в 4...5 раз тверже твердых металлокерамических сплавов). Однако он хрупок и может раскалываться при ударе. Алмаз теплопроводен.

Искусственный алмаз получают из графита при высоких температурах (1500...2000°С) и давлениях (несколько десятков тысяч атмосфер).

Табл. 1.2. Маркировка характеристики абразивных инструментов

Применяется алмаз в металлообрабатывающей промышленности в виде кристаллов и порошка. Кристаллами алмаза весом 0,5; 0,8 карат и более оснащаются резцы, сверла, фрезы, пилы и другие режущие лезвийные инструменты. Крепление алмазов производится зачеканкой, пайкой, заливкой или механическим путем. Геометрические параметры:

γ = 15... + 8°; α = 8...15°; β = 75...80°; φ = 45...90°. Несмотря на то, что алмаз при нагреве до температуры 800...850°С окисляется и разрушается на воздухе, однако высокие физико-механические свойства его обеспечивают возможность чистовой обработки резцами с весьма высокими скоростями (v до 3000 м/мин). При этом обеспечивается получение поверхностей малой шероховатости (R_а = 0,04...0,02 мкм).

Особенно широко применяются в промышленности алмазные шлифовальные инструменты (круги, бруски, хоны, пасты). Алмазные круги и другие инструменты, зерна которых имеют весьма малые радиусы округления вершин (ρ = 1...3,5 мкм) и большую твердость, отличаются особенно повышенной режущей способностью при заточке и доводке твердосплавного инструмента.

Алмазные круги, как обычные абразивные, различаются по форме и основным характеристикам. Они маркируются следующим образом: АЧЦ 125x10х3x32 АСП 12 Б1 50 24, где АЧЦ - алмазный круг, чашка цилиндрическая; 12х10х3х32 - соответственно наружный диаметр, ширина алмазного слоя, толщина слоя, внутренний диаметр; АСО, АСП, АСВ - алмаз синтетический обычный, повышенной и высокой прочности; 12 - зернистость; Б1 - бакелитовая связка; 50 - концентрация алмазного слоя, %; 24 - каратность.

Корпус алмазных кругов изготавливают из различных металлов или пластмасс. В зависимости от формы круга на его торцевые или периферийные поверхности наносится алмазный слой толщиной 1,5...3 мм, состоящий из алмазных зерен, связки и наполнителя из твердых минералов.

Различают следующие связки кругов: металлическая, бакелитовая Б1, Б2, БЗ, керамическая К.

Эффективность работы алмазными кругами зависит от концентрации алмазов в алмазном слое. Круги бывают 25, 50, 100, 150 и 200%-ной концентрации. При 100%-ной концентрации в 1 мм³ алмазного слоя содержится 0,878 · 10^-5 Н (0,878 мг) алмазного зерна. Твердость алмазных кругов изменяется в нешироких пределах (С2...М2), а зернистость в пределах А50...AM1. Обычная заточка твердосплавного инструмента производится кругами А16...А12, а окончательная А10...А6. Круги зернистостью АМ40... АМ10 используются для доводки инструмента, когда обеспечивается получение поверхностей малой шероховатости: R_a = 0,1...0,02 мкм.

Производительность алмазных кругов повышается в два-три раза с увеличением скорости круга от 25 до 50 м/с, а также за счет охлаждения зоны резания специальной пастой или охлаждающей жидкостью.

Эльбор (боразон или кубанит, т. е. КН, белбор). Кубический нитрид бора, состоящий из 43,6% бора и 56,4% азота, является искусственным сверхтвердым материалом. Его получают в виде порошка и поликристаллов ПКНБ (диаметр цилиндра 5 и длина 6 мм). Порошки применяются для изготовления эльборовых кругов, брусков, хонов и паст, а поликристаллы для оснащения резцов и других лезвийных инструментов. Эльбор, как и алмаз, имеет кубическую решетку, но с несколько большими межатомными расстояниями. Эльбор имеет большую красностойкость (t = 1200...1500°С) по сравнению с алмазом (t = 800...850°С). К недостаткам следует отнести сравнительно низкую теплопроводность эльбора.

Высокие физико-механические свойства позволяют обрабатывать эльборовыми резцами высокопрочные закаленные конструкционные жаропрочные стали и сплавы с HRC 48...64, а также легированный чугун, металлокерамику и стеклопластику. Крепление блоков или кристаллов эльбора в резцовой головке производится так же, как и алмаза, механическим путем или пайкой. Особенно широко применяются в промышленности эльборовые шлифовальные круги, бруски и другие абразивные инструменты, изготовленные из эльборовых шлифпорошков марки КО с зернистостью от 160...125 до 50...40, и микрошлифпорошки марки КМ зернистостью от 60...40 до 1. Классификация порошков по зернистости предусмотрена ГОСТ 9206-70, как и для алмазов. Кроме того, эльборовые круги ЛЧК 150x10x3x32 Л10 Б1 100 58 маркируются так же, как и алмазные.

Хорошо зарекомендовали себя эльборовые круги при заточке и доводке быстрорежущего инструмента, чистовой шлифовке дорожек подшипников и т. д. При затачивании быстрорежущего инструмента можно рекомендовать следующие режимы: υ_кр = 30 м/с, s_np = 1,0...1,5 м/мин, s_поп=0,01...0,03 мм/дв.х, а при доводке - 0_кр = 10...12 м/с, s_пр = 0,5...0,7 м/мин, t = 0,005...0,01 мм. При этом зернистость кругов составляла Л12-16 и Л-4, а обработанная поверхность имела шероховатость R_a= 1,0...0,20 мкм.

Лейкосапфир и рубин. Эти материалы используются для оснащения лезвийных инструментов, применяемых при обработке цветных металлов, сталей, стеклопластиков и т. д. Лейкосапфир представляет собой синтетический монокристалл А1₂О₃ в виде α-модификации, величина и вес которого указаны в ГОСТ 9678-61. Рубин, или качественный термокорунд, состоит из 97% А1₂О₃ и около 1,2% Сг₂О₃. Указанные инструментальные материалы особенно широко могут применяться на чистовых операциях. Режимы резания лейкосапфирами при обточке сталей: скорость υ-150...200 м/мин, подача s = 0,03 мм/об, глубина t до 0,15 мм, а при обработке цветных металлов - υ = 200...350 м/мин,

s = 0,03...0,05 мм/об и t = 0,15 мм. При этом соответственно обеспечивается получение поверхностей с малой шероховатостью R_а = 0,5...0,2 мкм и R_а= 0,3...0,08 мкм.

1.6. Соотношения между величинами углов инструмента в различных плоскостях

У многолезвийных инструментов (сверло, фреза, протяжка, метчик и т. д.) в основном те же конструктивные элементы и геометрические параметры, что и у обычного проходного резца. Однако они имеют большее количество зубьев и некоторые конструктивные особенности, характерные для данных типов инструментов.

Рис. 1.10. Совмещенные проекции режущих инструментов

Рис. 1.11. Проекция проходного резца на основную плоскость

При определении конструктивных элементов и геометрических параметров зубьев любого инструмента учитывают направление и величину скорости главного движения резания, а также движения соответствующих подач. Затем вычерчивают совмещенные проекции обычного проходного резца и многолезвийного инструмента таким образом, чтобы совпали главные режущие лезвия резца и одного из зубьев многолезвийного инструмента, а также направления подач инструментов (рис. 1.10). Кроме того, через точку К совмещенных главных лезвий проходного резца 1, сверла 3 и торцевой фрезы 2 проводят следы секущих плоскостей I-I и II-II. Плоскость I-I является для сверла продольной, а для резца и зуба торцевой фрезы поперечной. Наоборот, плоскость II-II для сверла является поперечной, а для резца и фрезы - продольной. Такой рисунок облегчает определение геометрических параметров совмещенного многолезвийного инструмента (сверла, фрезы и т. д.) на примере более простого однолезвийного, каким является обычный проходной резец. Рассмотрим соотношения между величинами передних и задних углов зубьев многолезвийных режущих инструментов в различных секущих плоскостях на примере обычного прямого проходного резца. Для этого изобразим проекцию резца на основную плоскость (рис. 1.11) [13, 40]. Здесь ОА и ОВ - проекции главного и вспомогательного режущих лезвий; N-N, X-X, У-У - следы главной, поперечной и продольной плоскостей на основную плоскость, про- веденные через точку К главного режущего лезвия; s-s - направление продольной подачи резца; γ_N и α_n - главные передний и задний углы, измеряемые в главной секущей плоскости; γ_прод и α_прод - продольные передний и задний углы; γ_поп и α_поп - поперечные передний и задний углы; φ и φ₁ - главный и вспомогательный углы в плане, измеряемые в основной плоскости; -λ и +λ - отрицательный и положительный углы наклона главного режущего лезвия.

Для облегчения вывода расчетных формул пересчета передних углов в трех плоскостях изобразим прямой проходной резец в изометрии (рис. 1.12), т. е. в одной из аксонометрических проекций. Дополнительно проведем через главное режущее лезвие ОА вертикальную плоскость Н, которая при расположении точки К на линии центров детали будет плоскостью резания, а также через точку К горизонтальную плоскость R. Последняя будет также при указанном выше условии параллельна основной.

Линия W_hr - W_hr является линией пересечения плоскостей Н и R, а угол, заключенный между главным режущим лезвием ОА и линией W_hr - W_hr будет углом наклона λ, который для нашего случая имеет отрицательное значение.

Рис. 1.12. Схема для определения соотношения между

величинами передних углов инструмента,

измеряемых в различных плоскостях

Кроме нормальной, поперечной и продольной секущих плоскостей со следами N—N, X—X, У—У на основной плоскости R проведем на некотором расстоянии от плоскости Н вертикальную плоскость h, параллельную плоскости H, со следом h_R—h_R, параллельным W_hr —W_hr и следом h_Q—h_Q на передней поверхности Q резца.

Точка пересечения следов секущих плоскостей У—У, N—N и X—X со следом h_R—h_R обозначим соответственно l, т, п, а со следом h_Q —h_Q—l₁,т₁, п₁. Соединим указанные точки линиями.

Из полученных построений имеем:

тКт₁ = γ_норм — нормальный передний угол: ;

lКl₁ = γ_прод — продольный передний угол: ;

nKn₁ = γ_поп — поперечный передний угол: .

Определим зависимость между передними углами, измеряемыми в главной и продольной секущих плоскостях, для чего через точку m₁ проведем линию tt₁, параллельную следу h_R—h_R. Тогда pm₁l₁ = λ, так как pm₁║lm║W_HR—W_HR, l₁m₁║OA. В этом случае отрезок

ll₁ = lp+pl₁ = mm₁ +pm₁tg λ = mm₁ + lm tg λ.

Подставив полученное выражение в формулу расчета продольного угла γ_прод, получим

Окончательно определяем

tgγ_прод= tg γ _норм cos φ + sinφ tg λ.

Аналогичным образом из треугольников Knn₁ и Kmm₁ находим:

tg γ_поп = tg γ_норм sin φ - tg λ cosφ.

При положительном значении λ формулы будут иметь вид:

tg γ_прод= tgγ_норм cos φ - tg λ sin φ;

tg γ_поп = tg γ_норм sin φ + tg λ cosφ.

Так как угол λ небольшой по величине и изменяется в пределах от 0 до ±5°, то второе слагаемое в этих формулах мало по своей величине и им можно пренебречь.

тогда

tg γ_прод = tgγ_норм cos φ;

tg γ_поп = tg γ_норм sin φ,

или, обозначив γ_норм = γ, имеем

tg γ_прод= tgγ cos φ ;

tg γ_поп = tg γ sin φ.

Из приведенных выше зависимостей можно получить также формулы для расчета главного переднего угла γ и угла наклона лезвия λ:

tgγ = tgγ_прод cos φ + tg γ_попsin φ;

tgλ = tgγ_поп cos φ + tg γ_прод sin φ.

Для вывода зависимостей между задними углами, измеряемыми в различных плоскостях, допускаем, что при нешироких пределах изменения угла λ = ±5° линия пересечения главной задней поверхности и основной (опорной) плоскости резца параллельна главному режущему лезвию АО (рис. 1.13).

Рис. 1.13. Схема для определения зависимостей между

величинами задних углов, измеряемых

в различных плоскостях