Токарная обработка резанием: суть, способы и основные параметры

Почему используют? Токарная обработка резанием – это сложный процесс, благодаря которому деталям придается та или иная форма. Применение резания является вынужденным, поскольку на сегодняшний день нельзя обеспечить точность детали каким-то другим способом. Не подойдут для этого ни литье, ни обработка давлением.

В чем особенности? В процессе резания инструмент взаимодействует с материалом заготовки. В нем участвуют различные физические и химические процессы. При обработке происходит образование стружки, тепла, затем – трение и деформация заготовки.

Суть и назначение процесса резания металлов

Разрезание металла физическим способом подразумевает динамический контакт резца инструмента с исходной заготовкой. При этом часть металла обращается в стружку разной фракции: от крупной шихты до мелкодисперсной пыли.

Резание может осуществляться при помощи разнообразных методов:

• Лезвийного. При этом применяются плашки, токарные резцы, сверла, фрезы, метчики. Некоторые резцы используются на ручном инструменте, иные – на станках.
• Абразивного. В этом процессе используются шлифовальные круги и наждаки, пасты и другие абразивные материалы. Абразивами называют вещества, имеющие в своем составе кремний. Это далеко не самое твердое вещество на планете, но его оксид (SiO2) – обычный песок – встречается почти везде, а потому дешев в применении. И он достаточно тверд, чтобы с его помощью обрабатывать даже сорбит (твердые сорта стали).
• С использованием среды физико-химического типа, прежде всего, плазмы, как правило, низкотемпературной. Но пары тысячи градусов вполне достаточно, чтобы расплавить участок металла и отрезать нужный сегмент. В этом же случае применяется лазерная резка, а также электролитический способ обработки.

В любом случае разрезание металла всегда связано с разрушением его структуры непосредственно в шовном пространстве. Но главное – меняются физические и химические свойства материала вокруг образующихся кромок и иногда на весьма далеких расстояниях от них. Опытный слесарь никогда не забывает об этом, а потому стремится свести количество разрезов к минимуму.

Удаляемый из шовного пространства металл превращается в стружку или шихту. Различают три ее вида:

• Сливная – появляется при резке пластичных металлов.
• Скалывающаяся шихта – образуется, если металл имеет среднюю твердость.
• Надломленная стружка – получается из охрупченных металлов.

По виду стружки можно определить самые разные параметры, например:

• тип материала (металла), из которого сделана заготовка;
• способ резки и тип резца;
• качество оборудования (станка или ручного инструмента);
• режим резки.

Кроме того, исходя из качественных характеристик стружки, очевидной становится даже квалификация, компетенция и опыт специалиста.

Стружка или шихта – всегда потери, которые увеличивают стоимость полезного остатка. И это увеличение – очень неприятная часть себестоимости готового изделия. К примеру, совокупный вес металла, из которого производился немецкий танк Pkwg-VII («Королевский тигр»), был равен 120 т. А вес готового танка составлял всего 70 т. То есть в стружку уходило добрых полсотни тонн различных сортов стали.

В инструкции к данному танку (а она шла в комплекте) на последней странице было сказано: «Танкист, помни, за эту машину Рейх заплатил 800 000 марок». Это колоссальная сумма! Советский Т-34 стоил примерно в 12 раз дешевле, если считать по затрачиваемым трудо- и машино-часам. Вот почему советских танков было выпущено более 80 тысяч штук, а «тигров» всех модификаций – менее 1 500 экземпляров. Весьма наглядная демонстрация значимости эффективной резки металла.

Сам процесс резки подразумевает три типа движений:

• Установочные – позиционирование и закрепление рабочего органа по отношению к заготовке.
• Вспомогательные – корректировка положения резца.
• Рабочие, которые подразделяются на два типа: по снятию стружки (главные) и движения подачи – передвижение инструмента вдоль шва.

Способы резания металла

Обработку металлической заготовки физическим воздействием можно производить разными способами. Все они относятся к резанию металла, однако применяются для достижения совершенно разных целей. Итак, рассмотрим различные способы обработки:

Точение

Также этот способ называют токарной обработкой резанием на станке с соответствующим названием. На классических токарных станках во вращающийся патрон закрепляется заготовка, а резец неподвижен или же располагается на податчике. При вращении патрона резец взаимодействует с металлом заготовки, снимая с него стружку, – происходит процесс точения.

Но есть варианты станков, где вращается инструмент, а обрабатываемая деталь, напротив, неподвижна. С помощью такого типа обработки создаются идеальные цилиндрические, конические и торцевые поверхности будущей детали.

Сверление

Такой тип обработки можно производить как минимум на двух видах станков: на токарном и на сверлильном (не говоря уж об универсальных обрабатывающих центрах). Общим для всех типов станков является то, что деталь в данном случае неподвижна, а вращается только резец – сверло. 

Сверла бывают спиральными, перовыми, центровочными и даже рассчитанными на эксцентричные патроны (для сверления квадратных и даже треугольных отверстий). Но во всех случаях режущей кромкой инструмента является исключительно его торцевая часть.

Фрезерование

Качественного фрезерования невозможно добиться посредством ручного инструмента. Здесь нужна четкая фиксация заготовки по отношению к вращающейся фрезе, то есть требуется наличие станины.

Строгание

Такая обработка металлической заготовки может быть осуществлена только на одноименных станках, а их бывает несколько типов: строгально-долбежный, поперечно-строгальный, продольно-строгальный. Из заготовок на этом оборудовании обычно вытачивают штанги, рамы, станины. Кроме того, различных результатов такой обработки можно добиться, применяя разные типы резцов:

• Прямые – удобны при эксплуатации, однако с их помощью невозможно произвести точную обработку детали.
• Изогнутые – намного более точны и относительно недороги, а потому предпочтительны в массовой эксплуатации.

Долбление

Инструмент здесь совершает вертикальные возвратно-поступательные движения, а заготовка плавно перемещается горизонтально, перпендикулярно вектору движения резца. Зачем нужно долбление, если можно аккуратно отфрезеровать нужные углубления и канавки? Долбление позволяет получить четкие края углублений – с помощью фрезы этого добиться невозможно. А еще посредством долбления производят зубчатые колеса с высокой степенью точности обработки.

Шлифование

Обычно речь идет о шлифовании на станке при помощи специального круга. Последний вращается, а заготовке сообщают продольную подачу (а в случае необходимости еще и поперечную). С помощью шлифования можно добиться высочайшей точности обработки. Однако, как было указано выше, следует принимать в расчет такие побочные эффекты, как нагревание металла в процессе обработки, сильные вибрационные нагрузки на деталь, а также тот слой, который нужно снять в соответствии с чертежом.

Основные параметры при токарной обработке резанием

При любых видах резания металла крайне важно выбрать правильный режим. Это комплексное решение, в основе которого лежит сразу нескольких факторов:

• производительность станка и общий срок его службы;
• качество оснастки;
• структура и качество металла заготовки.

Оборудование обеспечивает два типа усилий: вращение заготовки и перемещение резца (то есть главное движение и подача). Именно это определяет основные технологические параметры любого токарного станка:

• глубину резания (толщину снимаемой стружки);
• обороты шпинделя;
• скорость подачи (скорость резания).

В подавляющем большинстве случаев важно не просто обработать заготовку, а сделать это с минимальными затратами – минимум стружки и наименьшее количество машино-часов. Выбор режима влияет на все основные элементы производства и, как следствие, на экономику процесса. Перечислим наиболее значимые:

1. общая средняя производительность оборудования;
2. качественные показатели производства;
3. себестоимость выпускаемых изделий и их отпускная цена;
4. совокупный износ оборудования;
5. качество и стойкость инструмента;
6. стандарты безопасности на производстве.

Сразу нужно отметить, что стремление к максимальной производительности при выборе режимов гарантированно приведет к быстрому износу ключевых элементов станка, его оснастки, силового момента на приводе (электродвигательной установке). Лучше поберечь устройство – оно очень дорого стоит, да и производительность труда (в связи со сказанным выше) повышается совсем ненадолго.

Некорректно подобранная скорость вращения шпинделя в совокупности с выбранным режимом подачи может привести к разбалансированности главного вала станка и его приводов. Особенно если станок уже «повидал виды». Кроме того, вопреки очевидному, высокие скорости оборотов вращающейся заготовки не всегда увеличивает точность обработки. Гораздо чаще это приводит к образованию трещин и сколов на деталях, а также к поломке резцов.

Глубина резания

Теперь поговорим о припуске. Это слой металла, который должен быть удален резцом для того, чтобы заготовка достигла заложенных в чертеже чистовых размеров. При токарной обработке металла резанием (или расточке) материал заготовки снимается поэтапно или послойно. При этом за один проход может удаляться слой, не превышающий определенной толщины.

В механообработке эта толщина обозначается латинской буквой t и называется глубиной резания. Измеряется она с точностью до 0,1 мм при стандартной обточке и до 0,01 мм при точной.

При операциях обточки толщина равна половине разности диаметров до и после обточки заготовки. Полная формула выглядит так t = (D - d) / 2, где t – глубина резания; D – диаметр изначальной заготовки; d – заданный диаметр детали (по чертежу).

Глубина резания при подрезке понимается как слой металла, который резец способен удалить с торца заготовки за один проход. А если речь идет об отрезании материала, то имеет место подрезка и термин «глубина резания» меняется на «глубину канавки».

Итак, глубина резания подразумевает единственный проход режущего инструмента. Однако данный показатель – не догма, особенно для опытного токаря. Такие специалисты выбирают режим снятия стружки, принимая во внимание все возможные факторы (и свой опыт). Кроме того, толщина снятия стружки зависит от того, какой формат обработки производится в настоящий момент – черновой или чистовой. Чем более эффективным является оборудование и более вязким металл, тем больше можно снять за один проход.

Подача при обработке резанием

Под подачей обычно понимают скорость перемещения крепежа режущего инструмента вдоль заготовки (то есть путь резца (S) за один оборот шпинделя – обозначается в мм/об). Скорость подачи подбирают по данным многочисленных справочников. Она зависит от мощности силового узла станка, качества передачи, возможных проблем с подшипниками, а также свойств металла обрабатываемой заготовки.

В общем случае подача рассчитывается по следующей формуле S= (0,05…0,25) × t, где t – глубина резания.

Совершенно очевидно, что уровень производительности любого токарного станка зависит от скорости подачи.

Разумеется, любой начальник цеха стремится, чтобы подача на подотчетных ему станках была максимальной. Но нужно понимать, что чем больше скорость движения обрабатывающего инструмента, тем больше его износ. И, конечно же, подача напрямую влияет на качество поверхности детали. Обычно при черновой обработке подача выше.

Скорость резания при токарной обработке

Суммарная траектория режущей кромки резца за единицу времени при токарной обработке называется скоростью резания. По сравнению с величиной подачи, это комплексный показатель, так как здесь принимается во внимание и глубина резания. Измеряется она в метрах в минуту.

В таблицах имеет обозначение – v. Ее рассчитывают на основании целого комплекса сложных формул в следующей последовательности:

1. сначала высчитывают величину t;
2. далее по справочнику подбирается значение S;
3. затем, опять же по таблицам, определяют значение vт;
4. уточняется значение vут (посредством умножения на корректирующие коэффициенты);
5. и, наконец, выбирается фактическое значение vф (с учетом скорости вращения главного станочного вала).

Параметр v – это главная характеристика производительности токарного станка. Кроме того, именно этот комплексный показатель непосредственно определяет возможные эксплуатационные режимы оборудования, скорость износа режущего инструмента и получаемое качество готовой детали.

Выбор режима для токарной обработки

Ранее в тексте была отсылка к опыту мастеров-токарей, которые самостоятельно определяют режимы резания, подачу и скорость резания. Это во многом действительно так, но не нужно думать, что данный процесс, от которого фактически зависит производительность всего предприятия, никак не регламентируется администрацией завода.

И, прежде всего, расчет допустимых режимов по разным станкам осуществляется службой главного технолога (технологическим бюро). Формируется операционная карта: в нее также записывается рекомендуемая последовательность черновой и чистовой обработки, допустимый набор режущих инструментов и, в конце концов, возможные режимы изготовления деталей разных габаритных размеров на каждом станке.

На основании данных техбюро цеховые технологи подбирают наиболее подходящую оснастку и инструмент.

Впрочем, фактические технологии вытачивания деталей могут отличаться от методических рекомендаций из-за:

• уменьшения точности обработки в результате износа оборудования;
• фактических непредвиденных отклонений в размерах заготовок;
• несоответствия характеристик металла заготовок расчетным значениям.

«Подтягивание» расчетного режима к данным фактической производительности осуществляется, конечно же, за счет коррекции теоретических выкладок. Но сначала производится ряд пробных проходов – контрольная обточка заготовок с непременным контролем качества: с замером геометрии и степени шероховатости поверхности.

Разумеется, легко и быстро это только на словах, а на практике метод контрольных проходов требует больших дополнительных трудовых и материальных затрат. Это главная причина, почему данный способ определения оптимального режима используется редко и только по особым случаям, как то:

• изготовление уникальной детали без учета требований операционной карты;
• необходимость определить точность работы токарного станка перед запуском серийного производства;
• работа с бракованными заготовками;
• обточка черновых заготовок без обдирки;
• старт обработки изделий из новых материалов.

Калибровка автоматизированного оборудования ничуть не менее сложна. Более того, подбираемые вручную режимы не могут быть изменены операторами во время работы станка, даже если это необходимо (по крайней мере, пока программа обточки не будет завершена).

Физическое воздействие на металл посредством резания до сих пор является наиболее распространенным способом слесарной обработки. Да, в среднем 1/5 массы заготовки уходит в стружку, изнашивается дорогостоящий режущий инструмент и еще более дорогое оборудование. Но следует признать, что резание на настоящий момент – это единственный реальный способ получить чистовую деталь нужного качества в разумные сроки.