В обработке режущий инструмент — это невращающийся режущий инструмент , используемый в токарных станках , формовочных станках и строгальных станках по металлу . Такие резаки также часто называют одноточечным режущим инструментом , в отличие от других режущих инструментов, таких как пила или водоструйный резак . Режущая кромка шлифуется в соответствии с конкретной операцией обработки и может быть повторно заточена или изменена по мере необходимости. Заточенный режущий инструмент жестко удерживается держателем инструмента во время резки.
Задний рейк помогает контролировать направление стружки, которая естественным образом изгибается в заготовку из-за разницы в длине внешней и внутренней частей реза. Он также помогает противодействовать давлению на инструмент со стороны заготовки, втягивая инструмент в заготовку.
Боковой передний угол вместе с задним передним углом контролируют поток стружки и частично противодействуют сопротивлению заготовки движению фрезы и могут быть оптимизированы в соответствии с конкретным обрабатываемым материалом. Например, для латуни требуется задний и боковой передний угол в 0 градусов, тогда как для алюминия требуется задний передний угол в 35 градусов и боковой передний угол в 15 градусов.
Радиус носа делает отделку реза более гладкой, поскольку он может перекрывать предыдущий рез и устранять пики и впадины, которые создает заостренный инструмент. Наличие радиуса также укрепляет кончик, поскольку острый кончик довольно хрупкий. Радиус носа варьируется в зависимости от операций обработки, таких как черновая, получистовая или чистовая обработка, а также от материала детали, который подвергается резке: сталь, чугун, алюминий и другие.
Все остальные углы предназначены для зазора, чтобы никакая часть инструмента, кроме фактической режущей кромки, не могла касаться заготовки. Передний угол зазора обычно составляет 8 градусов, а боковой угол зазора составляет 10-15 градусов и частично зависит от ожидаемой скорости подачи.
Рекомендуется использовать минимальные углы, которые обеспечивают выполнение требуемой работы, поскольку инструмент становится слабее по мере того, как кромка становится острее из-за уменьшения опоры за кромкой и снижения способности поглощать тепло, выделяемое при резке.
Для эффективной резки передние углы в верхней части инструмента не обязательно должны быть точными, но для эффективной резки необходим оптимальный угол заднего и бокового наклона.
Первоначально все резцы изготавливались из высокоуглеродистых инструментальных сталей с соответствующей закалкой и отпуском . С появлением быстрорежущей стали (HSS) (в начале 20-го века), спеченного карбида (1930-е годы), керамических и алмазных резцов эти материалы постепенно заменили более ранние виды инструментальной стали практически во всех областях резки. Большинство резцов сегодня изготавливаются из HSS, кобальтовой стали или карбида.
Карбид , керамика (например, кубический нитрид бора ) и алмаз, имеющие более высокую твердость, чем HSS, в большинстве случаев позволяют производить более быстрое удаление материала, чем HSS. Поскольку эти материалы дороже и более хрупкие, чем сталь, обычно корпус режущего инструмента изготавливается из стали, а небольшая режущая кромка из более твердого материала крепится. Режущая кромка обычно либо привинчивается, либо зажимается (в этом случае она называется вставкой), либо припаивается к стальному хвостовику (это обычно делается только для карбида).
Почти все высокопроизводительные режущие инструменты используют индексируемые пластины . Для этого есть несколько причин. Прежде всего, при очень высоких скоростях резания и подачах, поддерживаемых этими материалами, режущий наконечник может достигать температур, достаточно высоких, чтобы расплавить припой, удерживающий его на хвостовике. Экономичность также важна; пластины изготавливаются симметрично, так что когда первая режущая кромка затупляется, их можно вращать, представляя новую режущую кромку. Некоторые пластины даже изготавливаются так, чтобы их можно было переворачивать, что дает до 16 режущих кромок на пластину. Существует много типов пластин: некоторые для черновой обработки, некоторые для чистовой. Другие предназначены для специализированных работ, таких как нарезание резьбы или канавок. В отрасли используется стандартизированная номенклатура для описания пластин по форме, материалу, материалу покрытия и размеру.
Инструмент формы прецизионно шлифуется по образцу, который напоминает формуемую деталь. Инструмент формы может использоваться как отдельная операция и, следовательно, исключает множество других операций с направляющими (передними, задними и/или вертикальными) и револьверной головкой, например, коробчатые инструменты. Инструмент формы поворачивает один или несколько диаметров во время подачи в работу. До использования инструментов формы диаметры поворачивались с помощью нескольких операций с направляющими и револьверной головкой, и, таким образом, требовалось больше работы для изготовления детали. Например, инструмент формы может поворачивать много диаметров и, кроме того, может также отрезать деталь за одну операцию и устранять необходимость индексации револьверной головки. Для одношпиндельных станков обход необходимости индексации револьверной головки может значительно увеличить почасовую производительность деталей.
При длительных работах обычно используют черновой инструмент на другой позиции салазок или револьверной головки, чтобы удалить большую часть материала и уменьшить износ формовочного инструмента.
Существуют различные типы формовочных инструментов. Вставные формовочные инструменты наиболее распространены для коротких и средних работ (от 50 до 20 000 шт.). Круглые формовочные инструменты обычно используются для более длительных работ, так как износ инструмента может многократно сошлифовываться с кончика инструмента, когда инструмент вращается в держателе. Существует также инструмент для заточки, который можно использовать для легких чистовых резов. Формы-инструменты могут быть изготовлены из кобальтовой стали, карбида или быстрорежущей стали. Твердый сплав требует особого ухода, поскольку он очень хрупкий и при вибрации будет скалываться.
Недостатком использования формовочных инструментов является то, что подача в работу обычно медленная, от 0,0005" до 0,0012" за оборот в зависимости от ширины инструмента. Широкие формовочные инструменты создают больше тепла и обычно являются проблемой для вибрации. Тепло и вибрация сокращают срок службы инструмента. Кроме того, формовочные инструменты, ширина которых в 2,5 раза больше диаметра обрабатываемой детали, имеют больший риск поломки детали. [1] При точении более длинных деталей опора револьверной головки может использоваться для увеличения длины обработки от 2,5 до 5 раз от наименьшего диаметра обрабатываемой детали, и это также может помочь уменьшить вибрацию. Несмотря на недостатки, исключение дополнительных операций часто делает использование формовочных инструментов наиболее эффективным вариантом.
Ограничивая дорогой твердый режущий наконечник частью, которая фактически режет, стоимость инструмента снижается. Поддерживающий держатель инструмента может быть изготовлен из более прочной стали, которая, помимо того, что дешевле, также обычно лучше подходит для этой задачи, будучи менее хрупкой, чем передовые материалы.
Держатели инструмента также могут быть спроектированы таким образом, чтобы придать процессу резания дополнительные свойства, такие как:
Обратите внимание, что поскольку жесткость (а не прочность) обычно является определяющим фактором при проектировании держателя инструмента, используемая сталь не обязательно должна быть особенно твердой или прочной, поскольку разница в жесткости большинства стальных сплавов относительно невелика.
Резцедержатель — это часть металлообрабатывающего токарного станка , которая либо удерживает резец непосредственно, либо удерживает держатель инструмента, который содержит резец. Существует большое разнообразие конструкций резцедержателей (включая базовые резцедержатели, качающиеся резцедержатели, быстросменные резцедержатели и револьверные головки резцедержателей) и резцедержателей (с различной геометрией и характеристиками).
Коробчатый инструмент устанавливается на револьверной головке револьверного токарного станка или токарно-винторезного станка . По сути, это резцедержатель, который приносит с собой свой упор для толкателя. Резец (или несколько резцов) и компактный упор для толкателя (обычно V-образный или с двумя роликами [2] ) устанавливаются друг напротив друга в корпусе, который окружает заготовку (образует «коробку» вокруг нее). Поскольку резец оказывает боковое отклоняющее усилие на заготовку, упор для толкателя противодействует ему, обеспечивая жесткость. Другой и популярный тип коробчатого инструмента использует два ролика вместо упора для толкателя. Один ролик называется «калибровочным роликом», а другой ролик называется «полировальным роликом». Ролики вращаются вместе с заготовкой, чтобы уменьшить образование царапин на готовом повороте. Противоположные резцы могут использоваться (вместо упора) для компенсации отклоняющих сил друг друга (так называемый «сбалансированный токарный инструмент»), в этом случае коробчатый инструмент начинает перекрываться по форме, функциям и идентичности с полой фрезой .
Формовщики , долбёжные станки и строгальные станки часто используют своего рода держатель инструмента, называемый коробкой-клаппером , который свободно качается при обратном ходе ползуна или станины. При следующем ходе резания он «захлопывается» обратно в положение резания. Его движение аналогично движению обратного клапана типа «бабочка» .
Летучие фрезы — это тип фрезы , в которой установлены один или два резца. Резцы вращаются вместе с вращением шпинделя, выполняя торцевые резы. Летучие фрезы — это применение резцов, где резцы являются частью вращающегося узла (тогда как большинство других резцов используются линейно).
Насадки для инструментов использовались на протяжении столетий, однако их дальнейшее технологическое развитие продолжается и сегодня. Примерно до 1900 года почти все насадки для инструментов изготавливались их пользователями, и во многих механических мастерских были кузницы . Фактически, от хороших машинистов ожидалось наличие знаний кузнечного дела , и хотя химия и физика термической обработки стали не были хорошо поняты (по сравнению с сегодняшними науками), практическое искусство термической обработки было довольно продвинутым, и большинство квалифицированных металлистов были хорошо знакомы с ним. Насадки для инструментов изготавливались из углеродистых инструментальных сталей , которые имеют достаточно высокое содержание углерода, чтобы хорошо поддаваться закалке. Каждая насадка ковалась молотом, закалялась, а затем шлифовалась точильным камнем . Точные детали термической обработки и геометрии наконечника были вопросом индивидуального опыта и предпочтений.
Значительный технологический прогресс произошел в период 1890–1910 годов, когда Фредерик Уинслоу Тейлор применил научные методы к изучению резцов и их режущих характеристик (включая их геометрию, металлургию и термическую обработку, а также полученные скорости и подачи , глубину резания, скорость съема металла и срок службы инструмента). Вместе с Монселем Уайтом и различными помощниками он разработал быстрорежущие стали (свойства которых обусловлены как их легирующими элементами, так и методами термической обработки). Его эксперименты по резанию пережевывали тонны материала заготовки, потребляли тысячи резцов и создавали горы стружки. Они были в значительной степени спонсированы Уильямом Селлерсом (директором Midvale Steel и верфи Cramp), а позже — Bethlehem Steel . [3] Тейлор не только разработал новые материалы для изготовления одноточечных резцов, но и определил оптимальную геометрию (передние углы, углы зазора, радиусы носа и т. д.). Он разработал уравнение Тейлора для ожидаемого срока службы инструмента . После Тейлора уже не считалось само собой разумеющимся, что черное искусство отдельных мастеров представляло собой высший уровень технологии металлообработки. Это было частью более крупной тенденции в 19-м и 20-м веках, когда наука смешивалась с искусством в материальной культуре повседневной жизни ( прикладная наука ).
Стеллит вскоре присоединился к быстрорежущим сталям в качестве материала для одноточечных резцов. Хотя алмазная токарная обработка существовала уже давно, только после появления этих новых дорогих металлов идея режущих пластин стала широко применяться в обработке. До этого большинство одноточечных резцов полностью выковывались из инструментальной стали (затем шлифовались на кончике). Теперь стало более распространенным прикреплять отдельный наконечник (из одного материала) к держателю (из другого). С развитием коммерчески доступных цементированных карбидов (1920-е годы) и керамических пластин (после Второй мировой войны) эта тенденция ускорилась, поскольку карбид и керамика стали еще дороже и еще меньше подходили для использования в качестве хвостовика. Однако технологическое развитие не сразу вытеснило старые способы. В период с 1900 по 1950 год для станочников все еще было не редкостью выковывать инструмент из углеродистой инструментальной стали.
Сегодня среди одноточечных фрез, используемых в массовом производстве (например, автомобильных деталей), вставные инструменты с использованием твердого сплава и керамики значительно превосходят по количеству инструменты из быстрорежущей стали или кобальта. В других контекстах обработки (например, в мастерских, инструментальных цехах и любительской практике) последние по-прежнему широко представлены. Была разработана целая система стандартных отраслевых обозначений для обозначения каждого типа геометрии вставок. Количество твердосплавных и керамических составов продолжает расширяться, а алмаз используется больше, чем когда-либо прежде. Скорости, подачи, глубины резания и температуры на границе раздела резания продолжают расти (последнее уравновешивается обильным охлаждением через жидкость, воздух или аэрозоли ), а время цикла продолжает сокращаться. Конкуренция между производителями продукции за снижение удельных затрат на производство постоянно стимулирует технологическое развитие производителей инструментов, пока затраты на НИОКР и амортизацию покупки инструментов ниже суммы денег, сэкономленной за счет повышения производительности (например, сокращение расходов на заработную плату).