Как уже указывалось ранее, принципиальная кинематическая схема при продольном точении состоит из двух движений (см. рис. 1.3 а):

· главного движения резания Dr – равномерного вращательного движения заготовки с числом оборотов в минуту (частотой вращения) – n, об/мин;

· движения подачи DS – поступательного движения резца вдоль или перпендикулярно оси заготовки со скоростью VS, которая является фактически минутной подачей резца – Sмин, мм/мин.

Комбинация скорости резания, подачи и глубины резания называется режимом резания. Определение их оптимальных значений и является целью работы инженера-технолога.

При точении чаще используется подача на один оборот заготовки, поскольку именно она определяет качество обработанной поверхности и размеры срезаемого слоя:.

В результате реализации движений резания и подачи с обрабатываемой поверхности заготовки отделяется слой материала глубиной t.

Пусть заготовка на рис. 1.3 а сделает один оборот. За это время резец переместится вдоль ее оси на расстояние s и поверхность резания 2 переместится в положение, показанное пунктиром. Слой материала, расположенный между этими положениями, будет срезан и превратится в стружку. Рассечем этот слой плоскостью, которая проходит через ось вращения заготовки. В сечении получим параллелограмм с основанием s (S0), высотой t и сторонами, наклоненными к направлению движения подачи под углом φ. Полученный параллелограмм называют сечением срезаемого слоя, а его размеры t и s – технологическими параметрами сечения срезаемого слоя.

Однако условия нагружения режущего лезвия при любом методе обработки более точно характеризуются физическими параметрами сечения срезаемого слоя: толщиной а и шириной b (рис. 1.25). Кроме них еще используется параметр – длина активной части режущей кромки – l. Физические и технологические параметры срезаемого слоя связаны между собой следующими соотношениями:

Как видно из приведенных формул, при тех же технологических размерах S и t физические параметры срезаемого слоя а и b зависят от главного угла в плане j. При его увеличении отношение b/a уменьшается и срезаемый слой становится толще и уже, не смотря на то, что площадь его сечения f=a×b=S×t остается такой же. Таким образом, физические параметры дают лучшее представление о форме сечения срезаемого слоя, чем технологические. Кроме этого, при некоторых методах обработки глубина резания как технологический размер срезаемого слоя может не существовать. Понятия же толщины и ширины срезаемого слоя имеют место всегда.

Сверление, равно как и точение, характеризуется принципиальной кинематической схемой, основанной на сочетании двух равномерных движений: вращательного и поступательного. Вращательное движение, совершаемое инструментом или заготовкой, является главным движением резания. При работе на сверлильных станках главное движение резания выполняет инструмент, а на станках токарной группы – заготовка.

Винтовые сверла предназначены для образования отверстия в сплошном материале (сверления отверстий) и (или) увеличения диаметра имеющегося отверстия (рассверливания), глубина которых не превышает десяти диаметров сверла. При сверлении такими сверлами можно получить поверхности 10 ... 12 квалитета точности с шероховатостью Ra = 10…20 мкм. Сверло состоит из рабочей и хвостовой частей (рис. 1.26). Хвостовая часть служит для базирования и закрепления сверла на станке.

Рабочая часть состоит из двух частей: режущей и калибрующей. На режущей части расположены два режущих лезвия сверла. Калибрующая часть сверла для уменьшения трения соприкасается с отверстием только по шлифованным винтовым ленточкам, которые расположены по краям винтовых канавок. Эти канавки служат для транспортировки стружки из зоны резания. Диаметр калибрующей части уменьшается от режущей части к хвостовику с целью уменьшения трения сверла с формируемой (обработанной) поверхностью. Эта конструктивная особенность называется обратной конусностью калибрующей части.

На рис. 1.27 изображено место перехода режущей части сверла в калибрующую. На поверхностях винтовых стружечных канавок 1 образуется и сходит стружка, т.е. они являются передними поверхностями сверла. Главную режущую кромку сверла 4 с достаточной точностью можно считать прямой линией. Поэтому передняя поверхность 1 являет собой линейчатую винтовую поверхность, которая плавно сопрягается с криволинейной винтовой поверхностью нерабочей части стружечной канавки, т.е. представляет собой винтовую поверхность, которая состоит из семейства винтовых линий, имеющих одинаковый шаг и разный диаметр.

Главные задние поверхности 2 в зависимости от способа заточки могут быть коническими, линейчатыми винтовыми поверхностями или плоскостями.

Часть ленточки 3 вблизи вершины сверла 8 является вспомогательной задней поверхностью. Для уменьшения трения между сверлом и стенкой отверстия спинка сверла 7 занижена относительно ленточки.

В результате пересечения главных задних поверхностей образуется переходная режущая кромка 5 длиной lп, наклоненная под углом ψ = 50…55° к проекции главной режущей кромки на торцевую плоскость. Кромка 5 называется поперечной режущей кромкой или перемычкой. Вспомогательная режущая кромка 6 является конической винтовой линией с очень малой конусностью. Таким образом, сверло имеет две передние, две главные и две вспомогательные задние поверхности, две главные и две вспомогательные режущие кромки и одну поперечную кромку.

Для большей прочности сверла главные режущие кромки размещены не в осевой плоскости, а симметрично смещены относительно оси сверла на расстояние r0 (рис. 1.28). Полученное центральное утолщение называют сердцевиной сверла.

Для сверла принято рассматривать статические углы режущей части. Поскольку у сверла есть две симметричных режущих кромки, то вместо угла φ для резца в основной плоскости сверла рассматривают угол при вершине 2φ, называемый двойной угол в плане. У стандартных сверл величина двойного угла в плане 2φ = 118…120°. У сверл специальных, проектируемых для определенной операции, величина угла 2φ зависит от твердости и прочности материала обрабатываемой заготовки, возрастая при увеличении последних. В этом случае угол 2φ может изменяться в пределах 90…140°.

Углом наклона винтовой канавки на максимальном диаметре ω называется угол между касательной к винтовой линии вспомогательной режущей кромки на калибрующей части и линией, параллельной оси сверла

Параметры сечения срезаемого слоя – толщина а и ширина b (из анализа рис. 1.29):

Фреза – многолезвийный инструмент с вращательным главным движением резания, применяемый для обработки плоскостей, пазов, шлицев, тел вращения, резьбы, фасонных поверхностей и разрезания заготовок. Одновременное участие в работе нескольких зубьев обеспечивает высокую производительность обработки.

Фреза являет собой тело вращения, на периферийной поверхности или на торце которого размещены режущие зубья. Невзирая на большое  разнообразие  фрез,  схема их работы соответствует цилиндрическому (периферийному) или торцевому фрезерованию (рис. 1.30).

При торцевом фрезеровании (см. рис. 1.30 а) ось фрезы перпендикулярна к обработанной поверхности. Кроме зубьев, расположенных на цилиндрической поверхности, работают также зубья, которые находятся на торце и формируют обработанную поверхность.

При цилиндрическом (периферийном) фрезеровании (см. рис. 1.30 б) ось фрезы параллельна обработанной поверхности, формирование которой выполняется зубьями, расположенными на цилиндрической (периферийной) поверхности фрезы. В некоторых случаях (например, фрезерование уступов или пазов) рассматривают смешанное (комбинированное) фрезерование (см. рис. 1.30 в), которое имеет признаки как периферийного, так и торцевого.

Цилиндрическая фреза – это цилиндрическое тело (см. рис. 1.30 б), на поверхности которого в продольном направлении прорезаны прямые или винтовые канавки 1 для размещения стружки. Часть канавки, по которой сходит стружка, является передней поверхностью 2 зуба фрезы, а другая часть, которая прилегает к поверхности цилиндра, – задней 3. Вместе они образуют главное режущее лезвие. На пересечении передней поверхности канавки с цилиндрической поверхностью образуются режущие кромки. Для более плавной работы фрезы и увеличения количества одновременно работающих зубьев стружечные канавки, как правило, делают винтовыми.

Фрезерование, равно как точение и сверление, характеризуется кинематической схемой, основанной на соединении двух равномерных движений: вращательного и поступательного.

Вращательное движение, осуществляемое инструментом – фрезой, является главным движением резания. Поступательное движение заготовки является движением подачи. Скорость этого движения определяют: минутной подачей Sмин, подачей на оборот s инструмента, и подачей на зуб фрезы Sz.

Значениями подачи на зуб Sz пользуются при теоретических исследованиях и расчете режимов резания при фрезеровании. В производственных условиях, например, при наладке фрезерных станков используют минутную подачу Sмин. Это связано с тем, что у большинства фрезерных станков отсутствует кинематическая связь между шпинделем и механизмом подачи, который имеет свой наладочный привод.

При фрезеровании возможны две комбинации направлений вращения фрезы и перемещения заготовки (рис. 1.31).

Если векторы скоростей резания V и подачи VS в точке В контакта с обработанной поверхностью направлены в противоположные стороны (рис. 1.31 б), то такое фрезерование называют встречным, а если в одну сторону (рис. 1.31 а) – попутным. Встречное и попутное фрезерование используется одинаково часто. 

Толщина слоя материала, который удаляется с заготовки за один проход, измеренная перпендикулярно обработанной поверхности, является глубиной резания t (рис. 1.32).

Мгновенное положение точки лезвия зуба фрезы на поверхности резания определяется мгновенным углом контакта θ, измеряемым от точки входа зуба в срезаемый слой. В сечении плоскостью, перпендикулярной к оси фрезы, мгновенная толщина срезаемого слоя а, определяемая как расстояние между соседними положениями   поверхности  резания,  может  быть  найдена из треугольника  q–n–p (рис. 1.32 а, б). Отмеченный треугольник с некоторым приближением можно считать прямоугольным с гипотенузой, равной подаче на зуб Sz. Угол треугольника q–n–p, лежащий напротив катета а, равняется мгновенному углу контакта θ.

Отсюда получаем:

a = Szsinθ.

Поскольку все точки режущей кромки фрезы лежат на цилиндрической поверхности резания, то мгновенная толщина срезаемого слоя для любого угла наклона винтовой канавки ω, в том числе и равного нулю, соответствует одинаковому мгновенному углу контакта и определяется тем самым отрезком pq, т.е. не зависит от угла ω.

Найдем мгновенную площадь f сечения срезаемого слоя для винтового лезвия зуба фрезы. Указанная площадь, очевидно, равняется площади эпюры, изображенной на рис. 1.32 а. Выберем на режущей кромке зуба точку на расстоянии х от ее конца. Элементарный участок кромки dx (см. рис. 1.32 в) срезает слой толщиной ах с поперечным сечением площадью df:

Мгновенное поперечное сечение слоя, срезаемого винтовым зубом фрезы:

Из последнего выражения видно, что в ходе движения зуба фрезы по поверхности резания площадь сечения  срезаемого слоя также является переменной.

Протяжка – инструмент, предназначенный для обработки плоскостей и фасонных замкнутых и незамкнутых поверхностей. Если необходимо получить только точные размеры протягиваемого контура, то такое протягивание называют свободным. Если протягивается контур, который должен быть расположен на определенном расстоянии от каких-либо поверхностей детали, протягивание называют координатным. Протяжки, предназначенные для обработки замкнутых контуров, называют внутренними, а незамкнутых – наружными.

Рабочая часть протяжки состоит из режущей и калибрующей частей (рис. 1.33). На режущей части расположены режущие зубья, которые снимают припуск, предусмотренный под протягивание. Для того чтобы режущие зубья могли последовательно срезать припуск тонкими слоями, каждый следующий зуб имеет превышение Sz над предыдущим, называемое подъемом на зуб или конструктивной подачей. Подъем на зуб может быть одинаковым для всех режущих зубьев или изменяться при переходе от одной группы зубьев к другой.

На калибрующей части расположены калибрующие зубья одинаковой высоты (подъем зубьев равняется нулю). Калибрующие зубья выполняют две функции: они калибруют контур, придавая ему окончательные размеры и форму, и служат резервом для режущих зубьев. После того, как последний режущий зуб в результате переточек потеряет свои размеры, первый калибрующий становится последним режущим зубом и т.д.

Важнейшим конструктивным элементом, который определяет эффективность работы протяжки, является подъем зубьев Sz. Установлено, что минимальный подъем зубьев протяжки не должен быть меньше радиуса округления ρ режущей кромки и обычно он составляет 0,02 мм. Только при заточке протяжки алмазными или кубонитовыми (эльборовыми) кругами минимальный подъем зубьев может быть уменьшен до 0,01 мм.

Стружка, срезаемая зубом протяжки, должна свободно разместиться в стружечной канавке. Если это не произойдет, то стружка заклинится в канавке, стружкообразование прекратится, что может привести к поломке зуба или всей протяжки. При нормальном протекании процесса резания стружечный валик в поперечном сечении имеет вид витков стружки, свернутых в спираль, которая напоминает спираль Архимеда. Эта стружка может разместиться в активной части стружечной канавки, очерченной кругом радиуса R = h/2 (рис. 1.34).

Статический передний угол протяжки, равно как и других инструментов, определяется прочностью и твердостью материала обрабатываемой заготовки, уменьшаясь при их увеличении. Его величина находится в пределах 5…25°. Особенностью внутренних протяжек является очень малая величина статического заднего угла, равная 3…4°. Последнее связано с желанием максимально сохранить размеры зубьев протяжки при переточках и уменьшить неизбежное изменение подъема зубьев. Для внешних протяжек, которые имеют элементы регулирования высоты зубьев, это ограничение на задний угол отсутствует. Для большей плавности врезания зубьев их наклоняют относительно направления главного движения, создавая таким образом статический угол λ (рис. 1.35).

Шаг и размеры калибрующих зубьев обычно делают такими же, как и режущих. Для того чтобы стружка скручивалась в стружечный валик, затем легче удалялась, на режущих зубьях протяжек, предназначенных для обработки пластичных материалов, делают стружкоделительные канавки (рис. 1.36). Благодаря таким канавкам стружечный валик делится на несколько частей шириной 8…10 мм, и в конце рабочего хода протяжки стружечные канавки легко очищаются от стружки.

Стружкоделительные канавки имеют треугольную форму с углом 60…90° и шириной 1...1,5 мм. При этом на каждой части разделенного режущего лезвия 1 образуются вспомогательные режущие кромки 2 (см. рис. 1.36). На соседних зубьях стружкоделительные канавки смещают по окружности в шахматном порядке. При обработке хрупких материалов благодаря образованию элементной или стружки надлома в стружкоделительных канавках нет необходимости.

Принципиальная кинематическая схема протягивания основывается на единственном прямолинейном движении, осуществляемом протяжкою или заготовкой. Это движение является главным движением резания, а скорость его определяет скорость резания. Движение подачи заложено в конструкции протяжки в виде подъема на зуб. Врезаясь, каждый зуб (см. рис. 1.33 и 1.34) как бы поднимается, осуществляя движение подачи. Поскольку это движение происходит без участия механизма подачи станка, такая подача называется конструктивной или скрытой, а подача на зуб протяжки численно равняется подъему режущих зубьев.

Размеры слоя материала, срезаемого зубом протяжки, определяются формой и размерами обрабатываемого контура, подъемом на зуб протяжки и схемой резания. Под схемой резания понимают последовательность срезания режущими зубьями протяжки припуска, предусмотренного под протягивание.

Схемы резания, применяемые при протягивании, можно классифицировать по двум признакам:

1) по способу профилирования протягиваемого контура;

2) по схеме срезания слоя каждым режущим зубом протяжки.

По первому признаку схемы резания разделяются на профильную и генераторную, а по второму – на схемы одинарного и группового резания.

Принципиальные отличия профильной и генераторной схем резания показаны на примере протягивания вогнутого дугового незамкнутого контура (см. рис. 1.37).

Профильная схема резания (см. рис. 1.37 а) характерна тем, что контур режущей кромки, которая очерчивает каждый зуб протяжки, по форме является копией обрабатываемого профиля. Окончательный контур детали формируется последней главной режущей кромкой.

При протягивании по генераторной схеме (см. рис. 1.37 б) каждый режущий зуб протяжки имеет три кромки: прямолинейную главную пр и две вспомогательных тп и pq, очерченных по форме обрабатываемого профиля. Форма главной режущей кромки для простоты изготовления протяжки, как правило, очерчивается прямой линией или дугой окружности. Слой материала, срезаемый любым режущим зубом, при прямолинейной форме главного лезвия являет собой полосу шириной b, равную рабочей длине главного лезвия, и постоянной толщины Sz, равной подъему на зуб протяжки. Контур детали в этом случае формируется не последним режущим зубом протяжки, а вспомогательными кромками всех ее режущих зубьев, т.е. генерируется частями. Протяжки, спроектированные по профильной схеме резания, называют профильными, а по генераторной схеме – генераторными. 

Протяжки, спроектированные по одинарной схеме резания, срезают стружку по всей длине профиля детали. По этому признаку изображенные на рис. 1.37 профильная и генераторная схемы являются схемами одинарного резания. Длина такого контура (а, значит, силы резания) может быть значительной, что вынуждает уменьшать подъем на зуб, а соответственно – увеличивать число режущих зубьев и длину протяжки.

У протяжек, спроектированных по схеме группового резания (протяжки переменного резания), стружка толщиной Sz срезается не одним зубом, а группой зубьев, каждый из которых имеет одинаковую высоту, но срезает только часть слоя по ширине.