Расчёт режимов резания при резьбонарезании

Основные параметры

Одна из главных задач технологической подготовки производства при токарных работах — это определение рациональных режимов резания. При их расчете должны учитываться особенности обрабатываемого изделия и возможности станочного парка, а также наличие соответствующего инструмента, приспособлений и оснастки. Компоновка узлов и агрегатов токарного станка позволяет реализовать два определяющих вида движения, которые формируют заданную конфигурацию поверхностей детали: вращение заготовки (главное движение) и перемещение резца вглубь и вдоль поверхности детали (подача). Поэтому основными технологическими параметрами для токарного оборудования являются:

• глубина резания;
• подача и обороты шпинделя;
• скорость резания.

Существует взаимовлияние режимов резания и основных элементов производственной экономики. Среди них самые значимые — это:

• производительность оборудования;
• качественные показатели производства;
• стоимость выпускаемых изделий;
• износ оборудования;
• стойкость инструмента;
• безопасность труда.

Понятие о режимах резания

Точение на предельных режимах повышает производительность токарного оборудования. Однако такая работа станков не всегда возможна и целесообразна, т.к. существуют ограничения в виде предельной мощности главного привода, жесткости и прочности обрабатываемых изделий, а также технологических параметров инструмента и оснастки.

При неправильном расчете или подборе технологических параметров работа на высоких скоростях может вызвать повышенную вибрацию и разбалансировку отдельных механизмов токарного станка. Это приводит к понижению точности и повторяемости размеров изделий. Кроме этого повышается риск поломки инструмента и выхода из строя станка.

Глубина

Припуск — это толщина металла, удаляемого токарным резцом с заготовки до достижения ею чистового размера. При обточке и расточке он удаляется поэтапно за заданное число резов. Толщина металла, удаляемого за единичный проход резца, в механообработке носит название глубина резания и измеряется в миллиметрах. В технологических расчетах и таблицах этот параметр обозначают буквой t.

При операциях обточки она равна 1/2 разности диаметров перед и после обточки детали и вычисляется по формуле:

t = (D-d)/2,

где t – глубина резания; D — диаметр заготовки; d – заданный диаметр детали.

При операциях подрезки — это размер слоя металла, удаляемого с торца заготовки за единичный проход резца, а при проточке и отрезке — глубина канавки.

Глубина резания

В идеальном случае на удаление припуска требуется один проход резца. Но в реальности токарный процесс, как правило, включает в себя черновой и чистовой этап обработки (а для поверхностей с повышенной точностью – и получистовой). При хороших характеристиках и форме заготовки обе эти операции выполняются за два-три прохода.

Подача

Подача при токарной обработке — это длина пути при поперечном перемещении режущей кромки резца, совершаемом ей за единичный оборот шпинделя. Ее измеряют в мм/об, в технологической документации обозначают буквой S и подбирают по технологическим справочникам. Величина подачи зависит от мощности главного привода, значения t, габаритов и физических свойств обрабатываемой заготовки. При точении она рассчитывается по формуле:

S=(0,05…0,25) ×t,

При операции точения подача на токарном станке должна устанавливаться на максимально возможное число, но с учетом технологических параметров станка и применяемого инструмента. При операциях по черновому точению она зависит от мощности главного привода и устойчивости детали. А при чистовом точении основным критерием является заданный класс шероховатость поверхности.

Скорость

Скорость резания при токарной обработке — это суммарная траектория режущей кромки резца за единицу времени. Ее размерность — в м/мин, а в таблицах и расчетах ее обозначают буквой v и подбирают по технологической документации или рассчитывают по формулам. В последнем случае расчет происходит в следующей последовательности:

• вычисляется величина t;
• по справочнику выбирается значение S;
• определяется табличное значение vт;
• рассчитывается уточненное значение vут (умножением на корректирующие коэффициенты);
• с учетом скорости вращения шпинделя выбирается фактическое значение vф.

Скорость резания

Этот параметр является одной из основных характеристик производительности металлорежущего оборудования и напрямую влияет на эксплуатационные режимы работы токарного станка, износ инструмента и качество обрабатываемой поверхности.

Формулы и определения для точения резьбы

Глубина врезания

Благодаря обработке полной глубины врезания за несколько проходов, радиус при вершине режущей пластины не перегружается.

Пример: если глубина врезания (радиальное врезание) за проход составит 0,23–0,10 мм, то общая глубина (a_p) и глубина профиля (0,94 мм) у метрической резьбы с шагом 1,5 мм будет обработана за 6 проходов (nap).

 

​	1-й проход, глубина врезания0,23 мм
	​
​	= 0,009″
​	​
​	​
​	2-й проход, глубина врезания0,42 – 0,23 = 0,19 мм
	​
​	0,017 – 0,009 ​= 0,008″
	​
	​
​	3-й проход, глубина врезания0,59 – 0,42 = 0,17 мм
	​
​	0,023 – 0,017 = 0,006″​
	​
​	4-й проход, глубина врезания0,73 – 0,59 = 0,14 мм
	​
​	0,029 – 0,023 = 0,006″​
	​
​	5-й проход, глубина врезания0,84 – 0,73 = 0,11 мм
	​
​	0,033 – 0,029 = 0,004″​
	​
​	6-й проход, глубина врезания0,94 – 0,84 = 0,10 мм
	​
​	0,037 – 0,033 = 0,004″​

Глубину врезания можно вычислить по формуле:

Δa_p = радиальное врезание, глубина резания за проход

X = номер прохода (последовательно от 1 дo nap)

a_p = общая глубина резьбы + припуск на механическую обработку

nap = количество проходов

Y = 1-й проход = 0,3

       2-й проход = 1

       3-й проход и далее = x-1

Шаг 1,5 ммa_p = 0,94 ммnap = 6

γ₁ = 0,3 γ₂ =1 γ_n = x-1

Параметр	Значение	Метрические единицы	Дюймовые единицы
​ap​	Глубина врезания, полная глубина резания	мм​	дюймы
n​	Частота вращения шпинделя	об/мин	об/мин
Vc​	Скорость резания	м/мин	​​
nap​	Число проходов	​	​

1. ВпадинаПоверхность у основания, соединяющая две соседние боковые стороны профиля
2. Боковая сторона профиляПоверхность резьбы, соединяющая вершину и впадину профиля
3. ВершинаПоверхность, соединяющая две боковые стороны профиля на наружном диаметре

P = шаг резьбы в мм или нитках на дюйм

Расстояние между двумя соответствующими точками соседних витков, измеренное параллельно оси резьбы.

β = угол профиля резьбы

Угол между боковыми сторонами профиля, измеренный в осевой плоскости.

φ = угол подъёма винтовой линии резьбы

Угол, образованный касательной к винтовой линии резьбы в точках, лежащих на среднем диаметре, и плоскостью, перпендикулярной оси резьбы.

Параметры диаметра

d = наружный диаметр наружной резьбы

D = наружный диаметр внутренней резьбы

d₁ = внутренний диаметр наружной резьбы

D₁ = внутренний диаметр внутренней резьбы

d₂ = средний диаметр наружной резьбы

D₂ = средний диаметр внутренней резьбы

Эффективный диаметр винтовой резьбы находится приблизительно посредине между наружным и внутренним диаметрами.

Угол подъёма резьбы

Угол подъёма резьбы (φ) зависит от диаметра и шага резьбы Этот параметр можно представить в виде развёртки прямоугольного треугольника. Угол подъёма резьбы вычисляется по приведённой ниже формуле.

Универсальные резьбовые токарные резцы

Как понятно из названия данный тип резцов служит для нарезания резьбы на деталях. Резьба бывает наружная и внутренняя, так и токарные резцы подразделяются на два вида, для наружной обработки и для внутренней.

Токарные резец для наружной резьбы представлен на картинке ниже.

Токарные резец для обработки наружной резьбы.

И следом токарные резец для обработки внутренней резьбы.

Токарный резец для обработки внутренней резьбы.

Стоит отметить что токарными резцами для обработки внутренних диаметров
можно нарезать резьбу в отверстиях достаточно большого диаметра. Это
объясняется геометрическими параметрами державки резца.

Еще по резьбовым токарным резцам стоит отметить, как и в общем по всем
универсальным, что их нельзя использовать сразу, принеся с магазина, их нужно
правильно заточить.

Резьбовые резцы в зависимости профиля резьбы обычно затачиваются под 60
градусов для метрической резьбы и 55 градусов для дюймовой. Заточку резьбовых
резцов проводят с помощью специального шаблона.

Шаблон для заточки резьбовых резцов.

Далее переходим к современным типам токарных резьбовых резцов со
сменной пластиной.

Современные резьбовые токарные резцы

Они в основном используются на станках с ЧПУ и имеют конструкцию, состоящую из державки и сменной пластины, данная пластина подбирается в зависимости от профиля резьбы.

Резьбовые токарные резцы для станков с ЧПУ

Токарные резьбовые резцы для станков с ЧПУ также подразделяться на наружные и внутренние. Их назначение точно такое же, как и у универсальных резьбовых токарных резцов   

Современные резьбовой токарный резец для наружной обработки на картинке
ниже

Резьбовой токарный резец для наружной обработки

 И резец со сменной пластиной для
обработки внутренней резьбы.

Резьбовой резец для станков с ЧПУ для обработки внутренней резьбы

Представленные выше резцы имеют обозначения: 266RFG-2525-16 и 266RKF-20-16

Далее мы откроем модели данных резцов в SolidWorks и посмотрим видео анимацию
обработки этими резцами.

Контроль качества

Чтобы удостовериться в том, что заготовка была обработана правильно, необходимо воспользоваться резьбовыми шаблонами. С их помощью проверяется шаг резьбы.

Но для комплексной оценки применяется резьбовой калибр. Для удобства его устанавливают в стойке, и настраивают по эталону или шаблону, затем проверяется ход самой детали.

Также можно воспользоваться самым простым и часто используемым методом. Берётся гайка или болт, и прокручивается по выполненной детали.

Если походу движения на резьбе заметны задиры, или нужно прикладывать больше усилий, тогда вы допустили погрешность в работе. Теперь вы уже знаете, как пользоваться токарным станком для выполнения различных гаек, болтов или резьбовых соединений.

Важно помнить, что такие детали, требуют к себе большой осторожности и нежности при каждом проходе, и даже проверки качества. Лучше потратить больше времени на работу, чем потом испортить несколько заготовок

Технология использования метчиков и плашек

При помощи метчиков, представляющих собой винт с несколькими продольными канавками, которые формируют режущие кромки и способствуют отводу стружки, на токарном станке нарезают преимущественно метрические резьбы в отверстиях небольшого диаметра. Если для нарезания резьбы используются машинные метчики, то операция выполняется за один проход.

Машинные метчики отличаются от обычных тем, что они состоят из двух частей – заборной и калибровочной. Если для нарезания резьбы с помощью токарного станка используются обыкновенные метчики, то технология выполнения этого процесса предполагает применение набора инструментов. Набор для нарезания внутренней резьбы включает в себя три типа метчиков: черновой, который выполняет 60% работы, получистовой (30%), чистовой (10%). Иногда в таком наборе может быть два инструмента: черновой, выполняющий 75% работы, и чистовой, на который приходится 25% работы. Чтобы отличить черновой метчик от чистового, достаточно посмотреть на его заборную часть: она у него значительно длиннее, чем у чистового.

Конструкция метчика для нарезания резьбы

Скорость нарезания резьбы на токарном станке с использованием метчиков может быть достаточно высокой:

• 6–22 м в минуту – для деталей, изготовленных из чугуна, бронзы и алюминия;
• 5–12 м в минуту – для стальных заготовок.

При помощи плашек, представляющих собой кольцо с внутренней резьбой и несколькими  стружечными канавками, наружную резьбу делают на винтах, болтах и шпильках. Поверхность детали должна быть предварительно обточена на величину требуемого диаметра, который обязательно должен учитывать допуск:

• 0,14–0,28 мм – для резьбы, диаметр которой составляет 20–30 мм;
• 0,12–0,24 мм – для резьбы с диаметром 11–18 мм;
• 0,1–0,2 мм – для резьбы, имеющей диаметр 6–10 мм.

Плашки, которыми нарезается наружная резьба, закрепляются в специальном патроне (плашкодержателе), расположенном в пиноли задней бабки токарного станка.

Плашки для нарезания резьбы

 Используя плашки, резьбу нарезают со следующими скоростями (их настройка также учитывает минимальный износ инструмента в ходе работы):

• 10–15 м в минуту – на изделиях, выполненных из латуни;
• 2–3 м в минуту – на чугунных деталях;
• 3–4 м в минуту – на заготовках из стали.

Технология накатки резьбы

Резьба формируется в результате пластических деформаций металла. Инструмент с большим усилием вдавливается в тело заготовки, сталь выдавливается во впадины. 

Для накатывания применяются следующие инструменты и приспособления:

• Ролики. Могут использоваться два или три приспособления, имеют осевую, радиальную или тангенциальную подачу. 

• Резьбонакатные головки. Сложное по конструкции, но высокопроизводительное оборудование. Ограничение – длина резьбы не может превышать ширину роликов головки.

• Плоские плашки. Самое простое в изготовлении оборудование, длина резьбы не ограничивается. Применяются для создания метизов диfметром от 25 мм. 

• Ролик-сегмент. Довольно сложные приспособления, позволяют получать соединения и высокой точностью параметров. 

• Безстружечные метчики. Применяются редко из-за недостаточных параметров по качеству поверхности резьбы. 

С точки зрения металлообработки, прокатка резьбы считается одним из способов холодной ковки – заготовка попадает между штампами. Пластическая деформация имеет прямую зависимость от максимального процента удлинения (пластичности) и текучести металла. Накатывать резьбу можно лишь на заготовках из сплавов с коэффициентом удлинения ≥ 12%. Еще один фактор, оказывающий влияние на возможность накатывания резьбы – твердость. Значение зависит от микроструктуры материала. 

Типы и свойства резцов

Классификация

На практике применяются резцы для наружной и внутренней резьбы с державкой прямоугольного сечения. Реже встречаются дисковые, призматические, затачиваемые по передней поверхности. Рабочий профиль у всех соответствует размерам винтовой канавки. По направлению нарезаемой спирали выпускают левые и правые.

Различают цельные и сборные инструменты. Первые, преимущественно изготовлены из быстрорежущей стали, небольшого сечения или дисковые. Основная масса оснащается режущими пластинами, закреплёнными пайкой тугоплавким припоем или механическим способом, допускающим замену при износе.

Резцы резьбовые: наружный (черт. 1), внутренний (черт. 2)

Глубина врезания за проход

Рекомендации по глубине врезания можно найти в каталоге или в ToolGuide. Эти значения рекомендуются в качестве начальных, при этом необходимо подобрать оптимальное количество проходов для каждой конкретной операции точения резьбы.

• Избегайте глубины врезания менее 0,05 мм
• Для пластин со вставками из кубического нитрида бора глубина врезания не должна превышать 0,10 мм
• Для многозубых пластин необходимо в точности следовать рекомендациям по глубине врезания

Уменьшение глубины врезания (постоянная площадь сечения стружки)

Уменьшение глубины врезания за проход – самый популярный способ улучшить результат обработки и первый выбор на всех операциях точения резьбы.

• Первый проход должен быть самым глубоким, а последний – около 0,07 мм
• Даёт равномерную нагрузку на пластину и более «сбалансированную» площадь сечения стружки

Постоянная глубина врезания за проход

При постоянной глубине врезания каждый проход (кроме последнего) будет осуществляться с одинаковой глубиной врезания независимо от количества проходов. Этот вариант является менее производительным.

• Повышает необходимое количество проходов
• Более высокая нагрузка на пластину
• Может обеспечить более оптимальный контроль над стружкодроблением
• Не рекомендуется использовать при обработке резьб с шагом более 1,5 мм или 16 ниток на дюйм

Циклы точения резьбы на станках с ЧПУ

Стандартные токарные станки с ЧПУ имеют специализированные циклы точения резьбы, где шаг, глубина резьбы и количество проходов можно задать различными способами, включая программирование первого и последнего проходов.

Для последнего прохода настоятельно рекомендуется не использовать зачистной проход (при котором глубина резания последнего прохода равна глубине резания предыдущего). Более оптимально использовать рекомендуемые циклы врезания для обеспечения высокого качества резьбы и стойкости пластины.

Заключение

Имея минимальные технические знания можно сопоставлять реальные преимущества и недостатки накатанной резьбы перед нарезной. 

Преимущества резьбонакатки

• Высокая производительность оборудования. Это очень положительно влияет на себестоимость продукции, уменьшает время окупаемости приспособлений и штампов, увеличивает чистую прибыль. Кроме того, в условиях жесткой конкуренции предприятия имеют возможность спокойно существовать за счет возможности регулирования отпускной цены продукции. 

• Меньшая масса болта, минимизация количества непродуктивных отходов. Еще один плюс – уменьшенная площадь поверхности метиза сокращает потери на мероприятия по антикоррозионной защите, транспортировке больших партий и т. д. 

• Процесс прокатки повышает прочность резьбы и улучшает показатели гладкости. Мягкое деформационное воздействие уменьшает общую нагрузку на металл. Во время точения она может достигать высоких значений и негативно влиять на прочность тела болта. 

Недостатки резьбонакатки

• Ограничения по максимальному и минимальному диаметру заготовки. 

• Проблемы с изготовлением специальных приспособлений и оборудования. 

• Относительно быстрый износ острых торцевых фасок. Возможно выкрашивание рабочей области при неправильно подобранной марке стали. Явления имеют негативные последствия, в некоторых случаях необходима остановка производства для замены оборудования. 

С инженерной точки зрения технические параметры накатанной резьбы намного превосходят нарезанную. Но на окончательный выбор влияют не только технологические расчеты, но и экономическая целесообразность. Надо знать максимальное количество производственных факторов и лишь после их внимательного анализа принимать окончательное решение.