Скорости резания, допускаемые станками и инструментом, в м/мин

 

Станки	Скорость резания			Перспективы увеличения скорости резания на ближайшие годы
	допускаемая станками	допускаемая инструментом	фактически применяемая в промышленности	допускаемой станками	допускаемой инструментом
Токарные	400-600	150-400 (твердый сплав) 400-500 (минералокерамика)	50-150	400-600	200-500 (твердый сплав) 500-600 (минералокерамика)
Расточные	300-500	125-200	50-85	300-500	200-400
Сверлильные	50-100	40-80 (твердый сплав) 15-30 (быстрорежущая сталь)	30-60   15-80	50-120   –	50-100   20-40
Фрезерные	400-500	150-300	50-150	400-500	200-400
Зубофрезерные	40-50	20-35	16-35	160	20-50 (быстрорежущая сталь) 60-150 (твердый сплав и кобальтовая сталь)
Строгальные	50-75	50-80 (твердый сплав) 20-50 (быстрорежущая сталь)	40-60   15-30	75   –	50-100   –
Протяжные: – наружные – внутренние	14 11	30-40 5-11	6-12 5-8	15-20 11-13	15-20 11-13
Шлифовальные (м/с)	35	35-50	25-35	50	50

 

При проектном расчете режимов резания для универсальных станков в качестве исходного материала следует выбирать: малоуглеродистую сталь НВ £ 170, s_в £ 60 × 10⁷ МПа (при определении V _max) и высокопрочную легированную сталь НВ ³ 170, s_в ³ 75 × 10⁷ МПа (при определении V _min); размеры заготовки (в виде поковки пли проката) – максимально допустимые на проектируемый станок; припуски на механическую обработку. При выборе в качестве исходного материала жаропрочных, нержавеющих сталей и сплавов, неметаллических материалов следует учитывать коэффициенты их обрабатываемости, оптимально допустимые скорости резания и подачи.

При выборе характеристик режущего инструмента на проектируемый станок следует учитывать: геометрические параметры и тип инструмента, размеры сечения стержней и державок по нормативным данным и стандартам, материал режущей части, вид обработки (черновая или чистовая), жесткость системы «станок – деталь – инструмент» и другие условия резания. При проектировании универсальных станков должны быть выявлены все инструменты, которые могут применяться на нем. Если станок специальный или специализированный, то выбор инструментов определяется выполняемыми на нем операциями.

При выборе предельных значений режимов резания (V, s) следует учитывать особенности одноинструментной, многоинструментной обработки и степень автоматизации проектируемого станка. Режимы резания для универсальных станков выбирают на основе анализа технологических процессов обработки типовых деталей из материалов с различными физико-механическими свойствами, с учетом совершенствования режущего инструмента и прогресса технологии механической обработки.

При выборе режимов резания для многоинструментной обработки следует исходить из условия установления периодов стойкости инструментов, обеспечивающих экономическую рентабельность режима работы проектируемого станка, т.е. из условия наибольшей производительности или наименьшей себестоимости обработки.

Исходными данными для расчета режимов резания и времени обработки на агрегатных станках и автоматических линиях служат: производительность, коэффициент использования автоматического оборудования и ритм работы автоматической линии и агрегатного станка.

На основе изложенного далее приводится общая методика определения предельных значений скоростей резания V _max и V _min и подач s _max и s _min с учетом особенностей отдельных типов станков. В общем случае при определении режимов резания следует пользоваться эмпирическими зависимостями и табличными данными.

Станки с вращательным главным движением. К этой группе относятся токарные, револьверные, карусельные, сверлильные, фрезерные, расточные, шлифовальные, полировальные, заточные и разрезные станки.

Для определения основных технических характеристик станка вначале находятся предельные частоты вращения шпинделя, а затем промежуточные.

Предельные частоты вращения шпинделя n _max и n _min определяются по формулам:

 

;

 

,

 

где V _max и V _min – предельные скорости резания, м/мин; d _max и d _min – предельные диаметры обработки (или инструментов), мм.

При определении n _max и n _min универсальных станков вместо d _max и d _min в формулы подставляют расчетные значения d _{max расч} и d _{min расч}.

Предельные скорости резания выбираются в соответствии с рекомендациями, изложенными в справочной литературе. Максимальный диаметр обработки (или инструмента) по некоторым группам станков регламентируется соответствующими ГОСТами. Для специальных станков, а в некоторых случаях и для специализированных, диаметры принимаются исходя из фактических размеров обрабатываемых деталей.

Для выбора промежуточных частот вращения шпинделя требуется определить диапазон регулирования частот вращения, знаменатель ряда j _n и число ступеней скорости z _n.

Отношение предельных значений частот вращения называется диапазоном регулирования, т.е.

 

.

 

Если в эту формулу подставить значения n _max и n _min, то получим

 

,

 

где

 

 и .

 

Отсюда следует, что диапазон регулирования частот вращения шпинделя зависит только от отношений предельных скоростей резания и предельных диаметров обработки. Учитывая возможное совершенствование режущих инструментов и технологии обработки, значение R_n для проектируемого станка увеличивают примерно на 25%, соответственно изменяя верхний предел n _max. Знаменатель ряда , а . Промежуточные значения частот вращения шпинделя принято располагать по закону геометрической прогрессии.

Величины подач в металлорежущих станках в зависимости от требований, предъявляемых к механизму подачи, могут регулироваться в широком диапазоне как ступенчато, так и бесступенчато.

Цепи подачи могут приводиться от общего с цепью главного движения (например, в случае необходимости получения так называемой оборотной подачи, или на токарно-винторезных станках при нарезании резьбы, когда за каждый оборот шпинделя резец должен переместиться точно на шаг резьбы) и от самостоятельного источника движения. Это надо учитывать при разработке кинематической схемы и определении основных технических характеристик станка.

Рекомендуется располагать подачи по геометрическому ряду. В этом случае формулы для определения диапазона регулирования подач R_s, знаменателя ряда подач j _s, числа ступеней подачи z_s подобны соответствующим формулам для цепи главного движения, т.е.

 

, , ,

 

где s _max и s _min – предельные значения подачи, которые выбираются из соответствующих нормативов в зависимости от вида обработки.

Значения знаменателя ряда подач j _s и величины подач s берутся из нормативных справочников. Вычисленное по формулам число ступеней z_s округляется до целого числа, а знаменатель ряда j _s – до ближайшего нормализованного значения. Соответственно изменяется и диапазон регулирования R_s. При выборе значений j _s и z_s руководствуются в основном теми же правилами, что и для цепей главного движения. Отклонение фактических значений подач от выбранных нормальных допускается в пределах ±10 (j – 1)%.

В станках с периодической подачей (продольно-строгальные, поперечно-строгальные, долбежные и др.), когда она осуществляется от храпового механизма, подачи располагаются по арифметическому ряду. Из свойств арифметического ряда следует, что

 

; ;

…

.

 

В этих выражениях С – разность арифметического ряда. Она определяется по формуле

 

,

 

где  – максимальная подача;  – минимальная подача; z_s – число ступеней подачи.

Зная предельные значения подач s _max и s _min и выбрав число ступеней подачи z_s, по формуле можно определить разность арифметического ряда С и затем все промежуточные значения подачи.

К цепям подач токарно-винторезных станков предъявляется дополнительное требование обеспечения возможности точного получения нужного соотношения скоростей вращательного движения заготовки и поступательного перемещения инструмента. Это соотношение должно быть пропорционально шагу нарезаемых резьб.

Шаги резьб образуют ряд, близкий к арифметическому. В этом случае цепь подач строится в соответствии с номенклатурой резьб, нарезаемых на станке. Шаги резьб вписывают в определенной последовательности в таблицу и затем разрабатывают кинематическую схему и конструкцию коробки, обеспечивающие требуемые скорости перемещения инструмента.

В станках с настройкой цепи подач сменными колесами (автоматы, полуавтоматы, специальные станки) подачи располагают обычно по геометрическому ряду. Оптимальные подачи устанавливают при помощи сменных колес, которые конструктор предусматривает при проектировании станка. Если в эксплуатационных условиях возникает необходимость получить другие величины подач, то изготавливают новые сменные колеса. Настройка кинематической цепи при помощи сменных колес позволяет получить любой закон изменения передаточных отношений.

При бесступенчатом регулировании подач (электрическом, механическом, гидравлическом) определяются предельные подачи, и в зависимости от диапазона регулирования R_s выбирают тип привода. В табл. 2.2 приведены наиболее распространенные значения R_s и z_s для станков различных типов.

 

Таблица 2.2

 

Значения R_s и z_s

Группа станков	Rs	zs
Токарные	10-60	24-60
Токарно-револьверные	20-40	6-16
Карусельные	20-50	8-16
Токарные лобовые	6-10	3-6
Вертикально-сверлильные	4-25	3-8
Радиально-сверлильные	5-30	4-18
Горизонтально-расточные универсальные	30-150	8-18
Сверлильно-расточные высокоточные	4-20	3-9
Фрезерные	25-60	12-18
Круглошлифовальные (круговая подача)	4-10	4-12
Внутришлифовальные (круговая подача)	1,5-4	4-6
Поперечно-строгальные	10-18	кулачковые механизмы
Поперечно-строгальные	3-40	храповые механизмы
Долбежные: – прямолинейная подача, – круговая подача	3-40 4-80

 

С цепями подач современных станков, как правило, сопрягают цепи передач для быстрых (ускоренных) перемещений исполнительных органов станка. Эти цепи могут иметь отдельный (вспомогательный) двигатель или приводиться от общего двигатели. Цепь быстрого (ускоренного) перемещения обычно присоединяют к цепи подач в конце этой цепи, близ тягового вала. Могут быть и другие схемы ускоренных перемещений (рис. 2.1).

 

 

                     а)                                                                     г)        

 

                     б)                                                                    д)

                                                                                                 

 

в)

 

Рис. 2.1. Схемы быстрых перемещений:

а – от общего двигателя; б – разветвления кинематической цепи;

в – двумя двигателями; г – дополнительным двигателем через муфту обгона;

д – суммирующим устройством

 

Предварительное определение мощности электродвигателя

 

До начала разработки кинематической схемы станка следует приближенно определить мощность электродвигателя, так как она влияет на выбор типов передач в кинематических цепях. После разработки кинематической схемы, конструкции узлов и более точного определения КПД станка мощность электродвигателя уточняется.

Рассчитанная мощность привода должна быть окончательно выбрана после сравнения с мощностью нескольких аналогичных станков современной конструкции. Это необходимо для того, чтобы убедиться в правильности выбора, так как в формулы, по которым определяют силу резания, входящую в выражения для определения эффективной мощности, введены приближенные коэффициенты. Кроме того, при проектировании не всегда можно точно учесть условия эксплуатации станка. После определения мощности, в зависимости от назначения электродвигателя и необходимых частот вращения, по соответствующим каталогам подбирают тип электродвигателя.

Для обеспечения процессов резания с учетом потерь в приводе мощность двигателя в станке следует определять по формуле

 

,

где N _э – эффективная мощность резания;  – мощность, расходуемая на преодоление вредных сопротивлений, причем N ₁ – постоянные, не зависящие от нагрузки потери холостого хода; N ₂ – дополнительные потери, появляющиеся при передаче полезной мощности [10, 19].

Эффективную мощность резания определяют в соответствии с режимами обработки:

 

,

 

где F_z – тангенциальная составляющая силы резания, Н; V – скорость резания, м/мин.

Мощность электродвигателя главного движения

 

,

 

где  – КПД цепи главного движения.

Учитывая возможность перегрузки электродвигателя на 25% для универсальных, а в некоторых случаях и для специализированных станков, можно принять

 

.

 

При предварительном определении мощности электродвигателя  можно принимать по аналогии с существующими станками сходных типоразмеров или из опытных данных. Если имеется возможность предварительно наметить кинематику, то, зная КПД отдельных элементов , общий КПД можно подсчитать по формуле

 

,

 

где a, b, c – число ременных, зубчатых передач и подшипников; , ,  – значения их КПД.

При определении общего КПД по этой формуле необходимо учитывать следующее:

1. КПД передач, указанные далее, соответствуют передаваемой расчетной мощности (при меньших мощностях КПД ниже):

Ременная передача:

без натяжного ролика.....................................................   0,98

с натяжным роликом......................................................   0,97

перекрестная....................................................................   0,90

клиноременная................................................................   0,96

Зубчатая передача:                                                  

цилиндрическая со шлифованными зубьями.................   0,99

цилиндрическая с нешлифованными зубьями................   0,98

коническая........................................................................   0,97

Червячная (КПД подсчитывают в каждом конкретном случае) 0,7-0,9

Цепная передача:

роликовой цепью.............................................................   0,96

зубчатой цепью...............................................................   0,97

Подшипники качения..........................................................   0,995

Подшипники скольжения:

при особо хорошей, например, принудительной смазке      0,985

при нормальной смазке..................................................   0,98

Кулиса и ползун в поперечно-строгальных и долбежных станках 0,90

2. КПД не одинаков для различных скоростей последнего звена цепи и зависит от числа (типа) участвующих передач.

3. Высокие частоты вращения, нагрев, вибрации и другие причины в различной степени влияют на КПД.

При предварительных расчетах по формулам можно принимать  для станков с вращательным главным движением и  для станков с возвратно-поступательным главным движением [18].

Если в проектируемом станке предусматривается только один электродвигатель, то при определении его мощности должна быть учтена мощность, расходуемая в цепях подач и вспомогательных движений. Мощность, потребная на подачу, обычно невелика: для токарных и револьверных станков она составляет 3-4%, для сверлильных 4-5%, для фрезерных 15-20% мощности привода главного движения. Если же подача и другие движения осуществляются от отдельных электродвигателей, то для каждой кинематической цепи потребную мощность подсчитывают отдельно.

Мощность N_s, потребная на подачу, определяется по формуле

 

 кВт,

 

где  – КПД цепи подач;

 

 кВт,

где Q – тяговая сила подачи, Н; V_s – скорость подачи, мм/мин.

Тяговую силу Q можно определить по нормативам.

Для продольных суппортов токарных станков с призматическими или комбинированными направляющими

 

.

Для продольных суппортов токарных и револьверных станков и столов фрезерных станков с прямоугольными направляющими

 

.

 

Для столов фрезерных станков с направляющими в форме ласточкина хвоста

 

.

 

Для шпинделей сверлильных станков

 

,

 

где Р_х – составляющая силы резания в направлении подачи, Н; Р _z – составляющая силы резания, прижимающая каретку суппорта или стол к направляющим, Н; Р _y – составляющая силы резания, отрывающая каретку или стол от направляющих, Н; G – вес перемещаемых частей, Н; M _к – крутящий момент на шпинделе, Н × мм; d – диаметр шпинделя, мм; f – коэффициент трения между пинолью и корпусом и на шлицах или шпонках шпинделя; f ¢ – приведенный коэффициент трения на направляющих; k – коэффициент, учитывающий влияние опрокидывающего момента.

Значение коэффициентов трения f ¢ при нормальных условиях смазки направляющих неодинаково: для токарных станков с призматическими или комбинированными направляющими k = 1,15 и , для токарных и револьверных станков с прямоугольными направляющими k = 1,1 и f ¢ = 0,15, для столов фрезерных станков k = 1,4 и f ¢ = 0,2, для пинолей сверлильных станков f = 0,15.