Расчёт режимов резания при резьбонарезании
Нарезание резьбы производят: резьбовыми резцами, круглыми плашками, резьбовыми головками, гребенчатыми и дисковыми фрезами. В данной работе, в основном, рассматривается многопроходный цикл нарезания резьбы резцами.
Глубина резания и подача.
При нарезании резьбы резцами различают продольную подачу S, равную шагу резьбы Р и глубину резания t равную высоте профиля резьбы, делённую на количество рабочих ходов (проходов) резца. Если шаг резьбыР 2,5 мм, черновые ходы выполняют по генераторной схеме с поперечной подачей Sб, параллельной боковой стороне резьбового профиля (рис. 1,б), оставляя припуск е на чистовые рабочие ходы, срезаемые по профильной схеме. Число рабочих ходов i выбирают по табл. 24.
Метчики, плашки, и резьбовые головки работают с самоподачей.
Рис. 1. Схемы нарезания резьбового профиля резцом: а)профильная, б)генераторная
Скорость резания
Скорость резания, м/мин, при нарезании крепежной резьбы резцами с пластинами из твердого сплава
(27)
при нарезании резьбы метчиками или плашками
(28)
Значения коэффициента Сv и показателей степени приведены в табл. 25.
Общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания,
(29)
— коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала (табл. 26);
— коэффициент, учитывающий материал режущей части инструмента (табл. 26);
— коэффициент, учитывающий способ нарезания резьбы (принимают равным 1,0, если резьба нарезается черновым и чистовым резцами; и 0,75, если резьба нарезается одним чистовым резцом).
По расчётной скорости резания определяют частоту вращения шпинделя, формула (4). Затем, по принятой паспортной частоте вращения корректируется фактическая скорость резания, формула (5), которая и участвует в дальнейших расчётах.
Силовые зависимости.
Тангенциальная составляющая силы резания Рz, Н, при нарезании резьбы резцами
(30)
крутящий момент, Н·м, при нарезании резьбы метчиками, резьбовыми головками
(31)
где Р — шаг резьбы, мм;
— число рабочих ходов, устанавливаемое из табл. 24;
D —номинальный диаметр резьбы, мм.
Мощность
Мощность, кВт, при нарезании резьбы:
(32)
(33)
Таблица 24. Число рабочих ходов при нарезании метрической и трапецеидальной резьб резьбовыми резцами с пластинами из твердого сплава.
Расчёт режимов резания при резьбонарезании
Нарезание резьбы производят: резьбовыми резцами, круглыми плашками, резьбовыми головками, гребенчатыми и дисковыми фрезами. В данной работе, в основном, рассматривается многопроходный цикл нарезания резьбы резцами.
Глубина резания и подача.
При нарезании резьбы резцами различают продольную подачу S, равную шагу резьбы Р и глубину резания t равную высоте профиля резьбы, делённую на количество рабочих ходов (проходов) резца. Если шаг резьбы Р 2,5 мм, черновые ходы выполняют по генераторной схеме с поперечной подачей Sб, параллельной боковой стороне резьбового профиля (рис. 1,б), оставляя припуск е на чистовые рабочие ходы, срезаемые по профильной схеме. Число рабочих ходов i выбирают по табл. 24.
Метчики, плашки, и резьбовые головки работают с самоподачей.
Рис. 1. Схемы нарезания резьбового профиля резцом: а)профильная, б)генераторная
Скорость резания
Скорость резания, м/мин, при нарезании крепежной резьбы резцами с пластинами из твердого сплава
(27)
при нарезании резьбы метчиками или плашками
(28)
где D – номинальный диаметр резьбы, мм.
Значения коэффициента Сv и показателей степени приведены в табл. 25.
Общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания,
(29)
где: 
— коэффициент, учитывающий качество обрабатываемого материала (табл. 26);
— коэффициент, учитывающий материал режущей части инструмента (табл. 26);
— коэффициент, учитывающий способ нарезания резьбы (принимают равным 1,0, если резьба нарезается черновым и чистовым резцами; и 0,75, если резьба нарезается одним чистовым резцом).
Силовые зависимости.
Тангенциальная составляющая силы резания Рz, Н, при нарезании резьбы резцами
(30)
крутящий момент, Н·м, при нарезании резьбы метчиками, резьбовыми головками
(31)
где Р — шаг резьбы, мм;
— число рабочих ходов, устанавливаемое из табл. 24;
D —номинальный диаметр резьбы, мм.
Мощность
Мощность, кВт, при нарезании резьбы:
(32)
· метчиками, плашками и резьбовыми головками
(33)
Таблица 13. Поправочный коэффициент KМp, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала на силовые зависимости
Таблица 24. Число рабочих ходов при нарезании метрической и трапецеидальной резьб резьбовыми резцами с пластинами из твердого сплава.
Сталь конструкционная углеродистая и легированная
Справочник технолога-машиностроителя 2
Глава 4. РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ
Нарезание резьбы производят: наружной — резьбовыми резцами, круглыми плашками, резьбовыми головками и гребенчатыми и дисковыми фрезами; внутренней — резьбовыми резцами, метчиками и гребенчатыми фрезами.
Величины подач sz, на один резец при вихревом нарезании резцами во вращающихся головках приведены в табл. 47, на один зуб гребенчатой фрезы — в табл. 48, а на один зуб дисковой фрезы — в примечании к этой таблице. Метчики, плашки, и резьбовые головки работают с самоподачей.
Скорость резания, м/мин, при нарезании крепежной резьбы резцами с пластинами из твердого сплава
при нарезании крепежной и трапецеидальной резьб резцами из быстрорежущей стали
при вихревом нарезании метрической и трапецеидальной резьб твердосплавными резцами во вращающихся головках
Значения коэффициента Сv и показателей степени приведены в табл. 49.
Общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания.
При нарезании резьбы с ограниченным выходом резца (в упор) и необходимости при этом ручного отвода резца скорость резания, м/мин, уменьшают, рассчитывая ее по формуле
Скорость резания, м/мин, при нарезании метрическом резьбы метчиками, круглыми плашками и резьбовыми головками
при нарезании резьбовыми гребенчатыми фрезами
Значения коэффициента Cv, показателей степени и средние значения периода стойкости Т для различных инструментов приведены в табл. 49.
Данные о стойкости для ряда инструментов ориентировочные, так как в этих случаях скорость резания не рассчитывают, а устанавливают, имея в виду, что качественная резьба при нарезании ее плашками может быть получена при скорости v ≤ 4 м/мин, а винторезными головками — при скорости v ≤ 14 ÷ 16 м/мин. Наиболее производительное и экономичное нарезание резьбы метчиками и гребенчатыми резьбовыми фрезами достигается при максимальных скоростях резания, допускаемых быстроходностью оборудования и мощностью его привода.
Силовые зависимости. Тангенциальная составляющая силы резания, Н, при нарезании резьбы резцами
крутящий момент, Нм, при нарезании резьбы метчиками, резьбовыми головками
где Р — шаг резьбы, мм: i — число рабочих ходов, устанавливаемое из табл. 45, 46; D — номинальный диаметр резьбы, мм.
Коэффициенты Ср и См и показатели степени приведены в табл. 51. Поправочный коэффициент Кр = Кмр учитывающий качество обрабатываемою материала, определяют для резцов по табл. 9, для других инструментов — по табл. 50.
Мощность, кВт, при нарезании резьбы: резцами
При вихревом нарезании резьбы за один проход вращающейся головки с г резцами мощность резания, кВт, определяют по формулам:
для треугольной резьбы
N = 0,1s 0,5 sz 0,4 z 0,5 v 0,8 / D 0,7
для трапецеидальной резьбы
N = 0,28s 1,2 sz 0,6 z 0,5 v 0,8 / D 0,7
При нарезании резьбы за несколько проходов, а также при нарезании нестандартной резьбы рассчитанную мощность следует умножать на отношение фактической высоты профиля, срезаемой за один проход, к высоте резьбы по ГОСТу.
РЕЖИМЫ РЕЗАНИЯ ПРИ НАРЕЗАНИИ РЕЗЬБ
Нарезание резьб метчиком и плашками
При нарезании резьбы метчиками и плашками подача равна шагу резьбы.
При нарезании резьбы плашками рекомендуемы следующие скорости резания:
для стали 3 – 4 м/мин
для чугуна 2 – 3 м/мин
для латуни 9 – 15 м/мин
Таблица 36 Скорость резания при нарезании резьб метчиками в заготовках
из углеродистой конструкционной стали. Работа с охлаждением.
Скорость резания, м/мин, при диаметре резьбы, мм
Примечание. Табличные значения скорости резания умножить: при обработке чугуна и бронзы на 1,1; латуни – на 1,4; алюминиевых сплавов – на 1,5; при нарезании резьб в глухом отверстии – на 0,5 – 0,6.
НАРЕЗАНИЕ РЕЗЬБЫ РЕЗЦАМИ
Таблица 37 Число проходов и скорости резания при нарезании резьбы на про ход в конструкционных сталях резцами с пластинками Т15К6
Скорость резания n, м/мин
Примечания: 1. При нарезании внутренней метрической резьбы табличные скорости резания умножать на 0,8 – 0,85, а количество черновых проходов увеличивать на один.
2. Для точных резьб добавлять 2 – 3 чистовых прохода.
3. При нарезании резьб до уступа табличные скорости резания умножать на 0,5.
Таблица 38 Число проходов и скорости резания при нарезании резьбы
на проход на сером чугуне резцом с пластинками ВК6
Твердость чугуна, НВ
Скорость резания n, м/мин
Примечания: 1. Для внутренних метрических резьб табличные скорости резания умножать на 0,8 – 0,85 и добавлять один черновой проход.
2. При нарезании точных резьб добавлять 2 – 3 чистовых прохода.
3. При нарезании резьб до уступа табличные скорости резания умножать на 0,7.
Таблица 39 Число проходов и скорости резания при нарезании резьбы
на проход в углеродистой конструкционной стали с sв = 710 – 800 МПа
резцами из быстрорежущей стали с охлаждением
Наружная резьба
при проходе
Внутренняя резьба при проходе
Скорость резания, м/мин
Примечания: 1.При нарезании точных резьб добавлять 2 – 3 зачистных прохода.
2. При нарезании резьб на сталях с другими значениями sв скорости резания пропорционально уменьшать или увеличивать.
3. При нарезании резьб до уступа табличные скорости резания умножать на 0,7.
Таблица 40 Значения коэффициента резания
| Материал | Предел прочности при растяжении dВ, МПа | Коэффициент резания К, МПа |
| НВ | К | |
| 140 – 160 | 1000 | |
| 160 – 180 | 1080 | |
| 180 – 200 | 1140 | |
| 200 – 220 | 1200 |
Таблица 41 Средние значения режимов резания, шероховатость поверхности и квалитеты
при различных видах обработки деталей на токарных станках
Материал режущего инструмента
Скорость резания V м\мм
Значение параметра Ra мк
Обтачивание наружных цилиндрических поверхностей
Нарезание резьбы на токарном станке
Правильный выбор метода и оснастки может оптимизировать процесс нарезания резьбы. Для резьбонарезных инструментов были разработаны усовершенствованные покрытия и марки материалов, используемые для современных токарных резцов в целом. Кроме того, конструктивные улучшения коснулись резьбовых пластин, благодаря чему контроль стружки стал еще более надежным. Однако, несмотря на эти изменения, инженеры-технологи уделяют недостаточно внимания оптимизации операций по нарезанию резьбы, рассматривая данный процесс как нечто неизменное и не поддающееся улучшениям.
В действительности токарный процесс может быть спроектирован более эффективно. Прежде всего, нужно более глубоко разобраться в некоторых принципах нарезания резьбы.
Почему к нарезанию резьбы выдвигаются жесткие требования
К нарезанию резьбы на токарном станке предъявляются более жесткие требования, чем к обычным токарным операциям. Рабочие усилия при нарезании резьбы, как правило, выше, а радиус закругления режущей кромки резьбовой пластины меньше, что снижает ее стойкость.
При токарной обработке подача должна точно соответствовать шагу резьбы. Если шаг составляет 8 ниток на дюйм (25,4 мм), то инструмент должен совершать 8 оборотов на дюйм, проходя 3,175 мм на оборот. Сравните это с обычной токарной операцией, где подача составляет, как правило, около 0,3 мм на оборот. Подача при нарезании резьбы в 10 раз выше, чем при обычном точении, и соответствующие усилия на кромке резьбовой пластины могут увеличиваться от 100 до 1000 раз.
Радиус при вершине режущей кромки, соответствующий такому усилию, составляет обычно 0,4 мм, по сравнению с 0,8 мм для обычной токарной пластины. Что касается резьбовой пластины, данный радиус серьезно ограничен допустимым радиусом на впадине профиля резьбы, определенным соответствующим стандартом. Радиус также ограничен необходимой операцией резания, так как обычная токарная обработка неприменима из-за возможной деформации резьбы.
В результате высоких усилий резания и более плотной их концентрации резьбовые пластины подвергаются гораздо большей нагрузке, чем обычные токарные пластины.
Рис. 1. Пластина с неполным профилем может применяться для различной величины шага при врезании на разную глубину. Наименьший шаг нарезаемой резьбы определяется величиной малого радиуса закругления вершины (не показан на схеме). Наибольший шаг нарезаемой резьбы определяется прочностью зоны закругления вершины
Пластины с полным и неполным профилем
Пластины с неполным профилем обрабатывают впадину резьбы, не достигая вершины (см. рис. 1). Одна пластина может обрабатывать различные виды шагов, вплоть до самого крупного (с наименьшим количеством ниток на дюйм), что определяется прочностью зоны закругления режущей кромки.
Радиус закругления режущей кромки должен быть достаточно малым, чтобы пластина могла обрабатывать резьбы разного размера. Для небольших шагов требуется очень малый радиус, при этом пластина проникает глубже. Например, для обработки резьбы с шагом 8 ниток на дюйм пластиной с неполным профилем необходима глубина врезания 2,7 мм, в то время как та же самая резьба, нарезаемая полнопрофильной пластиной, требует глубины 2 мм. При этом пластина с полным профилем позволяет получить более прочную резьбу. Более того, для обработки резьбы такой пластиной требуется в четыре раза меньше проходов.
Рис. 2. Многозубые пластины имеют ряд последовательных зубьев. Это позволяет увеличить эффективность нарезания резьбы, но усилия резания при этом высоки
Многозубые пластины
Многозубые пластины имеют ряд последовательно расположенных зубьев, где каждый последующий зуб врезается во впадину резьбы глубже, чем предыдущий (см. рис. 2). Количество шагов, требуемых для нарезания резьбы такой пластиной, может быть сокращено на величину вплоть до 80 процентов. Срок службы инструмента значительно больше, чем у однозубых пластин, поскольку на последний зуб приходится лишь половина или третья часть от общего снимаемого металла.
Однако из-за высоких усилий резания данные пластины не рекомендуются для тонкостенных деталей – во избежание сильных колебаний. Кроме того, конструкция заготовки, обрабатываемой такой пластиной, должна иметь достаточно канавок для выхода всех зубьев из зоны резания.
Глубина врезания на проход
Глубина врезания на проход – крайне важный параметр нарезания резьбы. Каждый последующий проход задействует бо́льшую часть режущей кромки пластины. Если глубина врезания на проход постоянна (что не рекомендуется), то усилие резания и интенсивность съема металла могут существенно увеличиваться с каждым проходом.
Например, при нарезании 60-градусной резьбы с постоянной глубиной врезания 0,25 мм на проход, при втором проходе снимается в три раза большее количество металла, чем при первом. И с каждым следующим проходом количество снимаемого металла увеличивается в геометрической прогрессии.
Чтобы избежать этого и сохранить более практичные усилия резания, с каждым проходом глубину врезания необходимо уменьшать.
Рис. 3. Выбор угла врезания оказывает существенное влияние на эффективность процесса
Методы врезания
Существует как минимум четыре метода врезания (см. рис. 3). Мало кто знает, насколько сильно выбор определенного метода может повлиять на эффективность нарезания резьбы.
А. Радиальное врезание
Хотя это самый распространенный метод нарезания резьбы, он наименее рекомендован. Если резец подается радиально (перпендикулярно к оси заготовки), металл снимается с обеих сторон профиля резьбы, в результате чего формируется стружка в форме буквы V. Такая форма стружки трудно поддается разлому, поэтому стружкоотвод может представлять проблему. Кроме того, на обе стороны режущей кромки оказывается сильное тепловое и ударное воздействие, что значительно сокращает срок службы инструмента по сравнению с другими методами врезания.
Рис. 4. Вместо формы буквы V в результате одностороннего бокового врезания образуется стружка, аналогичная получаемой при стандартном точении
В. Одностороннее боковое врезание
В этом методе направление врезания параллельно одной стороне резьбы, и инструмент, как правило, движется вдоль линии под углом 30º. В результате образуется стружка, аналогичная получаемой при обычном точении (см. рис. 4). В сравнении с радиальным врезанием формирование стружки и отделение от режущей кромки происходит легче, что гарантирует лучший отвод тепла. Однако при таком методе вместо резания происходит трение вспомогательной режущей кромки о боковую поверхность резьбы. Это приводит к истиранию, негативно влияет на качество обработки поверхности и может вызывать вибрации.
С. Модифицированное одностороннее боковое врезание (рекомендуется)
Данный метод похож на метод одностороннего бокового врезания, за исключением того, что угол врезания меньше угла профиля резьбы – менее 30º. Он сохраняет преимущества метода одностороннего врезания, при этом проблемы, связанные со вспомогательной кромкой, отсутствуют. Наилучший результат обеспечивается с углом врезания 29½º, но на практике приемлем любой угол от 25 до 29½º.
D. Двухстороннее боковое врезание
В этом случае пластина подается попеременно вдоль обеих сторон профиля резьбы и, следовательно, в процессе задействуются обе стороны режущей кромки. Это позволяет распределить нагрузку и способствует увеличению срока службы инструмента. Однако такое врезание также может вызвать проблемы с отводом стружки, что может ухудшить качество поверхности и стойкость инструмента. Данный метод обычно используется лишь при очень больших величинах шага и для таких форм резьбы, как трапецеидальная и ACME.
Рис. 5. Регулировка относительно угла подъема винтовой линии, как в «наклонной» пластине справа, позволяет выравнивать задние углы главной и вспомогательной кромок. Это обеспечивает более равномерный износ
Выравнивание задних углов
Некоторые резьбовые пластины и державки имеют возможность точного наклона пластины в направлении врезания при изменении угла подъема винтовой линии. Это свойство обеспечивает высокое качество резьбы, предотвращая трение пластины о боковую поверхность профиля. Оно также позволяет продлить срок службы резца в силу равномерного распределения усилий резания по всей длине режущей кромки.
Пластина, не имеющая такой возможности, где режущая кромка подается параллельно осевой линии заготовки, образует неравные задние углы главной и вспомогательной кромок пластины (см. рис. 5). В частности, при крупном шаге это неравенство может стать причиной трения кромки о поверхность профиля резьбы.
Регулируемые системы позволяют изменять угол наклона пластины путем воздействия на головку державки с помощью опорных пластин. Точная регулировка получается в результате выравнивания углов главной и вспомогательной кромок, благодаря чему износ становится более равномерным.
Рис. 6. Данный специальный резьбонарезной инструмент используется для одновременной обработки двух отдельных резьб на шестишпиндельном токарном станке. Резьбы обрабатываются по отдельности. Используемые здесь пластины предназначены для резьбофрезерного инструмента, но в данном случае они применяются в качестве токарных
Миниатюризация и специализация
Резцы со вставными пластинами обеспечивают нарезание внутренней резьбы в отверстиях диаметром вплоть до 7,6 мм. Использование токарных инструментов для нарезания резьбы в таких малых отверстиях дает множество преимуществ. Качество формируемой резьбы, как правило, выше, конструкция пластины способствует отводу стружки из отверстия с незначительным ущербом для резьбы, а возможность индексации пластин позволяет снизить затраты на оснастку.
Для подобных инструментов обычно используется твердый сплав, позволяющий выполнять обработку на низких скоростях. Что же касается нарезания резьбы в малых отверстиях, использование низкой скорости резания является единственно возможным вариантом ввиду ограничений по кинематике станка.
Технологические инновации расширили сферу применения резьбонарезных инструментов, и переход к нарезанию внутренней резьбы малого диаметра резцами – яркий тому пример. Несмотря на широкую номенклатуру стандартных инструментов, производители продолжают сталкиваться с определенными проблемами, оправдывающими применение специализированной оснастки (см. рис. 6.). Особая оснастка, проектируемая в сотрудничестве с поставщиком, – это возможность, которой нельзя пренебрегать при поиске рациональных параметров резца для конкретного вида работ.
Источник материала: перевод статьи
Threading On A Lathe,
Modern Machine Shop
Автор статьи-оригинала:
Стюарт Палмер (Stuart Palmer)
Об авторах:
Стюарт Палмер (Stuart Palmer) – маркетолог израильской компании-производителя режущих инструментов Vargus Ltd., расположенной в г. Нагария.
Майк Канаговски (Mike Kanagowski) – директор компании VNE Corp., которая является партнером Vargus Ltd. и находится в г. Джейнсвилл, штат Висконсин (США).
