3. Погрешности, вызываемые неточностью и износом режущего инструмента

Погрешности обработки могут быть непосредственно вызваны неточностью изготовления режущих инструментов. Такое наблюдается при использовании мерных и фасонных (профильных) инструментов.

К первым относят дисковые и концевые фрезы для обработки шпоночных пазов, сверла, зенкеры, развёртки и протяжки для обработки отверстий, канавочные резцы для производства канавок под поршневые кольца и др.; ко вторым – фасонные резцы и фрезы, специальные протяжки, резьбонарезной и зубообрабатывающий (модульный) инструмент, профильные абразивные круги и пр. Работа режущих инструментов обоих типов основана на методе копирования, так как их размер и профиль непосредственно передаётся обрабатываемой детали.

При использовании шпоночных и дисковых фрез на точность ширины прорезаемых канавок будут влиять также осевое и радиальное биение зубьев инструмента, образующееся в результате его неправильной заточки или установки на станок.

При прорезании кольцевой прямоугольной канавки канавочным резцом ширина её всегда оказывается несколько больше (примерно на 0,01…0,03 мм) ширины резца.

Точность просверленных отверстий определяется допусками на диаметр спиральных свёрл и погрешностями, возникающими в результате разбивки отверстий. Разбивка отверстий возникает в результате неуравновешенности радиальной силы резания при несимметричной заточке сверла; возрастает вместе с глубиной сверления из-за одновременного снижения радиальной жёсткости инструмента; зависит от соосности рабочей части сверла и хвостовика; может быть следствием разных углов расположения режущих кромок к оси сверла и их разным положениям по высоте. Из-за наличия обратной конусности диаметр сверла при переточке уменьшается, одновременно изменяется точность сверления. При обработке по кондуктору на точность диаметров и расположений осей отверстий (сверление, зенкерование, развёртывание) существенное влияние оказывают конструкция и качество изготовления направляющих втулок.

При обработке заготовок фасонным инструментом точность профилируемых поверхностей зависит от точности изготовления инструмента и в значительной степени от правильной его установки (ориентации) относительно баз заготовки или системы координат станка. Например, изготовленный с высокой точностью резец для нарезания метрической резьбы (угол при вершине ), но установленный с ошибками относительно оси вращения заготовки (шпинделя) нарежет резьбу с несимметричным профилем, (рис. 44).

В сё же в связи с тем, что точность изготовления режущего инструмента на специализированных заводах или в инструментальных чехах обычно достаточно высока, ошибки в изготовлении инструментов практически мало отражаются на точности изготовления большинства деталей. Значительно большее влияние на точность механической обработки заготовок в целом оказывают погрешности режущего инструмента, вызываемые его износом.

В процессе резания инструмент непрерывно изнашивается по передней и задней поверхностям. Причиной износа служит трение этих поверхностей о стружку и поверхность заготовки. Износ только по передней поверхности наблюдается у инструментов во время предварительной (черновой) обработки, когда резание происходит на относительно высоких скоростях без охлаждения, а глубина резания превышает 0,5 мм (рис. 45,а). На передней поверхности появляется лунка. Прочность режущего клина падает, но на точности обработки такой износ не сказывается. При толщине срезаемого слоя более 0,1 мм наблюдается одновременный износ по передней и задней поверхностям, а при чистовой или отделочной обработке – преимущественно по задней поверхности инструмента (см. рис.45, б, в). Износ, вызываемый трением инструмента о заготовку, с течением времени прогрессирует. Результатом его является постепенное изменение расстояния между режущей кромкой и установочной (базовой) поверхностью заготовки. Первоначальный настроечный размер h_н и d_н изменяется. Появляется погрешность, связанная с износом инструмента _и, равная величине износа u, а при точении, растачивании и параллельной обработке поверхностей 2u (на рис. 45,б, в и , где индексом н помечены настроечные размеры).

Износ инструмента следует общим закономерностям износа контактных тел при трении скольжения. В начальный период, происходит приработка режущего лезвия, сопровождающаяся выкрашиванием отдельных неровностей и заглаживанием рисок – следов заточки режущих граней. Шероховатость обрабатываемой поверхности в этот период обычно несколько уменьшается. Период начального (наиболее интенсивного) износа инструмента u_н непродолжителен (рис. 46). Для инструментов из твердого сплава он проходит на длине резания км. Чем лучше заточен и доведен инструмент, тем меньше величина l₁ и U_н.

Второй период (участок II) характеризуется нормальным износом инструмента. На этом участке износ прямо пропорционален пути резания, который в этом случае достигает длины км. Интенсивность износа инструмента на этом участке принято характеризовать тангенсом угла наклона  кривой этого участка к оси абсцисс или отношением (мкм/км), получившем название относительного (или удельного) износа (см. рис. 46):

,

где U₂ – размерный износ инструмента, мкм, полученный за время второго периода работы, т.е. на пути резания l₂ , км.

Третий период (участок III) связан с быстрым износом инструмента; через короткий промежуток времени проходит выкрашивание режущей кромки и поломка. В условиях нормальной эксплуатации доводить инструмент к периоду катастрофического износа нельзя!

Зная для конкретных условий обработки значения U_н и U₀ (приводятся в справочниках технолога-машиностроителя), определяют размерный износ инструмента U на длине резания l , мкм

,

где l – длина пути резания, мм.

Для расчёта размерного износа инструмента в конкретных условиях общую зависимость представляют в виде:

для продольного точения

или

;

для цилиндрического и торцового фрезерования прямоугольной площади

;

для строгания

;

для протягивания

,

где d – диаметр детали, мм; d_ф – диаметр фрезы, мм; l – длина обрабатываемой поверхности, мм; S – подача, мм/об; S_z – подача на 1 зуб фрезы, мм; Z – число зубьев фрезы, шт.; V – скорость резания при точении, м/мин; Т – время обработки поверхности ( – основное время), мин; В – ширина площади, мм; n – количество деталей в партии, шт;  – угол, град.

Угол  определяют из выражений:

при торцовом фрезеровании

;

при цилиндрическом фрезеровании

,

где t – глубина резания, мм.

Значения U_н и U₀ для разных способов обработки приводятся в справочниках технолога-машиностроителя.

Таблица 8

Средние значения износа инструментов при чистовом точении и растачивании

Материал		Износ
обрабатываемый	режущего инструмента	начальный Uн, мкм	относительный U0, мкм/км
Сталь углеродистая и легированная	Т30К4,Т15К6	2…8	4…10
Серый чугун	ВК6, ВК8	3…10	6…14
Цветные сплавы	Алмаз (при тонком точении)	–	0,0005…0,001

В некоторых случаях величину размерного износа инструмента удаётся рассчитать по эмпирическим формулам, например:

для точения стали 45 резцами с пластинками T15K6

;

для чистового растачивания серого чугуна (НВ = 160) резцами с пластинками ВК8

,

где V – скорость резания, м/мин; ₀ – время точения, мин; t – глубина резания, мм; S – подача, мм/об.

В табл. 8 приводятся средние значения относительного износа инструмента, в зависимости от условий резания их величина изменяется. При точении углеродистых сталей наименьший относительный износ зафиксирован у резцов с пластинами из Т30К4; у резцов из быстрорежущих сталей он в 1,5…2 раза больше. При отделочном торцевом фрезеровании серого чугуна износ минералокерамических пластин ЦМ-332 оказался в 8 раз меньше, чем пластин из ВК2 и ВК6. Определённое влияние на величину относительного износа оказывают режим резания, и геометрия режущей части. Так, при точении наименьшая величина наблюдается в зоне скоростей 100…200 м/мин (рис. 47); увеличение подачи от 0,1 до 0,3 мм/об или глубины резания от 0,3 до 1,5 мм приводит к возрастанию U₀ на 20…50%; при увеличении заднего угла резца 8…15 из-за ухудшения условий теплоотвода и ослабления режущей кромки U₀ повышается в пределах 30%.

В целом же вопросы, связанные с влиянием различных факторов на величину относительного износа инструмента, исследованы недостаточно.

Рассмотрим виды погрешностей, связанные с износом инструмента, и способы их сокращения.

При обработке деталей больших размеров износ инструмента приводит к образованию погрешности формы их поверхности. Например, при точении длинного вала большого диаметра или расточке глубоких отверстий износ инструмента приводит к образованию конусности:

,

где d и L – диаметр и длина вала (отверстия) соответственно, мм; S – продольная подача, мм/об.

При строгании длинных и широких деталей обрабатываемая поверхность А в результате износа резца получается непараллельной базовой (установочной) поверхности Б (рис. 48).

Если на настроенном станке обработке подвергается партия небольших деталей, то искажение формы поверхностей отдельных деталей невелико. Износ инструмента в этом случае сказывается на непрерывном изменении размеров каждой последующей детали партии (например, диаметры валов увеличиваются, а отверстий – уменьшаются). При значительном объеме партии размеры диаметров могут выйти за границы полей допусков.

При обработке деталей методом пробных ходов и промеров влияние размерного износа инструмента на точность невелико. Индивидуальной установкой инструмента и своевременной корректировкой положения режущей кромки при обработке больших поверхностей влияние этого фактора на точность выдерживаемого размера исключается практически полностью.

При обработке на настроенных станках износ режущих инструментов контролируют косвенно: по результатам периодических проверок размеров обрабатываемых деталей. Такой контроль позволяет своевременно произвести поднастройку станка или смену инструмента. В условиях автоматизированного производства поднастройку станка, т.е. регулировку положения режущего инструмента, могут осуществлять автоподналадчики. Схема работы автоподналадчика показана на рис. 49. По оси ординат отложены приращения размера детали в результате износа инструмента, а по оси абсцисс – время работы или путь резания инструмента в металле. Если размер обрабатываемой детали выходит за границы поля допуска Т, то подналадчик корректирует положение режущего инструмента. Работа автоподналадчика на схеме показана пилообразной линией.

При точении, строгании и растачивании резцами с широкими режущими кромками влияние износа на точность сильно снижается. В таких случаях пользуются большими подачами и путь резания, а, следовательно, и износ оказываются малыми.

Размерный износ абразивных кругов исследован недостаточно. При работе в режиме без самозатачивания износ круга незначителен и на точность почти не влияет. При работе в режиме с самозатачиванием износ круга примерно пропорционален пути резания. Установлено, что на один объём материала круга, теряемого при износе, приходится в среднем двадцать объёмов удаляемого металла. В таком случае интенсивность износа круга зависит от его диаметра. Правку круга в подналадку станка, например, при круглом шлифовании, рекомендуется производить через каждые 15…20 мин работы. При шлифовании без использования средств активного контроля и автоподналадчиков, знание скорости размерного износа круга позволяет компенсировать потерю его размера, а также находить поправку к величине наладочного деления лимба в процессе обработки.

Износ жёсткого не регулируемого мерного инструмента (сверл, зенкеров, разверток и прочего) компенсировать не удаётся. Изношенный, потерявший размер по диаметру, инструмент в лучшем случае удаётся перетачивать для обработки отверстий меньших размеров. Повышению стойкости таких инструментов способствует их обильное охлаждение или смазка. Например, исследования Т.Ф.Терликовой на Таганрогском комбайновом заводе показали, что обильное охлаждение зенкеров, оснащенных пластинами из ВК3, повысило их износоустойчивость более чем в 30 раз.

Износ и притупление кромок свёрл, зенкеров и развёрток приводят, как правило, к разбивке обрабатываемых отверстий.

Вместе с износом инструмента резко возрастают силы резания. Повышение сил резания (особенно радиальной составляющей Р_у) приводит к увеличению упругих отжатий инструмента от заготовки. Настроечные размеры между базой заготовки и режущей кромкой инструмента нарушаются, точность обработки падает. Погрешности обработки, связанные с упругими отжатиями, вызываемыми этими причинами, могут достигать величины погрешностей _и и даже превзойти их величину.