Пути и методы повышения эффективности процесса сверления глубоких отверстий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Технологические основы процесса сверления отверстий

1.1 Параметры режима сверления

1.2 Применяемые инструменты, оборудование и приспособления

1.2.1 Назначение и основные типы сверл

1.2.2 Типы станков и их основные узлы

1.3 Особенности сверления глубоких отверстий

2. Основные факторы, влияющие на работу сверла

2.1 Влияние материала и геометрических элементов сверла

2.2 Влияние обрабатываемого материала

2.3 Влияние режимов резания

2.4 Влияние СОЖ

2.5 Влияние оборудования

3. Обеспечение стойкости сверл

3.1 Изменение геометрических параметров режущей части сверл

3.2 Изменение химического состава быстрорежущих сталей

3.3 Технология термической обработки сверл

3.4 Режимы финишных операций изготовления сверл

3.5 Повышение жесткости элементов СПИД

3.6 Повышение качества заточки сверл

3.7 Нанесение износостойких покрытий

3.8 Лазерное упрочнение сверл

3.9 Упрочнение сверл в магнитном поле

3.10 Изменение конструкции сверл

3.11 Применение дополнительных движений инструмента (вибрационное сверление)

4. Рекомендации по повышению эффективности процесса сверления глубоких отверстий

Заключение

Список использованной литературы

Введение

По мере всестороннего развития машиностроения, организации новых отраслей по производству машин и оборудования различного технологического назначения номенклатура деталей с глубокими отверстиями быстро расширяется. В настоящее время детали с глубокими отверстиями обрабатываются на предприятиях всех основных отраслей промышленности (гребные винты, роторы и валы турбин, электрогенераторов, оси и втулки экскаваторов, гильзы, цилиндры и плунжеры прессов, оси и бандажи прокатных станов, трубы буровых установок, шпиндели станков, кокили для центробежной отливки труб, ряд деталей оборудования для атомных электростанций и др.). Трудности обработки отверстий возрастают с увеличением их глубины. Здесь, на первый план выходят правильный подбор режущего инструмента, оборудования, режимов резания, использование смазочно-охлаждающей жидкости. В этой работе рассмотрено влияние этих факторов на процесс сверления и способы повышения стойкости сверл.

1. Технологические основы процесса сверления отверстий

Сверление является одним из самых распространенных способов получения отверстия. Режущим инструментом здесь служит сверло, которое дает возможность получать отверстия в сплошном материале и увеличивать диаметр ранее просверленного отверстия (рассверливание). Главное движение при сверлении -- вращательное, движение подачи -- поступательное. На обычных сверлильных станках оба эти движения имеет сверло: оно вращается, будучи закрепленным в шпинделе станка, и одновременно перемещается в глубину обрабатываемой заготовки, которая неподвижно закреплена на столе станка.

Режущая часть сверла изготовляется из инструментальных сталей (Р18, Р9, 9ХС, Р9К5) и из твердых сплавов.

Сверло -- более сложный инструмент, чем резец. В более сложных условиях протекает и процесс резания сверлом: затруднен отвод стружки и подвод охлаждающей жидкости; наблюдается значительное трение стружки о поверхность канавок сверла и самого сверла об обработанную поверхность; вдоль режущей кромки возникает резкий перепад скорости резания (от до нуля), так что в отдельных точках режущей кромки срезаемый слой деформируется и срезается с разной скоростью; различная деформация получается и в связи с переменным углом ? вдоль всей режущей кромки спирального сверла, а потому по мере приближения точки режущей кромки к периферии сверла деформация (усадка) уменьшается (вследствие увеличения V и ?).

Все это вызывает более тяжелые, по сравнению с точением, условия процесса стружкообразования при сверлении, большие деформации срезаемого слоя, увеличенное тепловыделение и повышенный нагрев сверла.[1]

Если рассматривать процесс стружкообразования на небольшом участке режущей кромки, то он подчиняется тем же закономерностям и сопровождается теми же явлениями, что и при точении; упругие и пластические деформации, тепловыделение, наростообразование, упрочнение, износ инструмента здесь возникают по тем же причинам.

Как и при точении, на температуру резания при сверлении скорость резания оказывает большее влияние, чем подача; температура при резании возрастает с увеличением глубины (длины) сверления, но уменьшается с увеличением диаметра сверла (из-за усиления теплоотвода вследствие большей массы сверла и большей поверхности соприкосновения с заготовкой, а также вследствие облегчения подвода охлаждающей жидкости и отвода стружки по канавкам большего сечения).

При сверлении сталей образуется в основном сливная стружка, а при обработке чугунов -- стружка надлома.

Сверло имеет передний и задний углы. Передний угол ? -- угол между касательной к передней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и нормалью в той же точке к поверхности вращения режущей кромки вокруг оси сверла. Передний угол рассматривается в плоскости, перпендикулярной к режущей кромке. В каждой точке режущей кромки передний угол является величиной переменной. Он может быть определен (без учета ширины перемычки) по формуле

(1)

где rх - радиус окружности, на которой расположена рассматриваемая точка;

R - радиус сверла;

? - угол наклона винтовой канавки;

? - половина угла при вершине сверла.

Наибольшее значение угол ? имеет на периферии сверла, где в плоскости, параллельной оси сверла, он равен углу наклона винтовой канавки ?. Наименьшее значение угол ? имеет у вершины сверла. На поперечной кромке угол ? имеет отрицательное значение, что создает угол резания больше , а следовательно, и тяжелые условия работы. Такое резкое изменение переднего угла вдоль всей длины режущей кромки является большим недостатком сверла, так как это вызывает более сложные условия образования стружки. На периферии сверла, где наибольшая скорость резания и наибольшее тепловыделение, необходимо было бы иметь и наибольшее тело зуба сверла. Большой же передний угол уменьшает угол заострения, что приводит к более быстрому нагреву этой части сверла, а следовательно, и к наибольшему износу.

Задний угол ? - угол между касательной к задней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и касательной в той же точке к окружности ее вращения вокруг оси сверла. Этот угол принято рассматривать в плоскости А-А, направленной по касательной к цилиндрической, поверхности (см. рис. 1), на которой лежит рассматриваемая точка режущей кромки. Ось такой цилиндрической поверхности совпадает с осью сверла. Для точки, находящейся на периферии сверла, задний угол в нормальной плоскости Б-Б может быть определен по следующей формуле:

(2)

Действительное значение заднего угла во время работы иное по отношению к тому углу, который мы получили при заточке и измерили в статическом состоянии. Это объясняется тем, что сверло во время работы не только вращается, но и перемещается вдоль оси. Траекторией движения точки будет не окружность (как это принимают при измерении угла), а некоторая винтовая линия, шаг которой равен подаче сверла в миллиметрах за один его оборот. Таким образом, поверхность резания, образуемая всей режущей кромкой, представляет собой винтовую поверхность , касательная к которой и будет действительной плоскостью резания. Действительный задний угол в процессе резания ?р заключен между этой плоскостью и плоскостью, касательной к задней поверхности сверла. Он меньше угла, измеренного в статическом состоянии, на некоторую величину ?:

(3)

Чем меньше диаметр окружности, на которой находится рассматриваемая точка режущей кромки, и чем больше подача s, тем больше угол ? и меньше действительный задний угол ?р. Действительный же передний угол в процессе резания ?р соответственно будет больше угла ?, измеренного после заточки в статическом состоянии

(4)

Чтобы обеспечить достаточную величину заднего угла в процессе резания у точек режущей кромки, близко расположенных к оси сверла, а также для получения более или менее одинакового угла заострения зуба вдоль длины режущей кромки, задний угол заточки делается на периферии , а у сердцевины .

Кроме переднего и заднего углов, сверло характеризуется углом наклона винтовой канавки ?, углом наклона поперечной кромки ? и углом при вершине 2?. Угол ?= , ; у сверл из инструментальных сталей 2? = .

Из рассмотрения геометрических элементов спирального сперла видно, что оно имеет ряд особенностей, влияющих на протекание процесса стружкообразования при сверлении.[13]

К этим особенностям относятся:

а) уменьшение переднего угла в различных точках режущих
кромок по мере приближения рассматриваемой точки к оси сверла;

б) неблагоприятные условия резания у поперечной кромки
(так как угол резания здесь больше 90°);

в) отсутствие заднего угла у ленточек сверла, что создает большое трение об обработанную поверхность.

С целью облегчения процесса стружкообразования и повышения режущих свойств сверла производят двойную заточку сверла и подточку перемычки и ленточки.

Элементы заточки и подточки спиральных сверл даны на рис.1.

Рис.1

При двойной заточке сверла вторая заточка производится под углом 2? = 70°, на ширине В = 2,5-15 мм (рис.2). Такая заточка повышает стойкость сверла, а при одной и той же стойкости позволяет увеличить и скорость резания.

Подточка перемычки (сердцевины) производится на длине / = 3?15 мм. От такой подточки уменьшаются длина поперечной кромки (размер А = 1,5?7,5 мм; см. рис.2) и величина угла резания в точках режущих кромок, расположенных вблизи перемычки сверла.

Для уменьшения трения ленточек об обработанную поверхность (о стенки отверстия) производится подточка ленточек под углом на длине мм, что приводит к повышению стойкости сверла.

При сверлении на большую глубину сверлом большого диаметра образуется широкая, трудно отводимая по канавкам стружка, что увеличивает трение и затрудняет подвод охлаждающей жидкости к месту резания.[9] Во избежание этого у сверл делаются специальные стружкоразделительные канавки, которые могут быть на передней поверхности сверла и на задней. Глубина канавки примерно равна 0,05 D, ширина примерно 0,07 D. Такие канавки разделяют широкую стружку на несколько узких, облегчают условия работы сверлом, снижая силы, действующие при резании, и тепловыделение.

Во избежание разбивки отверстия и увода сверла в сторону (от оси отверстия) оно должно иметь после заточки режущие кромки одинаковой длины и симметрично расположенными.

Сверла, оснащенные пластинками твердых сплавов обладают высокой стойкостью, обеспечивают более высокую производительность, повышают качество обработанной поверхности и в результате снижают стоимость обработки. Особенно эффективно применение сверл с пластинками твердых сплавов при сверлении чугунов и рассверливании чугунов и сталей. Твердосплавные сверла имеют передний угол , задний угол , угол 2, на фаске . При обработке сталей рекомендуется применять твердый сплав марки Т15К6, при обработке чугунов -- ВК8.

У сверл с пластинками твердых сплавов как и у сверл, изготовленных из быстрорежущей стали, производится подточка перемычки и двойная заточка под углом 2? = 70°, В = 0,2D.

Большое значение для успешной работы сверла с пластинкой из твердого сплава имеет симметричность заточки обеих режущих кромок. Биение по режущим кромкам желательно иметь не более 0,02 мм, а по ленточкам не более 0,03 мм.

1.1 Параметры режима сверления

Скорость резания для различных точек режущей кромки сверла различна: на периферии сверла скорость резания наибольшая, а по мере приближения к оси сверла она уменьшается и в центре равна нулю. В расчет принимается наибольшая скорость резания на периферии:

м/мин, (5)

где D - диаметр сверла в мм;

n - число оборотов сверла в минуту.

Подача -- величина перемещения сверла вдоль оси за один его оборот (или за один оборот заготовки, если она вращается, а сверло только перемещается).

Так как у сверла две главные режущие кромки, то подача, приходящаяся на каждую из них,

(6)

Как и при токарной обработке, подачу можно измерять и в миллиметрах за одну минуту (минутная подача);

sM = sn мм/мин. (7)

Толщина среза измеряется в направлении, перпендикулярном к режущей кромке:

мм. (8)

Ширина среза b измеряется вдоль режущей кромки и равна ее длине:

мм. (9)

Площадь поперечного сечения среза, приходящаяся на одну режущую кромку,

мм. (10)

Общая площадь поперечного сечения среза, приходящаяся на обе режущие кромки,

мм. (11)

Под глубиной резания при сверлении (которая обычно в расчетах не фигурирует) подразумевается расстояние от обработанной поверхности до оси сверла, т.е.

мм. (12)

При рассверливании глубина резания

мм. (13)

Машинное время при сверлении и рассверливании

мин, (14)

где L - полный путь, проходимый сверлом в направлении подачи, в мм;

l - глубина сверления в мм;

? - величина перебега (1-2 мм);

n - число оборотов сверла в минуту;

s - подача в мм/об;

у - величина врезания в мм.

На все элементы сверла при резании действуют некоторые силы.

Разложим равнодействующие сил сопротивления в каждой точке режущей кромки на силы в трех взаимно перпендикулярных направлениях: Рг, Рв и Рг (рис. 2). Горизонтальные силы Рг, действующие на обеих режущих кромках, можно считать., взаимно уничтожаются.

Силы Рв, направленные вверх, препятствуют проникновению сверла в глубину заготовки. В этом же направлении действует и сила Р1 на поперечной кромке. Кроме того, продвижению сверла препятствуют силы трения на ленточках сверла (в результате трения об обработанную поверхность отверстия) и силы трения от сходящей стружки Рт.

Для проникновения сверла в обрабатываемую заготовку к сверлу от станка должна быть приложена такая сила Р', которая могла бы преодолеть сумму сил сопротивления, действующих вдоль оси сверла:

(15)

Суммарная сила от указанных сил сопротивления в осевом направлении сверла называется осевой силой Р (или усилием подачи).

Силы, препятствующие продвижению сверла в материал, преодолеваются механизмом подачи сверлильного станка, который и рассчитывается по максимальной осевой силе Р.

При эксплуатации станка с заданными условиями сверления необходимо, чтобы сумма сил сопротивления, действующих вдоль оси сверла, или осевая сила Р, была бы меньше или, в крайнем случае, равна наибольшему усилию Рмах, допускаемому механизмом подачи станка (во избежание поломки слабого звена механизма подачи), т. е. Р < Рмах.

Наибольшее усилие Рмах рассчитывается при конструировании станка и приводится обычно в его паспорте.

Сила Pz создает момент сопротивления

(16)

Суммарный момент от сил сопротивления резанию складывается из момента от сил Рг, момента от сил скобления и трения на поперечной кромке Мп.л, момента от сил трения на ленточках Мл и момента от сил трения стружки о сверло и обработанную поверхность Мс, т. е.

(17)

Измерения показывают, что 80% общего момента сопротивления резанию приходится на долю режущих кромок, 8% -- на поперечную кромку и 12% -- на трение стружки о сверло и стенки отверстия и сверла своими ленточками об обработанную поверхность {Мл + Мс).

Для того чтобы па данном станке могло быть осуществлено резание, кроме указанного выше условия проникновения сверла, необходимо, чтобы суммарный момент сопротивления резанию был преодолен крутящим моментом станка, т. е. Мкр > М.

Крутящий момент станка подсчитывается по формуле

кГмм, (18)

где Nшп - мощность на шпинделе в квт;

n - число оборотов шпинделя (сверла) в минуту.

В свою очередь,

(19)

где Nст -- мощность электродвигателя станка;

? -- к. п. д. станка.

Суммарный момент сопротивления резанию М должен быть меньше или, в крайнем случае, равен не только крутящему моменту Мкр, развиваемому электродвигателем стайка на данной ступени числа оборотов шпинделя, но и меньше, или, в крайнем случае, равен максимальному крутящему моменту М'кр, допускаемому слабым звеном механизма главного движения станка (во избежание поломки его), т. е. М < М'кр .

Если момент Мкр легко подсчитывается по приведенной выше формуле, то момент М'кр рассчитывается при конструировании станка и приводится обычно в его паспорте.

По силе Р и моменту М можно рассчитать необходимую (потребную) мощность электродвигателя сверлильного станка.

Мощность, затрачиваемая на резание, будет складываться из мощности, затрачиваемой на вращение, и мощности, затрачиваемой на движение подачи, т.е.

(20)

Мощность, затрачиваемая на вращение,

(21)

где М -- момент от сил сопротивления резанию в кГмм;

n -- число оборотов сверла в минуту.

Мощность, затрачиваемая на подачу сверла,

(22)

где Р -- осевая сила в кГ.

Расчеты показывают, что, как и при токарной обработке, мощность, затрачиваемая на движение подачи, мала (0,5--1,5% мощности, затрачиваемой на вращение сверла) и ею можно пренебречь. Поэтому

(23)

или

(24)

Зная мощность, затрачиваемую на резание, легко подсчитать и необходимую (потребную) мощность электродвигателя станка, которая обеспечит проведение процесса резания при сверлении при определенных условиях работы

(25)

Сравнивая Nм с действительной мощностью электродвигателя станка Nст, легко проверить возможность осуществления процесса сверления на заданном стайке при заданных условиях сверления (резания), для чего должно быть соблюдено условие Nм< N*cm.

Однако, как и при проверке возможности осуществления процесса сверления на заданном станке по моменту, необходимо учитывать не только мощность электродвигателя станка, но и мощность на шпинделе по слабому звену механизма главного движения станка N'шп.. Во избежание поломки этого слабого звена должно быть соблюдено условие Nрез < N'шп.

В практике наиболее слабое звено механизма главного движения станка проверяют по моменту или по мощности, в зависимости от того, какие данные приводятся в паспорте станка.

Знание осевой силы и момента сопротивления резанию, возникающих при сверлении, необходимо как для расчета и конструирования станков, сверл и приспособлений, так. и для правильного использования их в производстве.

1.2 Применяемые инструменты, оборудование и приспособления

1.2.1 Назначение и основные типы сверл

В промышленности производится обработка отверстий в очень широком диапазоне диаметров D (D = 0,1…100 мм) и глубин l (до 100D). Отверстия малых диаметров () в жаропрочных, титановых и тугоплавких материалах стандартными сверлами обработать не удастся и поэтому применяют физико-химические методы.

В основном выделяют около 30 типов сверл: перовые (с прямыми канавками), спиральные (с винтовыми канавками), для глубокого сверления, центровочные -- для обработки центровых отверстий, кольцевые, специальные.

Перовые или плоские сверла просты по конструкции, но из-за плохих условий отвода стружки и тяжелых условий резания их применяют в основном для обработки отверстий глубиной .

Наиболее распространены спиральные или винтовые сверла. Они применяются для обработки отверстий глубиной до (5... 10)D.

Для обработки центровых отверстий применяют комбинированные центровочные сверла диаметром от 1 до 10 мм.

Сверла для кольцевого сверления применяются для обработки сквозных отверстий большого диаметра, а алмазные кольцевые сверла-- для обработки отверстий в твердых неметаллических материалах (сквозные и глухие). Кольцевые сверла (рис. 3) состоят из трубчатого корпуса 3 с закрепленными на торце ножами 1. Для направления сверла на корпусе установлены кулачки 2.

Рис.3

Сверла для глубокого сверления. Глубокие отверстия (l>10D) обычно должны быть изготовлены но 6...8-му квалитетам точности и сохранять прямолинейность оси отверстия, соосность отверстия и наружной поверхности. Обработка их вызывает большие затруднения и требует применения специальных сверл и точных станков (токарных, расточных и др.), на которых обрабатываемая деталь вращается, а сверло имеет только поступательное движение. Для глубокого сверления применяют обычные винтовые сверла двустороннего резания и специальные сверла одностороннего резания. Конструкция сверла должна обеспечить принудительную подачу охлаждающей жидкости к режущим кромкам, свободный отвод стружки, достаточную жесткость, хорошее базирование по стенкам отверстия.

Обычные сверла двустороннего резания представляют собой удлиненные винтовые сверла с двумя канавками для внутреннего подвода охлаждающей жидкости. Каналы соединяются с центральным каналом в хвостовой части сверла, через который поступает жидкость под высоким давлением. Жидкость вместе со стружкой отводится по винтовым канавкам сверла.

Для глубокого сверления применяются сверла:

1) двустороннего резания (двухкромочные) -- шнековые, эжекторные;

2) одностороннего резания (однокромочные) -- ружейные и пушечные.

Сверла шнековые применяют при обработке отверстий (D=3...30 мм) длиной более 10D без периодического вывода инструмента из заготовки. Они имеют большие углы наклона винтовых канавок ? (? = 60°), что облегчает отвод стружки из зоны резания. Канавки в осевом сечении имеют треугольный профиль. Для повышения жесткости шнековые сверла имеют утолщенную сердцевину, равную (0,3...0,35) D. Применяется подточка поперечной кромки (до 0,1D).



Эжекторные сверла (рис. 3) предназначены для глубокого сверления отверстий диаметром. Головка 2 навинчена на наружную трубку 5, являющуюся несущим корпусом. Режущая часть 1 оснащена твердосплавными пластинами, расположенными в шахматном порядке. Поэтому стружка срезается в виде отдельных лент, а затем дробится стружколомающими уступами и легко удаляется. Особенностью эжекторных сверл является эффект подсоса СОЖ, уходящей вместе со стружкой в результате разрежения внутри сверла, разрежение возникает из-за разделения прямого потока А жидкости (под давлением 2...3 МПа) на два: около 0,7 жидкости направляется в зону резания, а 0,3 обратно через прорези Б во внутренний канал трубы 4. Это разрежение, возникающее между потоком жидкости со стружкой и потоком через щели Б, улучшает условия отвода стружки.

Эжекторные сверла работают на скоростях резания 25...200 м/мин и подачах 0,15...0,7 мм/об. Обеспечивается точность 9...11-го квалитетов и Ra= 1,25...0,63 мкм. Для повышения точности обработки служат твердосплавные направляющие 5.

Ружейные сверла диаметром D= 8...30 мм состоят из рабочей части и трубчатого корпуса (стебля) .

Для создания благоприятных условий резания главная режущая кромка смещена на 0.2D от оси сверла. Сверло имеет внутренний канал круглого или серпообразного поперечного сечения для подвода СОЖ под давлением 2...4 МПа. СОЖ вместе со стружкой вымывается по наружной прямой канавке.

Для глубокого сверления отверстий малого диаметра (D = 2...10 мм) эффективно вибрационное сверление твердосплавными сверлами. Обработка производится на вибросверлильных станках, где инструменту наряду с вращательным движением и движением подачи сообщаются колебания вдоль оси (с амплитудой А = 0,01.. .0,04 мм и частотой f=100...200 Гц). При этом происходит надежное дробление стружки и повышается эффективность действия СОЖ.

1.2.2 Типы станков и их основные узлы

Операции глубокого сверления и растачивания выполняются на глубокосверлильных станках, отличительной особенностью которых является наличие у них системы подвода - отвода СОЖ для принудительного отвода стружки.[3,12] Глубокосверлильные станки весьма разнообразны. Они различаются по ряду признаков. По расположению шпинделя их разделяют на горизонтальные и вертикальные. Наиболее распространены горизонтальные, так как вертикальные позволяют обрабатывать только сравнительно неглубокие отверстия. По числу шпинделей различают одно-, двух- и многошпиндельные. Наибольшее распространение получили одношпиндельные станки. Двух- и многошпиндельные предназначаются для обработки глубоких отверстий малого диаметра в крупносерийном и массовом производстве. Различают станки и в зависимости от того, вращается заготовка во время обработки или остается неподвижной. Широко применяются станки для обработки вращающихся заготовок. Они различаются конструкцией бабки изделия. Известны две разновидности бабок - токарного типа и вертлюжная.

Станки токарного типа имеют бабку токарного типа, на шпинделе которой установлен патрон для закрепления и вращения заготовки. Правый конец заготовки базируется в маслоприемнике, а средняя часть опирается на промежуточные люнеты, число которых выбирается в зависимости от длины заготовки.

Инструментальная бабка может сообщать инструменту движение подачи и при необходимости и вращение, а подающая каретка - только движение подачи. Этим определяются возможности станка вести сверление по той или иной схеме.

Станки вертлюжного типа допускают установку заготовки внутри шпинделя вертлюжной бабки. Левый конец заготовки опирается на люнет.

Благодаря меньшему наружному диаметру шпинделя у бабки токарного типа на станках токарного типа можно сообщать шпинделю вращение с большей частотой и, следовательно, обрабатывать отверстия с большим диапазоном диаметров, включая и малые диаметры. На вертлюжных станках для получения необходимой скорости резания приходится применять встречное вращение инструмента, которое может вносить дополнительные погрешности. К преимуществам вертлюжных станков относятся легкость выверки конца заготовки, обращенного к маслоприемнику (что очень важно с точки зрения обеспечения точности обработки), возможность повышения жесткости нежесткой заготовки путем закрепления ее ближе к средней части и при желании в нескольких сечениях.

1.3 Особенности сверления глубоких отверстий

Метод сверления спиральными сверлами успешно применяется только при глубине сверления, равной не более 3--5 диаметрам сверла. При сверлении же более глубоких отверстий приходится применять прерывистый процесс, так как необходимо часто выводить спиральное сверло из отверстия для очистки от стружки, смазки и охлаждения. Подобная работа, даже если она производится автоматически, резко снижает производительность сверления.

Важным фактором, от которого зависит непрерывность протекания процесса сверления, является отвод образующейся стружки. Чем больше глубина сверления, тем затруднительнее отвод стружки из зоны резания. Спиральные сверла не обеспечивают надежного стружкоотвода. Имеющиеся конструкции спиральных сверл с внутренними канавками для подвода к режущим кромкам смазочно-охлаждающей жидкости весьма сложны в изготовлении и не получили широкого распространения в промышленности.На практике глубокие отверстия сверлятся обычно непрерывно с принудительным либо наружным, либо внутренним отводом стружки. Принудительный отвод стружки осуществляется обычно жидкостью, подводимой в зону резания под давлением. Весьма редко вместо жидкости применяют сжатый воздух. Для создания циркуляции жидкости применяется специальная оснастка и оборудование.

На рис. 5 показаны упрощенные схемы обоих методов глубокого сверления.

Рис.5

При наружном отводе стружки (рис. 5, а) жидкость поступает от насоса через внутреннюю полость стебля и сверла в зону резания и вместе со стружкой отводится через зазоры между сверлом со стеблем и поверхностью образующегося глубокого отверстия в стружкоприемник. Стружкоприемник задерживает стружку, а жидкость стекает в отстойник резервуара. В резервуаре (баке) жидкость очищается от механических примесей, охлаждается и вновь насосом направляется через трубопровод (гибкий шланг) и стебель сверла в зону резания.

При внутреннем отводе стружки (рис. 5, б) жидкость направляется насосом в специальное устройство -- маслоприемник. Из маслоприемника жидкость поступает в зону резания через зазоры между наружной поверхностью стебля со сверлом и образующейся поверхностью глубокого отверстия. Затем стружка вместе с жидкостью вымывается в стружкоприемник через внутреннюю полость сверла и стебля. Далее путь жидкости до насоса аналогичен описанному выше.

Таким образом, процесс глубокого сверления характеризуется как непрерывный процесс образования в сплошном материале заготовки отверстий относительной длиной более 3-5 диаметров сверления с применением специальных сверл, оснастки и оборудования, обеспечивающих принудительный отвод стружки из зоны резания.

Под относительной длиной отверстия понимают отношение длины (глубины) сверления /с к диаметру сверления dc. Согласно приведенной выше характеристике, при глубоком сверлении относительная длина должна быть равной

(26)

или более строго, учитывая малую надежность стружкоотвода у спиральных сверл,

(27)

Глубокое сверление занимает особое место среди операций, применяемых при обработке деталей, имеющих большую относительную длину. Специфичность этой операции заключается как в том, что инструмент должен прокладывать себе путь в сплошном материале, не имея заранее подготовленной опоры и жесткого направления, так и в том, что от качества проведения глубокого сверления существенно зависит структура последующего технологического процесса. Типичным для глубокого сверления также является невозможность непосредственного наблюдения за ходом процесса и трудность выполнения данной операции на универсальном оборудовании без его основательной подготовки.

При глубоком сверлении различают сплошное и кольцевое сверление.

При сплошном сверлении (рис. 6, а) весь материал, расположенный в объеме будущего отверстия, измельчается в стружку. При кольцевом сверлении, которое иногда называют трепанацией, в стружку переводится только кольцевая полость (рис. 6, б). В центре образующегося отверстия остается стержень (или керн), используемый иногда в качестве заготовки для различных деталей.

Рис.6,а,б

Если сверление сквозное, то высверливаемый стержень полностью отделяется от заготовки в конце прохода. Если же сверление глухое, то его необходимо удалять специальными приемами.

В большинстве случаев при необходимости сверления глухих отверстий предпочитают применять только сплошное сверление. Когда же необходимо просверлить сквозное отверстие очень большой относительной длины (> 80) или сверлить детали из труднообрабатываемых материалов, применяют двустороннее сверление.

Запроектированный технологический процесс глубокого сверления обычно оценивается по трем показателям:

по производительности;

по соответствию качества выполнения отверстия техническим
требованиям на операцию;

по общей стоимости изготовления детали с глубоким отверстием.

О производительности процесса глубокого сверления укрупненно судят по величине часового прохода сверла

м/ч (28)

или

м/ч. (29)

Здесь s0 - подача на один оборот сверла в мм/об;

Vc - скорость резания при сверлении в м!мин;

dc -- диаметр сверления в мм;

пс -- угловая скорость вращения заготовки при сверлении в обIмин.

Более полно производительность сверления характеризуется количеством деталей, просверленных за смену,

шт/смену, (30)

где Тс -- продолжительность работы в смену в ч;

То -- потери времени за смену, предусмотренные режимом работы, в ч;

tK -- калькуляционное время на операцию сверления одной детали в мин.

От качества сверления, а следовательно, и от назначения припусков на последующие операции зависит дальнейший процесс обработки не только отверстия, но и всей детали в целом. Поэтому стоимость выполнения операции глубокого сверления необходимо рассматривать не изолированно, а с учетом стоимости всей обработки детали.

2. Основные факторы, влияющие на работу сверла

При глубоком сверлении режущие элементы инструментов работают в тяжелых условиях. Возникающие на этих операциях огранка, вибрации и нарушения бесперебойного стружкоотвода ускоряют изнашивание режущих элементов и вызывают их поломку (выкрашивание режущего лезвия, разрушение всей режущей части). Ввиду сложности и высокой стоимости этих инструментов продление срока их службы имеет большое значение как с точки зрения обеспечения производительности, так и снижения удельных затрат на инструмент. Выделяют следующие основные факторы [1,3,9], влияющие на стойкость инструмента:

1) материал и конструкция сверла;

2) обрабатываемый металл;

3) режимы резания;

4) смазывающе-охлаждающие жидкости;

5) оборудование.

2.1 Влияние материала и конструкции сверла

Основным компонентом для производства сверл (режущих пластин) является карбид вольфрама [5,6], в роли связующего вещества выступает кобальт и около 1% составляют фирменные присадки, придающие инструменту необходимые свойства. В других случаях в качестве связки также участвует кобальт с процентным содержанием 6 % и 1% это фирменные добавки, включая молибден. Существуют и металлокерамические соединения с содержанием карбидов вольфрама и молибдена. Так, например, молибден придаст инструменту упругую гибкость, так необходимую при сверлении на полную глубину режущей части сверла. Это обстоятельство также позволит использовать сверла на оборудовании с низкими техническими характеристиками (биение цанги, шпинделя, относительно длительное время переходных процессов позиционирования стола). Но не все так просто: улучшая один параметр, мы изменяем износостойкость и наоборот. Такие присадки, как тантал и титан, позволяют материалу работать в самых тяжелых условиях резания -- постоянные и переменные ударные нагрузки, повышенная температура взаимодействия между трущимися поверхностями.

Немаловажным фактором для выбора материала является его температурная стойкость. Установлена зависимость температуры в зоне обработки от скорости резания, подачи, скорости вращения шпинделя, и выражается она следующей формулой:

, (31)

где С0=920 -- коэффициент, характеризующий влияние материала сверла, геометрии, режущих частей на температуру в зоне резания;

х, у, z -- показатели степени, характеризующие влияние скорости резания, подачи и диаметра сверла на значение температуры в зоне обработки;

V -- скорость резания (м/мин),

S -- подача (мм/оборот),

d -- диаметр сверла (мм).

После математической обработки результатов экспериментов были уточнены коэффициенты в формуле (31), и она приняла следующий вид:

(32)

Актуальным при работе со сверлами является шероховатость поверхности стружечного канала (Rz). Закупоривание стружечного канала приводит к резкому повышению сил скручивания сверла, а это, в свою очередь, ведет к частым поломкам инструмента. Для сверл изготовители стремятся создать микрозернистый материал, тем самым увеличить стойкость и прочность режущего инструмента. Лучшие образцы имеют зернистость порядка 0,4 мкм и меньше. Уменьшение величины зерна в материале благоприятно сказывается на точности заправки, шероховатости инструмента и стойкости режущих кромок.

Продление срока службы сверла возможно за счет применения многократных переточек либо смены режущих элементов. В зависимости от конструкции режущего элемента и способа его крепления на рабочей части переточка может выполняться совместной с рабочей частью либо раздельно.

Существует несколько видов конструкций режущих элементов:

1. Монолитные режущие элементы;

2. режущие элементы, закрепляемые постоянно на корпусе рабочей части;

3. режущие элементы, закрепляемые сменно на корпусе рабочей части;

4. плавающие режущие элементы.

Применение той или иной конструкции режущих элементов зависит от конкретных условий резания.

2.2 Влияние обрабатываемого материала

Обработка отверстия требует определенных энергетических затрат [10,11]. При сверлении силовое взаимодействие инструмента и заготовки складывается из осевой силы и момента сверления.

Чем выше предел прочности при растяжении ?в или твердость НВ обрабатываемого металла, тем больше осевая сила и момент от сил сопротивления резанию при сверлении.

Прежде всего, величина требуемой мощности зависит от типа обрабатываемого материала. Для того, чтобы рассчитать усилия резания перед началом обработки, используется величина удельной силы резания, своя для каждого материала.

Номинальные значения удельной силы резания () , измеряемой в , получены эмпирическим путем для большинства обрабатываемых материалов. Она выражается как тангенциальная сила резания, необходимая для срезания стружки с поперечным сечением определенного размера () или действительная сила резания, деленная на площадь сечения стружки. Значение силы резания соответствует определенной подаче на зуб. Сталь имеет удельную силу резания приблизительно в три раза большую, чем цветные металлы и в два раза меньшую по сравнению с жаропрочными сплавами.

2.3 Влияние режимов резания

сверление отверстие режущий

Чем больше диаметр сверла и величина подачи, тем больше площадь поперечного сечения среза, тем больше сопротивление стружкообразованию, тем больше, следовательно, осевая сила и момент от сил сопротивления резанию.

Экспериментальные исследования показывают, что диаметр сверла оказывает большее влияние на увеличение Р и М, чем подача. Это объясняется тем, что диаметр сверла выражает как бы глубину резания при сверлении, которая, по сравнению с подачей, оказывает большее влияние на силы, возникающие в процессе резания. Кроме того, если подача влияет на значения Р и М примерно одинаково, то диаметр сверла на момент от сил сопротивления оказывает значительно большее влияние, чем на осевую силу. Это объясняется тем, что наряду с увеличением сил, влияющих на общий момент сопротивления, увеличивается и плечо, на котором эти силы действуют. Различное влияние величины диаметра сверла и подачи учитывается в формулах для подсчета осевой силы Р и момента М. Так, в формуле для подсчета Р показатель степени при D равен 1, а в формуле для М он равен 2.

С увеличением глубины сверления условия резания ухудшаются. Отвод стружки и подвод охлаждающей жидкости затрудняются, тепловыделение увеличивается. Все это приводит как к снижению стойкости сверла, так и к повышению осевой силы и момента от сил сопротивления- резанию. Для облегчения резания па большой глубине у сверл делаются стружкоразделительные канавки, которые разделяют стружку, облегчают ее отвод, уменьшают тепловыделение, осевую силу и момент от сил сопротивления резанию.

С увеличением скорости резания значения Р и М сначала увеличиваются, а затем уменьшаются.

Сила резания, измеряемая в Н, обычно является решающим фактором при сверлении. Это сила, действующая на сверло в осевом направлении со стороны обрабатываемого материала. Для того, чтобы убедится в достаточной мощности шпинделя станка, необходимо принимать во внимание силу резания. Чрезмерное значение силы резания может повлиять на качество обработанного отверстия, надежность инструмента или даже остановить шпиндель. С другой стороны, силы резания должно хватать на осуществление самого процесса резания с высокой производительностью.

2.4 Влияние СОЖ

На операциях глубокого сверления и растачивания СОЖ должна выполнять ряд функций [2,9]: отводить стружку из зоны резания и транспортировать ее по отводным каналам, уменьшать силы резания и трения между направляющими элементами и поверхностью отверстия, отводить тепло, образующееся в процессе резания и трения. Для этого СОЖ должна иметь соответствующие свойства.

Отвод стружки надежно обеспечивается в том случае, когда поток СОЖ будет иметь такую минимально необходимую скорость, при которой кинетическая энергия потока будет достаточна для сообщения стружке движения вдоль отводных каналов. Минимально необходимая скорость СОЖ и выбранная площадью поперечных сечений отводных каналов для стружки и СОЖ определяют минимально необходимый расход СОЖ.

Уменьшение сил резания и трения достигается за счет использования смазывающих свойств СОЖ, а также свойства способствовать резанию, обусловленного эффектом П. А. Ребиндера. Эти свойства создаются за счет добавления в СОЖ соответствующих присадок и поверхностно-активных веществ. В отечественной и зарубежной практике в качестве присадок используют серу, хлор, фосфор.

При обработке глубоких отверстий СОЖ подается в зону резания под давлением, проникает в микротрещины и микрощели в зоне стружкообразования, вступает во взаимодействие с материалом заготовки и инструмента, образуя на их поверхностях пленки, которые экранируют трущиеся поверхности. Особенно благоприятно действуют химические пленки, выдерживающие большие нормальные давления и высокую температуру (хлоридные не разрушаются до температуры 500 ?С, фосфатные - 700 ?С и сульфидные - до 1000 ?С). вместе с тем эти пленки имеют малое сопротивление сдвигу, что способствует снижению коэффициента трения. Каждая из присадок способствует возникновению своей пленки, которая образуется и сохраняется при вполне определенных условиях, являющихся результатом совокупного влияния ряда факторов, причем каждая из присадок в присутствии другой действует активнее.

Отвод тепла при глубоком сверлении (растачивании) с помощью СОЖ решается попутно, наряду с главным назначением СОЖ - отводом стружки. Некоторые трудности, имеющие место, связаны с циркуляцией большого количества СОЖ с единицу времени, что приводит к ее нагреву. И отвод тепла производится преимущественно путем конвективного теплообмена между нагретыми поверхностями заготовки и инструмента и потоком СОЖ. Интенсивность отвода тепла в значительной степени зависит от теплопроводности СОЖ, ее расхода и скорости перемещения, разности температур охлаждаемых поверхностей и потока СОЖ. Для поддержания оптимальной температуры СОЖ станки для глубокого сверления и растачивания следует снабжать теплообменниками.

2.5 Влияние оборудования

При оптимизации сверлильного инструмента важным является научно обоснованный выбор геометрических параметров стебля и материала, из которого он изготовлен [9]. Геометрические размеры стеблей определяют их жесткость и гидравлические потери в тракте подвода-отвода СОЖ. Кольцевой зазор между диаметром обрабатываемого отверстия и наружным диаметром стебля предназначен для подвода необходимого количества СОЖ в зону резания с допустимыми потерями давления по длине тракта подвода СОЖ.

Теоретически и экспериментального установлено, что на производительность и устойчивость глубокого сверления значительное влияние оказывает величина наружного диаметра стебля; изменение внутреннего диаметра стебля оказывает значительно меньшее влияние.

Для достижения большей производительности следует выбирать наружный диаметр стебля максимальным. Однако увеличение наружного диаметра стебля ограничено возможностями насосной станции по создания требуемого давления СОЖ, особенно при использовании вязких СОЖ, увеличением глубины сверления и подачи инструмента.

При глубоком сверлении отверстий диаметром 7 - 23 мм с относительной глубиной L/d0=30 - 100 в сталях величина наружного диаметра стебля определяется по следующей эмпирической зависимости

. (33)

Учитывая, что влияние внутреннего диаметра стебля на производительность процесса и величину гидравлических потерь менее существенно по сравнению с влиянием наружного диаметра стебля, выбор следует производить из условия беспрепятственного удаления стружки внутри стебля. На основании много численных экспериментов при глубоком сверлении отверстий диаметром 7 - 23 мм величину целесообразно назначать в пределах (0,4 - 0,5) .

С целью обеспечить максимальную жесткость стебля необходимо для каждого конкретного случая выбирать минимальную его длину. При подборе стеблей для глубокого сверления важно определить не только его геометрические размеры, но и материал, из которого он изготовлен. Эксперименты по выбору материала позволяют рекомендовать в качестве стеблей для обработки глубоких отверстий диаметром 7 - 23 мм холоднотянутые трубы из нержавеющей стали марки ОХ18Н10Т. Указанные трубы имеют большой диапазон диаметральных размеров, что очень важно при изменении диаметра сверления, а также обладают значительной демпфирующей способностью, позволяющей уменьшить вибрации инструмента и повысить производительность обработки.

3. Обеспечение стойкости сверл

3.1 Изменение геометрических параметров режущей части сверл

К параметрам заточки режущей части инструмента для глубокого сверления относятся: передние углы и соответственно для наружной режущей кромки N и внутренней режущей кромки Т; задние углы , и , наружные и внутренний углы при вершине сверла как дополнительные к соответствующим углам в плане: 90? - и 90? - .

На основании многолетней практики сверления отверстий в сталях типа 40ХС, 30ХН2МФА, можно рекомендовать следующие значения указанных углов: ; ; ; ; .

Из параметров заточки режущей части сверла наиболее существенное влияние на производительность и устойчивость глубокого сверления оказывает величина наружного угла при вершине сверла. В зависимости от конкретных условий процесса глубокого сверления имеется оптимальное значение , при котором достигается максимальная производительность процесса. Как показывали опыты, величина угла при вершине сверла не зависит от диаметра сверления. При обработке сталей 40ХС, 30ХН2МФА, 25Х1 МФ, 45ХНМФА, 38ХН3МФА и подобных им величину следует назначать равной , для нержавеющих сталей типа ОХ18Н10Т .

Из-за малой протяженности кромки заметного влияния угла на производительность и устойчивость глубокого сверления не наблюдается. Для обработки указанных сталей угол может быть принят равным .

Марку твердого сплава для режущей части сверлильных головок назначают в зависимости от материала заготовок и условий обработки. При обработке указанных выше сталей применяются режущие пластины из сплава Т15К6. направляющие шпонки обычно изготавливаются из твердого сплава ВК8.

3.2 Изменение химического состава быстрорежущих сталей

Для того чтобы повысить стойкость инструмента необходимо увеличить красностойкость стали [5,14]. Это можно сделать за счет карбидов W, V, Co,Mo. Карбиды этих элементов при нагревании стали до 550-600? С не изменяют своих размеров и неизменной остается твердость.

Состав быстрорежущей стали: С 0,9-0,95%, Cr 3,8-4,2% (обеспечивает прокаливаемость стали, карбиды Cr повышают износостойкость), W 3-18% (обеспечивает красностойкость). Для повышения режущей способности и красностойкости в сталь вводят Co 5% (в некоторых случаях до 20%), V 3%. Стали, содержащие Co, V, используют для обработки нержавеющих, жаростойких, титановых сплавов.

Технология обработки быстрорежущей стали включает в себя:1. Получение слитка или порошковой заготовки.2. Предварительная обработка, необходимая для получения равномерной структуры, однородного распределения карбидной фазы и минимальной твердости перед изготовлением инструмента.3. Окончательная термообработка, необходимая для придания инструменту служебных свойств.Получение слитка (или порошковой заготовки) быстрорежущей стали затруднено сильной карбидной ликвацией, т.е. большое содержание карбидообразующих легирующих элементов вызывает появление в этой стали ледебуритной эвтектики. Для устранения химической неоднородности, а так же крупных карбидов, слитки подвергают высокой гомогенизации и последующей горячей деформации. Горячая деформация проводится в разных направлениях для раздробления и измельчения карбидов. Чем мельче карбиды, тем выше свойства стали. Максимально мелкие и равномерно распределенные карбиды можно получить, используя технологию порошковой металлургии. Для этого расплавленный металл не отливают в слиток, а распыляют в мелкий порошок. Образовавшийся порошок подвергают горячему прессованию. В результате заготовка имеет однородную структуру с очень мелким распределением карбидной фазы по объему. Назначение предварительной обработки - снижение твердости. Для этого проводят изотермический отжиг при температуре 840-860? С, затем проводят медленное охлаждение со скоростью 40?/час до температуры 720-740? С. Потом охлаждают со скоростью 50?/час до 600? С и твердость составляет 23-25 HRC. После этой обработки структура будет представлять собой сорбидообразный перлит. Окончательная обработка включает закалку и многократный отпуск при одной температуре 500-550? С и продолжительностью 1 час. Температурная остановка 840? С, чтобы не было растрескивания. Для быстрорежущей стали применяют высокотемпературную изотермическую закалку. Нагрев заготовок ведут в расплавах солей, чтобы предотвратить окисление поверхности и выгорания легирующих элементов и углерода. В процессе нагрева делают одну или две температурных остановки для выравнивания температуры по сечению детали. Температура закалки лежит вплотную к точке А4, это необходимо для растворения высокотемпературных карбидов. Однако выдержка под закалку должна быть короткой, чтобы не произошло укрупнения зерна. Закалка проводится с охлаждением в горячей среде, либо ступенчатая, либо изотермическая (чтобы выровнять температуру по сечению и не допустить растрескивания). Окончательное охлаждение производится на воздухе. Закаленная по такому режиму сталь имеет структуру мартенсит + карбиды + остаточный аустенит. После изотермической закалки фазовый состав быстрорежущей стали состоит из 15-25% карбидной фазы МеС, 50% мартенситной фазы и 20-25% остаточного аустенита. В сплавах с большим содержанием Со количество остаточного аустенита может достигать 40%. Остаточный аустенит является нежелательной фазой, т.к. понижает твердость стали, поэтому сразу после закалки быстрорежущую сталь подвергают многократному отпуску. Отпуск проводится при температуре 500-560? С в течение 1 часа. Во время первого отпуска происходит снятие закалочных напряжений за счет перехода мартенсита закалки в мартенсит отпуска, а так же за счет выделения из остаточного аустенита избытка легирующих элементов в виде карбидов. При охлаждения стали после отпуска аустенит превращается в мартенсит, однако это превращение происходит не полностью. После первого отпуска количество остаточного аустенита составляет 12-15%. Для дальнейшего уменьшения остаточного аустенита проводят вторую ступень отпуска. В это время происходит отпуск вновь образовавшегося аустенита и дальнейшее выделение карбидов из оставшегося остаточного аустенита. После охлаждения 2 ступени оставшийся остаточный аустенит переходит в мартенсит, количество его 5-6%, поэтому проводят 3 ступень отпуска. Проходят те же процессы. После 3 стадии содержание остаточного аустенита не должно превышать 1-2%. Если количество остаточного аустенита больше 2%, то проводят еще один отпуск.

Основные марки: Р18, Р12, Р9, Р6М5, Р9М5Ф2, Р6М5К5. Самая теплостойкая - В11М7К23.

3.3 Технология термической обработки сверл

Высокие режущие свойства быстрорежущей стали обеспечиваются ее закалкой и отпуском, в результате чего образуется структура стойкого против распада легированного мартенсита, требующего отпуска при температуре около 600 °С [10]. Для получения такого мартенсита сталь под закалку нагревают до высоких температур. Высокая температура нагрева нужна для того, чтобы перевести в твердый раствор (аустенит) возможно большее количество труднорастворимых вторичных карбидов.

Температура нагрева под закалку зависит от марки стали, формы, размеров, назначения, условий работы инструмента и выбирается в пределах 1160-1240 °С. Нагрев выше определенной оптимальной температуры (для каждой марки стали) ведёт к значительному росту зерна, образованию сетки карбидов и может даже приводить к оплавлению режущих кромок инструмента.