ОСОБЛИВОСТІ ОСНОВНИХ ПРОЦЕСІВ ЛЕЗОВОГО ОБРОБЛЕННЯ РІЗАННЯМ

ЛЕКЦІЯ 17 ОСОБЛИВОСТІ ОСНОВНИХ ПРОЦЕСІВ ЛЕЗОВОГО

ОБРОБЛЕННЯ РІЗАННЯМ. Свердління

17.1 Призначення операцій свердління і розсвердлювання. Кінематика процесу

Свердління призначене для оброблення отворів в суцільному матеріалі (рис. 17.1) або збільшення діаметру раніш просвердленого отвору (розсвердлювання).

Рисунок 17.1 – Схема свердління отвору в суцільному металі

Головний рух при свердлінні – обертальний, рух подачі – поступальний. На звичайних свердлильних верстатах обидва ці рухи виконує інструмент – свердло: воно обертається, будучи закріпленим в шпинделі верстата і переміщується вглиб оброблюваної заготовки, яка нерухомо закріплена на столі верстата.

Робоча частина свердла виготовляється із швидкорізальних сталей Р18, Р9, Р9К5, Р6М5, 9ХС і із твердих сплавів.

Свердління отворів без подальшого їх оброблення виконують в тих випадках, коли необхідна точність розмірів лежить в межах 12…14-го квалітету.

17.2 Основні частини та геометрія різальних елементів свердла

Свердло складається із наступних частин (рис. 17.2): робочої, сполучної (шийки) і закріпної. Робоча частина, в свою чергу, містить різальну і напрямну частини. Закріпна частина свердла може бути циліндричної і конічної форми. Свердла з циліндричною закріпною частиною закріплюються в спеціальних патронах, з конічною закріпною частиною – вставляються безпосередньо в конічне базове гніздо шпинделя верстата. Конічний хвостовик має лапку, за допомогою якої свердло вилучають із гнізда шпинделя.

Свердла на своїй робочій частині мають два симетрично розташованих гвинтових леза (рис. 17.3, 17.4, 17.5). Вони утворені двома гвинтовими канавками з кутом нахилу по зовнішньому діаметру D. З метою зменшення площі дотику поверхонь свердла і висвердленого отвору діаметр більшої частини зовнішньої поверхні зменшено. Тільки вздовж краю гвинтової канавки кожного леза в вигляді вузької стрічки шириною f зберігається поверхня зовнішнього діаметру D. В центрі свердла, між гвинтовими канавками, знаходиться перемичка діаметром c, яка з’єднує в одне ціле обидва леза свердла.

Діаметр свердла D відповідає відстані між стрічками протилежних лез. Для зменшення розбивки і запобігання можливому защемленню свердла в просвердленому отворі діаметр свердла в напрямку від різальної частини до закріпної вздовж всієї робочої частини декілька зменшується. Зменшення діаметра прийнято називати зворотною конусністю і визначати різницею діаметрів на відстані l0 = 100 мм довжини робочої частини.

Рисунок 17.2 – Основні частини та геометрія свердла

Передніми поверхнями лез свердла є поверхні гвинтових канавок. Задніми поверхнями є їх торцеві поверхні. Вони можуть бути заточені як плоскі, гвинтові, конічні і циліндричні поверхні.

Головна різальна кромка леза свердла – це лінія перетину поверхні гвинтової канавки (передньої поверхні) і задньої поверхні.

Рисунок 17.5 – До визначення геометрії різальної частини свердла

Допоміжне лезо формує оброблену циліндричну поверхню отворів, що свердляться. Функцію допоміжної різальної кромки виконує гвинтова лінія, яка утворена перетином поверхні гвинтової канавки і поверхні стрічки, що прилягає до неї.

Поперечна кромка (перемичка) утворюється перетином головних задніх поверхонь двох гвинтових різальних зубців. Передньою поверхнею для половини поперечної кромки є ділянка задньої поверхні правого або лівого зубця.

Таким чином, на різальній частині свердла є шість лез (два головних, два допоміжних і два на перемичці), які розташовані на двох зубцях і мають просторову різальну кромку, яка складається із п’яти різноспрямованих відрізків.

Геометричні параметри різальної частини свердла визначаються на основі загальних положень кінематики різання (див. рис. 17.3, 17.4).

Головний кут в плані знаходиться між робочою площиною та статичною площиною різання.

Статичний допоміжний кут в плані 1 на свердлах не вказується. Він заміняється вже відомим поняттям зворотної конусності робочої частини.

Статичний передній кут с – кут між дотичною до передньої поверхні в точці головної різальної кромки, що розглядається, і статичною основною площиною (див. рис. 17.4). Статичний передній кут можна також розглядати в площині, яка перпендикулярна до головної різальної кромки в перетині Pн – Pн. В кожній точці різальної кромки передній кут є величиною перемінною. Він може бути визначений (без урахування ширини перемички) із рис. 17.5:

Найбільше значення кут с має на периферії свердла, де в площині, паралельній осі свердла (А-А) він дорівнює куту нахилу гвинтової канавки . Найменше значення кут с має біля вершини свердла. На поперечній кромці кут с має негативне значення, яке утворює кут різання більше 90, а відповідно, визначає і важкі умови роботи свердла. Таке різке зменшення переднього кута вздовж всієї різальної кромки є великим недоліком свердла, тому що обумовлює складні умови утворення стружки. На периферії свердла, де швидкість різання найбільша і найбільше тепловиділення, необхідно було б мати і найбільше тіло зубця свердла. Більший же кут с зменшує кут загострювання, що призводить до більш швидкого нагрівання цієї частини свердла, а відповідно й до найбільшого зношування.

Статичний задній кут с – це кут між дотичною до задньої поверхні в точці головної різальної кромки, що розглядається, і статичною площиною різання. Для точки, яка знаходиться на периферії свердла, задній кут в нормальній січній площині Pн можна знайти за формулою

tg н = tg с·sin .

В залежності від способу заточування задній кут має різні закони зміни при переміщенні від периферії до центру. Він може збільшуватись при заточуванні по конусу Уошборна, зменшуватись – при заточуванні по конусу Вейскера і бути незмінним при заточуванні по циліндру. Дійсне значення заднього і переднього кутів в процесі різання відрізняються від геометрії заточування. Це пояснюється тим, що свердло під час роботи на тільки обертається, але і переміщується вздовж осі. Траєкторією переміщення точки буде не коло, а гвинтова лінія, крок якої дорівнює подачі свердла. Таким чином, поверхня різання, яка утворена головною різальною кромкою, є гвинтовою поверхнею, дотична до якої і буде кінематичною площиною різання. Кінематичний задній кут в процесі різання к знаходиться між цією площиною і площиною, дотичною до задньої поверхні свердла (рис. 17.6):

к = с – ; к = с – ; tg = s/D.

Рисунок 17.6 – Схема для визначення заднього кута в процесі різання

Для того, щоб забезпечити в процесі різання достатню величину заднього кута у точок головної різальної кромки, які близько розташовані до осі свердла, а також щоб отримати більш або менш однакові кути загострювання зубця вздовж всієї довжини різальної кромки задній кут заточування виконують на периферії величиною 8-14, а біля серцевини 20-27.

Крім означених кутів, свердло характеризується кутом нахилу гвинтової канавки і кутом нахилу поперечної кромки (див. рис. 17.4).

Особливості геометрії свердла:

зменшення переднього кута в різних точках різальних кромок по мірі приближення точки, що розглядається, до осі свердла;
несприятливі умови різання біля поперечної кромки; відсутність заднього кута у стрічок свердла, що сприяє виникненню тертя об оброблену поверхню.

З метою полегшення процесу стружкоутворення і підвищення різальних властивостей свердла виконують подвійне заточування і підточування перемички та стрічки.

17.3 Елементи режиму різання і зрізу при свердлінні

Швидкість різання V при свердлінні для різних точок різальної кромки різна (рис. 17.7): на периферії свердла найбільша, а з наближенням до осі вона зменшується і в центрі дорівнює нулю. В розрахунках використовується найбільша швидкість різання:

V = Dn/1000, м/хв,

де D – діаметр свердла, мм;

n – частота обертання свердла, об/хв.

Подача s, мм/об, – величина переміщення свердла вздовж осі за один його оберт (або за один оберт заготовки, якщо обертається вона, а свердло тільки переміщується). У свердла дві головні різальні кромки; подача, що приходиться на кожну із них,

sz = s/2, мм/зубець.

Рисунок 17.7 – Параметри зрізу при свердлінні та розсвердлюванні

Подача за хвилину

Sхв = s n, мм/хв.

Глибиною різання при свердлінні є відстань від обробленої поверхні до осі свердла, тобто

t = D/2,

Параметри одиночного зрізу характеризуються товщиною і шириною.

Товщина зрізу а вимірюється в напрямку, який перпендикулярний до різальної кромки

a = sz sin = (s/2)·sin .

Ширина зрізу b вимірюється вздовж різальної кромки і дорівнює її довжині

b = D/2 sin .

Площа поперечного перетину зрізу, яка приходиться на одну різальну кромку

fz = ab = Ds/4,

а загальна площа поперечного перерізу

f = 2 fz = Ds/2.

При розсвердлюванні глибиною різання є відстань між оброблюваною і обробленою поверхнями

t = (D – D0)/2,

де D0 – діаметр раніше обробленого отвору.

Товщина зрізу при розсвердлюванні визначається таким же чином, як і при свердлінні отвору в суцільному металі

a = s/2 sin ,

а ширина зрізу – за формулою

b = (D – D0)/2 sin .

При розсвердлюванні швидкість різання є перемінною по довжині активної частини різальної кромки і змінюється від

V = Dn/1000 до V = D0n/1000.

Як і при свердлінні, в розрахунках приймається значення швидкості різання, яке відповідає зовнішньому діаметру свердла D.

Утворення стружки при свердлінні має свої особливості:

утруднений відвід стружки і підвід МОР;
спостерігається значне тертя стружки по передній поверхні свердла і самого свердла по обробленій поверхні отвору;
вздовж різальної кромки виникає різкий перепад швидкостей різання від максимальної швидкості до нуля, внаслідок чого в окремих точках різальної кромки шар зрізається і деформується з різною швидкістю; окрім того, різна деформація обумовлюється і перемінним значенням переднього кута , внаслідок чого по мірі наближення точки різальної кромки до периферії свердла усадка стружки зменшується (внаслідок збільшення і V).

Проте, якщо розглядати процес стружкоутворення на невеликій ділянці різальної кромки, то він підкоряється тим же закономірностям, що і при точінні. Пружні і пластичні деформації, тепловиділення, утворення наросту, зміцнення, зношування інструменту тут виникають за тими ж причинами.

17.4 Сили, які діють на свердло

Розкладемо рівнодіючу сил опору в кожній точці різальної кромки на сили в трьох взаємно перпендикулярних напрямках (рис. 17.8):Pz, Pв і Pг. Горизонтальні сили Pг, які діють на обох головних різальних кромках, можна вважати взаємно зрівноваженими. Сили Pв, які спрямовані вверх, протидіють проникненню свердла в заготовку. В цьому ж напрямку діє і сила P1 на поперечній кромці. Окрім того, проникненню свердла протидіють сили тертя на стрічках Pт і сили тертя від стружки, яка сходить.

Рисунок 17.8 – Сили, які діють на свердло

Для проникнення свердла в заготовку від верстата до свердла необхідно прикласти таку силу P', яка могла б перебороти суму сил опору, які діють вздовж осі свердла

P' > (2Pв + P1 + Pт).

Сумарна сила від вказаних сил опору в осьовому напрямку свердла називається осьовою силою P (або силою подачі). По даним вимірів 2Pв 40% P; P1 57% P, Pт 3% P. Сили, які протидіють переміщенню свердла в металі, переборюються механізмом подачі свердлильного верстата, який і розраховується по силі P. При експлуатації верстата з заданими умовами свердління необхідно, щоб P Pmax вер, яка приводиться в паспорті верстата.

Сила Pz створює момент опору

Mс р = Pzx.

Сумарний момент від сил опору різанню складається із моменту сили Pz, моменту сил скобління і тертя на поперечній кромці Mп к, моменту тертя на стрічках Mст та моменту від сил тертя стружки по свердлу і обробленій поверхні Mс тобто

M = Mс р + Mп к + Mст + Mс.

Як встановлено експериментально,

Mс р = 0,8 M; Mп к = 0,08 M; (Mст + Mс) = 0,12 M.

Для того, щоб на даному верстаті виконувати різання, окрім вказаної вище умови проникнення свердла, необхідно, щоб M був переборений крутним моментом верстата:

Mв M.

Сумарний момент опору різанню M повинен бути меншим, або в крайньому випадку дорівнювати не тільки крутному моменту Mв, але й бути меншим, або в крайньому випадку дорівнювати моменту M'в, який дозволяє слабка ланка механізму головного руху, тобто

M M'в.

Значення M'в приводиться в паспорті верстату.

По силі P і моменту M можна розрахувати необхідну потужність електродвигуна свердлильного верстата.

Потужність, яка витрачається на різання, буде складатись із потужності, що витрачається на обертання Nо, і потужності, що витрачається на рух подачі Nп

N'р = Nо + Nп;

Nо = Mn/3·104, кВт;

Nп = Psn/6·106, кВт.

Тут M має розмірність Н·м, P – Н, n – об/хв; s – мм/об.

Потужність, яка витрачається на подачу, Nп, в порівнянні з Nо надто мала (0,5-1,5% Nо), тому нею можна знехтувати; тоді потужність, яка витрачається на свердління, Nр,

Nр = Nо = Mn/3·104.

Необхідна потужність електродвигуна верстата

Nе = Nр/ ,

де – коефіцієнт корисної дії верстата.

На виникаючі при свердлінні силу і сумарний момент опору різанню впливають: оброблюваний матеріал, діаметр свердла і його подача, геометричні параметри свердла, МОР, глибина свердління, величина зношування свердла, швидкість різання.

Вплив оброблюваного матеріалу. Чим більша в і HB, тим більша осьова сила і момент опору різанню.

При обробленні сталей свердлами із швидкорізальних сталей

P = C1 в0,75; M = C2 в0,75.

При обробленні чавунів свердлами із твердого сплаву

P = C3 HB1,08; M = C4 HB0,5.

Вплив діаметру свердла і подачі. Чим більше діаметр свердла і величина подачі, тим більша площа поперечного перетину зрізу, тим більший опір стружкоутворенню, отже, тим більші P і M.

Діаметр свердла на P і M впливає більше, ніж подача. Це пояснюється тим, що діаметр свердла відповідає глибині різання при свердлінні, яка в порівнянні з подачею більше впливає на сили. Крім того, якщо подача впливає на P і M приблизно однаково, то діаметр свердла на M впливає значно більше, чим на P, тому що поряд із збільшенням сил опору збільшується і плече, на якому ці сили діють.

Вплив геометричних параметрів свердла. Кут нахилу гвинтової канавки впливає на величину P і M, оскільки змінює передній кут свердла:

Із формули видно, що, чим більший кут , тим більший і тим легше стружкоутворення, а отже менші P і M. Найбільш різко це зменшення спостерігається до величини = 30.

Кут при вершині 2 впливає на співвідношення Pг і Pв, а також на товщину зрізу. При зменшенні 2 збільшується Pг і зменшується Pв, що призводить до зменшення осьової сили P. При збільшенні 2 збільшується і осьова сила.

Товщина зрізу однією кромкою

a = sz sin

зменшується, коли зменшується . Тонкі стружки деформуються більше, а тому сила Pz буде збільшуватись, і, навпаки, зменшуватись з його (кута ) збільшенням. Це призводить до зменшення або збільшення M.

Вплив поперечної кромки. Поперечна кромка значно впливає на осьову силу, тому що більше 50% осьової сили приходиться на поперечну кромку, яка має несприятливі кути різання. Чим більша довжина поперечної кромки, тим більші P і M.

Використання МОР дозволяє в порівнянні з роботою без охолодження зменшити P і M на 10-30% при обробленні сталей, на 10-30% при обробленні чавунів і на 30-40% при обробленні алюмінієвих сплавів.

Вплив глибини свердління. Із збільшенням глибини свердління умови різання погіршуються. Відвід стружки і підвід МОР утруднюється, тепловиділення збільшується. Це призводить до зменшення стійкості свердла, підвищенню P і M.

Вплив зносу свердла. Із збільшенням зносу свердла по задній поверхні P і M збільшуються приблизно на 10-16%.

Вплив швидкості різання. Із збільшенням швидкості різання P і M спочатку збільшуються , а потім зменшуються , при цьому із збільшенням подачі цей вплив зменшується і, починаючи з s 0,4 мм/об, вплив швидкості різання на P і M практично відсутній.

Осьова сила і момент при свердлінні і розсвердлюванні розраховуються за залежностями, здобутими обробленням експериментальних даних:

P = CрDnр txр syр HBzр;

М = Cм Dnм txм syм HBzм.

17.5 Знос свердел

В загальному випадку свердла із швидкорізальних сталей зношуються по передній поверхні, по головній задній поверхні, по стрічкам і по вершинам (рис. 17.9).

Рисунок 17.9 – Картина зношування свердла

Знос свердла підвищує значення P або M, або однієї і другої величини разом. Так, в випадку зносу стрічки M різко збільшується, а P практично не змінюється. Це пояснюється тим, що додаткова сила тертя, яка викликана зносом, буде діяти на плечі, яке дорівнює радіусу свердла, внаслідок чого вплив на M більший, чим на P. В випадку зношування поперечної кромки більш різко збільшується P, тому що такий знос буде перешкоджати заглибленню свердла. Величина M буде змінюватись незначно, тому що плече дії додаткових сил невелике.

В випадку зношування по задній поверхні і по вершинам P і M збільшуються.

При обробленні сталей за лімітуючий знос приймається знос по головній задній поверхні hз. Він протікає нерівномірно: більший на периферії і менший біля центру. Це пояснюється нерівномірністю швидкостей точок різальної кромки. Допустима величина зносу hз = 0,8-1,2 мм.

При обробленні чавунів за лімітуючий знос приймається знос по вершинам з максимально допустимою величиною = 0,5-1,2 мм.

Свердла, що оснащені твердим сплавом, зношуються по головній задній поверхні, перемичці та стрічкам. При свердлінні чавуна в якості критерію затуплення таких свердел рекомендується знос по головній задній поверхні hз = 0,4-1,3 мм.

Закономірність зносу свердел аналогічна зносу різців. Оптимальний знос забезпечує найбільший термін служби свердла і приймається за критерій зносу.

17.6 Швидкість різання при свердлінні

На швидкість різання при свердлінні впливають стійкість різального інструменту, фізико-механічні властивості оброблюваного матеріалу, матеріал різальної частини свердла, діаметр свердла, подача, глибина свердління, форма заточування свердла, МОР.

Чим більша стійкість, тим менша швидкість різання при свердлінні:

V = A/Tm,

де m – показник відносної стійкості;

T – стійкість.

При обробленні сталей свердлами із швидкорізальної сталі m = 0,2; а при обробленні чавуна – m = 0,125; при різанні свердлами із ВК8 чавунів m = 0,2.

Для свердел діаметрами D = 5-60 мм із швидкорізальних сталей при обробленні сталі стійкість T = 15-110 хв., а при обробленні чавуна T = 20-170 хв.; для свердел із ВК8 при обробленні чавуна T = 40-80 хв.

Чим вищі механічні властивості оброблюваного матеріалу, тим більше роботи витрачається на стружкоутворення, тим більше тепловиділення і термодинамічне навантаження на одиницю довжини різальної кромки, тим менша стійкість інструменту, а отже, менша і швидкість різання, яку дозволяє свердло при одній і тій же стійкості

V = C1/вх – при обробленні сталей;

V = C2HBх – при обробленні чавунів.

Чим більша теплостійкість матеріалу різальної частини свердла, тим більша швидкість, яку дозволяє свердло. Так, свердла із сталі У10А допускають в 2 рази меншу швидкість різання в порівнянні із свердлами із Р18 і Р9, свердла із пластинками із твердих сплавів – в 2-3 рази більшу.

Із збільшенням діаметру свердла швидкість різання підвищується. Це пояснюється поліпшеним відводом тепла від кромок в його тіло за рахунок більшої маси свердла, збільшеним об’ємом канавок, що поряд з полегшенням підводу МОР до місця стружкоутворення полегшує і вихід стружки із отвору. Сприятливий вплив на підвищення швидкості різання із збільшенням діаметру має і підвищена жорсткість свердел більшого діаметру.

Із збільшенням подачі збільшується площа поперечного перетину зрізу, що викликає підвищення сил, які діють на свердло, збільшення кількості роботи, яку потрібно витратити на різання, а отже, і загальну кількість тепла, що виділяється. Все це підвищує термодинамічне навантаження свердла і зменшує його швидкість при однаковій стійкості

V = C/sуv.

Із збільшенням глибини свердління умови роботи свердла стають більш важкими: утруднюються вихід стружки і підвід МОР, зміцнюється оброблена поверхня за рахунок тертя стрічок об оброблену поверхню. Все це призводить до більшого нагрівання свердла і до зниження його стійкості. Тому при свердлінні на глибину, більшу за 3D, швидкість різання необхідно зменшувати. Це враховується поправочним коефіцієнтом Klv.

Вплив форми заточування. Подвійне заточування під кутом 20 = 70 дає можливість підвищити швидкість різання в середньому на 15-20% при свердлінні сталі і на 30% при свердлінні чавуна. Це пояснюється тим, що різальна кромка стає довшою, стружка біля перемички буде тоншою, а вершина в місці переходу від різальної кромки до стрічки – більш масивною. Це підвищує міцність вершини і зменшує термодинамічне навантаження на одиницю довжини різальної кромки.

Підвищенню швидкості різання на 10-15% сприяє і підточування перемички.

Використання МОР сприяє підвищенню швидкості різання і покращенню якості обробленої поверхні за рахунок полегшення процесу стружкоутворення і зменшення температури нагрівання свердла. При свердлінні використовуються наступні МОР: при обробленні сталей – емульсії і компаундовані масла; при обробленні сірого чавуну – керосин (частіш без охолодження); при обробленні алюмінію – емульсія, керосин (частіш).

Загальна формула для розрахунку швидкості різання при свердлінні має вигляд

;

при розсвердлюванні

17.7 Послідовність вибору елементів режиму різання при свердлінні

Подача вибирається в залежності від технологічних і механічних факторів (якості обробленої поверхні, характеру оброблення, міцності свердла) по таблицям і коректується за кінематичними даними верстата.
Розраховується при заданій стійкості швидкість різання, яку дозволяють різальні властивості свердла.
По знайденій швидкості розраховується частота обертів, коректується за паспортом верстата і знаходиться дійсна швидкість різання.
Виконується перевірка знайдених режимів по міцності слабкої ланки механізму подачі і по потужності електродвигуна.
По визначеним режимам розраховується машинний час (рис. 17.10).

де l – глибина свердління;

– величина перебігу;

y – величина врізання.

Величина врізання при свердлінні

y = (D ctg)/2,

при розсвердлюванні

y = ((D – D0) сtg)/2.

Рисунок 17.10 – Схема для визначення робочого ходу свердла

ОСОБЛИВОСТІ ОСНОВНИХ ПРОЦЕСІВ ЛЕЗОВОГО ОБРОБЛЕННЯ РІЗАННЯМ