Ю.И. КИЖНЯЕВ, Б.А. НЕМЦЕВ,
П.Д. ЯКОВЛЕВ, С.П. ЯКОВЛЕВ
ОБРАБОТКА
ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ
МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ
Министерство образования и науки Российской Федерации
Балтийский государственный технический университет «Военмех»
Ю.И. КИЖНЯЕВ, Б.А. НЕМЦЕВ,
П.Д. ЯКОВЛЕВ, С.П. ЯКОВЛЕВ
ОБРАБОТКА ГЛУБОКИХ
ОТВЕРСТИЙ
МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ
Учебное пособие
Санкт-Петербург
2018
УДК 621.951.012.5(075.8)
О-23
О-23
Обработка глубоких отверстий малых диаметров: учебное пособие/ Ю.И. Кижняев и [др.]; Балт.
гос. техн. ун-т. – СПб., 2018. – 53 с.
Рассматривается технология обработки глубоких отверстий малых диаметров, приводятся краткие данные об оборудовании, инструментах и оснастке для глубокого сверления и выполнения чистовых операций, обосновывается выбор оптимальных параметров процессов обработки, обеспечивающих наибольшую производительность, требуемую
точность и качественные параметры отверстий. Основное
внимание уделяется выбору основных параметров процесса
глубокого сверления отверстий с наружным подводом СОЖ.
Предназначено для обучающихся по программе подготовки бакалавров, магистров и специалистов направления
«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств».
УДК 621.951.012.5(075.8)
Р е ц е н з е н т канд. техн. наук, исполнительный директор
ООО «Технолог» С.П. Плужников
Утверждено
редакционно-издательским
советом университета
© Авторы, 2018
© БГТУ, 2018
ВВЕДЕНИЕ
Одна из наиболее сложных и недостаточно изученных областей
технологии машиностроения – изготовление глубоких отверстий.
С развитием науки и техники применение деталей с глубокими отверстиями значительно расширилось. В настоящее время детали с глубокими отверстиями используются во многих областях машиностроения: авиастроении, судостроении, химическом машиностроении и т.д.
[1]. Однако, как показывает заводская практика, изготовление глубоких отверстий вызывает значительные трудности, при этом трудоемкость обработки деталей с глубокими отверстиями в значительной
степени определяется трудоемкостью изготовления непосредственно
самого отверстия.
Технология изготовления глубоких отверстий имеет ряд особенностей, существенно отличается от технологии изготовления отверстий, применяемой в общем машиностроении. Свои особенности
имеет технология обработки глубоких отверстий малых диаметров –
менее 30 мм. При этом основной операцией обработки является глубокое сверление.
В промышленности сверление глубоких отверстий малых диаметров осуществляется с применением различных методов и типов
инструмента. Для получения глубоких отверстий с относительной
длиной до 10…15 используются удлиненные спиральные и шнековые
сверла различных конструкций. Глубокие отверстия с относительной
длиной более 10…15 изготовляют методами глубокого сверления, с
принудительным отводом образующейся при резании стружки потоком смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ).
В зависимости от геометрических размеров и требований к качественным параметрам глубоких отверстий, а также от имеющегося
оборудования применяют различные методы глубокого сверления:
эжекторное сверление, глубокое сверление с внутренним подводом
СОЖ, глубокое сверление с наружным подводом СОЖ.
В результате отечественных и зарубежных исследований установлено, что для отверстий диаметром более 7 мм и относительной
длиной более 30 метод глубокого сверления с наружным подводом
СОЖ более эффективен, чем с внутренним подводом СОЖ.
3
1. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ
ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ
МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ
1.1. Методы сверления глубоких отверстий
Методы глубокого сверления отверстий получают все более широкое распространение, расширяется и область их применения; во многих
случаях использование этих методов становится экономически целесообразным для сверления сравнительно неглубоких отверстий с соотношением длины отверстия L к диаметру d0 (L/d0) менее 10.
Наиболее распространенным в настоящее время является метод
сверления отверстий малых диаметров с внутренним подводом СОЖ и
наружным с отводом стружки с использованием трубчато-лопаточных
(ружейных) сверл. За рубежом данный тип инструмент стандартизирован и в большом количестве производится рядом фирм. В нашей стране
подобный инструмент изготавливают по заказу на отдельных инструментальных заводах. Однако количество выпускаемого инструмента
недостаточно для удовлетворения потребностей промышленности, и
многие машиностроительные заводы вынуждены его изготавливать
своими силами. Известны недостатки такого инструмента с точки зрения жесткости стебля, имеющего V-образный профиль поперечного
сечения.
При обработке отверстий диаметром более 20 мм применяется
также метод глубокого сверления с наружным подводом СОЖ и
внутренним отводом стружки (метод ВТА). Иногда на практике данным методом сверлят отверстия диаметром менее 20 мм, в основном с
L/d0 < 50. Положительные результаты применения данного метода
при обработке отверстий малых диаметров, в том числе и в БГТУ
«Военмех», позволяют надеяться на расширение области его использования [1,2].
За рубежом широкое распространение получил метод сверления
эжекторными сверлами фирмы Candvik Coromant (Швеция) [3]. В
настоящее время он применяется при сверлении отверстий диаметром
20…60 мм с отношением L/d0 < 20. Несмотря на известные преимущества этого метода, можно отметить, что в перспективе не приходится ожидать существенного увеличения глубины сверления
эжекторными сверлами, а также их использования для обработки отверстий диаметром менее 20 мм с отношением L/d0 > 100. Это обусловлено тем, что эффективность эжекционного эффекта существен4
но понижается с увеличением гидравлических потерь в системе подачи СОЖ, которые возрастают с уменьшением диаметра и увеличением глубины сверления.
Для глубокого сверления применяются также инструменты, доработанные и приспособленные для обработки глубоких отверстий:
специальные спиральные сверла, шнековые и перовые сверла. Совершенствованию данных типов сверл уделяется определенное внимание. В отдельных случаях с помощью более совершенных конструкций такого инструмента удается улучшить процесс удаления
стружки, увеличить глубину сверления, повысить стойкость и т.д. В
отдельных случаях, например, при сверлении шнековыми сверлами,
достигается глубина сверления, соответствующая L/d0 = 70…80.
За рубежом применяются перовые сверла и разрабатывают стандарты
на этот тип инструмента, охватывающие диапазон диаметров
25…130 мм. Следует отметить, что использование указанных инструментов для сверления глубоких отверстий не может конкурировать по
производительности, стойкости и другим показателям с методами
глубокого сверления, обеспечивающими непрерывный, принудительный отвод стружки из зоны резания с помощью СОЖ. Однако благодаря своей простоте, стандартизации инструмента, высокой степени
автоматизации процесса обработки за счет быстродействующих механизмов для вывода сверла из отверстия, использование спиральных,
шнековых и других сверл в ряде случаев является экономически
оправданным.
При обработке ряда труднообрабатываемых материалов, например, нержавеющих сталей, ниобия и других, когда трудно получить
удобную для удаления стружку, используют вибрационное сверление.
Так как подобные материалы находят все более широкое распространение в практике, рассматриваемое направление следует считать прогрессивным. Однако вибрационное сверление в силу своей специфики
имеет определенную область применения [1].
1.2. Инструмент для глубокого сверления
Анализ конструкций инструментов, применяемых для глубокого
сверления отверстий малых диаметров, как отечественных, так и зарубежных, позволяет выделить ряд общих признаков:
инструмент – однолезвийный, сплошного сверления с несколькими главными режущими кромками, делящими стружку по
ширине;
5
определенность базирования в обработанном отверстии;
главные режущие кромки расположены в плоскости, проходящей через ось инструмента, а вспомогательные – ниже оси;
инструмент оснащен напаянной или сменной твердосплавной
режущей пластиной и двумя жесткими твердосплавными направляющими шпонками.
Указанные признаки положены в основу современных конструкций инструмента для глубокого сверления отверстий малых диаметров. Для глубокого сверления отверстий от 0,5 до 40 мм с отношением L/d0 до 50 используются трубчато-лопаточные (ружейные) сверла с
внутренним подводом СОЖ и наружным отводом стружки [1]. За рубежом данный инструмент стандартизирован и используется в качестве основного для сверления отверстий диаметром до 20 мм [4].
Инструмент с внутренним подводом СОЖ и наружным отводом
стружки (метод ВТА) для получения глубоких отверстий диаметром
менее 20 мм не является основным и за рубежом указанному методу
сверления, несмотря на его преимущества, практически не уделяют
внимания.
Трубчато-лопаточные сверла (рис. 1.1) состоят из трех основных
элементов: рабочей части 1, стеблевой части 2 и хвостовика 3. Каждая
из этих частей может иметь несколько различных конструктивных
исполнений. Конструкции режущей и стеблевой частей разрабатывают во взаимосвязи, а хвостовик – с учетом посадочного места станка.
Известны три варианта исполнения рабочей и стеблевой частей.
Рис. 1.1. Основные элементы трубчато-лопаточного сверла
6
1. Рабочая часть выполняется в виде монолитной твердосплавной
головки 1, припаиваемой к стеблевой части 2, имеющей типовую для
трубчато-лопаточного сверла форму поперечного сечения – трубка с
серповидным отверстием и V-образным пазом. Такое сечение создается прокаткой цилиндрической трубки через валки. Варианты сечения каналов для подвода СОЖ в головке 1 показаны на рис. 1.2 для
сечения А-А. Сечения расположены слева направо по степени возрастания площади канала.
Рис. 1.2. Монолитная рабочая часть с вариантами сечения каналов
для подвода СОЖ
Предпочтительнее сегментовидное сечение. Угол V-образного паза
принимается равным ω = 110–120°. Паз на стебле в сравнении с пазом
на головке смещен на h = (0,14÷0,2) мм от оси стебля для удобства обработки режущей части по передней поверхности (для устранения засаливания круга). Сочленение головки 1 со стеблем 2 осуществляется
по клиновой поверхности с углом ψ = 60° для сверл диаметром до 6 мм
и ψ = 90° для сверл большего диаметра. Головка со стеблем соединяется индукционной пайкой на установке ТВЧ в центрирующем приспособлении с использованием припоя ПСр 40 (ГОСТ 19739–74) с применением флюса 284 (ТУ 48-02-62–71). При изготовлении головки прессованием на ее поверхности формируются направляющие и режущая
части. Длина головки выбирается от 10 до 2 диаметров сверла для
сверл соответственно 2…20 мм. Экономически целесообразно применять этот вариант для диаметров от 4 до 20 мм.
7
2. Рабочая часть выполняется в виде стальной головки 1
(рис. 1.3, а), припаиваемой к стеблевой части 2 с сечением, аналогичным сечению по 1-му варианту. На головке постоянно закрепляются
пайкой режущий элемент 5 и направляющие 3 и 4, устанавливаемые в
специально подготовленные гнезда. Для пайки используют припой
ПР МНМц 68-4-2 (ТУ 48-21-476–79) или латунный припой Л63. Головка сочленяется со стеблем по клиновой поверхности (как в 1-м
варианте). Экономически целесообразно применять этот вариант при
глубоком сверлении отверстий диаметром от 8 до 30 мм с L/d0 ≥ 20.
Рис. 1.3. Варианты выполнения рабочей части стебля трубчато-лопаточных сверл
8
3. Стебель 1 (рис. 1.3, б) выполняется сплошным с V-образным
пазом. На стороне, противоположной пазу, фрезеруется канавка, в
которую впаивается трубка 6 для подвода СОЖ. Рабочая часть может
быть в двух исполнениях.
В первом исполнении в специальный паз на переднем конце
стебля устанавливается и припаивается режущий элемент в виде
Т-образной твердосплавной пластины 5, на которой образуются затем
направляющие и режущие лезвия; во втором исполнении на переднем
конце стебля выполняются гнезда под режущий элемент и две
направляющие 3 и 4, которые закрепляются постоянно на корпусе
пайкой. Сверла такой конструкции целесообразно использовать для
получения отверстий диаметром 10…40 мм с L/d0 ≤ 30.
Диаметр рабочей части сверла зависит от требуемой точности
обрабатываемого отверстия. Для отверстий Н7…Н9 диаметр сверла
рекомендуется выполнять пo h5…h6, а для менее точных отверстий
по h7…h10. Обратная конусность на длине рабочей части должна составлять 0,02…0,03 мм, а при обработке отверстий повышенной точности еще меньше 0,003…0,008 мм. Трубчато-лопаточные сверла затачивают и перетачивают только по задним поверхностям (по торцу).
Применяют две формы заточки: по плоскости и по винтовой поверхности (спирали). На рис. 1.4 приведены схема и параметры плоской
заточки сверл, а в табл. 1.1 – значения основных параметров заточки в
зависимости от обрабатываемого материала.
Рис. 1.4. Схема и параметры плоской заточки трубчато-лопаточных сверл
9
Т а б л и ц а 1.1
Значение основных параметров заточки трубчато-лопаточных сверл
в зависимости от обрабатываемого материала
Обрабатываемый материал
Хорошо обрабатываемая
низкоуглеродистая сталь
Хорошо обрабатываемая
низколегированная сталь
Механические
свойства
σB,
ТверМПа дость, НВ
Геометрические параметры заточки
m
φN,°
φТ,°
αN,°
α1,°
α T,°
≤700
160…300
(0,21÷
0,25)d
45
35
20
20
25
20
7
15
20
≥700
140…300
0,25d
20
30
35
30
20
25
7
15
20
40
5
10
10
15
42
10
10
15
18
8
30
35
30
5
8
15
35
20
8
10
15
18
8
20
15
7
18
20
7
18
20
7
18
20
7
8
15
Высоколегированная сталь
и никелевые
сплавы
1000
150…350
0,25d
Коррозионностойкая сталь
–
150…440
0,25d
Титановые
сплавы
–
–
Чугун
–
–
0,25d
Латунные,
бронзовые,
медные и магниевые сплавы
–
–
(0,21÷
0,25)d
45
12
8
20
12
8
7
15
20
Алюминиевые сплавы
–
–
(0,21÷
0,25)d
45
15
10
20
15
5
7
12
20
Остальные параметры назначают исходя из следующих
соотношений: С = 0,02d; Р = 0,02d; f = (0,04÷0,02)d; n = 0,05d, где
d – диаметр сверла. Значение l принимают не более 0,5 мм; α1 – в зависимости от диаметра сверла: при d =5 мм αf=35°; при d = 10 мм
αf = 25° и при d = 25 мм αf = 12°. Основные параметры заточки по
винтовой поверхности (рис. 1.5) назначают из соотношений m = 0,2d;
l = 0,15d; l1 = 0,1d; k = 0,08d; С = 0,04d; f = 0,04d; φN = 35°; φT = 29°;
φ1 = 80°; α1T = 15. Заточка поверхностей А и В осуществляется по винтовой поверхности с осевым шагом (0,1÷2,0)d.
10
Рис. 1.5. Схема и параметры
заточки трубчато-лопаточных
сверл по винтовой поверхности
Варианты взаимного углового расположения режущего лезвия направляющих, а также ширина направляющих
приведены на рис. 1.6. Вариант а рекомендуется применять при обработке
всех материалов, однако при обработке
отверстий нормальной точности в чугуне предпочтительнее вариант б, а при
обработке в чугуне отверстий повышенной точности – вариант в; при обработке
отверстий в высокопрочных сплавах
прерываемых отверстий рекомендуется
использовать вариант г, а при обработке
отверстий повышенной точности в конструкционных высоколегированных сталях – вариант д.
Основные данные по выбору параметров отечественных трубчато-лопаточных сверл, технологии их изготов11
Рис. 1.6. Варианты взаимного
углового расположения режущего лезвия и направляющих
ления и эксплуатации, а также технико-экономические показатели
этого способа сверления содержатся в методических рекомендациях,
разработанных ВНИИинструментом [5]. Параметры зарубежных
сверл приведены в различных каталогах фирм, выпускающих инструмент и оснастку для обработки глубоких отверстий, например [4].
Рекомендации по выбору режимов резания при глубоком сверлении
отверстий трубчато-лопаточными сверлами приведены в табл. 1.2.
Т а б л и ц а 1.2
Режимы резания при сверлении трубчато-лопаточными сверлами
Обрабатываемый
материал
Хорошо обрабатываемая низкоуглеродистая сталь
Низколегированная сталь
Высоколегированная сталь и никелевые сплавы
Коррозионно-стойкая сталь
Механические свойства
ТверσB,
дость,
МПа
НВ
Скорость
v,
м/мин
Подача s0, мм/об, для диаметров,
мм
до 6
6…13 13…19 19…25 Св.25
≤700
16…
…180
90…
0,010 0,015 0,025
…180
0,030 0,050
≥700
110…
…440
45…
120
0,008 0,012 0,020
0,025 0,030
1000
150…
…350
70…
0,007 0,010 0,015
…110
0,020 0,030
60…
0,007
…80
90…
0,020
…130
65…
0,008
…80
60…70 0,008
20…40 0,003
110…
0,008
…120
100…
0,010
…115
200…
0,020
…240
150…
0,020
…230
Чугуны
–
Титановые сплавы
–
150…
…440
140…
…200
200…
…300
св. 300
–
Медные
–
–
Латунные
–
–
Магниевые
–
–
Алюминиевые
–
–
–
0,010 0,015
0,020 0,025
0,030 0,040
0,060 0,080
0,013 0,020
0,030 0,050
0,013 0,015
0,060 0,010
0,020 0,030
0,015 0,020
0,010 0,025
0,030 0,040
0,020 0,030
0,050 0,060
0,030 0,050
0,090
0,035 0,050
0,080 0,100
Более
0,100
Для глубокого сверления отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ разработаны типовые конструкции инструмента,
которые, как правило, состоят из сверлильной головки одностороннего резания, которая располагается на борштанге (стебле)
12
кольцевого поперечного сечения. На основные типы сверлильных
головок разработаны отраслевые нормали и ОСТы.
В настоящее время на основании опыта практического использования инструмента, исследований отдельных организаций и исследований БГТУ «Военмех» разработаны более современные конструкции,
(рис. 1.7).
Рис. 1.7. Инструмент для глубокого сверления отверстий диаметром:
а – 3,0…8,0 мм; б, в – 8,0…25,0 мм
13
Для глубокого сверления отверстии диаметром 3,0…8,0 мм можно использовать инструмент, состоящий из сверлильной головки и
борштанги кольцевого поперечного сечения (рис. 1.7, а). Сверлильная
головка включает корпус 1, в который при помощи пайки установлен
монолитный твердосплавный элемент 2, состоящий из режущей части
и направляющих шпонок. Сверлильная головка закрепляется на борштанге 3 пайкой.
Для сверления отверстий диаметров от 8,0 до 30 мм могут использоваться сверлильные головки с напайными (рис. 1.7, б) и сменными (рис. 1.7, в) режущими 1 и направляющими 2 элементами, которые установлены в корпусе 3.
Трудоемкость изготовления сверлильных головок со сменными
элементами выше, чем с напайными, однако возможно длительное
использование корпусов и замена изношенных режущих и направляющих элементов. В конструкции головок со сменными элементами
предусмотрены два вида режущей части: в виде монолитного режущего элемента из твердого сплава (применяется для сверления отверстий диаметром 8,0…15,0 мм) и сборного, состоящего из стандартной твердосплавной пластины 4 (рис. 1.7, в), которая крепится на
корпусе 5 режущего элемента при помощи пайки (для диаметра сверления 15,0…25,0 мм). Головка, показанная на рис. 1.7, б, стандартизирована [6].
При разработке конструкций сверлильного инструмента важное
значение имеет выбор геометрических параметров борштанги и материала, из которого она изготовлена. Наружный и внутренний диаметры борштанги выбирают с учетом максимальной жесткости инструмента и расхода СОЖ, необходимого для надежного удаления стружки из зоны резания при заданных режимах обработки. При глубоком
сверлении отверстий диаметром 3,0…30,0 мм с отношением глубины
отверстия к диаметру до 100 в сталях можно рекомендовать следующие зависимости для определения наружного dн и внутреннего dв
диаметров борштанги:
dí 0,67d0
1, 08
; dâ 0,4 0,5 dí .
Для обеспечения наибольшей жесткости инструмента необходимо
в каждом конкретном случае выбирать минимальную длину борштанги;
а также материал, из которого она изготовлена. Результаты экспериментов по выбору материала позволяют рекомендовать в качестве борштанг
для обработки глубоких отверстий малых диаметров холоднотянутые
трубы из коррозионно-стойкой стали ОХ18Н10Т. Данные трубы имеют
14
большой диапазон диаметральных размеров и обладают высокой демпфирующей способностью, что позволяет уменьшить вибрации инструмента и повысить производительность обработки.
Из параметров заточки режущей части инструмента наиболее
существенное влияние на производительность и устойчивость процесса глубокого сверления оказывает угол в плане φ1 наружной режущей кромки (рис. 1.7). Существуют оптимальные значения угла φ1
в зависимости от конкретных условий обработки, остальные углы
заточки при сверлении отверстий в сталях типа 45, 40Х, ЗОХГСА изменяются незначительно.
1.3. Основные направления развития современного оборудования
для обработки глубоких отверстий
Станки для глубокого сверления снабжены узлами-агрегатами,
обеспечивающими выполнение ряда характерных для процессов обработки глубоких отверстий функций: подачу СОЖ под давлением в
зону резания, очистку СОЖ от стружки, бесступенчатое изменение
подачи инструмента или частоты вращения заготовки в др.
В связи с особенностями обработки глубоких отверстий малых
диаметров станки должны быть оснащены следующими узлами
и агрегатами:
приводами, обеспечивающими высокие частоты вращения заготовки или инструмента (до 7500 об/мин). Это обусловлено необходимостью достижения рациональной скорости резания, а следовательно, и производительности обработки при сверлении отверстий инструментом с твердосплавной режущей частью;
насосной станцией с требуемым расходом СОЖ через зону резания; при этом давление, создаваемое насосами, может достигать
15 МПа, что связано с большими гидропотерями в тракте подвода–
отвода СОЖ;
приводом бесступенчатого изменения подачи инструмента,
обеспечивающим минимальную величину подачи, не более 0,01 мм/об.
Это требование вызвано тем, что при обработке отверстий малых диаметров (особенно повышенной относительной длины) в заготовках из
труднообрабатываемых марок сталей возможности увеличения подачи
ограничены жесткостью применяемого инструмента.
Указанные особенности реализованы в конструкциях современных
станков для обработки глубоких отверстий малых диаметров. Для
15
современного станкостроения, выпускающего оборудование для обработки глубоких отверстий, характерны следующие основные направления развития:
переоборудование станков общего назначения (токарных,
токарно-револьверных, продольно-фрезерных и др.) для обработки
глубоких отверстий. Предусматривается разработка проекта переоборудования станка и оснащение его специальными узлами и агрегатами,
реализующими определенный метод обработки (насосная станция, узел
установки инструмента, баки для хранения и очистки СОЖ, маслоприемник и др.). Положительный опыт БГТУ «Военмех» по переоборудованию токарно-винторезных станков свидетельствует о технической
и экономической обоснованности данного направления [7];
расширение технологических возможностей оборудования для
обработки глубоких отверстий. Данное направление, в основном,
характерно для зарубежного станкостроения, где выпускаются
отдельные модели станков, оснащенные целым рядом дополнительных
узлов и приспособлений. Такие станки могут быть налажены для
выполнения сверления по различным кинематическим схемам. Они
рассчитаны на эффективную обработку отверстий в широком диапазоне
диаметров, поскольку имеют шпиндельные бабки, люнеты, силовые
головки и другие устройства. При этом на станках могут использоваться
нормализованные и стандартные узлы различных типоразмеров, что
позволяет существенно повысить универсальность оборудования и
экономичность его использования;
оснащение станков глубокого сверления системами автоматического управления процессом обработки, позволяющими устанавливать оптимальные условия для проведения процесса, предохранять режущий инструмент и механизмы станка от перегрузок.
Однако имеющиеся данные по оптимальному построению систем
автоматического управления, в основном, касаются обработки
глубоких отверстий спиральными сверлами и основаны на принципе
стабилизации крутящего момента.
Для предохранения инструмента от поломок, в основном,
применяются устройства, работа которых основана на принципе
измерения или контроля крутящего момента и осевой силы. Однако
до настоящего времени обоснованных рекомендаций по назначению
контролируемого параметра в зависимости от конкретных условий
обработки недостаточно.
Рассматривая современное состояние российского рынка оборудования, следует отметить, что в нашей стране работает ряд зарубеж16
ных фирм, которые выпускают специальное оборудование для
обработки глубоких отверстий, а также режущий инструмент и
оснастку (Tiefbohrtechnik, Botek (ФРГ), Sig (Швейцария), Candvik Coromant (Швеция) и др.). Среди отечественных фирм можно отметить
ОАО «Рязанский станкостроительный завод». Стоимость зарубежного
и отечественного оборудования очень высока (до 700 тыс. долл.) и возрастает с увеличением длины и диаметра обработки.
1.4. Оснастка для обработки глубоких отверстий
Для обработки глубоких отверстий с помощью инструмента с
внутренним подводом СОЖ и наружным отводом стружки необходима специальная технологическая оснастка: люнеты для базирования
длинномерных, нежестких заготовок, узлы установки инструмента,
стеблевые люнеты, специальные направляющие устройства. Указанные элементы оснастки используются как при глубоком сверлении,
так и при выполнении чистовых и отделочных операций обработки
отверстий при различных кинематических схемах движения заготовки и инструмента.
Основным узлом, отражающим специфику обработки глубоких
отверстий с внутренним подводом СОЖ, является направляющее
устройство (рис. 1.8).
Основные функции направляющего устройство:
базирование переднего конца заготовки 1 – осуществляется,
как правило, с помощью наружного или внутреннего конуса шпинделя 2; при базировании конус шпинделя сопрягается с конусом заготовки с обеспечением герметизации стыка;
первоначальное направление режущей части инструмента в
начале сверления обеспечивается с помощью устройства 3;
отвод образующейся стружки осуществляется с помощью
СОЖ, которая по V-образному каналу инструмента перемещает
стружку в направляющее устройство, а затем через отверстие 4 в
стружкосборник бака 5 СОЖ;
герметизация инструмента с помощью узла 6, состоящего из
втулки с V-образным профилем и уплотнений; при сверлении с вращением инструмента узел 6 находится на подшипниках качения.
Направляющее устройство устанавливается в стойке 7, которая
крепится на станине 8 станка.
17
18
Рис. 1.8. Схема обработки отверстий с внутренним подводом СОЖ: 1 – заготовка; 2 – шпиндель; 3 – направляющее устройство; 4 – отверстие сливное; 5 – бак СОЖ; 6 – узел уплотнения инструмента; 7 – стойка;
8 – станина станка; 9 – патрон; 10 – инструмент; 11 – узел установки инструмента; 12 – каретка подающая;
13 – насосная станция; 14 – штуцер
При обработке глубоких отверстий с внутренним подводом СОЖ
заготовка располагается в патроне 9 шпиндельной бабки станка и
направляющем устройстве. Инструмент 10 закрепляется в узле 11 подающей каретки 12 станка. СОЖ от насосной станции 13 через штуцер 14 подается по внутреннему каналу инструмента в зону резания.
Отверстие может обрабатываться по трем кинематическим схемам:
заготовка вращается – инструмент имеет движение подачи
вдоль оси центров станка;
заготовка неподвижная – инструмент вращается и перемещается вдоль оси центров станка;
обработка отверстия с одновременным вращением заготовки
и инструмента при его осевой подаче.
Выбор схемы обработки зависит от конкретных условий выполнения операции [1].
При глубоком сверлении отверстий с наружным подводом СОЖ
используют оснастку, аналогичную указанной выше, кроме направляющего устройства, которое принято называть маслоприемником.
Конструктивная схема обработки глубоких отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ показана на рис. 1.9.
Заготовка 1, устанавливается в патроне 2 шпиндельной бабки 3
станка и маслоприемнике 4. При обработке глубоких отверстий в
длинномерных, нежестких заготовках, при отношениях L/d0 > 100,
для повышения жесткости системы СПИД используются люнеты 5.
Инструмент, состоящий из стебля 6 с установленной на нем сверлильной головкой 7, закрепляют в подающей каретке 8 станка. При
обработке отверстий с повышенной относительной длиной, для повышения жесткости инструмента, устанавливают стеблевые стойки 9.
СОЖ от насосной станции 10 подается через маслоприемник в зону
резания. Стружка через внутреннюю полость стебля удаляется в
стружкосборник 11, а затем в бак 12, в котором происходит охлаждение и очистка СОЖ от стружки. При чистовой и отделочной обработке отверстий СОЖ удаляется через обработанное отверстие, кожух
патрона в стружкосборник 13, который является отдельным элементом бака 12.
19
20
Рис. 1.9. Схема обработки отверстий с наружным подводом СОЖ: 1 – заготовка; 2 – патрон; 3 – шпиндельная
бабка; 4 – маслоприемник; 5 – люнет; 6 – стебель; 7 – сверлильная головка; 8 – подающая каретка; 9 – стойка
стеблевая; 10 – насосная станция; 11 – стружкосборник; 12 – бак СОЖ; 13 – стружкосборник; 14 – штуцер;
15 – узел уплотнения стебля
Маслоприемник 4, так же как и направляющее устройство на
рис. 1.8, выполняет аналогичные функции: обеспечивает подвод СОЖ в
зону резания через штуцер 14, в кольцевой зазор между обработанным
отверстием и наружной поверхностью стебля; стружка и СОЖ из зоны
резания отводятся через внутреннее отверстие стебля. При этом, в отличие от устройства на рис. 1.8, узел 15 направления стебля маслоприемника находится под рабочим давлением СОЖ, что вызывает необходимость его тщательной герметизации.
Рекомендации по проектированию маслоприемников приведены в
работе [8].
Таким образом при обработке глубоких отверстий с наружным
подводом СОЖ специальные сверлильные головки устанавливают на
стебле в виде стандартных труб; стружка, которая удаляется из зоны
резания, не взаимодействует с обработанным отверстием и вместо
направляющих устройств используются маслоприемники. Обработка
отверстий может осуществляться по трем кинематическим схемам,
приведенным выше.
1.5. Основные направления исследований процессов глубокого
сверления отверстий малых диаметров
При разработке технологических процессов глубокого сверления
отверстий малых диаметров в заготовках из различных материалов
необходимо решить следующие основные задачи:
выбрать метод глубокого сверления (с внутренним или
наружным подводом СОЖ); от решения данного вопроса, с учетом
конкретных условий выполнения операции, зависит выбор оборудования, режущего инструмента и оснастки;
определить оптимальные конструктивные параметры инструмента, геометрию заточки его режущей части, марку твердого
сплава и т.д. с учетом выбранного метода сверления;
назначить оптимальные режимы резания и параметры подачи
СОЖ.
В настоящее время метод глубокого сверления с внутренним
подводом СОЖ и наружным отводом стружки наиболее распространенный. Он широко используется как в нашей стране, так и за рубежом при глубоком сверлении отверстий с отношением длины к диаметру L/d0 до 50; разработаны и широко рекламируются рекомендации по выбору параметров режущего инструмента, режимов резания,
подачи СОЖ. При этом метод глубокого сверления с наружным под21
водом СОЖ для диаметров отверстий менее 20 мм в качестве альтернативного не рассматривается. Это связано с тем, что несмотря на ряд
исследований, подтверждающих эффективность данного метода и
преимущества [1,2], внедрение его в заводскую практику вызывает
большие трудности из-за отсутствия централизованного изготовления
режущего инструмента, более низкого качества по сравнению с зарубежным и других факторов.
Таким образом, исследование особенностей процессов глубокого
сверления отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ,
определение достоинств и недостатков данного метода, диапазона
диаметров и относительных длин, при которых метод может быть
использован в качестве альтернативного или наиболее целесообразного является актуальной задачей.
В данном пособии приведены результаты исследований, выполняемых в БГТУ «Военмех» по выбору основных параметров инструмента и процесса глубокого сверления с наружным подводом СОЖ.
При этом рассмотрены следующие вопросы, отражающие основные
особенности процесса сверления:
сравнительный анализ гидравлических цепей инструментов
глубокого сверления;
особенности механизма удаления стружки при глубоком
сверлении;
выбор геометрии заточки режущей части инструмента и режимов резания.
Дополнительно в разд. 6 приведены рекомендации по выполнению чистовых операций обработки глубоких отверстий и выбору параметров процессов обработки по предохранению режущего инструмента от поломок.
2. ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА
С НАРУЖНЫМ ПОДВОДОМ СОЖ
Требуемая производительность обработки и экономически обоснованная стойкость инструмента зависят от следующих условий:
непрерывного и надежного удаления из зоны резания образующейся стружки;
обеспечения устойчивого, безвибрационного процесса сверления при установленных режимах резания.
22
Условия удаления стружки при помощи СОЖ, главным образом,
определяются количеством жидкости, подаваемой в зону резания,
поэтому важен анализ гидравлических цепей инструмента с внутренним и наружным подводом СОЖ. Очевидно, преимущества будут на
стороне инструмента, в гидравлической цепи которого при прочих
равных условиях возникнут наименьшие потери скоростного напора,
поскольку снижение суммарных потерь позволяет увеличить расход
СОЖ. Увеличение расхода должно способствовать улучшению процесса удаления стружки за счет возрастания скорости потока в стружкоотводящем канале инструмента.
Выполнение второго условия так же обязательно, так как возникновение вибраций (автоколебаний) при обработке металлов резанием,
и в частности, при обработке глубоких отверстий крайне не желательно по следующим причинам:
отрицательного влияния вибраций на стойкость режущего инструмента, что приводит к возрастанию износа режущих кромок,
возможности выкрашивания и поломки твердосплавной пластины;
снижения точности и качества получаемой поверхности,
например, при обработке глубоких отверстий возникновение поперечных колебаний приводит к образованию огранки;
повышенного износа механизмов станка под действием возникающих динамических нагрузок;
возможного нарушения процесса стружкообразования, которое
может отрицательно сказаться на удалении стружки, вызывая закупоривание стружкоотводного канала.
Рассмотрим выполнение указанных условий при определении основных параметров процесса глубокого сверления отверстий малых
диаметров.
Конструкции инструментов с наружным и внутренним подводом
СОЖ представлены на рис. 2.1, где показаны поперечные сечения инструмента и обозначены площади рассматриваемых сечений каналов
подвода и отвода СОЖ, указаны основные размеры, необходимые для
определения соответствующих площадей каналов гидравлической
цепи каждого инструмента, которые могут быть представлены в виде
пяти последовательных участков, отличающихся длиной l и площадью поперечного сечения F.
Все необходимые для расчетов основные размеры выражены в
долях от диаметра сверления dо (табл. 2.1).
Для сравнения у инструментов приняты равными углы в плане
режущих кромок (φN = φT = 25°), а также размеры С, h, l и f (рис. 2.1).
23
24
б)
а)
Рис. 2.1. Инструмент для глубокого сверления: а – с наружным подводом СОЖ; б –
с внутренним подводом СОЖ; 1 – сверлильная головка 1′ – колосок; 2, 2′ – стебель
Т а б л и ц а 2.1
Основные размеры сравниваемых сверл в зависимости от диаметра d0
Тип инструмента
Наименование и обозначение размеров
Сверло
с наружным
подводом СОЖ
Сверло с внутренним
подводом СОЖ
Диаметр корпуса сверла Dсв(Dкол)
Наружный диаметр стебля Dст(D′ст)
Внутренний диаметр стебля dст(d′ст)
Диаметр отверстия в колоске dкол
(0,9–0,95)do
~ 0,8 do
(0,5÷0,6)do
—
~ do
~ 0,97 do
~ 0,75 do
~ 0,3 do
Радиусы входного отверстия в
сверле R, r
R ~0,45 do;
r~ 0,225do
—
Расстояние от оси сверла до вершины С
~ 0,25 do
~ 0,25 do
Расстояние от начала калибрующей
ленточки режущей части до торца
упорной шпонки h
~ 0,17 do
~ 0,17 do
Размеры паза под режущую пластину
в корпусе (сечение Б–Б) а, d
a~ 0,18 do;
d~ 0,4 do
—
Расстояние от оси сверла до конца
внутренней режущей кромки l
~ 0,16 do
~ 0,16 do
Ширина направляющей шпонки
сверла f
~ 0,25 do
~ 0,25 do
Результаты расчета площадей каналов подвода–отвода СОЖ в
виде отношений площадей поперечных сечений каналов сравниваемых инструментов приведены в табл. 2.2, а на рис. 2.2 – графики
площадей по участкам li, соответствующим рассматриваемым сечениям Fi / (Fi′) инструментов.
Т а б л и ц а 2.2
Соотношение площадей каналов подвода–отвода СОЖ
Каналы
Подвода СОЖ
Площадь сечения канала
F1/F1′
F2/F2′
F3/F3′
1,5
1,3
4
Отвода СОЖ
25
F4/F4′
F5/F5′
0,7…0,9
1,1
Рис. 2.2. Изменение площади F каналов подвода–отвода СОЖ по длине l участка:
1 – инструмент с наружным подводом СОЖ; 2 – инструмент с внутренним
подводом СОЖ
Из отношения площадей Fi / (Fi′), следует, что в канале подвода
СОЖ имеет преимущество инструмент с наружным подводом СОЖ, у
которого на всех участках этого канала относительно бóльшие площади поперечных сечений. Например, площадь F1 в 1,5 раза больше
площади F1′. Это особенно важно, поскольку на участке подвода
СОЖ не производит полезной работы, а потери, возникающие здесь,
составляют 70…80% суммарных потерь.
В канале отвода СОЖ в сечении В–В (рис. 2.1) преимущество –
на стороне инструмента с наружным подводом СОЖ (F5> F5′). В сечении по корпусу сверла, сечение Б–Б (рис. 2.1), инструмент с наружным подводом имеет меньшую площадь из-за местного сужения канала ( F
можно уве/ F 0, 7) . Однако площадь сечения F
y min
4
4 min
личить путем внесения изменений в конструкцию инструмента.
По результатам анализа можно сделать следующие выводы:
сравнение площадей поперечных сечений каналов подвода–
отвода СОЖ показало, что в целом преимущества имеет инструмент с
наружным подводом;
площадь канала для подвода СОЖ существенно больше площади аналогичного по назначению канала трубчато-лопаточного
сверла, что позволит увеличить расход СОЖ при одинаковом давле26
нии нагнетания или уменьшить необходимое давление при том же
расходе;
площадь канала для отвода СОЖ со стружкой, по крайней
мере, не меньше соответствующей площади трубчато-лопаточного
сверла.
Рассмотренные факторы дают основание считать, что при использовании инструмента с наружным подводом СОЖ для обработки
отверстий диаметром менее 20 мм можно создать условия надежного
удаления стружки.
Дополнительно отметим, что в случае применения такого инструмента увеличивается жесткость стебля, имеющего кольцевое поперечное сечение. Возможно варьировать параметры, характеризующие жесткость стебля, за счет назначения диаметров стебля исходя из
конкретных условий обработки (глубины сверления, возможностей
насосной установки и требуемой производительности обработки).
Результаты практического применения инструмента с наружным
подводом СОЖ при сверлении отверстий Ø7,3; 12,4; и 22,0 мм с отношением L/do более 100 [1, 2] свидетельствуют о целесообразности
использования данного метода глубокого сверления.
3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ УДАЛЕНИЯ СТРУЖКИ
ПРИ ГЛУБОКОМ СВЕРЛЕНИИ ОТВЕРСТИЙ С НАРУЖНЫМ
ПОДВОДОМ СОЖ
Одна из отличительных особенностей процесса глубокого сверления – принудительное удаление стружки из зоны резания потоком
СОЖ. При этом для создания условий непрерывного и надежного
удаления стружки необходимо назначать обоснованную величину
расхода СОЖ.
Существующие зависимости для определения расхода СОЖ
имеют строго определенные области применения, не достаточно
обоснованы и не раскрывают механизм гидротранспортирования
стружки. В частности, они не пригодны для условий глубокого сверления отверстий малых диаметров с внутренним отводом стружки,
так как дают заниженные значения расхода, не подтверждаемые практикой.
При глубоком сверлении отверстий диаметром менее 20,0 мм
стружколомающие канавки на режущих кромках сверла обычно не
выполняются. Это связано с тем, что подачи инструмента при сверле27
нии отверстий указанных размеров не превышают 0,05 мм/об, что
соизмеримо с радиусом скругления главной режущей кромки сверла
(рис. 3.1). В этих условиях, а также при глубоком сверления отверстий малых диаметров с относительной длиной более 100, как правило, образуется сливная стружка.
Рис. 3.1. Схема врезания режущей части в металл заготовки:
а – остроконечный инструмент; б – инструмент с износом
по задней поверхности
28
При глубоком сверления отверстий диаметром более 20 мм с отношением L/do < 100 с подачами более 0,05 мм/об образуется дробленая стружка [1] за счет наличия на режущем лезвии сверла стружколомающих канавок.
Условия гидротранспортирования стружки различной формы и
размеров отличаются, поэтому задача рассматривается для двух случаев образования и удаления стружки: дробленой и сливной.
3.1. Определение расхода СОЖ для удаления дробленой стружки
В основу решения рассматриваемой задачи положено предположение о возможности применения теории гидротранспорта твердых
частиц для объяснения механизма удаления дробленой стружки.
Исходное положение теории гидротранспорта твердых частиц заключается в следующем:
1) основным условием транспортирования частиц потоком жидкости в направлении перемещения (вертикальное или горизонтальное) является определенная величина скорости потока;
2) соотношение сил, действующих на частицу, зависит от
направления перемещения и скорости потока жидкости, наиболее
благоприятным гидротранспортированием является вертикальное, так
как в этом случае сила, действующая со стороны жидкости, направлена против силы тяжести твердого тела, с уменьшением угла наклона потока к горизонту условия транспортировки ухудшаются;
3) гидротранспортирование твердых тел по горизонтали характеризуется двумя скоростями: скоростью трогания vт, т.е. средней скоростью потока, при которой твердое тело начинает перемещаться волочением по стенке трубы, и критической скоростью vкр, т.е. минимальной средней скоростью потока, при которой происходит выпадание частиц на стенки трубы.
Основные особенности транспортировки дробленой стружки при
помощи СОЖ в условиях глубокого сверления заключаются в следующем:
1. Форма транспортируемых частиц, т.е. отдельных элементов
стружки, существенно отличается от частиц сыпучих материалов (угля и др.). Это обстоятельство вызывает значительное различие коэффициента лобового сопротивления и величины подъемной силы. Поэтому существующие эмпирические формулы для определения vкр не
могут быть применены для случая удаления стружки.
29
2. Объем образующейся стружки в десятки раз меньше объема
подаваемой СОЖ, что также влияет на величину vкр.
3. Элементы стружки имеют относительно стабильные размеры,
которые не изменяются под воздействием транспортирующей среды.
В результате исследований, выполненных на кафедре Е2 БГТУ
«Военмех», получены следующие выражения для скоростей
vт и vкр:
vт
f 2g
v кр 2 g
ρ т ρ So cos N l
;
ρ
K м сx
т So cos N l
,
Kм с y
(3.1)
(3.2)
где f – коэффициент трения элемента стружки о внутреннею поверхность стебля; ρт – плотность материала стружки; ρ – плотность СОЖ;
So – подача на оборот; φN – угол в плане главной режущей кромки
(кромки N) сверла; ξ l – продольная усадка элемента стружки; Kм –
коэффициент, учитывающий форму элементов стружки; сх – коэффициент лобового сопротивления элемента стружки; сy – коэффициент
подъемной силы элемента стружки.
Тогда минимальный расход, необходимый для удаления дробленной стружки во взвешенном состоянии,
Qmin v кр F ,
(3.3)
где F – площадь поперечного сечения стружкоотводного канала
Дальнейшее преобразование формулы (3.2) с учетом использования СОЖ на масляной основе и сверления сталей позволили получить
окончательное выражение для минимального расхода СОЖ, необходимого для удаления стружки:
Qmin K dc d o 2 S o ,
(3.4)
где Qmin в л/мин; Kdc – опытный коэффициент расхода; для сталей
Kdc = 0,3…0,4 л/мин·мм2, значения подтверждены экспериментом при
глубоком сверлении стали ОХН3МФА[1]; do – диаметр сверления,
мм; So – подача на оборот заготовки, мм/об.
Таким образом на основании исследований механизма удаления
стружки можно установить следующее:
30
условия транспортировки стружки определяются, в первую
очередь, скоростью протекания смазочно-охлаждающей жидкости в
зоне резания и стружкоотводном канале;
минимально необходимый расход СОЖ зависит от площади поперечного сечения стружкоотводного канала, величины подачи, плотности обрабатываемого материала, плотности СОЖ, коэффициента
продольной усадки стружки, углов в плане режущей части инструмента,
коэффициента подъемной силы и лобового сопротивления;
объем стружки, образующейся в единицу времени, не оказывает существенного влияния на условия ее транспортировки потоком
СОЖ. Это обусловлено тем, что количество подаваемой жидкости в
десятки раз превосходит объем, занимаемый стружкой, даже с учетом
того, что объем стружки в 4…6 раз больше объема высверливаемого в
единицу времени материала.
3.2. Определение расхода СОЖ для удаления сливной стружки
Сливная стружка образуется при резании на высоких скоростях и малых подачах
(So = 0,01…0,05 мм/об), которые характерны для обработки глубоких отверстий малых диаметров в высокопрочных сталях.
При образовании сливной стружки, процесс удаления ухудшается, поскольку отдельные ветви стружки могут иметь большую длину. Следует отметить, что при
сплошном сверлении, когда скорость резания изменяется от нуля до максимума, характер стружки, снимаемой каждой ступенью режущих кромок, различный.
В таких условиях, полученные ранее
зависимости для дробленой стружки, не
пригодны, поскольку дают очень малые
значения расхода, которые не обеспечивают удаление стружки.
При решении данной задачи рассматриваются три условия стружкообразования
(рис. 3.2):
стружка сливная, не образует завитка и сама направляется в отверстие инструмента (рис. 3.2, а);
31
Рис. 3.2. Схема образования
сливной стружки
стружка образует завиток, который достигает поверхности
резания, обламывается, возникает дробленая стружка (условия ее
удаления рассмотрены в подразд. 3.1 (рис. 3.2, б));
стружка сливная образует завиток, конец которого направлен к поверхности свода стружкоотводного канала и при касании
с ним может закупорить канал (рис. 3.2, в). Условие удаления
такой стружки устанавливается из предположения, что необходимо обеспечить изгиб стружки потоком СОЖ и направить ее в
отверстие.
В
результате
рассмотрения
гидродинамических
сил,
девствующих на элемент стружки, который представляется в виде
консольной балки с жесткой заделкой нижнего конца (рис. 3.3),
получено выражение
Qmin ñë K ñë F
E So3
,
b3
(3.5)
где F – площадь входного отверстия в корпусе сверла для отвода
стружки; Е – модуль упругости материала стружки; So – подача за
один оборот детали; b – длина нормали, проведенной из точки «0» к
верхней образующей стружкоотводящего канала MN (рис. 3.3); ρ –
плотность СОЖ.
Рис. 3.3. Схема действия потока СОЖ на элемент стружки
32
Если площадь F и длину нормали b выразить через диаметр do:
F = K′do2; b = K′′do, то получим
Qminсл Kd (do E So3 ) .
(3.6)
Значения коэффициента Kd определены экспериментально при
глубоком сверлении отверстий диаметром 12,4; 14,5; 19 и 22,4 мм
глубиной от 650 до 2100 мм в сталях 30ХН2МФА, 45ХН2МФА,
ЭП502 и в стали 45.
Коэффициент Kd , входящий в выражение (3.6), численно равен
см т1/2 1
л
1,29…1,31 с размерностью
. Размерности
мин кг1/2 м3/2 мм 2
остальных параметров выражения (3.6) следующее: do – диаметр
сверления в мм; So – подача в мм/об; Е – модуль упругости в кг/см2;
ρ – плотность СОЖ в т/м3.
При Е = 2,1·106 кг/см2 = const (для сталей) и ρ = 0,87…0,92 0,9 т/м3
(для СОЖ на масляной основе) формула (3.6) примет вид
Qmin K dсл d o S o 3 ,
(3.7)
1
л
где K dсл =2000
; do – диаметр сверления, мм; So – пода мин мм 2
ча, мм/об.
На основании формулы (3.7) построены графики (рис. 3.4) для
определения расхода СОЖ в зависимости от диаметра сверления do и
величины подачи So. С левой стороны от оси Q представлен график
Qmin = f(do) для диаметров do = 5…25 мм, с правой – зависимости
Qmin = f(So) для подач 0,0125…0,1 мм/об при различных диаметрах
сверления.
Анализ полученных зависимостей показывает следующее:
количество СОЖ, подаваемой в зону резания, не зависит от
скорости резания, поскольку последняя мала по сравнению со средней скоростью потока, действующего на элемент стружки;
с увеличением подачи на оборот количество СОЖ должно быть
увеличено пропорционально подаче в степени 3/2, т.е. подача в данном
случае влияет довольно значительно на величину расхода жидкости.
Этот вывод объясняет практические данные о том, что при глубоком
33
сверлении отверстий малых диаметров стружка лучше удаляется при
работе на высоких скоростях резания и малых подачах на оборот;
расход СОЖ, необходимый для удаления стружки, зависит от
размеров канала для отвода стружки. Стружкоотводящий канал в
корпусе сверла необходимо выполнять таким образом, чтобы скорость протекания СОЖ в зоне стружкообразования была по возможности выше.
Рис. 3.4. Изменение расхода СОЖ Q от диаметра сверления do и подачи So
Рациональный вариант использования торцовой части стружкоотводящего канала в корпусе сверла, предназначенного для сверления
с образованием сливной стружки, приведен на рис. 3.5. Возрастание
площади входного отверстия обусловлено стремлением увеличить
длину стружки от места ее образования на кромке N до места касания
конца стружки с поверхностью свода (см. длину нормали в формуле
(3.5)). Для повышения скорости потока в зоне стружкообразования
угол наклона торцовой плоскости корпуса сверла в месте расположения входного отверстия не должен превышать 6…10°.
34
Рис. 3.5. Варианты исполнения торцовой части корпуса сверла
3.3. Общие выводы и рекомендации
1. Основным параметром, определяющим надежное удаление
стружки при глубоком сверлении, является расход транспортирующей среды.
2. При некоторой заданной площади стружкоотводящего канала
расход СОЖ необходимо назначить таким, чтобы получить определенную скорость протекания жидкости в канале. При этом величина скорости потока должна быть равна или больше критической скорости.
3. На величину критической скорости в значительной степени
влияет характер образующейся стружки, т.е. ее форма и размеры.
4. Если при глубоком сверлении устойчиво образуется дробленая
стружка, то количество СОЖ можно определить по формуле (3.4) в
зависимости от обрабатываемого материала и плотности СОЖ.
Наиболее благоприятные условия удаления дробленой стружки возникают при ее транспортировке во взвешенном состоянии.
5. Если при глубоком сверлении образуется сливная стружка, то
количество СОЖ, подаваемой в зону резания в единицу времени,
35
можно определить из условия направления стружки (в зоне стружкообразования) в отверстие сверла. Это условие выполняется, если гидродинамические силы, действующие на элемент образовавшейся
стружки, достаточны для изгиба этого элемента, что и обусловливает
величину критической скорости. В данном случае особенно отчетливо
проявляется зависимость расхода СОЖ от величины подачи.
6. Если при глубоком сверлении образуется стружка, состоящая из
сливной и дробленой, то расход СОЖ следует определять из условия
удаления сливной стружки. Полученное значение расхода необходимо
сравнить с расходом, определенным из условия удаления дробленой
стружки, и принять наибольшее значение расхода. Можно подобрать
такую скорость потока СОЖ в зоне стружкообразования и в стружкоотводящем канале, которая обеспечит удаление стружки достаточно больших размеров при сверлении на достаточно высоких режимах резания.
7. Сравнение зависимостей, полученных для условий удаления
сливной и дробленой стружки в диапазоне диаметров 7…25 мм, позволило построить графики (рис. 3.6).
Рис. 3.6. Зависимость расхода СОЖ Q от диаметра сверления do и подачи So
для обрабатываемого материала – стали (E~2,1106 кг/см2) и применяемой СОЖ
на масляной основе (ρ~0,9 т/м3)
36
На графике нанесена утолщенная линия, представляющая собой
геометрическое место точек, положение каждой из которых определяется зависимостью do1,5=5714·So. Соответствующие данным точкам
значения расхода СОЖ удовлетворяют условиям удаления как сливной, так и дробленой стружки. Слева от нанесенной на графике граничной кривой (утолщенная линия) располагается зона диаметров и
подач, для которых удаление сливной стружки требует применения
более высоких расходов СОЖ, чем в случае удаления дробленой
стружки. При работе в этой зоне расход, назначенный из условия удаления сливной стружки, окажется достаточным для отвода дробленой
стружки.
Правая зона охватывает небольшое количество подач и характерна для диаметров сверления более 17 мм. В этой зоне расход для удаления дробленой стружки оказывается больше значения расхода, необходимого для отвода сливной стружки. Экспериментальная проверка подтвердила наличие зоны, в которой главным является условие
удаления дробленой стружки.
4. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗВИБРАЦИОННОГО
ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ
Один из основных условий достижения требуемой производительности обработки и экономически обоснованной стойкости режущего инструмента является обеспечение устойчивого, безвибрационного процесса сверления (см. разд. 3).
Известны следующие основные способы борьбы с вибрациями [1]:
повышение жесткости системы станок-приспособлениеинструмент-деталь (СПИД);
выбор (назначение) рациональных режимов резания;
выбор геометрических параметров заточки режущей части
инструмента;
применение специальных виброгасителей.
Рассмотрим возможности применения указанных способов для
повышения эффективности процесса глубокого сверления отверстий
малых диаметров.
С точки зрения жесткости, при обработке глубоких отверстий
наиболее слабое звено системы СПИД – инструмент. При обработке
глубоких отверстий с наружным подводом СОЖ инструмент состоит
из сверлильной (расточной) головки, которая устанавливается на
37
стебле (борштанге) кольцевого поперечного сечения. При глубоком
сверлении отверстий малых диаметров и особенно с отношением
длины отверстия диаметру более 100 низкая жесткость инструмента
является доминирующим фактором, ограничивающим производительность обработки.
При этом возможности роста жесткости инструмента ограничены
следующими причинами:
увеличение наружного диаметра стебля приводят к возрастанию гидравлических потерь в канале подвода СОЖ, что не допустимо, так как потребуется увеличить давление, при котором СОЖ подается в зону резания. Уменьшение расхода СОЖ приводит к снижению
подачи So и уменьшению производительности сверления;
уменьшение внутреннего диаметра стебля также нецелесообразно, так как уменьшается площадь поперечного сечения стружкоотводящего канала и возникают трудности в удалении стружки.
Таким образом, основным способом обеспечения устойчивого,
безвибрационного процесса глубокого сверления (без использования
специальных виброгасителей) является назначение обоснованных режимов резания (скорости резания vо и подачи инструмента на оборот
заготовки So) и геометрических параметров заточки режущей части
инструмента.
Определение режимов резания, при которых возникают интенсивные крутильные и поперечные колебания (вибрации), – актуальная
задача. При глубоком сверлении отверстий малых диаметров решение
указанной задачи приобретает особое значение из-за низкой жесткости применяемого инструмента и трудностей, связанных с удалением
стружки (в основном сливной) из зоны резания.
Геометрические параметры заточки режущего инструмента также
существенно влияют на интенсивность вибрации. К параметрам заточки режущей части инструмента для глубокого сверления малых
диаметров относятся (рис. 4.1):
передние углы γN, γT и γf соответственно для режущих кромок N и T и калибрующей фаски (ленточки) f, задние углы αN, αT и αf
для всех тех же кромок, наружный φN и внутренний φT углы при
вершине сверла как дополнительные к соответствующим углам в
плане 90 – φN и 90– φT ;
количество стружкоделительных ступеней.
Если инструмент предназначен для обработки высокопрочных
сталей, то передний угол γN при заточке, как правило, выполняется
равным нулю, а передний угол γТ – отрицательным.
38
Рис. 4.1. Геометрические параметры заточки режущей части инструмента
Это обусловлено тем, что глубокое сверление отверстий малых
диаметров производится с подачами 0,01…0,05 мм/об и применять
способ дробления стружки с помощью стружколомающих канавок
(порожков) нерационально, ввиду сложности их изготовления и снижения прочности режущего клина. Заточка положительных передних
углов γN в данном случае не имеет смысла, так как при резании с малыми подачами толщина среза соизмерима с радиусом скругления R
режущей кромки (рис. 3.1, а), который даже у острозаточенного твердосплавного инструмента равен 0,01…0,02 мм, при износе режущей
части этот радиус увеличивается до 0,03…0,09 мм. Кроме того, при
указанных значениях R и толщинах среза инструмент, имеющий износ по задней грани не более 0,1 мм (рис. 3.1, б), работает при отрицательном переднем угле γ и нулевом заднем угле α.
39
Степень заострения режущих кромок инструмента при γ = 0 можно
увеличить за счет увеличения задних углов. Однако увеличение угла α
нежелательно, так как прочность режущей части при этом существенно
снижается из-за недостаточной прочности твердого сплава на изгиб.
Поэтому выбирать углы αN и αT следует только из условия отсутствия
трения задней поверхности о поверхность резания.
На основании исследований, выполненных в БГТУ «Военмех»,
определены оптимальные значения передних и задних углов при сверлении сталей ОХН3МФА, 30ХН2МФА [1]: γN = 0; γT = –15°; αN = 12°;
αT = 15…17°. Эти значения соответствуют рекомендациям в отечественной и зарубежной литературе.
В условиях глубокого сверления в зависимости от обрабатываемого материала, режимов резания и других факторов наибольшим
изменениям подвержен наружный угол при вершине сверла φN, который меняется от 10 до 30°. Угол φN существенно влияет на эффективность процесса глубокого сверления. До настоящего момента рекомендаций по назначению φN и исследований его влияния на эффективность процесса глубокого сверления недостаточно.
Таким образом, для разработки рекомендаций по выбору режимов резания и геометрических параметров заточки инструмента, при
которых глубокое сверление отверстий малых диаметров осуществляется без интенсивных вибраций, необходимы экспериментальные исследования. На основании полученных результатов можно определить оптимальные значения указанных параметров.
Эксперименты были проведены в БГТУ «Военмех» при глубоком
сверлении отверстий диаметром 12,0…22,0 мм в заготовках из стали
30ХН2МФА, НВ=320…340 [1,2]. В процессе исследований проводились запись на осциллографе и измерение крутящего момента Мкр и
осевой силы Рос, действующих на инструмент, величины подачи So и
частоты вращения заготовки, давления и температуры СОЖ. Методика исследований предусматривала получение экспериментальных зависимостей крутящего момента Мкр и амплитуды крутящего момента
Акр от величины подачи So и скорости резания vо при различных значениях углов φN (рис. 4.2 и 4.3).
На основе анализа полученных зависимостей определяли режимы
резания и величины углов в плане φN, при которых обеспечивается
устойчивый, безвибрационный процесс сверления.
В процессе исследований установлено, что основным видом колебаний инструмента, ограничивающих производительность обработки, являются крутильные автоколебания.
40
Рис. 4.2. Зависимость амплитуды крутильных колебаний инструмента 2Акр
от подачи So и скорости резания v0
Рис. 4.3. Зависимость амплитуды крутильных колебаний инструмента 2Акр
от подачи So и угла φN
41
При назначении режимов резания амплитуда крутящего момента
должна быть минимальна. При этом процесс глубокого сверления
становится неустойчивым во всех случаях, когда амплитуда колебаний крутящего момента Акр больше среднего значения величины крутящего момента М кр, т.е.
Aкр
где M кр
max
M крmax M крmin
2
,
(4.1)
, M кр min – максимальные и минимальные величины кру-
тящего момента при заданных режимах резания и геометрии заточки
инструмента.
На основании результатов выполненных исследований можно
сделать следующие выводы:
1. При глубоком сверлении режимы резания необходимо назначать с учетом влияния углов в плане режущей части инструмента на
устойчивость процесса сверления. Для инструмента одностороннего
резания, применяемого при сплошном глубоком сверлении отверстий
малых диаметров, достаточно рассмотреть влияние угла в плане для
наружной режущей кромки.
2. При глубоком сверлении отверстий малых диаметров подачи
Sо, мм/об, при превышении которых наступают интенсивные вибрации, связаны преимущественно с крутильными колебаниями. Величина Sкр зависит от многих факторов и, в частности, от скорости резания и угла φN.
3. Практически всегда можно выбрать оптимальное сочетание
скорости резания и подачи (для данного угла φN), при котором процесс сверления устойчив. Об устойчивости процесса можно судить по
величине амплитуды колебаний крутящего момента, которая уменьшается при приближении к рациональным режимам резания.
В тех случаях, когда амплитуда крутильных колебаний приближается к средней величине крутящего момента, процесс сверления
становится неустойчивым.
4. В рассмотренных условиях глубокого сверления наилучшие
результаты по производительности процесса достигаются при
работе инструментом, имеющим угол φN = 25°, при скорости резания
v = 81,7 м/мин и подаче So = 0,02 мм/об, производительность составляет 40 мм/мин (2,4 м/ч).
При указанных режимах величина амплитуды колебаний крутящего момента приближается к значению 3 кг·см, т.е. является минимальной.
42
5. Положение границы зоны устойчивости процесса, т.е. величины Sкр., а также значения vо и So, при работе с которыми следует
ожидать наименьших колебаний, зависят от многих факторов, определяемых конкретными условиями обработки.
6. Назначение рациональных режимов резания требует экспериментальной отработки процесса глубокого сверления в конкретных
условиях производства. Предлагаемая методика позволяет быстро и с
достаточной точностью определить оптимальные режимы обработки
и геометрии заточки инструмента с учетом конкретных условий глубокого сверления (используемое оборудование, обрабатываемый материал, качество режущего инструмента и т.д.).
5. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПРЕДОХРАНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА
ОТ ПЕРЕГРУЗОК
Рассмотренные в разд. 3, 4 методы достижения требуемой производительности глубокого сверления и экономически обоснованной
стойкости режущего инструмента позволяют обрабатывать отверстия
без интенсивных крутильных колебаний инструмента и при параметрах подачи СОЖ, обеспечивающих надежное удаление стружки из
зоны резания. Однако при указанных условиях не исключаются износ
и поломка режущей части инструмента, особенно при обработке
высокопрочных сталей. Возникающие при этом перегрузки могут
приводить к выходу дорогостоящего инструмента из эксплуатации.
С целью предохранения инструмента от перегрузок, обусловленных недопустимым износом и поломками режущей части, современные станки для обработки глубоких отверстий оснащают специальными предохранительными устройствами, которые при определенных
величинах сил, действующих на инструмент, выключают подачу и
вырабатывают сигнал на отвод инструмента от поверхности резания.
При обработке отверстий действие инструмента на обрабатываемую заготовку принято заменять двумя силовыми параметрами: осевой силой Pос и крутящим моментом Мкр. Поэтому на практике, в основном, применяются предохранительные устройства, работа которых основана на измерении Pос и Мкр. Однако до настоящего времени
не решен вопрос о том, какой основной параметр (Мкр или Pос) следует контролировать в тех или иных условиях глубокого сверления.
43
При глубоком сверлении отверстий малых диаметров применяется предохранение по крутящему моменту, хотя в ряде случаев такое
предохранение недостаточно эффективно. В то же время надежное
предохранение от поломок инструмента малого диаметра – актуальная задача, так как его расход на производстве достигает больших
величин. В связи с этим правильный выбор контролируемого параметра обеспечит повышение надежности предохранения.
Анализ поломок и сопоставление силовых параметров до и после
поломки показывает, что степень возрастания крутящего момента и
осевой силы в результате поломки не одинаковы. Это дает основание
полагать, что параметр предохранения целесообразно выбирать из
отношений Pос′/ Pос и Мкр′/ Мкр, где Pос′ и Мкр′ – средние значения осевой силы и крутящего момента после повреждения режущих кромок,
Pос и Мкр – средние значения силовых параметров до поломки.
Для обоснования выбора контролируемого параметра предохранения инструмента для глубокого сверления отверстий малых диаметров на кафедре Е2 БГТУ «Военмех» были выполнены теоретические и экспериментальные исследования.
Анализ полученных результатов этих исследований позволяет
сделать следующие выводы:
1. При выборе осевой силы или крутящего момента в качестве
параметров для предохранения от поломки инструмента глубокого
сверления необходимо учитывать степень возрастания этих параметров при износе и повреждении режущих кромок сверла.
2. Наиболее целесообразным является контроль параметра, получающего наибольшее приращение как при поломке режущей части
сверла, так и при износе режущих кромок сверла. В этом случае создаются условия для повышения надежности предохранения за счет
сокращения времени до момента срабатывания предохранительного
устройства.
3. Аналитически и экспериментально установлено, что в условиях глубокого сверления отверстий малых диаметров с малыми подачами, особенно при обработке высокопрочных сталей, в большинстве случаев повреждение, поломка режущих кромок или чрезмерный
износ сопровождаются значительными приращениями осевой силы,
которые превышают приращения кутящего момента (рис. 5.1).
4. В условиях глубокого сверления с малыми подачами износ
происходит преимущественно по задним поверхностям режущей части инструмента. Следовательно, если сверление выполняется с
наружным подводом СОЖ, то предохранять твердосплавный инстру44
мент, в том числе и инструмент малого диаметра, целесообразно путем контроля величины осевой силы.
5. При использовании инструмента с наружным отводом стружки полученные закономерности изменения крутящего момента и осевой силы сохраняются.
Рис. 5.1. Зависимости Мкр, Рос от величины фаски износа f
Таким образом, результаты выполненных исследований позволяют обоснованно назначать параметры предохранения инструмента
при глубоком сверлении отверстий малых диаметров.
6. ЧИСТОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ
ОТВЕРСТИЙ
Метод глубокого сверления с наружным подводом СОЖ позволяет получать отверстия с точностью по 9…11-му квалитетам и параметром шероховатости Ra = 6,3…0,8 мкм. С увеличением относительной глубины сверления стабильность указанных параметров по
всей длине отверстия снижается. Известно также, что в начале и конце процесса точность обработки отверстий может существенно
уменьшаться, а шероховатость поверхности увеличиваться.
45
Это обусловлено переходными процессами, возникающими во время
заправки инструмента через кондукторную втулку и при выходе инструмента в конце обработки.
Для получения глубоких отверстий с высокими значениями параметров точности и качества поверхности служат дополнительные
чистовые операции: протягивание, развертывание, зенкерование, чистовое растачивание, хонингование.
6.1. Зенкерование
Зенкерование глубоких отверстий выполняют непосредственно
после операции глубокого сверления для повышения точности отверстий и уменьшения шероховатости их поверхности. Зенкерование
осуществляется по двум схемам: 1) на сжатие, когда вектор осевой
составляющей силы резания направлен навстречу вектору подачи инструмента и 2) на растяжение, когда указанные векторы направлены в
противоположные стороны. Последняя схема более пpeдпочтительна,
особенно при обработке глубоких отверстий повышенной относительной длины, так как она обеспечивает более высокую продольную
устойчивость инструмента, а следовательно, и высокую производительность обработки, точность и качество отверстий.
Режущим инструментом являются многозубые зенкеры, имеющие несколько режущих лезвий Основная особенность зенкеров для
обработки глубоких отверстий – наличие специальных направляющих
элементов, обеспечивающих требуемое базирование инструмента по
обрабатываемому или обработанному отверстию.
Для обработки глубоких отверстий малых диаметров в промышленности используются разнообразные конструкции зенкеров, в основном трехзубые или четырехзубые с одним или двумя рядами направляющих элементов. Так зенкер с тремя режущими лезвиями и двумя
рядами направляющих (рис. 6.1) работает на растяжение, состоит из
корпуса 1, передней направляющей 2, выполненной в виде втулки и
напрессованной на корпус зенкера, трех задних направляющих 3, имеющих вид призматических шпонок, запрессованных в пазы корпуса
зенкера, и трех твердосплавных режущих пластин 4, которые припаивают к корпусу. Переднюю и заднюю направляющие изготавливают из
текстолита. Наружный диаметр передней направляющей выполнен с
гарантированным зазором (0,02...0,03 мм) относительно исходного
отверстия, диаметр по задним направляющим обеспечивает их вход в
обработанное отверстие с небольшим натягом (0,01...0,03 мм) в
зависимости от диаметра отверстия.
46
Рис. 6.1. Зенкер трехзубый: 1 – корпус; 2 – втулка; 3 – шпонка;
4 – пластина режущая
СОЖ подводится к режущим кромкам зенкера через его
внутреннюю полость и три отверстия, расположенных под углом к
оси зенкера. Зенкер соединяется со стеблем с помощью ленточной
резьбы. Для повышения жесткости инструмента в качестве стебля
может быть использован пруток с внутренней ленточной резьбой на
конце и отверстиями для подвода СОЖ во внутреннюю полость зенкера.
Процесс зенкерования осуществляется следующим образом.
После выполнения операции глубокого сверления в полученное отверстие вводится стебель до выхода его за срез заготовки, через одно
из окон патрона шпиндельной бабки на стебель устанавливается зенкер для обработки отверстия на растяжение.
В процессе зенкерования СОЖ подается через маслоприемник,
проходит по кольцевому зазору между наружной поверхностью стебля и предварительно обработанным отверстием, затем во внутреннюю
полость зенкера и к его режущим пластинам. Образующаяся в процессе резания стружка удаляется СОЖ через обработанное отверстие.
Конструкция зенкера, показанного на рис. 6.1 для диаметров обработки 8…30 мм, стандартизирована [6].
В отраслевом стандарте приведены рекомендации по выбору
конструктивных параметров зенкера, геометрии заточки режущих
пластин, выбору режимов резания и параметров подачи СОЖ в зави47
симости от диаметра обработки, обрабатываемого материала, относительной длины отверстия и других параметров.
Применение зенкеров указанной конструкции при отлаженном
технологическом процессе обеспечивает получение глубоких отверстий с точностью по 8…9-му квалитетам и Ra = 1.6…0,8 мкм.
6.2. Чистовое растачивание
Чистовое растачивание применяется для получения глубоких отверстий по 7…8-му квалитетам точности и Ra = 0,8…0,4 мкм. При
обработке глубоких отверстий малых диаметров повышенной относительной длины чистовое растачивание выполняется обычно после
зенкерования. В качестве режущего инструмента при чистовом растачивании применяют специальные расточные головки. Наибольшее
распространение в промышленности получили расточные головки с
плавающими пластинами. Головка работает в основном на растяжение. Одна из конструкций такой головки приведена на рис.6.2.
Рис. 6.2. Головка расточная: 1 – корпус; 2 – шпонка передняя;
3 – шпонка задняя; 4 – пластина плавающая
Расточная головка состоит из корпуса 1, передних направляющих
2, выполненных в виде четырех призматических текстолитовых шпонок, запрессованных в пазы корпуса, задних направляющих 3 анало48
гичной конструкции и плавающей пластины 4, которая устанавливается в прямоугольном пазу корпуса по посадке H7/f7.
Диаметр по передним направляющим имеет гарантированный
зазор (0,01…0,02 мм) относительно исходного отверстия, диаметр по
задним направляющим обеспечивает вход их в обработанное отверстие с натягом 0,01…0,03 мм.
СОЖ к режущим лезвиям плавающей пластины подводят через
два отверстия, расположенных под углом к оси корпуса головки. Расточная головка соединяется со стеблем при помощи ленточной резьбы.
Процесс чистового растачивания осуществляется следующим образом. В полученное в процессе глубокого зенкерования отверстие
вводится стебель до выхода его за срез заготовки, на который через
одно из окон патрона шпиндельной бабки устанавливается расточная
головка. На малой подаче без вращения заготовки передние направляющие вводятся в обработанное отверстие до тех пор, пока расстояние от режущих кромок плавающей пластины до торца заготовки не
составит 1…2 мм. В процессе ввода передних направляющих необходимо удерживать плавающую пластину от выпадания из корпуса головки.
СОЖ при растачивании подается через маслоприемник во внутреннюю полость расточной головки, а затем к режущим кромкам плавающей пластины. Образующаяся в процессе резания стружка удаляется через обработанное отверстие. При растачивании плавающая
пластина самоустанавливается в обрабатываемом отверстии из-за того, что она соединяется с корпусом подвижной посадкой. Это способствует повышению точности обработки.
Режущую часть плавающих пластин обычно изготавливают из
твердого сплава, марку которого выбирают в зависимости от обрабатываемого материала. Так, при обработке сталей наиболее распространен твердый сплав Т15К6.
Основными геометрическими» параметрами заточки режущей
части плавающей пластины (рис. 6.2) являются: главный угол в плане
φ, задний угол α, передний угол γ, ширина калибрующей фаски f.
При обработке высоколегированных сталей, например 30ХН2МФА
(HRC 31–35), величины указанных углов для диаметров обработки
12…22 мм: φ = 1–3°, α = 15°, γ = 0°, f = 0,1…0,15 мм. Глубина резания
при чистовом растачивании глубоких отверстий малых диаметров
составляет 0,05…0,2 мм. Режимы резания выбирают в зависимости от
обрабатываемого материала, диаметра обработки, относительной
49
длины отверстия. Например, при чистовом растачивании отверстий
диаметром 12,0 мм с относительной длиной до 100 в заготовках из
сталей типа 30ХН2МФА скорость резания составляет 65…70 м/мин,
подача 0,08…0,1 мм/об.
6.3. Хонингование
При обработке глубоких отверстий малых диаметров наиболее
эффективно алмазное хонингование. Хонингование глубоких отверстий может выполняться либо на специальных хонинговальных станках при вертикальном или горизонтальном расположении заготовки,
либо непосредственно на станках, предназначенных для обработки
глубоких отверстии. Специальные хонинговальные станки промышленность выпускает в основном для обработки глубоких отверстий
диаметром более 30 мм, небольшой относительной длины (не более
30 ). Поэтому в промышленном производстве, особенно при обработке глубоких отверстий малых диаметров, возникает необходимость на
операции хонингования использовать станки для обработки глубоких
отверстий. Инструментом служат хонинговальные головки различных
конструкций, их основным узлом является механизм разжима хонинговальных брусков на требуемый диаметр обработки, непосредственно связанный через стебель с соответствующим приводом хонинговального станка. При хонинговании глубоких отверстий малых диаметров разместить в стебле какие-либо устройства, воздействующие
на механизм разжима брусков хонинговальной головки, практически
сложно из-за малых размеров поперечного сечения стебля. В указанных условиях разжим хонинговальных брусков может осуществляться либо вручную, либо с помощью специальных механизмов, смонтированных на шпинделе станка или маслоприемнике.
Конструкция хонинговальной головки для обработки глубоких
отверстий диаметром 12…23 мм (рис. 6.3) состоит из корпуса 1, в котором размещены три хонинговальных бруска 2, 3, 4, два из которых
жестко закреплены на корпусе головки, а один подвижный. Брусок
устанавливают на требуемый диаметр обработки с помощью винта 5,
воздействующего на плунжер 6, толкатель 7 и клин 8. Клин перемещает колодку 9 с хонинговальным бруском.
Для того чтобы клин 8 возвратился в исходное положение, в корпусе установлены пружина 12 и толкатель 11. Сила поджатия пружины регулируется винтом 10. Для того чтобы колодка 9 не выпадала из
корпуса, на нем винтами 13 закреплены два прижима 14. Головка соединяется со стеблем с помощью ленточной прямоугольной резьбы.
50
Рис. 6.3. Головка хонинговальная: 1 – корпус; 2, 3, 4 – бруски; 5 – винт;
6 – плунжер; 7 – толкатель; 8 – клин; 9 – колодка; 10 – винт; 11 – толкатель;
12 – пружина; 13 – винт; 14 – прижим
Хонингование глубоких отверстий осуществляется следующим
образом. В предварительно обработанное отверстие вводится стебель
до выхода его за срез заготовки, после чего через окно патрона шпиндельной бабки на стебель устанавливается хонинговальная головка и
на малой подаче вводится в отверстие. Брусок выдвигается до сопряжения его со стенками отверстия поворотом винта. Затем включают
подачу СОЖ, вращение заготовки и хонингуют отверстие за несколько двойных ходов. Для получения заданного диаметра обработки периодически, через определенное число двойных ходов, производится
выдвижение бруска хонинговальной головки.
Параметры хонинговальных брусков, режимы хонингования,
марку СОЖ выбирают в зависимости от конкретных условий обработки (диаметра, относительной длины, материала заготовки и т.д.)
[1]. При хонинговании отверстий диаметром 12…22 мм в заготовках
из сталей типа 30ХГС, 30ХН2МФА (HRC 33–35) могут быть рекомендованы бруски АСВ (АСР) 100/80–80/63 для размерного хонингования и бруски АСМ (АСО) 50/40–40/28 для отделочного.
Режимы хонингования:
скорость резания – 45…50 м/мин,
продольная подача – 800–1600 мм/мин,
радиальная подача подвижного бруска после 6…8 двойных ходов
– 0,01…0,015 мм
Указанные величины радиальной подачи брусков обеспечиваются за счет поворота винта 5 на требуемый угол, определяемый кинематикой механизма раздвижения брусков хонинговальной головки.
51
Хонингование глубоких отверстий диаметром 12…23 мм с относительной длиной до 100 на указанных режимах резания обеспечивает
точность отверстий по 6…7-му квалитетам и Ra = 0,6…0,3 мкм.
Библиографический список
1. Звонцов И.Ф., Серебреницкий П.П., Схиртладзе А.Г. Технологии сверления глубоких отверстий. СПб.: Лань, 2013. 496 с.
2. Немцев Б.А., Яковлев П.Д., Яковлев С.П.. Технология глубокого сверления отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ//Металлообработка,
2015. № 4 (88). С.19–24.
3. Глубокое сверление: каталог фирмы «Sandvik Coromant», 2008. 162с.
4. Пушечные сверла: каталог фирмы «Botek», 2010. 31 с.
5. Твердосплавные сверла одностороннего резания с внутренним подводом
СОЖ: Методические рекомендации. М.: НИИмаш, 1984. 44 с.
6. ОСТ3–5868–85…ОСТ3–5874–85. Инструмент для глубокого сверления
и зенкерования отверстий диаметром 8…30 мм. 1985. 70 с.
7. Немцев Б.А., Шаманин А.А., Кижняев Ю.И. Переоборудование и оснащение универсальных токарно-винторезных станков для обработки глубоких
отверстий//Металлообработка. 2006. №3 (33). С. 5–7.
8. Кижняев Ю.И. , Немцев Б.А., Яковлев П.Д., Яковлев С.П. Рекомендации
по проектированию маслоприемников для глубокого сверления отверстий малых
диаметров//Металлообработка. 2016. №6(96). С. 2–8.
52
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ................................................................................................................. 3
1. СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ МАЛЫХ ДИАМЕТРОВ ........................... 4
1.1. Методы сверления глубоких отверстий ....................................................... 4
1.2. Инструмент для глубокого сверления .......................................................... 5
1.3. Основные направления развития современного оборудования для
обработки глубоких отверстий ...................................................................... 15
1.4. Оснастка для обработки глубоких отверстий ............................................ 17
1.5. Основные направления исследований процессов глубокого сверления
отверстий малых диаметров .......................................................................... 21
2. ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА С НАРУЖНЫМ ПОДВОДОМ СОЖ ................................................................................... 22
3. ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ УДАЛЕНИЯ СТРУЖКИ ПРИ ГЛУБОКОМ СВЕРЛЕНИИ ОТВЕРСТИЙ С НАРУЖНЫМ ПОДВОДОМ СОЖ. ..... 27
3.1. Определение расхода СОЖ для удаления дробленой стружки ................ 29
3.2. Определение расхода СОЖ для удаления сливной стружки .................... 31
3.3. Общие выводы и рекомендации .................................................................. 35
4. МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ БЕЗВИБРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ ................................................................................................................. 37
5. ВЫБОР ПАРАМЕТРОВ ПРЕДОХРАНЕНИЯ ИНСТРУМЕНТА ОТ
ПЕРЕГРУЗОК ...................................................................................................... 43
6. ЧИСТОВЫЕ МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ ................. 45
6.1. Зенкерование ................................................................................................. 46
6.2. Чистовое растачивание ................................................................................ 48
6.3. Хонингование ............................................................................................... 50
Библиографический список .................................................................................... 52
Кижняев Юрий Иванович, Немцев Борис Анатольевич,
Яковлев Павел Дмитриевич, Яковлев Сергей Павлович
Обработка глубоких отверстий малых диаметров
Редактор Г.В. Никитина
Корректор Л.А. Петрова
Компьютерная верстка: С.В. Кашуба
Подписано в печать 19.06.2018. Формат 60х84/16. Бумага документная.
Печать трафаретная. Усл. печ. л.3. Тираж 100 экз. Заказ № 110.
Балтийский государственный технический университет
Типография БГТУ
190005, С.-Петербург, 1-я Красноармейская ул., д.1
