4.2. Сверла и зенкеры

Сверла применяются для получения отверстий в сплошном материале и для увеличения их диаметра (рис. 4.2); Главное движение резания v при сверлении — вращательное, а движение подачи s — поступательное. При работе на сверлильном станке сверло вращается и имеет движение подачи, а на станках токарного типа обычно вращается заготовка, а движение подачи осуществляет только сверло. Каждым лезвием сверла срезается слой материала толщиной а и шириной b.

Параметры режима резания (скорость и, подача на оборот s₀ и глубина t) определяются по формулам:

м/мин,

где D — диаметр сверла, мм;

n — число оборотов сверла в минуту, об/мин;

мм/зуб, s_M = s₀ n мм/мин,

где s_z — подача на один зуб (перо) сверла;

s_M — минутная подача, мм/мин.

Рис. 4.2. Элементы режима резания и среза при сверлении

Глубина резания при сверлении отверстия в сплошном материале

мм,

а при рассверливании отверстия диаметром D_o

.

Элементы срезаемого слоя рассчитываются по формулам:

а = s_z sin φ = s₀/2 sin φмм; мм.

Площадь поперечного сечения среза, приходящаяся на один зуб (перо) сверла, составляет

мм².

Рис. 4.3. Перовое, центровочное и спиральное сверла

Сверла [13, 31, 34] в зависимости от их конструкции и назначения можно классифицировать следующим образом:

1) перовые (рис. 4.3, а), используемые в основном для сверления отверстий малого диаметра в неметаллических материалах и глубоких отверстий;

2) центровочные специальные (2φ^’ = 60^о и 2φ = 2φ^”= 120°) одно- и двусторонние (рис. 4.3,б);

3)спиральные обычные быстрорежущие и монолитные твердосплавные с прессованными и вышлифованными канавками;

4)для глубокого сверления (перовые, ружейные, пушечные, шнековые, эжекторные, кольцевые);

5) специальные (с пластмассовым хвостовиком, спиральные с различными заточками, для сверления и высверливания отверстий в листовых материалах и т. д.).

Рассмотрим конструктивные элементы и геометрические параметры сверл на примере обычного спирального сверла (рис. 4.3, в).

Спиральное сверло состоит из рабочей части l₁ , шейки l₃ и хвостовика l₄, который в сверле малых диаметров может иметь цилиндрическую форму с поводком или конусную с лапкой для выбивания сверла из шпинделя станка или из переходной втулки. Сверло состоит из режущей l₂ и направляющей l’₂ частей.

Рабочая часть имеет следующие элементы: 1— ленточки или вспомогательные лезвия; 2 — поперечное режущее лезвие; 3 — стружечные канавки сложной формы; 4 — два главных режущих лезвия; 5 и 6 — задняя и передняя поверхности зубьев или перьев.

Одним из главных конструктивных элементов сверла является наружный диаметр D^-δ, имеющий минусовый допуск, что связано с разбивкой при сверлении отверстия. Допуск δ= -0,015... — 0,074 мм принимается в зависимости от диаметра сверла D = 1...80mm.

Геометрические параметры перьев сверла, которые оказывают основное влияние на его режущие свойства, практически те же, что и для проходного прямого резца (см. рис. 1.11), и рассматриваются в следующих плоскостях (рис. 4.4, а):

1) в нормальной со следом NN, или главной секущей плоскости, измеряется главный передний угол γ и нормальный задний угол α_N;

2) в продольной плоскости со следом АА, совпадающей с направлением подачи, рассматриваются главный задний угол α и передний продольный угол, который для периферийной точки лезвия равен углу наклона стружечной канавки сверла γ' = ω. Задний угол α указывает на фактический зазор между задней поверхностью зубасверла и поверхностью резания. Задний угол, так же как передний, не одинаковый по величине для точек лезвия сверла, расположенных на разных диаметрах. Он увеличивается по направлению к центру от 6...8 до 25°, а передний увеличивается до 25° по направлению к периферии сверла.

Такое изменение задних углов связано с резким отличием их в процессе резания (действительных углов α_действ) от углов заточки, особенно для точек лезвий, расположенных ближе к центру сверла. При этом на изменение задних фактических углов большое влияние оказывают скорость резания v и осевая подача сверла s_z. Увеличение подачи приводит к увеличению угла подъема μ винтовой линии, описываемой данной точкой лезвия. На величину угла μ уменьшается фактический задний угол сверла. На изменение передних углов для различных точек лезвия оказывает влияние угол наклона ω винтовой стружечной канавки сверла и угол в плане при вершине 2φ [4, 36].

Рассмотрим изменение углов γ и ω для точек лезвия сверла, лежащих на разных диаметрах. Для этого произведем сечения сверла двумя цилиндрами и развернем их на плоскость (рис. 4.4, б). Из рисунка

и

Затем, разделив одно уравнение на другое и произведя преобразования, получаем

.

Кроме того, на основании ранее полученных формул (см. § 1.6) определения действительного переднего угла в нормальном cечении имеем:

1) для резца при α -> 0 tg γ_поп = tg γ sin φ;

2) для сверла tg γ_прод = tg γ sin φ.

Учитывая, что γ_прод = ω, запишем tgω = tgγsinφ, откуда

, или при аналогии .

Рис. 4.4. Геометрические параметры спирального сверла

Подставив значение tgω_x- в полученное уравнение, имеем

.

Из формулы видно, что наибольшее значение имеет передний угол γ у периферии сверла. Аналогично изменяются также углы ω_х. Угол наклона стружечных канавок ω для периферийных точек сверла назначается в зависимости ют диаметра сверла и при D = 0,25...80 мм соответственно ω = 18...30°;

Рис. 4.5. Формы заточки сверл

3) в осевой плоскости измеряются угол при вершине сверла 2φ между главными лезвиями и вспомогательный угол в плане φ₁. Угол при вершине сверла (2φ = 80...140°) зависит от свойств обрабатываемого материала. При сверлении пластичных материалов он должен быть больше, чем для хрупких (для алюминия 2φ — 140°, стали и чугуна — 116...120, мрамора — 80°).

Вспомогательный угол в плане (φ₁ = 1'...2') образуется за счет обратной конусности сверла;

4) вспомогательный задний угол, который измеряется в плоскости, перпендикулярной к оси сверла, равен нулю (α₁ = 0) (см. рис. 4.4, а), так как вспомогательная задняя поверхность сверла в виде ленточки очерчена поверхностью цилиндра;

5. передний и задний углы γ_м и α_м поперечного лезвия измеряются в плоскости ММ, перпендикулярной к поперечному лезвию, имеющему прямолинейную форму;

6. угол наклона главного режущего лезвия λ образуется между лезвием и диаметральной плоскостью, проходящей через данную точку лезвия и ось сверла.

Для уменьшения износа спиральных сверл производятся специальные подточки:

а) уменьшение длины поперечного лезвия или перемычки (рис. 4.5,а) от (0,2...0,25) D до (0,1...0,13) D снижает осевые силы;

б) уменьшение ширины ленточки (рис. 4.5, б) у уголка режущей части сверла f до 0,2...0,3 мм на длине пера сверла l = 2...5 мм;

в) двойная заточка (рис. 4.5, в) улучшает теплоотвод сверла и упрочняет уголок режущей части;

г) вышлифовка поперечного лезвия и двойная заточка у сверла В. И. Жирова (рис, 4.5, г) уменьшает осевые силы.

Рассмотрим конструктивные особенности сверл, применяемых для сверления глубоких отверстий. При сверлении этими сверлами необходимо подводить под давлением СОЖ для охлаждения зоны резания и отвода стружки. Для этой цели они должны иметь специальные устройства в виде каналов. К тому же сверла необходимо довольно часто выводить из отверстий, в результате чего резко снижается производительность процесса сверления.

На рис. 4.6 приведен ряд конструкций сверл для обработки глубоких отверстий с широким диапазоном диаметров (3...100 мм). Значительное повышение стойкости удлиненных спиральных сверл (рис. 4.6, а) может быть обеспечено за счет специальных каналов в виде впаянных трубок 3 в канавках на спинке зубьев за направляющей ленточкой сверла 1. При этом жидкость под давлением подается в зону через хвостовик 2 специального патрона. При сверлении глубоких отверстий Ø 6...20 мм с глубиной сверления 30 диаметров без периодического вывода инструмента из отверстия хорошо себя зарекомендовали шнековые сверла или сверла с крутой спиралью конструкции СКБ-АЛ (рис. 4.6, б). Специальный профиль стружечной канавки и большей угол ее наклона ω (до 60°) обеспечивают надежный отвод стружки из зоны резания. Диаметр сердцевины составляет (0,35...0,4) D сверла и не имеет конусности, передний γ и задний α углы составляют каждый 12°, а 2φ=118°.

Хорошо зарекомендовали себя при сверлении глубоких отверстий пушечное (рис. 4.6, в) и ружейное (4.6, г) сверла. Пушечное сверло имеет короткую рабочую и длинную, в виде штанги, вспомогательную части и перпендикулярное к оси просверливаемого отверстия главное режущее лезвие), которое расположено выше оси сверла на 0,5...0,8 мм. Направление сверла в отверстии обеспечивается за счет цилиндрической опорной поверхности 2. При работе деталь вращается, а сверло имеет движение подачи. Угол резания режущей части δ = 90°, а α = 8...10°. СОЖ подводится в зону резания под давлением.

Ружейное сверло имеет главное режущее лезвие K₁ и K₂ уголковой формы. За счет главного режущего лезвия указанной формы, а также соотношения величин углов φ и φ₁ и размеров а и b сверло спинкой 3 опирается о просверленное отверстие и не уводится в сторону. Сверло имеет короткую режущую 1 и весьма длинную вспомогательную 2 (штангу) части. Геометрические параметры сверла: γ = 5...8°, задний угол α по лезвию К₂ составляет 8...10, а по лезвию К₂ - до 20°.

Рис. 4.6. Конструкции сверл для глубокого сверления

Для получения отверстий сравнительно больших диаметров (20...65 мм) хорошо себя зарекомендовали эжекторные сверла конструкции фирмы «Сандвик» (Швеция) (рис. 4.6, д). Они обычно оснащаются перетачиваемыми или неперетачиваемыми пластинками твердого сплава 2, 3 и 4, которые припаиваются или закрепляются механическим путем на корпусе 1. Пластинки расположены в шахматном порядке, и их лезвия взаимно перекрываются.

Для обеспечения направления сверла в отверстии на корпусе сверла имеются два сухарика 5. Скорость резания сверлами составляет ν = 70...150 м/мин, а подача s = 0,15...0,25 мм/об. При работе могут вращаться или сверла или деталь. СОЖ подводится в зону резания в зазоры в направлении В, а стружка в направлении А по каналу в корпусе сверла.

Для высверливания отверстий большого диаметра (до 80...100 мм и более) применяются кольцевые сверла, которые состоят из корпуса 4 трубчатой формы, на торцах которого крепятся вставные ножи или резцы 1, имеющие торцевое главное режущее лезвие. Сверло в отверстии направляется с помощью специальных направляющих кулачков 3, изготовленных из твердой породы дерева. Размельченная с помощью стружколомательных устройств стружка отводится по зазору между наружным диаметром высверленного сердечника 2 и корпусом 4, а также между обработанными отверстием и наружным диаметром корпуса.

Сверла для сверления пластмасс имеют некоторые конструктивные особенности, связанные с особыми физико-механическими свойствами пластмасс, которые в

300...500 раз менее теплопроводны, чем металлы, и обладают сильными абразивными свойствами. Кроме того, при нагреве их до невысоких температур (80...160° С) на обработанных поверхностях появляются прижоги и разрушения вплоть до разлохмачивания поверхности. К тому же смолистые составляющие обволакивают зубья инструментов, что также приводит к порче обработанных поверхностей. Пластмассы при обработке подвергаются усадке, что ведет к уменьшению размеров обработанных отверстий. В связи с этим при конструировании сверл необходимо учитывать следующее:

1. сверла необходимо по возможности оснащать твердым сплавом группы ВК и работать с режимами ν = 50...60 м/мин и s = 0,5 мм/об;

2. при сверлении отверстий малого диаметра (до 10 мм) необходимо использовать перовые сверла;

3) сверла должны иметь двойную заточку с 2φ' = 70° и 2φ" = 120°;

4. направляющие ленточки или фаски сверла по ширине должны быть значительно уменьшены (f до 0,5 мм);

5. поверхности зубьев необходимо тщательно доводить и по возможности хромировать.

Зенкеры предназначены для увеличения диаметра и получения фасонных отверстий. Зенкерованием обеспечивается получение более точной оси отверстия, что связано с большим количеством зубьев зенкера.

Зенкерование почти не отличается от сверления, а процессы зенкерования и рассверливания отверстий практически идентичны (см. рис. 4.1, б).

Зенкеры различаются по конструкции и видам обрабатываемых поверхностей [4, 13, 29, 38]:

1. Цилиндрические зенкеры из быстрорежущей стали (рис. 4.7, а) и оснащенные твердым сплавом (рис. 4.7, б). Последние бывают напайные и с механическим креплением пластинок твердого сплава или клиновых рифленых ножей с напайной пластинкой твердого сплава. В зависимости от величины наружного диаметра хвостовые и насадные цилиндрические зенкеры применяются для увеличения диаметра отверстий, полученных литьем, штамповкой и сверлением.

2. Конические зенкеры (зенковки) (рис. 4.7, в) и фасонные используются для обработки конусных и фасонных отверстий, а также для снятия фасок в отверстиях. Зенковки бывают с углами 2φ = 30, 60, 90 и 120°.

3. Зенкеры для цилиндрических выемок (головочные) (рис. 4.7,2) и торцевые (цековки) (рис. 4.7, д). Первые применяются для обработки углублений под головки винтов, а вторые — для зенкерования торцевых поверхностей бобышек и различных приливов. Для получения центричных гнезд под головки винтов зенкеры имеют переднюю направляющую цапфу.

Рис. 4.7. Зенкеры различного назначения

4. Комбинированные (рис. 4.7, е) и специальные зенкеры для одновременной обработки нескольких поверхностей или отверстий сложного профиля. Они изготовляются чаще всего сборными. Среди специальных зенкеров следует отметить зенкер с кольцевой заточкой.

Зенкеры подразделяются также по типу крепления на хвостовые и насадные. Кроме того, зенкеры в зависимости от размеров изготовляются цельными, сварными, с припаянными пластинками и сборными.

Рис. 4.8. Конструктивные элементы и геометрические

параметры зенкеров:

а — хвостового; б — насадного

Зенкеры отличаются от сверла оформлением режущих лезвий и их количеством. У них нет поперечного лезвия, зато они имеют большее количество режущих перьев или зубьев. Для снятия больших припусков применяются двузубые зенкеры. Большое количество зубьев у зенкера пю сравнению со сверлом обеспечивает лучшее направление его и получение более точных и с меньшей шероховатостью поверхности отверстий.

Рис. 4.9. Профиль канавок зенкеров

Конструктивные элементы и геометрические параметры хвостового и насадного зенкеров приведены на рис. 4.8.

К конструктивным элементам относятся: D — диаметр, который рассчитывается с учетом минусового допуска δ, связанного с разбивкой отверстия при зенкеровании. Величина допуска принимается в зависимости от назначения зенкера. Если зенкер применяется для предварительной обработки под развертку, допуск при Ø18...50 мм составляет от 150...200 до - 290... - 365 мкм. Если зенкер предназначен для окончательной обработки, то допуск — от + 60... + 20 до +105... + 30 мкм; L—общая длина; l₁—длина режущей части; l₂ — длина направляющей части; z — число зубьев-перьев; φ — главный угол в плане режущего лезвия; ω — угол наклона стружечных канавок; f — ширина ленточки на калибрующей части. Геометрические параметры рассматриваются, как и для сверла, в двух, плоскостях: главной секущей N—N и продольной А—А, совпадающей с направлением подачи s. Передний угол γ зенкеров, измеряемый в главной секущей плоскости, назначается (γ = 0...30°) в зависимости от свойств обрабатываемого материала, а задний α_N = 8...10°. С целью упрочнения режущих лезвий у твердосплавных зенкеров угол наклона лезвий составляет λ = 12...15°.

Число канавок зенкеров обычно — три-четыре. При их выборе должно быть обеспечено достаточное пространство для размещения срезаемой стружки.

Профиль канавок (рис. 4.9) принимается в зависимости от размера и конструктивных особенностей зенкеров. Профиль канавки, изображенный на рис. 4.9, а, делается у хвостовых спиральных трех-и четырехзубых зенкеров. Криволинейный профиль (рис. 4.9, б) применяется для четырехзубых насадных зенкеров сравнительно больших диаметров. Профиль канавки, очерченный по задней поверхности плоскостями (рис. 4.9, в), широко применяется для насадных твердосплавных зенкеров.

Ширина ленточек f для обычных зенкеров принимается в пределах 0,8...2 мм. Обратная конусность по ленточкам составляет 0,05...0,15 мм на 100 мм длины.

Зенкеры малых размеров имеют конические хвостовики Морзе с лапкой, а больших — посадочное отверстие с конусностью 1 : 30 и торцевой шпонкой. Иногда применяются специальные типы крепления зенкеров в виде укороченного конического хвостовика, заканчивающегося квадратом, шестигранником или лапкой.