CC BY
185
ЕТАПЛООБРАБОТК]
УДК 621.952.8
Технология глубокого сверления отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ
Б. А. Немцев, П. Д. Яковлев, С. П. Яковлев
В статье рассмотрены основные положения, связанные с разработкой технологических процессов глубокого сверления отверстий малых диаметров (3,0-25,0 мм) с наружным подводом СОЖ невращающимся инструментом во вращающихся заготовках. Представлены конструкции инструмента и рекомендации по выбору основных параметров процесса сверления, которые прошли проверку при серийном изготовлении глубоких отверстий в деталях различного назначения. Представленные конструкции и методики определения основных параметров обработки могут быть использованы в качестве базовых при разработке отечественной системы инструментов для глубокого сверления отверстий малых диаметров.
Ключевые слова: глубокое сверление, глубокие отверстия, смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ), инструмент с наружным подводом СОЖ, борштанга, сверлильная головка, режимы резания.
Введение
Технология изготовления глубоких отверстий является одной из наиболее сложных и недостаточно изученных областей технологии машиностроения, существенно отличается от технологий изготовления отверстий, применяемых в общем машиностроении.
В общем объеме проводимых исследований в данной области значительное место занимают исследования процесса обработки глубоких отверстий малых диаметров (менее 25,0 мм) во вращающихся заготовках, в частности исследования процессов, связанных с выполнением основной операции обработки отверстия — операции глубокого сверления. Это обусловлено рядом особенностей процессов глубокого сверления отверстий малых диаметров (низкая крутильная и изгибная жесткость применяемого инструмента, высокие частоты вращения заготовок, трудности удаления стружки из зоны резания и др.), которые накладывают существенные ограничения как на производительность обработки, так и на параметры точности отверстий. С увеличением отношения длины отверстия к диаметру (относительной длины) влияние указанных
факторов на производительность, точность и качество отверстий возрастает.
В промышленности глубокое сверление отверстий малых диаметров осуществляется двумя основными методами:
• с внутренним подводом смазочно-охлаж-дающей жидкости (СОЖ) и наружным отводом стружки; при использовании данного метода применяются ружейные (трубчато-лопа-точные) сверла;
• с наружным подводом СОЖ и внутренним отводом стружки с использованием специальных сверлильных головок, которые устанавливаются на борштангах кольцевого поперечного сечения (метод BTA).
Метод с внутренним подводом СОЖ рекомендуется зарубежными фирмами для глубокого сверления отверстий диаметром от 1,0 до 40 мм с относительной длиной до 50. При обработке глубоких отверстий диаметром менее 20 мм этот метод рекомендуется в качестве основного. При этом метод глубокого сверления отверстий с наружным подводом СОЖ, несмотря на его преимущества [1], для получения отверстий диаметром менее 25 мм не является основным. Кроме того, метод с наружным подводом СОЖ пока единственный для
получения глубоких точных отверстий диаметром менее 25,0 мм повышенной (более 100) относительной длины.
Для реализации на практике преимуществ метода глубокого сверления с наружным подводом СОЖ необходимо выполнение комплекса мероприятий по технологической подготовке производства, основными из которых являются:
• наличие специального оборудования с комплектом технологической оснастки для глубокого сверления с наружным подводом СОЖ (маслоприемники, узлы установки инструмента и т. д.); вместо специального оборудования могут использоваться станки общего назначения (например, токарные), переоборудованные для обработки глубоких отверстий, что существенно снижает затраты на технологическую подготовку производства [2];
• разработка конструкций инструмента с наружным подводом СОЖ;
• выбор параметров глубокого сверления, назначение режимов резания.
Основная часть
Рекомендации по выбору специального оборудования и модернизации станков общего назначения для обработки глубоких отверстий с наружным подводом СОЖ приведены в работах [2, 3]. Они могут использоваться при оформлении заказов на приобретение нового оборудования и разработке технических заданий на переоборудование имеющихся на предприятиях станков общего назначения.
Анализ конструкций инструментов, применяемых для глубокого сверления отверстий малых диаметров, как отечественных, так и зарубежных, позволяет выделить ряд общих для них признаков: инструмент в основном однолезвийный, имеющий определенность базирования в обработанном отверстии, оснащен двумя жесткими твердосплавными направляющими шпонками и твердосплавной режущей частью, которая имеет главную и вспомогательные режущие кромки.
Для глубокого сверления отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ разработаны конструкции инструмента, учитывающие указанные признаки и состоящие из
сверлильной головки, которая устанавливается на борштанге кольцевого поперечного сечения. Общий вид предлагаемых инструментов для глубокого сверления отверстий диаметром 3,0-25,0 мм показан на рис. 1.
Для глубокого сверления отверстий диаметром 3,0-8,0 мм может использоваться инструмент (рис. 1, а), состоящий из сверлильной головки и борштанги кольцевого поперечного сечения. Сверлильная головка состоит из корпуса 1, в который при помощи пайки устанав-лен монолитный твердосплавный элемент 2, состоящий из режущей части и направляющих шпонок. Сверлильная головка закрепляется на борштанге 3 при помощи пайки.
Для сверления отверстий в диапазоне диаметров от 8,0 до 25,0 мм могут использоваться сверлильные головки с напайными (рис. 1, б), и сменными, (рис. 1, в) режущими 1 и направляющими 2 элементами, которые установлены в корпусе 3.
Трудоемкость изготовления сверлильных головок со сменными элементами выше, чем с напайными, однако их применение предусматривает длительное использование корпусов и замену изношенных режущих и направляющих элементов. В конструкции головок со сменными элементами предусмотрено использование двух видов 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, в), которая крепится на корпусе 5 режущего элемента при помощи пайки (для диаметра сверления 15,0-25,0 мм).
При разработке конструкций сверлильного инструмента важное значение имеет выбор геометрических параметров борштанги и материала, из которого она изготовлена. Наружный и внутренний диаметры борштан-ги выбирают из условий обеспечения максимальной жесткости инструмента и расхода СОЖ, необходимого для надежного удаления стружки из зоны резания при заданных режимах обработки. При глубоком сверлении отверстий диаметром 3,0-25,0 мм с отношением глубины отверстия к диаметру до 100 в сталях можно рекомендовать следующие зависимости для определения наружного dн и внутреннего dв диаметров борштанги:
а)
Ф2 = 25
А—А
10'
Б—Б
а1 = (12 - 15)°
а2 = (15 - 18)°
б)
Ф2 = 25
Б
А—А
10
Резьба ленточная прямоугольная
Б—Б
ал = (12-15)°
в)
а2 = (15-18)°
Резьба ленточная прямоугольная
^25,0
5
Рис. 1. Инструмент для глубокого сверления: а — отверстий диаметром 3,0-8,0 мм; б, в — отверстий диаметром 8,0-25,0 мм
Б
2
3
1
2
2
3
1
4
МЕШПООБМБОТК|»
d„ = 0,67^1'08;
<в = (0,4 ■ 0,5)<
и'
Для обеспечения наибольшей жесткости инструмента необходимо в каждом конкретном случае выбирать минимальную длину борштанги; кроме того, нужно выбрать 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 0Х18Н10Т. Указанные трубы имеют 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 ф! наружной режущей кромки (рис. 1). Имеются оптимальные значения угла ф1 в зависимости от конкретных условий обработки. Остальные углы заточки при сверлении отверстий в сталях типа 45, 40Х, 30ХГСА изменяются незначительно (рис. 1).
Для выполнения операции глубокого сверления необходимо обеспечить непрерывное удаление стружки из зоны резания и безвибрационный процесс сверления [1].
С учетом указанных условий назначаются основные параметры процесса глубокого сверления (расход и давление СОЖ, режимы резания), а также геометрические параметры заточки режущей части инструмента.
Параметры обработки назначаются из условий обеспечения оптимальной производительности сверления, требуемых точности и качества получаемых отверстий.
Из выпускаемых отечественной промышленностью СОЖ на операциях глубокого сверления и растачивания можно рекомендовать СОЖ на масляной основе МР-3 и МР-7. Сверление следует проводить в зоне оптимальных температур использования СОЖ, что повышает производительность сверления. Для СОЖ указанных марок оптимальные температуры находятся в интервале 28-35 °С. Для
поддержания температуры СОЖ в требуемом диапазоне необходимо использовать специальные теплообменники.
Выбор требуемого расхода СОЖ определяется законами гидродинамики и сводится к определению скорости ее протекания, обеспечивающей надежное удаление стружки из зоны резания. Давление СОЖ, создаваемое насосной станцией, является производной величиной, зависящей от гидравлических потерь в тракте подвода-отвода СОЖ.
При глубоком сверлении отверстий малых диаметров в сталях, как правило, образуется сливная стружка. Для определения требуемого расхода СОЖ (л/мин) на масляной основе можно пользоваться формулой
я =
где К = 2 • 103 л/(мин • мм2) — коэффициент расхода, определяемый экспериментально; <о — диаметр сверления, мм; — подача инструмента, мм/об.
Необходимо отметить также влияние загрязненности СОЖ на процесс глубокого сверления, качество поверхности отверстий, стойкость инструмента. Практика показывает, что наилучшие результаты дает применение СОЖ с тонкостью очистки менее 5 мкм.
Режимы резания (скорость резания и подача) выбирают в зависимости от физико-механических характеристик обрабатываемого материала, геометрии заточки режущей части инструмента, жесткости системы СПИД.
Скорость резания при глубоком сверлении отверстий малых диаметров в заготовках из различных сталей зависит главным образом от обрабатываемости материала и составляет 60-100 м/мин.
При глубоком сверлении отверстий малых диаметров повышенной относительной длины на выбор скорости резания накладываются дополнительные ограничения, которые обусловлены применением для получения подобных деталей длинномерных заготовок малой поперечной жесткости. Сочетание поперечной податливости заготовки, дисбаланса отдельных ее участков с высокими частотами вращения приводит к возникновению поперечных колебаний заготовки, которые передаются на сверлильную головку и являются одной
ШШШМБОТКА
из причин образования увода оси отверстий. Поэтому при глубоком сверлении отверстий малых диаметров повышенной относительной длины скорости резания, как правило, не превышают 60 м/мин.
Выбор подачи инструмента определяется условиями достижения максимальной производительности глубокого сверления и экономической стойкости режущей части. Ограничением подачи является возникновение интенсивных колебаний инструмента. При глубоком сверлении отверстий малых диаметров доминирующими колебаниями, ограничивающими производительность обработки, являются крутильные, которые носят автоколебательный характер [1].
Крутильные автоколебания инструмента возникают под влиянием большого количества факторов (падающая зависимость сил резания от скорости резания, взаимодействие режущего лезвия с вибрационным следом на поверхности резания и др.), существенно повышают динамические нагрузки на инструмент, вызывая интенсивный износ и поломку режущего лезвия и направляющих шпонок. Таким образом, производительность процесса сверления ограничивается интенсивностью крутильных колебаний инструмента, которая, в свою очередь, зависит от физико-механических свойств обрабатываемого материала, геометрии заточки режущей части инструмента, характеристик используемых СОЖ, относительной длины обработки и других факторов.
Основной характеристикой крутильных колебаний инструмента является амплитуда. Установлено [1], что при глубоком сверлении отверстий малых диаметров процесс сверления становится неустойчивым и не может
150 125 100
75 50 25
4 3 21
/ / / / / / / /
/ /
10 15 20 25 30 35
^0, мм/мин
Рис. 2. Зависимость амплитуды колебаний крутящего момента Лм от подачи 80 (сталь 30ХН2МФА, V = = 73 м/мин, 280-300" НВ):
1 — ф1 = 25°; 2 — ф1 = 20°; 3 — ф1 = 15°; 4 — ф1 = 30°
продолжаться, если амплитуда колебаний крутящего момента АМкр больше среднего значения крутящего момента Мкр. Таким образом, получая с учетом конкретных условий обработки зависимости амплитуды от подачи, скорости резания, углов заточки режущей части и других параметров, можно определить их оптимальные значения, обеспечивающие безвибрационные режимы сверления. В качестве примера на рис. 2 приведены зависимости амплитуды крутильных колебаний от исследуемых параметров для диаметра сверления 22,5 мм.
При глубоком сверлении отверстий малых диаметров повышенной относительной длины имеются дополнительные ограничения подачи, обусловленные существенным снижением жесткости инструмента и его виброустойчивости. На основании обобщения результатов большого числа исследований разработаны рекомендации по выбору основных параметров процесса сверления и геометрических параметров заточки режущей части при обработке
Рекомендации по выбору параметров глубокого сверления
АМкр, Н • см
Диаметр сверления йо, мм Материал заготовки
Сталь 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т; 140-170 НВ Сталь 20, 30, 45; 200-240 НВ Сталь 20ХН, 30ХГСА, 40Х; 240-280 НВ
^0, мм/мин У0, м/мин Ф1,° ^0, мм/мин V), м/мин Ф1,° ^0, мм/мин ^0, м/мин Ф1,°
3,0-8,0 0,01-0,0125 60-70 30 0,01-0,02 90-100 25 0,01-0,015 80-90 25
8,0-12,0 0,0125-0,015 60-70 30 0,02-0,03 90-100 25 0,015-0,025 80-90 25
12,0-17,0 0,015-0,02 60-70 30 0,03-0,04 90-100 25 0,025-0,035 80-90 25
17,0-22,0 0,02-0,025 60-70 30 0,04-0,05 90-100 25 0,035-0,045 80-90 25
22,0-25,0 0,025-0,03 60-70 30 0,05-0,06 90-100 25 0,045-0,055 80-90 25
глубоких отверстий малых диаметров в заготовках из отдельных групп сталей. В качестве примера в таблице приводятся значения указанных параметров для относительных длин обработки 30-50 с учетом использования режущих пластин из твердого сплава Т15К6 и направляющих шпонок из сплава ВК8.
Выводы
Представленные конструкции инструмента и рекомендации по выбору параметров обработки прошли широкую проверку в производственных условиях при серийном изготовлении глубоких отверстий в деталях различного назначения, а также при глубоком сверлении отверстий повышенной относительной длины. Предлагаемые конструкции и методики определения основных параметров обработки могут использоваться в качестве базовых при
разработке отечественной системы инструментов для глубокого сверления отверстий малых диаметров с наружным подводом СОЖ. Представленные конструкции просты в изготовлении, надежны в работе, обеспечивают высокую производительность обработки, точность и качество отверстий, значительно дешевле импортных.
Литература
1. Обработка глубоких отверстий / Н. Ф. Уткин, Ю. И. Кижняев, С. К. Плужников и др.; под общ. ред. Н. Ф. Уткина. Л.: Машиностроение, 1988. 269 с.
2. Немцев Б. А., Шаманин А. А., Кижняев Ю. И. Переоборудование и оснащение универсальных токарно-винторезных станков для обработки глубоких отверстий // Металлообработка. 2006. № 3. С. 5-6.
3. Модернизация и оснащение глубокосверлильного станка модели РТ182С для обработки глубоких точных отверстий диаметром 50-120 мм / Ю. И. Кижняев, Б. А. Немцев, Д. А. Крупкин, В. Г. Патяк // Металлообработка. 2010. № 5. С. 37-48.
АО «Издательство "Политехника"» предлагает:
Справочник конструктора : Справочно-методическое пособие / Под ред. И. И. Матюшева. — СПб.: Политехника, 2006. — 1027 с. : ил. ISBN 5-7325-0552-0 Цена: 1520 руб.
Справочник конструктора, подготовленный коллективом ведущих специалистов различных отраслей, является справочно-методическим пособием для конструкторов всех категорий. В справочнике приведены рекомендации по методам конструирования в соответствии с современным техническим уровнем, требования к конструкциям по эргономике, надежности, технологичности и т. п. Излагаются методы расчета и этапы конструирования основных узлов машин — исполнительных органов, приводов, передач и несущих конструкций. Приводятся справочные данные по системам подачи жидкостей, газов, арматуре, по видам подвижных и неподвижных соединений, допускам, посадкам. Даются характеристики и основные свойства различных конструкционных материалов — сталей, чугунов, цветных металлов, пластмасс, композиционных материалов и других.
В справочник включены разделы по динамике машин, системам автоматики, конструкциям узлов электрооборудования и вопросы автоматизированного проектирования с использованием ЭВМ. В отдельном разделе даны различные справочные материалы по выполнению типовых элементов деталей и оформлению чертежей.
Принимаются заявки на приобретение книги по издательской цене. Обращаться в отдел реализации по тел.: (812) 312-44-95, 710-62-73, тел./факсу: (812) 312-57-68, e-mail: [email protected], на сайт: www.polytechnics.ru.
