Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2003, Вып. 22. С. 134-138

ВЛИЯНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СВЕРЛ НА ПРОЦЕСС

ОБРАБОТКИ ПРИ СВЕРЛЕНИИ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК

 

Коваленко В.И. (ДонНТУ, г. Донецк, Украина)

 

Drilling of holes in steel parts by drills with cutting part made of tool steel and of hard alloy is considered. The process of machining is analyzed for all range of drills (D = 2 - 50 mm). It is shown, that the accuracy of drills manufacturing influences on a kind of drilling process (bilateral or unilateral). Data obtained as a result of investigations are submitted as the tables and corresponding diagrams.

 

Известно [1, 2], что точность изготовления сверл является одним из факторов, определяющих технологические возможности процесса сверления отверстий. Анализ процесса сверления показал, что точность изготовления сверл, в частности, по параметру осевого биения режущих кромок, влияет на вид процесса сверления, предопределяя характер процесса снятия стружки; при этом возможно резание симметричное, асимметричное двухстороннее и асимметричное одностороннее. В последних двух случаях сечение стружки, снимаемое каждой режущей кромкой сверла, различно. Это приводит к возникновению действующих на режущие кромки неодинаковых по величине радиальных составляющих сил резания. Результирующей указанных выше радиальных составляющих сил резания является неуравновешенная радиальная сила резания, которая пропорциональна колебанию толщины среза, возникающему вследствие различной величины снимаемых режущими кромками сечений стружки.

Целью работы является рассмотрение взаимосвязи точности изготовления сверл и назначаемой подачи при сверлении отверстий в заготовках, изготовленных из стали.

На рис. 1 представлено расположение режущих кромок сверла. Теоретически, при строго симметричной заточке (что практически не реализуемо) каждая из двух режущих кромок А₀О₀ и О₀C₀ работает в одинаковых условиях. При поворота сверла на пол-оборота (180°) и подаче инструмента вдоль оси новое положение режущих кромок - А_nО_n и О_nC_n ; при этом вершина инструмента О₀ переместится в новое положение О_n . Расстояние между этими точками О₀О_n =s_z – подача на зуб, мм/зуб  (s_z = s/2,  где s – подача сверла, мм/об). Толщина срезаемого слоя а₀ =О₀К  одинакова в этом случае для обеих кромок и может быть определена из rО₀О_nК:

 

                                             а₀ = s_zsinj,                                                                 (1)

 

где  j - главный угол в плане. Значение угла j  переменно. Оно определяется исходным углом при вершине j’  и зависит от положения анализируемой точки на режущей кромке сверла.

Углы j и j’ связаны соотношением:

, где  r_c  - радиус сердцевины сверла; r_x  - переменный радиус, характеризующий положение анализируемой точки на режущей кромке сверла.

Практически, при изготовлении сверл, всегда имеет место асимметричность заточки режущих кромок: А₁Q₁ ¹ Q₁С₁. Осевое биение инструмента можно определить, если,  не  перемещая  вдоль  оси,  повернуть  его  на 180°.  Положение режущих кромок

 

 

сверла в этом случае - А₂Q₂ и  Q₂С₂  и расстояние С₂А₁=В - величина осевого биения режущих кромок сверла, мм.

Следствием асимметричности изготовления инструмента являются различные значения толщины среза, снимаемые каждой режущей кромкой.

Обозначим:  e – изменение толщины среза каждой из режущих кромок при повороте (с перемещением вдоль оси) сверла на 180°.

Значение e может быть определено из rС₂А₁F:  e=0,5 Bsinj. При одном полном обороте сверла (на 360°) суммарное (за два полуоборота) изменение толщины среза m каждой из кромок составит:  m =2e  или

 

                                         m=Bsinj .                                                               (2)

 

Обозначим: а₁  и а₂  - толщины среза, снимаемые соответственно 1-й и 2-й режущими кромками, причем  а₁>а₂ . Значение каждой из вышеназванных толщин среза будет отличаться от толщины среза при симметричном резании на величину m:

 

                      а₁=а₀+m;                       а₂=а₀–m.    

 

С учетом вышеприведенных соотношений (1, 2) получим:

 

                                 а₁=s_zsinj+Bsinj;                                                (3)

                                 а₂=s_zsinj–Bsinj .                                                          (4)

 

Колебание толщины среза Dа  при повороте сверла на 1 оборот определится как разность толщин среза обеих режущих кромок:  Dа=а₁–а₂  или

 

                                         Dа=2Bsinj .                                                 (5)

 

В зависимости от соотношения между величиной осевого биения В и подачей на зуб s_z могут быть два нижеуказанные различные виды резания.

Двухстороннее асимметричное резание имеет место при  0<B<s_z .  В этом случае в работе сверла участвуют обе режущие кромки и максимальная и минимальная толщины среза определяются по выражениям (3, 4).

Одностороннее асимметричное резание имеет место при соотношении B³s_z . В этом случае в работе участвует только одна режущая кромка, которая снимает толщину среза, значение которой является удвоенным по сравнению с толщиной среза, снимаемой режущей кромкой при симметричном резании:   а₁=а_max=2а₀ .

Вторая режущая кромка в работе не участвует (а₂=0) и поэтому колебание толщины среза в этом случае равно  Dа=2а₀  или с учетом выражения (1):

 

                                         Dа=2s_zsinj .                                                 (6)

 

Отметим следующее обстоятельство. Осевое биение В реальных сверл ограничено предельными значениями В₀ , принимаемыми по нормативам [5]. Поэтому при расчетах по формулам (2 - 5) вместо значений В следует подставлять величины В₀ .

Для практической реализации полученных теоретических рекомендаций рассмотрим следующий числовой пример. В заготовке из стали 45 (s_В = 610 МПа; 220 НВ) выполняется сверление отверстия D = 22,5 мм длиной l = 100 мм. Конструктивные параметры сверла: двойной угол при вершине 2j’ = 118°; радиус сердцевины r_c = 0,15r (где  r – номинальный радиус сверла); радиус анализируемой точки r_x  = 0,5r . Рассмотрим несколько вариантов обработки: в зависимости от материала режущей части сверла (быстрорежущими - Р6М5 и твердосплавными - Т15К6), а также в зависимости от точности изготовления сверл: сверлами точного исполнения и общего назначения.

Вначале рассмотрим обработку заготовки сверлами общего назначения, материал режущей части которых изготовлен из быстрорежущей (Р6М5) стали.

Для заданных исходных данных по справочнику [6] находим: подача  s = 0,36 мм/об и подача на зуб s_z = 0,18 мм/зуб. Принятая по нормативам [5] предельная величина допуска осевого биения для сверл общего назначения составляет: В₀ = 0,3 мм. Так как s_z<В₀ , то имеет место асимметричное одностороннее резание. Даже если для обработки использовать сверло точного исполнения, для которого В₀ = 0,2 мм, по-прежнему сохранится неравенство s_z<В₀ , то есть обработка будет выполняться в условиях неблагоприятного одностороннего резания.

Укажем, что выполнение условия  В<s_z не гарантирует нормального двухстороннего резания, так как осевое биение В реальных сверл может достигать предельно допустимого значения В₀ . Поэтому для достижения качественного двухстороннего резания желательно ограничить осевое биение сверл  В  половиной подачи на зуб s_z , то есть обеспечивать при правке сверл   В£0,5s_z ; при этом, как следует из выражения (5), колебание толщины среза  Dа  не превысит половины соответствующего возможного колебания при одностороннем резании.

При выборе подач при сверлении по справочнику [6] предусмотрено 11 диапазонов диаметров сверл: от D = 2 мм до D = 50 мм. Для получения общей картины по интересующему вопросу по каждому из диапазонов была определена подача на зуб s_z и сопоставлена с допуском осевого биения В₀ для сверл точного исполнения и общего назначения. Результаты приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Значения подачи на зуб s_z при сверлении стали 45 сверлами, материал режущей части которых изготовлен из быстрорежущей (Р6М5) стали, и допуски осевого биения В₀ .

Диапазон диаметров сверл, мм	Среднее значение диапазона диаметров сверл, мм	sz , мм/зуб	Допуск осевого биения В0 , мм для сверл:
			точного исполнения	общего назначения
2 - 4	3	0,04	0,05	0,12
4 - 6	5	0,06
6 - 8	7	0,08	0,10	0,18
8 - 10	9	0,10
10 -12	11	0,12	0,20	0,30
12 - 16	14	0,14
16 - 20	18	0,16
20 -25	22,5	0,18
25 - 30	27,5	0,205
30 - 40	35	0,24
40 - 50	45	0,28

 

Анализ табл. 1 показывает, что все сверла общего назначения работают в условиях, когда возможно возникновение одностороннего резания. И лишь при применении сверл точного исполнения в четырех из 11 диапазонов (они выделены серым цветом) гарантировано обеспечивается двухстороннее резание.

Используя данные табл. 1, на рис. 2 для сверл точного исполнения представлено графическое изменение подачи на зуб  s_z  для всех анализируемых диапазонов.

Жирными горизонтальными линиями (см. рис. 2) нанесены значения допуска осевого биения для соответствующих диапазонов диаметров сверл. Здесь же (крестиками) показаны диапазоны диаметров сверл, где гарантировано обеспечивается двухстороннее резание.

Для анализируемых условий (обработка стали s_В = 610 МПа, сверло точного исполнения, материал режущей части  - быстрорежущая сталь Р6М5) определим колебание толщин среза по диапазонам изменения диаметров сверл. В табл. 2 приведены вычисленные по формулам (1 - 6) толщины среза: при симметричном резании (а₀), максимальные (а₁) и минимальные (а₂) значения при асимметричном резании, колебание толщины среза (Dа). По данным табл. 2 построены графики, представленные на рис. 3.

 

Таблица 2. Значения толщины среза (обработка стали s_В = 610 МПа; сверло точного исполнения, материал режущей части - быстрорежущая сталь Р6М5).

Среднее значение диапазона диаметров сверл, мм	а0 , мм	2а0 , мм	m , мм	а1 , мм	а2 , мм	Dа , мм
3	0,034	0,068	0,034	0,068	0	0,068
5	0,051	0,102	0,043	0,094	0,008	0,086
7	0,068	0,136	0,068	0,136	0	0,136
9	0,085	0,170	0,085	0,170	0	0,170
11	0,102	0,204	0,102	0,204	0	0,204
14	0,119	0,238	0,119	0,238	0	0,238
18	0,136	0,272	0,136	0,272	0	0,272
22,5	0,153	0,305	0,153	0,305	0	0,305
27,5	0,174	0,348	0,170	0,344	0,004	0,340
35	0,204	0,408	0,170	0,374	0,034	0,340
45	0,238	0,476	0,170	0,408	0,068	0,340

 

Анализ данных, приведенных в табл. 2 и на рис. 3, показывает, что в зависимости от соотношения допуска осевого биения  В₀  и подачи на зуб  s_z  (см. табл. 1) при обработке сверлами точного исполнения для различных диапазонов диаметров сверл имеет место как одностороннее, так и двухстороннее асимметричное резание. В последнем случае (диапазон диаметров сверл 4 – 6, 25 – 30, 30 – 40 и 40 – 50 мм) в работе участвуют обе режущие кромки (значения  а₂  отличны от нуля) и колебание толщины среза  Dа  менее предельных значений  2а₀ , что имеет место в остальных диапазонах диаметров сверл.

Во второй части исследования изменим условия обработки, а именно, рассмотрим применение сверл, материал режущей части которых выполнен из твердого сплава Т15К6 (вместо быстрорежущей стали Р6М5, как было в первой части исследования). Предусмотрим обработку инструментами различной точности, а именно, сверлами точного исполнения и общего назначения.

Для измененных условий обработки в табл. 3 представлены определенные по справочнику  [5] допуски осевого биения  В₀ , вычисленные по справочнику [6] значения подачи на зуб s_z , а также толщины среза  а₀ , а₁ , а₂ и  Dа . На рис. 4 представлено изменение по диапазонам диаметров сверл некоторых (наиболее значимых) параметров, принятых по данным табл. 3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3. Допуски осевого биения В₀ , значения подачи на зуб s_z и значения толщин среза (обработка стали s_В = 610 МПа; сверло точного исполнения, материал режущей части – твердый сплав Т15К6).

Среднее значение диапазона диаметров сверл, мм		3	5		7		9		11
1		2	3		4		5		6
В0 , мм для сверл	точного исполнения	0,06							0,08
	общего назначения	0,12							0,15
sz , мм/зуб		0,024		0,034		0,047		0,068	0,076
а0 , мм		0,020		0,029		0,040		0,058	0,065
а1 , мм		0,040		0,058		0,080		0,109	0,130
а2 , мм		0		0		0		0,007	0
Dа, мм		0,040		0,058		0,080		0,102	0,130

 

Среднее значение диапазона диаметров сверл, мм		14	18	22,5	27,5	35	45
1		7	8	9	10	11	12
В0 , мм для сверл	точного исполнения	0,08
	общего назначения	0,15
sz , мм/зуб		0,082	0,096	0,108	0,123	0,143	0,167
а0 , мм		0,070	0,082	0,092	0,105	0,122	0,142
а1 , мм		0,138	0,150	0,160	0,173	0,190	0,210
а2 , мм		0,002	0,014	0,024	0,037	0,054	0,074
Dа, мм		0,136

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Анализ табл.3 и рис. 4 показывает, что при применении сверл точного исполнения, режущая часть которых выполнена из твердого сплава Т15К6, вид соответствующих кривых остался таким же, как и для сверл, режущая часть которых выполнена из быстрорежущей стали Р6М5, однако, значительно возросло количество диапазонов сверл, в котором осуществляется двухстороннее асимметричное резание (в 7 диапазонах вместо 4-х). Более того, в диапазоне диаметров сверл 40 – 50 мм (средний диаметр 45 мм) даже при применении сверл общего назначения также выполняется двухстороннее асимметричное резание.

Сопоставим между собой результаты, полученные при применении сверл с различным материалом режущей части (при соблюдении равенства прочих исходных данных). На рис. 5 представлены графики изменения толщин среза при обработке стали сверлами точного исполнения с режущей частью, выполненной как из быстрорежущей стали (кривые 1а, 1б), так и из твердого сплава (кривые 2а, 2б) (максимальные и минимальные значения соответственно). В последнем случае максимальные толщины среза намного меньше, чем в первом случае для всех диапазонов диаметров сверл.

На основании выполненных исследований можно сделать следующие выводы.

1. Установлены аналитические зависимости между некоторыми параметрами, характеризующими процесс сверления: подачей на зуб  s_z , допуском осевого биения  В₀  и толщиной среза  а (см. выражения 1 - 6).

2. В зависимости от соотношения величин  s_z  и  В₀  при обработке сталей может иметь место как двухстороннее, так и одностороннее резание: а) при s_z > В₀  осуществляется асимметричное двухстороннее резание при применении сверл точного исполнения, материал  режущей части  которых выполнен из быстрорежущей стали Р6М5 (диапазоны диаметров сверл 4 – 6, 25 – 30,  30 – 40 и  40 – 50 мм ), а также при обработке сверлами, режущая часть которых выполнена из твердого сплава (диапазоны 4 – 6, 12 –

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

50 мм для сверл точного исполнения и диапазон 40 – 50 мм для сверл общего назначения); б) при s_z £ В₀  осуществляется одностороннее резание – для остальных исследованных случаев сверления.

3. Для всех диапазонов диаметров сверл максимальная толщина среза и колебание толщины среза при применении сверл, режущая часть которых выполнена из твердого сплава Т15К6 меньше, чем для сверл, режущая часть которых выполнена из быстрорежущей стали Р6М5.

4. Для стабильного обеспечения двухстороннего асимметричного резания (как обеспечивающего по сравнению с односторонним асимметричным резанием более равномерную работу режущих кромок сверла, их меньший износ и большую точность обработанных отверстий) желательно осуществлять правку сверл для достижения величины осевого биения  B£0,5s_z .

 

Список литературы: 1. Холмогорцев Ю.П. Оптимизация процессов обработки отверстий. – М.: Машиностроение, 1984. – 184 с. 2. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. – М.: Машгиз, 1963. – 952 с. 3. Малышко И.А., Коваленко В.И. Особенности одностороннего резания при сверлении // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2003, Вып. 24. С. 82 - 88. 4. Малышко И.А., Коваленко В.И. Влияние биения сверла на силы резания при сверлении // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: Международный сб. научных трудов. – Донецк: ДонНТУ, 2003, Вып. 25. С. 234 - 239. 5. Справочник инструментальщика/ И.А. Ординарцев, С.Г. Филиппов, А.Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А. Ординарцева. – Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. – 846 с. 6. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2. Под ред. А.М. Дальского. - М.: Машиностроение -1, 2001. - 944 с.