Свистун Татьяна Викторовна

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 ре-жущих кромок A_oO_o и O_oC_o работает в одинаковых условиях. При повороте сверла на пол-оборота (180°) и подаче инструмента вдоль оси новое положение режущих кромок - -A_nO_n и O_nC_n ; при этом вершина инструмента O_o переместится в новое положение O_n . Расстояние между этими точками O_oO_n =s_z – подача на зуб, мм/зуб (s_z = s/2, где s – подача сверла, мм/об). Толщина срезаемого слоя a_o =O_oK одинакова в этом случае для обеих кромок и может быть определена из Δ O_oO_nK:

a_o=s_zsin

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

Углы и ’ 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 за-точки режущих кромок: A₁Q₁ Q₁C₁. Осевое биение инструмента можно определить, если, не перемещая вдоль оси, повернуть его на 180°. Положение режущих кромок сверла в этом случае - A₂Q₂ и Q₂C₂ и расстояние C₂A₁=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 по-вороте (с перемещением вдоль оси) сверла на 180°.

Значение e может быть определено из ΔC₂A₁F: e=0,5 Bsin. При одном пол-ном обороте сверла (на 360°) суммарное (за два полуоборота) изменение толщины среза m каждой из кромок составит: m =2e или

m=Bsin                        (2)

Обозначим: a₁ и a₂ - толщины среза, снимаемые соответственно 1-й и 2-й ре-жущими кромками, причем a₁>a₂ . Значение каждой из вышеназванных толщин среза будет отличаться от толщины среза при симметричном резании на величину m:

a₁=a₀+m;             a₂=a₀-m

С учетом вышеприведенных соотношений (1, 2) получим:

a₁=s_zsin+Bsin                    (3)

a₂=s_zsin-Bsin                    (4)

Колебание толщины среза Δa при повороте сверла на 1 оборот определится как разность толщин среза обеих режущих кромок: Δa=a₁–a₂ или

Δa=2Bsin                    (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 слу-чае 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 Bs_z . В этом случае в работе участвует только одна режущая кромка, которая снимает толщину среза, значение которой является удвоенным по сравнению с толщиной среза, снимае-мой режущей кромкой при симметричном резании: a₁=a_max=2a₀ .

Вторая режущая кромка в работе не участвует (a₂=0) и поэтому колебание тол-щины среза в этом случае равно Δa=2a₀ или с учетом выражения (1):

Δa=2s_zsin                    (6)

Отметим следующее обстоятельство. Осевое биение В реальных сверл ограни-чено предельными значениями B₀ , принимаемыми по нормативам [5]. Поэтому при расчетах по формулам (2 - 5) вместо значений В следует подставлять величины B₀ .

Для практической реализации полученных теоретических рекомендаций рас-смотрим следующий числовой пример. В заготовке из стали 45 (_B = 610 МПа; 220 НВ) выполняется сверление отверстия D = 22,5 мм длиной l = 100 мм. Конструктивные параметры сверла: двойной угол при вершине 2’ = 118°; радиус сердцевины r_c = 0,15r (где r – номинальный радиус сверла); радиус анализируемой точки r_x = 0,5r . Рассмот-рим 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: B₀ = 0,3 мм. Так как s_z<B₀ , то имеет место асимметричное одностороннее резание. Даже если для обработки использовать сверло точного исполнения, для которого B₀ = 0,2 мм, попрежнему сохранится неравенство s_z<B₀ , то есть обработка будет выполняться в усло-виях 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 B_o . Поэтому для достижения качественного двухстороннего резания желательно ограничить осевое биение сверл В половиной подачи на зуб s_z , то есть обеспечивать при правке сверл В0,5s_z ; при этом, как следует из выражения (5), колебание толщины среза Δa не превысит половины соответствующего возможного колебания при одностороннем резании.

При выборе подач при сверлении по справочнику [6] предусмотрено 11 диапа-зонов 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 B₀ 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 B_o .

Анализ табл. 1 показывает, что все сверла общего назначения работают в усло-виях, когда возможно возникновение одностороннего резания. И лишь при примене-нии 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 (крести-ками) показаны диапазоны диаметров сверл, где гарантировано обеспечивается двухстороннее резание.

= 610 МПа; сверло точного ис-полнения, материал режущей части - быстрорежущая сталь Р6М5)." border=0>

Для анализируемых условий (обработка стали = 610 МПа, сверло точного ис-полнения, материал режущей части - быстрорежущая сталь Р6М5) определим колеба-ние толщин среза по диапазонам изменения диаметров сверл. В табл. 2 приведены вы-численные по формулам (1 - 6) толщины среза: при симметричном резании (a_o), макси-мальные (a₁) и минимальные (a₂) значения при асимметричном резании, колебание толщины среза (Δa). По данным табл. 2 построены графики, представленные на рис. 3.

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

Анализ данных, приведенных в табл. 2 и на рис. 3, показывает, что в зависимости от соотношения допуска осевого биения B_o 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 a₂ отличны от нуля) и колебание толщины среза Δa менее предельных значений 2a_o , 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 точ-ного исполнения и общего назначения.

Для измененных условий обработки в табл. 3 представлены определенные по справочнику [5] допуски осевого биения B_o , вычисленные по справочнику [6] значе-ния подачи на зуб s_z , а также толщины среза a_o , a₁ , a₂ и Δa . На рис. 4 представлено изменение по диапазонам диаметров сверл некоторых (наиболее значимых) парамет-ров, принятых по данным табл. 3.

Таблица 3. Допуски осевого биения B_o , значения подачи на зуб s_z и значения толщин среза (обработка стали

Анализ табл.3 и рис. 4 показывает, что при применении сверл точного исполне-ния, 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 B_o и толщиной среза а (см. выражения 1 - 6).

2. В зависимости от соотношения величин s_z и B_o при обработке сталей может иметь место как двухстороннее, так и одностороннее резание: а) при s_z > B_o 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 B_o осуществляется одностороннее резание – для остальных исследо-ванных 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 рав-номерную работу режущих кромок сверла, их меньший износ и большую точность об-работанных отверстий) желательно осуществлять правку сверл для достижения величины осевого биения B_o0,5s_z .

Список литературы:

1. Холмогорцев Ю.П. Оптимизация процессов обработки отверстий. – М.: Машиностроение, 1984. – 184 с.

2. 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.

3. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущих инструментов. – М.: Машгиз, 1963. – 952 с.

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.: Ма-шиностроение. Ленингр. Отд-ние, 1987. – 846 с.

6. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 2/ Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. – 4-е изд., перераб. и доп.- М.: Маши-ностроение, 1985. - 496 с.