Сверла для сверления глубоких отверстий

К глубоким отверстиям обычно относят отверстия, глубина которых превышает 5d. Однако уже при h > 3d в случае сверления отверстий спиральными сверлами наблюдаются трудности с подводом СОЖ в зо­ну резания и удалением стружки из отверстия, что приводит к сниже­нию стойкости инструмента. Поэтому на практике применение инстру­ментов для сверления глубоких отверстий обычно начинается с глубин, больших 3d.

Основные трудности при сверлении глубоких отверстий заключа­ются:

1) в сложных условиях подвода СОЖ в зону резания и отвода стружки;

2) в уводе осей отверстий;

3) в погрешностях размера и формы отверстий в радиальном и продольном сечениях.

Улучшить условия отвода стружки из отверстий при использовании спиральных сверл можно за счет увеличения угла наклона канавок до 40…60° и обеспечения надежного дробления стружки. В противном случае приходится периодически выводить сверло из отверстия для ос­вобождения инструмента от стружки, что значительно снижает произ­водительность, хотя при этом увод оси отверстия несколько уменьшает­ся. Лучшие результаты дает использование внутреннего напорного под­вода СОЖ в зону резания, которое обеспечивает не только надежный отвод стружки из отверстия, но и отвод тепла из зоны резания, благодаря чему повышается стойкость сверл. Причем эффективность СОЖ будет тем выше, чем выше скорость ее протекания через зону резания, которая определяется давлением и количеством (расходом) подаваемой жидкости.

На практике при сверлении отверстий глубиной до 20d на универ­сальном оборудовании часто используют спиральные сверла удли­ненной серии или с нормальной длиной режущей части и длинным хвостовиком (рис. 1, а), равным глубине отверстия. В этом случае для освобождения сверла от стружки в процессе сверления применяется автоматический ввод-вывод инструмента из отверстия.

С целью уменьшения увода оси отверстий у таких сверл рекоменду­ется вышлифовывать на спинках четыре ленточки и увеличивать на­сколько возможно диаметр сердцевины (рис. 1, а). Некоторые фирмы выпускают такие сверла с увеличенным объемом канавок и большим углом их наклона к оси инструмента, доходящим до ω = 40°.

Для улучшения отвода стружки без вывода сверла из отверстия были предложены шнековые сверла (рис. 1, б), которые применяются чаще всего для сверления отверстий глубиной до (30…40)d в деталях из чугуна и других хрупких металлов. Для сверления отверстий в сталях шнековые сверла применяются значительно реже и при этом наблюдается повы­шенный увод сверла. В отличие от стандартных спиральных сверл, они имеют большой угол наклона винтовых канавок ω = 60°, увеличенный диаметр сердцевины d₀=(0,30…0,35)d. Полированные канавки имеют в осевом сечении прямолинейный треугольный профиль с рабочей сторо­ной, перпендикулярной к оси сверла. Направляющие ленточки шнекового сверла примерно в 2 раза уже, чем у стандартных спиральных сверл. Так как угол ω у них очень большой, то для формирования рабочего клина с нормальным углом заострения необходима подточка по передней по­верхности под углом γ = 12…18°. Задний угол при плоскостной заточке α = 12…15°. При этом заточка сверла существенно усложняется.

Для обеспечения надежного стружкодробления без вывода сверл из отверстия при одновременном повышении стойкости применяют также спиральные быстрорежущие сверла с каналами для внутреннего подво­да СОЖ. В нашей стране такие сверла изготавливаются диаметром от 10 до 30 мм (рис. 1, в). Их недостаток — повышенная трудоемкость изго­товления, необходимость иметь для подвода СОЖ специальные патро­ны и насосные станции, а также ограждения от сходящей стружки и брызг СОЖ.

Увод сверл с двумя симметрично расположенными главными ре­жущими кромками происходит из-за малой жесткости консольно закре­пляемых инструментов, неизбежных погрешностей заточки режущих кромок, при наличии разнотвердости заготовок по сечению и т.д.

Самым эффективным способом, позволяющим свести до минимума увод и повысить точность отверстий, является способ базирования ре­жущей части инструмента с опорой на обработанную поверхность. С этой целью предусматривается такое расположение режущих кромок, когда заведомо создается неуравновешенная радиальная составляющая силы резания, прижимающая опорные направляющие корпуса к по­верхности отверстия, которые обработаны впередиидущими режущими кромками (рис. 2). При этом засверливание должно производиться по кондукторной втулке или по предварительно подготовленному в заго­товке отверстию глубиной (0,5…1,0)d.

Инструменты, работающие по такому принципу, называются инструментами с определенностью базирования или инструментами од­ностороннего резания. К ним относятся пушечные и ружейные сверла, сверлильные головки БТА и эжекторные сверла. Они могут быть с одной или несколькими режущими кромками, но в любом случае сум­марная радиальная составляющая сил резания и трения R для осуществ­ления принципа определенности базирования должна быть направлена строго к опорной поверхности и расположена между направляющими пластинами.

На увод оси отверстия, даже при использовании инструментов с определенностью базирования, значительное влияние также оказывает кинематика движения заготовки и сверла, особенно заметное при боль­ших глубинах отверстий. Так, на рис. 3 приведены данные по уводу оси для трех схем сверления: 1) заготовка вращается, а сверло соверша­ет движение подачи; 2) заготовка и сверло вращаются в противополож­ных направлениях; 3) заготовка неподвижна, вращается сверло. Наи­лучшим является второй вариант, но к нему близок и первый. Худшие результаты дает третья схема, которая применяется в случаях сверления несимметричных заготовок с большой массой (например, корпусные детали).

Исторически первой и наиболее простой конструкцией сверла глу­бокого сверления являются пушечные сверла, название которых гово­рит об области их первоначального применения. Такое сверло (рис. 4, а) представляет собой стержень большой длины, равной глу­бине обрабатываемого отверстия, срезанный в рабочей части примерно до половины диаметра и заточенный с торца с задним углом α. Во из­бежание заедания сверла в отверстии передняя грань расположена выше оси инструмента на величину 0,2…0,5 мм. Сверло имеет одну главную режущую кромку, перпендикулярную к оси. С другой стороны от оси сверла по торцу делают срез под углом 10°, отступив от оси на расстоя­ние 0,5 мм. Со стороны вспомогательной режущей кромки на наружной поверхности срезают лыску под углом 30° с оставлением цилиндриче­ской ленточки шириной f = 0,5 мм. У пушечного сверла передний угол γ = 0°, а задний α = 8…10°. Для снижения осевой составляющей силы резания передняя поверхность пушечного сверла выполняется по ра­диусу R с очень небольшим занижением около оси инструмента. В процессе сверления радиальная односторонне направленная нагрузка вос­принимается цилиндрической поверхностью сверла, опирающейся на стенку обработанного отверстия.

Пушечное сверло работает в тяжелых условиях. При этом не обес­печивается непрерывный отвод стружки, в связи с чем приходится свер­ло периодически выводить из отверстия. Из-за низкой поперечной же­сткости и большой ширины срезаемого слоя оно склонно к вибрациям, поэтому работает с малыми подачами. Такие сверла в настоящее время применяются редко, только в условиях единичного и мелкосерийного производств.

Ружейные сверла (рис. 4, б) в отличие от пушечных, имеют внутренний канал для подвода СОЖ и прямую (иногда винтовую) ка­навку для наружного отвода пульпы (смесь стружки и СОЖ). Они при­меняются для сверления отверстий глубиной (5…100)d и диаметром 1…30 мм. Первоначально ружейные сверла использовали для сверления стволов огнестрельного оружия. В настоящее время ружейные сверла получили широкое распространение во всех отраслях машиностроения, главным образом для сверления глубоких отверстий на специальных станках в условиях крупносерийного и массового производств. Благо­даря оснащению твердым сплавом и внутренней подаче СОЖ они обес­печивают высокую производительность при сверлении отверстий с ми­нимальным уводом оси при высокой точности (H8…H9) и низкой ше­роховатости поверхности отверстий (Ra 0,32…1,25 мкм).

Типовая конструкция ружейного сверла состоит из режущего твер­досплавного наконечника 1 (рис. 4, б) с отверстием для подвода СОЖ, трубчатого стебля 2 из стали типа 30ХМА с V-образной канавкой для отвода стружки, полученной методом холодной пластической де­формации, и цилиндрического хвостовика 3 для крепления на станке. Ружейные сверла диаметром менее 2 мм ряд зарубежных фирм изготав­ливает цельными твердосплавными.

Геометрические параметры режущей части ружейного сверла пока­заны на рис.4, б. Главная режущая кромка для снижения радиальной нагрузки ломаная, состоит из двух полукромок с углами в плане φ₁ = 30° и φ₂ = 20°. Для восприятия суммарной радиальной нагрузки у сверл ма­лых диаметров имеется опорная цилиндрическая поверхность, а у сверл d > 10 мм — две опорные направляющие, между которыми должен про­ходить вектор радиальной составляющей сил резания и трения.

Для снижения сил трения и во избежание защемления сверла в от­верстии предусматривается обратная конусность по диаметру режущей части (наконечника) в пределах 0,6…0,10 мм на 100 мм длины. На вспомогательной режущей кромке оставляется цилиндрическая ленточ­ка шириной f=0,1…0,5мм.

При заточке ружейного сверла (рис. 4, б) необходимо контроли­ровать размер m, который, во избежание врезания торцев, направляю­щих в дно отверстия, должен быть не меньше двух — трех значений по­дачи сверла на один оборот. На переднем торце трубчатого стебля фре­зеруется паз, в который припаивается твердосплавный наконечник. С противоположного конца стебель впаивается в цилиндрический хвосто­вик, имеющий диаметр на 6…10 мм больший, чем диаметр стебля.

Технические требования к изготовлению ружейных сверл весьма жесткие. Так. рабочая часть шлифуется с допуском по h5 или h6, а хво­стовик — по h6. Радиальное биение наконечника относительно хвосто­вика не более 0,01…0,02мм. При настройке операции необходимо обеспечить соосность шпинделя и сверла в пределах 0,01 мм, а соос­ность кондукторной втулки и шпинделя станка — в пределах 0,005 мм.

Так как твердосплавные направляющие выглаживают поверхность отверстия. СОЖ должна быть только на масляной основе с противоза­дирными присадками (S, Cl, P). Применение эмульсий на водной основе приводит к затиранию направляющих и возникновению вибраций.

Давление и расход СОЖ зависят от диаметра сверла. Так, например, при малых диаметрах сверл давление СОЖ достигает 9…10 МПа.

К числу недостатков ружейных сверл можно отнести малые попе­речную и крутильную жесткости из-за ослабленного канавкой стебля. По этой причине приходится снижать подачу, а следовательно, и произ­водительность процесса сверления.

Сверла и сверлильные головки БТА отличаются тем, что при малых диаметрах сверления (рис. 5, а) твердосплавные режущие и направляющие пластины напаиваются непосредственно на трубчатый стебель, а при больших диаметрах — на головки (рис. 5, б… д), навин­чиваемые на стебель.

Головки изготавливают различными по конструктивному исполне­нию: однокромочными (рис. 5, б, в), многокромочными (рис. 5.г,д), перетачиваемыми, неперетачиваемыми, с напайными или сменными (d>20мм) режущими и направляющими пластинами.

В отличие от ружейных сверл, сверла и головки БТА имеют толсто­стенный стебель кольцевого сечения и работают с наружной подачей СОЖ между стенками стебля и обработанного отверстия и с внутрен­ним отводом СОЖ и стружки через отверстия в головке и стебле. Пода­ча СОЖ производится с помощью специальных маслоприемников, ко­торые устанавливаются на специальных станках для обработки глубо­ких отверстий, обеспечивающих торцевое уплотнение между заготов­кой и кондукторной втулкой.

Достоинства сверл БТА состоят в том, что благодаря высокой жест­кости трубчатого стебля подача, по сравнению с ружейными сверлами увеличивается примерно в 2…4 раза, а стружка, удаляемая из зоны ре­зания по внутреннему каналу, не портит обработанную поверхность.

К недостаткам сверл БТА следует отнести трудности с надежным удалением стружки через относительно небольшое по сечению входное отверстие в режущей части, при закупоривании которого процесс свер­ления становится невозможным.

Для хорошего дробления стружки на напайных твердосплавных пластинах затачиваются стружкодробящие уступы, а на механически закрепляемых твердосплавных СМП предусматриваются сферические мелкие лунки, получаемые в процессе изготовления пластин. Хорошее деление стружки по ширине и увеличение площади сечения входных отверстий обеспечивают многокромочные головки фирмы «Sandvik Coromant» (Швеция). При этом за счет разности нагрузки на пластины, расположенные с обеих сторон оси головки, обеспечивается принцип одностороннего резания, так как в этом случае равнодействующая ради­альных составляющих сил резания и трения проходит между двумя на­правляющими и прижимает головку к обработанной поверхности отвер­стия.

В головках с механическим креплением твердосплавных пластин удается избежать недостатков метода пайки, указанных выше, трудоем­кой по исполнению заточки и обеспечить быстросменность пластин.

Сложные по конструкции корпуса головок БТА изготавливают ме­тодом точного литья с последующей нарезкой ленточной резьбы на хво­стовой части. У сверл крупных диаметров корпуса изготавливают фре­зерованием и точением на станках с ЧПУ. При сверлении отверстий малых диаметров (d = 6…20 мм) применяются опытные конструкции сверл БТА, выполненные путем врезания и пайки Т-образных твердо­сплавных пластин в стальной трубчатый стебель (рис. 5, а). Однако в этом случае трудности с удалением стружки возрастают еще в большей степени. Гарантированная глубина сверления отверстий сверлами БТА при горизонтальном положении заготовки достигает 100d, а при верти­кальном — 50d.

Режущие головки эжекторных сверл по конструкции подобны го­ловкам БТА (рис. 6). Некоторые отличия между ними объясняются способами подвода СОЖ и отвода пульпы (смесь стружки и СОЖ), суть которых состоит в том, что подвод осуществляется между стенками стебля 7 и тонкостенной трубы 6, вставленной внутри стебля, и далее через отверстия в корпусе головки в зону резания. В хвостовой части тонкостенной трубы прорезаны С-образные пазы, исполняющие роль сопла 5 эжектора, отсасывающего пульпу через внутреннюю полость этой трубы. Таким образом, подаваемая через специальный патрон СОЖ делится на два потока: рабочий, идущий в зону резания, и вспомо­гательный, идущий на слив и составляющий примерно 1/3 от общего количества СОЖ. Именно этот вспомогательный поток и создает разряжение во внутренней трубе. Под действием атмосферного давления рабочий поток, пройдя через зону резания, вместе со стружкой всасывает­ся в зону пониженного давления и уходит на слив. Благодаря такому устройству эжекторные сверла могут использоваться на универсальных станках. При этом не требуются специальные маслоприемники, а пода­ча и отвод СОЖ осуществляются с помощью специальных патронов 4, устанавливаемых в шпинделе сверлильного станка или задней бабке токарного станка.

Эжекторные сверла d = 18…65 мм чаще всего оснащают напайными твердосплавными пластинами, а d = 65.185 мм и более — механически закрепляемыми СМП. Максимальная глубина отверстий, полученных эжекторными сверлами, достигает 4000 мм.

Сверла и головки для кольцевого сверления. При сплошном сверлении отверстий диаметром свыше 50 мм образуется большой объ­ем стружки, требующий значительных затрат мощностей и инструмен­тальных материалов. Усилия резания при этом резко возрастают. Чтобы избежать этого, используют способ кольцевого сверления, заключаю­щийся в прорезании кольцевой канавки в заготовке с оставлением не­тронутой сердцевины, которая в дальнейшем может быть использована в качестве заготовки деталей. За счет снижения силовой нагрузки на сверло можно значительно увеличить подачу, а следовательно, и произ­водительность процесса сверления.

Простейшая конструкция кольцевого сверла в виде пустотелой тру­бы, на торце которой закреплены режущие ножи (z = 3…12), представ­лена на рис. 7, а. Над ножами прорезаны канавки для отвода сходя­щей стружки. Через отверстия в корпусе инструмента в зону резания под давлением подается СОЖ, которая удаляет стружку через зазор ме­жду сверлом и наружной стенкой кольцевой канавки, образуемой в за­готовке. Для облегчения транспортировки стружки предусмотрено ее деление по ширине за счет специальной заточки ножей. Для более ус­тойчивого положения сверла в отверстии на корпусе головки крепятся направляющие планки из твердой пластмассы, например из полиамида.

Для дробления стружки обычно на передних поверхностях режущих кромок затачивают уступы. Однако более надежное дробление стружки достигается в случае применения кинематического метода с наложени­ем колебаний на движение подачи сверла.

Известны и другие конструкции кольцевых сверл, в том числе ос­нащенные твердосплавными СМП, закрепляемыми винтами. Такие сверла применяются для сверления как неглубоких (рис. 7, б), так и глубоких (рис. 7, в) отверстий. В последнем случае для уменьшения увода оси отверстия используется принцип одностороннего резания. При сверлении неглубоких отверстий диаметром 60…110 мм, глубиной 2,5d применяют внутренний подвод СОЖ и наружный отвод стружки.

При сверлении глубоких отверстий диаметром 120…250 мм и более и глубиной 100d применяют внутренний отвод стружки через отверстия в корпусе головки и стебле сверла. Для крепления пластин в сверлах больших диаметров используют промежуточные вставки. Такие сверла, кроме режущих пластин, имеют также опорные твердосплавные на­правляющие пластины.