Задание

Исходные данные в соответствии с вариантом задания исследования приведены в таблице 1.5.

Таблица 1.5. Варианты заданий

Первая цифра	Материал		1, град	h, мм	V, м/мин	, град	Вторая цифра	S, мм/об	, град	, град
	заготовка	инструмент
0	Сталь 50	Т5К10	30	2,5	150	12	0	0,4	30	5
1	Сталь 40Х	Т5К12	45	2,0	125	9	1	0,3	45	0
2	Сталь 30ХМА	Т15К6	60	1,5	120	6	2	0,25	60	5
3	Сталь 25ХГТ	ТТ7К12	60	1,25	100	3	3	0,2	75	0
4	Сталь 35ХГСА	ТТ7К12	30	1,0	80	0	4	0.15	90	-5
5	Чугун СЧ20	ВК8	45	4,0	180	9	5	0,45	60	5
6	Чугун ВЧ60	ВК8	30	3,5	160	6	6	0,35	75	0
7	Чугун КЧ60-3	ВК10-ОМ	45	3,0	140	0	7	0,25	90	-5
8	Сталь 12Х18Н9Т	ВК6-ОМ	60	0,75	80	3	8	0,1	45	5
9	Алюминий АМг 6	Р6М5	30	3,5	200	15	9	0,5	30	0

В соответствии с вариантом подготовить таблицы экспериментальных данных, ориентируясь на определенные диапазоны изменения и шаг параметров, в функции которых проводятся исследования, провести соответствующие эксперименты, записать экспериментальные данные в таблицы, построить графики и выполнить их анализ.

Содержание протокола

В протоколе представить цель работы, исходные данные и задание исследования в соответствии с вариантом, необходимую информацию из теоретической части, таблицы экспериментальных данных, копию интерфейса для любого эксперимента, графики экспериментальных зависимостей. Выводы.

2. Силовые характеристики при сверлении и рассверливании

Обработка осевыми лезвийными режущими инструментами отверстий в сплошном материале сверлением, или предварительно изготовленных отверстий рассверливанием является достаточно распространенными видами механической обработки.

Осевой режущий инструмент - это лезвийный инструмент для обработки с вращательным главным движением резания и движением подачи вдоль оси главного движения резания. К осевым режущим инструментам относятся: сверла, зенкеры, развертки, метчики, плашки, зенковки и цековки. Типовые последовательности обработки осевыми инструментами обеспечивают обработку отверстий с точностью размеров IT12-IT7 и параметрами шероховатости обработанной поверхности Ra 20 - Ra 1.25. Средняя точность обработки отдельными осевыми инструментами, параметр шероховатости обработанной поверхности и последовательность их рационального применения приведены в табл.2.1. Технологические последовательности обработки и рекомендованные значения глубины резания являются основанием для определения размеров осевых режущих инструментов.

Таблица 2.1. Типовые последовательности обработки отверстий

осевыми инструментами в сплошном материале

Вид осевой обработки	Средняя глубина резания, мм	Точность обработки	Шероховатость Ra, мкм
Сверление	D/2	H12…H11	20…10
Зенкерование предварительное	1,5…2,5	H11…H10	10…6,3
Зенкерование окончательное	0,5…1,5	H10…H9	6,3…5,0
Развертывание предварительное	0,05…0,2	H9…H8	5,0…2,5
Развертывание окончательное	0,025…0,05	H8…H7	2,5…1,25

Наибольшую трудоемкость обработки осевыми режущими инструментами в сплошном материале составляет сверление. Сверло - осевой режущий инструмент для создания отверстия в сплошном материале и (или) увеличения диаметра предварительно обработанного отверстия. Наиболее распространенной конструкцией сверла является винтовое спиральное сверло, режущая часть которого имеет две главные режущие кромки и изготовляется из быстрорежущих инструментальных сталей. Для обработки стеклопластиков изготовляются специальные сверла из металлокерамических твердых сплавов преимущественно из группы ВК, например, ВК6, ВК8, ВК10М, ВК10ОМ. Для обработки чугунов используются современные конструкции сборных сверл, которые оснащаются сменными многогранными пластинами с механическим креплением, но эти конструкции осевых режущих инструментов применяются для обработки отверстий диаметром больше 20мм.

Быстрорежущие инструментальные материалы широко применяются для изготовления режущих инструментов, которые работают в условиях значительных силовых нагрузок и средних температур на режущих кромках. Основными физико-механическими характеристиками быстрорежущих инструментальных материалов, которые обеспечивают достаточную работоспособность режущих инструментов, являются: высокая прочность и вязкость; высокая поверхностная твердость рабочих поверхностей; износостойкость контактных поверхностей, удовлетворительная теплоустойчивость до 600⁰…650⁰С.

Варьирование легирующих элементов и режимов термообработки дает возможность целенаправленно изменять отдельные характеристики быстрорежущих инструментальных сталей. Механические характеристики основных марок быстрорежущих инструментальных сталей и их температура теплоустойчивости в соответствии со стандартом ГОСТ 19265-73 приведены в табл. 2.2.

В табл. 2.2 приведены основные физико-механические характеристики наиболее распространенных марок быстрорежущих сталей, которые необходимы для расчетов параметров режима резания при сверлении, обеспечивающих безопасное выполнение обработки отверстия и исключающих хрупкое разрушение режущего инструмента.

Для расчетов на прочность поперечного сечения сверла необходимо принимать наименьшее значение допустимого касательного напряжения инструментального материала τ_min, приведенное в табл. 2.2.

Таблица 2.2. Механические характеристики быстрорежущих

инструментальных сталей обычной производительности

Марка инструментальной стали	Твердость, HRC	Прочность на изгиб, σизг, МПа	Допустимое касательное напряжение, τ, МПа	Температура теплостойкости (HRC 58),0С
Р18	63-64	2600-3000	1500-1730	620
Р12	62-63	2600-3500	1500-2020	620
Р9	62-63	2800-3200	1615-1845	620
Р6М5	64-65	3200-3600	1845-2075	620
Р6М3	62-64	3200-3600	1845-2075	620
10Р6М5	64-65	2600-3000	1500-1730	625
11Р3М3Ф2Б	63-64	3400-3800	1960-2190	620

Проектирование современных технологических процессов механической обработки с использованием САМ-систем нуждается в определении сил и моментов, действующих в упругой технологической обрабатывающей системе, а также энергетических расходов на выполнение отдельной технологической операции. Поскольку такие силовые характеристики процесса резания в основном определяются параметрами срезаемого слоя припуска, возникает потребность в их расчете. Геометрические параметры срезаемого слоя припуска при сверлении, определяются из геометрических соотношений схемы, приведенной на рис.2.1. Диаметр D сверла измеряется по ленточкам сверла. Глубина H_с резания при сверлении в сплошном материале принимается равной половине диаметра сверла: H_с=D/2. Как видимо из схемы (рис.2.1), глубина резания состоит из двух частей:

,

где H_п, H_г – глубина резания на поперечной и главной режущих кромках соответственно.

Площадь сечения срезаемого одной главной режущей кромкой слоя припуска, определяется толщиной a_г и шириной b_г. Из геометрических соотношений схемы рис.2.1 легко получить:

, .

Рис.2.1. Геометрические параметры срезаемого слоя припуска

Для исследования особенностей силового взаимодействия сверла с обрабатываемым материалом, силу резания раскладывают на три составляющих в общепринятой системе координат OZ, OY, OX. Составляющие силы резания, действующие на режущие кромки сверла, представлены на рис.2.2 Общая составляющая силы резания, являющаяся проекцией всех сил на ось OX, может быть определена как сумма:

.

Поскольку направление оси OX совпадает с осью сверла, то эту составляющую силы резания называют осевой силой Р_о.

Сумма всех составляющих сил, которые проектируются на ось OY, теоретически должна равняться нулю, поскольку сверло имеет четное количество режущих кромок:

,

а составляющие сил, которые проектируются на ось OZ, создают крутящий момент относительно оси инструмента, который принято называть моментом сверления:

.

В соответствии с изложенным установлено, что в процессе резания на сверло действуют осевая сила Р_о и момент сверления М_св. Характеристики силового действия на сверло определяются воздействием всех факторов, которые в свою очередь зависят от режима резания, физико-механических характеристик обрабатываемого материала, физико-механических характеристик инструментального материала, геометрических параметров режущей части инструмента, характеристик смазочно-охлаждающей технологической среды.

Рис.2.2. Схема составляющих силы резания

Аналогично процессам токарной обработки для сверления и рассверливания приняты эмпирические зависимости в виде степенных математических моделей, отражающих воздействие параметров режима резания на осевую силу P_o и момент M_св сверления, а именно

,	(2.1)
,	(2.2)

где D – диаметр сверления (мм), H – глубина резания (мм), S – подача на оборот (мм/об), V – скорость резания (м/мин).

Зависимости (2.1), (2.2) применяются для обработки сверлением и рассверливанием. Неизвестные параметры модели, а именно показатели степени z_p, z_м; x_p, x_м; y_p, y_м; n_p, n_м и коэффициенты пропорциональности С_р и С_м для приемлемых стандартных условий процессов обработки устанавливаются по результатам экспериментальных исследований и их численные значения для сверления и рассверливания приводятся в справочной литературе [12].

Отличие конкретных условий обработки от тех, что были приняты при их определении, учитываются поправочными коэффициентами k_р и k_м, которые определяют влияние физико-механических характеристик обрабатываемого материала, формы затачивания режущей части сверла и состояние режущих кромок. В работе принято, что исследуются процессы сверления и рассверливание сверлами, которые имеют нормальную форму затачивания с подточкой поперечной кромки и двойной формы затачивания с подточкой поперечной кромки.

Структура приведенных формул (2.1) и (2.2) изменяется и зависит от вида осевой обработки, а именно сверления или рассверливания. Однако она несколько отличается от приведенной в [1,12,16] наличием зависимости от скорости резания и глубины сверления. Для моделирования процессов сверления и рассверливания в математической модели, которая положена в основу прикладной программы, воздействие скорости резания на момент сверления и осевую силу принимается в расчет показателем степени n_м= n_p=-0, 05.

Кроме того, при сверлении с увеличением длины отверстия ухудшаются условия вывода стружки, увеличивается сила трения сверла с обработанной поверхностью. Соответственно увеличивается осевая составляющая силы резания и крутящий момент сверления. Для отражения такого явления и с целью повышения адекватности в математической модели для P_o и M_св введен дополнительный коэффициент, который зависит от соотношения длины L сверления к диаметру:

,

(2.3)

где k₁ – коэффициент, принимаемый в границах 0,003 …0,005.

С учетом выше изложенного, для моделирования осевой силы и момента сверления при сверлении и рассверливании применяются следующие математические модели: для сверления:

,	(2.4)
,	(2.5)

для рассверливания:

,	(2.6)
.	(2.7)

Усложненные условия процесса резания, обусловленные особенностями отведения стружки и теплоты из зоны резания, действия достаточно больших составляющих силы резания, довольно часто приводят к хрупкому разрушению инструмента. Поэтому при моделировании процессов сверления и рассверливания необходимо предусмотреть проверку всех условий прочности стержня сверла, или хотя бы главного из них - по касательным напряжениям:

.

(2.8)

Касательные напряжения, возникающие в стержне сверла в процессе обработки, определяются по формуле:

,

(2.9)

где М_св - момент сверления (Нм), W-момент сопротивления поперечного сечения сверла (м³).

Момент сопротивления с учетом формы поперечного сечения сверла и диапазона размеров рассчитывается по формуле:

.

(2.10)

Принимая во внимание размерность в формуле (2.9), диаметр D сверла подставляется в м. Для сверл ØD≤10мм в формуле (2.10) необходимо принимать значения k=0,025, для ØD>10мм k=0,02. Допустимое значение касательных напряжений [] по характеристикам прочности инструментального материала приведено в табл. 2.2.

Обобщение практического опыта машиностроительного производства показывает, что рассверливание предварительно обработанных отверстий целесообразно применять для обработки отверстий в диапазоне диаметров 20-50мм. Соответственно, для обеспечения устойчивых условий процесса резания при рассверливании, необходимо предусмотреть глубину резания h_min5 мм. Таким образом, диаметр отверстия, подготовленного под операцию рассверливания, не должен превышать D_св-h_min.