4.5. 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. 4.11, а), равным глубине отверстия. В этом случае для освобождения сверла от стружки в процессе сверления применяется ав­томатический ввод-вывод инструмента из отверстия.

Рис. 4.11. Спиральные сверла для глубокого сверления: а - четырехленточное с длинным хвостовиком; б - шнековое; в - с внутренним напорным охлаждением

С целью уменьшения увода оси отверстий у таких сверл рекоменду­ется вышлифовывать на спинках четыре ленточки и увеличивать на­сколько возможно диаметр сердцевины (рис. 4.11, 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. 4.11, 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 d_o= (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. 4.11, в). Их недостатки – 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 впереди идущими режущими кромками. При этом засверливание должно производиться по кондукторной втулке или по предварительно подготовленному в заготов­ке отверстию глубиной (0,5... 1.0)d.

Исторически первой и наиболее простой конструкцией сверла глу­бокого сверления являются пушечные сверла, название которых говорит об области их первоначального назначения. Такое сверло (рис. 4.12, 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 а. 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, так как 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 сверло склонно к вибрациям, поэтому работа ведется с малыми подачами. Такие сверла в настоящее время приме­няются редко, только в условиях единичного и мелкосерийного производств.

Ружейные сверла (рис. 4.12, 6) 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...30мм. 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).

Рис. 4.12. Сверла для сверления глубоких отверстий:

а-пушечное (d = 3...36мм); б-ружейное (d= 1...30 мм)

Типовая конструкция ружейного сверла состоит из режущего твер­досплавного наконечника 1 (рис. 4.12, б) с отверстием для подвода СОЖ, трубчатого стебля 2 из стали типа ЗОХМА 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. 4.12, 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 0,06...0,10 мм на 100 мм длины. На вспомогательной режущей кромке оставляется цилиндрическая ленточка шириной f =0,1...0,5 мм.

При заточке ружейного сверла (рис. 4.12, б) необходимо контроли­ровать размер т, который, во избежание врезания торцов, 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 больше, 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...0,02 мм. 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. 4.13, а) твердосплавные режущие и на­правляющие пластины напаиваются непосредственно на трубчатый сте­бель, а при больших диаметрах - на головки (рис. 4.13, б...д), навинчи­ваемые на стебель.

Головки изготавливают различными по конструктивному исполне­нию: однокромочными (рис. 4.13, б, в), многокромочными (рис. 4.13, г, д), перетачиваемыми, неперетачиваемыми, с напайными или сменными (d > 20 мм) 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 торцовое 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.

* Обозначаются по названию международной ассоциации «Bohring and Tre­panning Association» (BTA).

Рис. 4. 153. Сверлильные головки БТА:

а - однокромочное сверло с напайной Т-образной твердосплавной пластиной (d = 6... 18 мм); б - однокромочная напайная головка (d = 18.. .30 мм);

в - однокромочная головка с механическим креплением режущих и

направляющих пластин (d = 18... 65 мм); г - многокромочная напайная головкаБТА (d = 18... 65 мм); д - многокромочная головка с механическим креплением режущих и направляющих пластин (d > 65 мм)

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.

Головки с механическим креплением твердосплавных пластин име­ют преимущества по сравнению с напайными, а именно: отсутствие за­точки и 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. 4.13, 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.

Рис. 4.14. Схема работы эжекторного сверла:

1 - режущая головка; 2 - кондукторная втулка; 3 - цанга; 4 - зажимной патрон; 5 - сопла эжектора; 6 - тонкостенная труба; 7 - стебель; 8 - заготовка

Режущие головки эжекторных сверл по конструкции подобны го­ловкам БТА (рис. 4.14). 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, a 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. 4.17, 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.

Рис. 4.15. Кольцевые сверла: а - с механическим креплением режущих и направляющих пластин; б - для неглубоких отверстий, оснащенные СМП; в - оснащенные СМП головки одностороннего резания с внутренним отводом стружки для сверления глубоких отверстий

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. 4.15, б), так и глу­боких (рис. 4.15, в) отверстий. В последнем случае для уменьшения увода оси отверстия используется принцип одностороннего резания. При свер­лении неглубоких отверстий диаметром 60...ПО 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.