Рассмотрим главные углы сверла

Рис. 4 Геометрические параметры спирального сверла

 - передний угол, измеряется в главной секущей плоскости и является переменной величиной по длине режущей кромки. Передний угол – угол, заключенный между касательной к передней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и плоскостью резания. В отличие от резцов передний угол на чертежах сверл не проставляют, так как форму и положение передней поверхности определяют шаг и угол наклона винтовой канавки. На рис.5 показана развертка винтовой линии на плоскость. Передний угол в плоскости параллельной оси сверла _ох равен углу наклона винтовой линии _х.

Рис.5 Развёртка винтовых линий канавки сверла на плоскость

Из рис.5 следует:

,

где Н – шаг винтовой линии.

Шаг винтовой линии является величиной постоянной и независящей от диаметра сверла и равен:

.

Отсюда следует:

Из полученной зависимости видно, что для спиральных сверл с увеличением его диаметра ( или по длине режущей кромки ) угол ₀ возрастет. Передний угол в главной секущей плоскости определяется как

и так же будет увеличиваться к периферии сверла.

 - главный задний угол измеряется в главной секущей плоскости, но при существующих средствах его измерения и контроля он задается в плоскости параллельной оси сверла. Главный задний угол α_о - это угол между касательной к задней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и касательной к окружности, возникающей при вращении данной точки вокруг оси сверла. Для определения главного угла  в главной секущей плоскости делают перерасчет по формуле:

.

Главный задний угол образуется путем заточки сверла по задней поверхности. Угол  специально уменьшают к периферии (путем заточки сверла) для обеспечения равнопрочного режущего клина (=сonst) по всей длине режущей кромки.

Геометрия резца на поперечной кромке. Для этого рассечем поперечную кромку плоскостью P_N – P_N (рис.6), перпендикулярную к ней.

Рис.6 Геометрия сверла на поперечной кромки

Как видно из рис.6, передний угол на поперечной кромке является отрицательным, поэтому поперечная кромка не режет, а сминает металл.

Элементы режима резания и геометрия срезаемого слоя при сверлении представлены на рис.7.

1. Скорость главного движения:

м/мин;

2. Глубина резания: t=D/2 (мм);

3. Подача на оборот: S₀, (мм/об); на каждую режущую кромку приходится величина, равная So/2;

4. Минутная подача, скорость движения подачи:

V_s=S_мин=S₀ n (мм/мин);

2. Основное технологическое время:

T₀=L/V_s= (мин).

Рис.7 Элементы режима резания и геометрии срезаемого слоя

Геометрия срезаемого слоя:

1. Толщина срезаемого слоя:

;

2. Ширина срезаемого слоя:

;

3. Площадь срезаемого слоя:

На поперечной кромке толщина и ширина “срезаемого слоя” (сминаемого слоя) будут соответственно равны:

и

где d_c – диаметр сердцевины или длина поперечной кромки.

Рассмотрим осевую силу, крутящий момент и мощность при сверлении

Рис.8 Схема сил, действующих на сверло в процессе резания

В процессе резания на сверло действует осевая сила P₀, которая складывается из следующих составляющих (рис.8):

где P_x – силы сопротивления на главной режущей кромке;

P_п – силы сопротивления на поперечной кромке;

P_тр – силы трения, действующие на вспомогательной режущей кромке.

Наибольшая часть осевой силы приходится на поперечную кромку (Р_п=57%), на режущую кромку несколько меньше (Р_х=40%) и наименьшая – на вспомогательную кромку (Р_тр=3%).

Осевая сила противодействует движению подачи. По ней рассчитывают на прочность детали механизма подачи станка. При больших вылетах осевая сила вызывает продольный изгиб сверла.

Осевую силу можно рассчитать по формуле:

C_P – коэффициент, зависящий от свойств инструментального и обрабатываемого материалов и условий резания;

x_р , y_р – показатели степени влияния соответственно диаметра и подачи на осевую силу.

k_P – коэффициент на измененные условия резания.

Более точно осевую силу можно определить, исходя из формул для токарной обработки. Принимая во внимание соотношение сил P_X и P_П и пренебрегая силой P_ТР из-за ее малой величины, можно записать:

P₀=2,5 Рx.

Подставляя в данное выражение формулу для расчета составляющей силы Р_х при токарной обработке, получим

.

Учитывая выражения для определения толщины и ширины срезаемого слоя при сверлении и угол в плане , окончательно получим:

Значения коэффициента Ср, показателей степени x, y и коэффициента Кр берутся из таблиц для токарной обработки ( аналогично и для других формул, которые будут рассматриваться далее).

Крутящий момент при сверлении будет образовываться следующими силами (рис.9):

Рис.9 Схема сил, образующих крутящий момент при сверлении

М=М_Pz+M_Pzп+М_Pzтр,

где М_Рz – момент от сил Р_z, действующих на главных режущих кромках;

М_Рzп – момент от сил Р_zп, действующих на поперечной кромке;

М_Рzтр – момент от сил трения, действующих на вспомогательных режущих кромках.

Большая часть крутящего момента приходится на главные режущие кромки (М_Рz составляет 80%). На долю момента от сил трения приходится 12% и наименьший вклад в крутящий момент вносят силы Р_zп (доля М_Рzп составляет 8%).

Эмпирическая формула для определения крутящего момента имеет вид:

,

где С_м, х_м, y_м и k_м – коэффициенты и показатели степени аналогичные как в формуле для определения осевой силы Р_о.

Определим крутящий момент исходя из формул для токарной обработки.

Учитывая соотношение моментов от сил резания, можно записать:

М=1,25 М_Pz=1,25 P_z (D/2).

Подставляя в данное выражение формулу для расчета силы Р_z и толщины и ширины срезаемого слоя, получим:

По крутящему моменту рассчитывают на прочность и жесткость шпиндель и детали механизмов привода главного движения станка.

Силы Р_у, действующие на обоих главных режущих кромках сверла (рис.10) и направленные на встречу друг другу, теоретически должны уравновешиваться. Однако, вследствие неточности заточки сверла (неодинаковой величине углов и длин главных режущих кромок) силы Р_у не равны. Неравенство данных сил приводит к “разбиванию” отверстия (увеличению диаметра отверстия по сравнению с диаметром сверла). “Разбивание” отверстия вызывает другую погрешность – увод оси сверла от геометрической оси отверстия.

В лияние различных факторов на осевую силу и крутящий момент при сверлении

Увеличение подачи и диаметра сверла ведет к росту площади срезаемого слоя и объёму снимаемого материала, что вызывает повышение осевой силы и крутящего момента.

Большее влияние на величины Po и Mкр оказывает диаметр, чем подача, т.к. диаметр при сверлении определяет глубину резания (t=D/2). При этом если подача примерно одинаково влияет как на осевую силу, так и на крутящий момент, то диаметр больше влияет на величину Mкр, чем на Po. Это объясняется тем, что при увеличении диаметра D увеличивается не только сила Pz, но и плечо, на котором действует данная сила.

Влияние угла геометрии сверла на осевую силу и крутящий момент представлено на рис.12. С увеличением угла наклона винтовой линии ω передний угол γ также возрастает. Повышение угла γ облегчает процесс резания, способствует снижению сил резания. Следовательно и осевая сила и крутящий момент будут уменьшаться (рис.12,а).

Увеличение двойного угла в плане 2φ приводит к росту силы Рх, направленной вдоль оси сверла, и к снижению силы Рz. Следовательно с ростом угла 2φ осевая сила будет возрастать, а крутящий момент – снижаться (рис.12,б).

При увеличении длины поперечной кромки lп(dс) возрастает площадь смятия материала и растет составляющая Рп (рис.13), увеличивается также плечо, на котором действуют силы Рzп. Следовательно с ростом длины поперечной кромки возрастает как осевая сила, так и крутящий момент (рис.13,а).

Длина поперечной кромки оказывает большее влияние на величину силы Ро, т.к. доля сил, действующих на поперечной кромке, в общей силе Ро составляет 57%, а доля крутящего момента о т этих сил в общем Мкр всего 8%.

При увеличении длины отверстия lотв возрастают силы трения (силы Ртр и Рzтр – рис.13,б). Следовательно с ростом длины отверстия осевая сила и крутящий момент увеличиваются (рис.13,б). Большее влияние величина lотв оказывает на крутящий момент Мкр, чем на силу Ро, т.к. доля момента от сил Рzтр составляет в общей величине М_Pzтр 7-12%, а доля сил Ртр в осевой силе всего 3%.

Мощность при сверлении складывается из двух составляющих – мощности затрачиваемой на вращение и на подачу (перемещение сверла):

Учитывая, что второе слагаемое существенно меньше первого, окончательно имеем:

(кВт),

где М измеряется в , n – об/мин.

Допускаемая скорость резания при сверлении определяется по формуле:

где m – показатель относительной стойкости; C_V, x_V, y_V и К_V коэффициенты и показатели степени по аналогии с предыдущими эмпирическими зависимостями.

Влияние различных факторов на допускаемую скорость резания при сверлении.

С увеличением диаметра сверла, несмотря на рост сил резания, повышается теплоотвод из зоны резания в тело инструмента, и допускаемая скорость резания возрастает (рис.14, а). Рост подачи снижает допускаемую скорость из-за увеличения температуры резания (рис. 14, б).

Повышение глубины просверливаемого отверстия также снижает допускаемую скорость резания из-за ухудшения тепловой напряженности в зоне резания.

Допускаемая скорость резания может быть повышена за счет применения различных форм заточки сверла.

Двойная заточка сверла (рис.15) заключается в том, что сверло дополнительно затачивается под двойным углом в плане при вершине 2φ_о, равным 70^о – 80^о. Повышение допускаемой скорости резания при двойной заточке обеспечивается за счет: увеличения теплоотвода в тело сверла из-за роста длины режущих кромок; снижения тепловой нагрузки на уголок сверла из-за уменьшения толщины срезаемого слоя а₂ на длине режущей кромки, примыкающей к уголку; снижения тепловой напряженности уголка сверла из-за повышения его массивности.

Подточка перемычки (рис.16) заключается в уменьшении длины поперечной кромки (lп). Уменьшение длины поперечной кромки ведет к снижению осевой силы и крутящего момента при резании, что позволяет повысить допускаемую скорость резания.

Подточка ленточки заключается в образовании заднего угла на некоторой ее части (рис.16). Такая заточка снижает трение на ленточках сверла и допускаемую скорость V_доп можно увеличить.