Ступенчатое сверло для обработки отверстий в смешанных пакетах, содержащих металлы и полимерные композиционные материалы

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к спиральным сверлам, и может быть использована для сверления точных отверстий в труднообрабатываемых металлах, а также в пакетах из металлов и полимерных композиционных материалов (ПКМ), таких как углепластики и стеклопластики. Настоящее сверло пригодно для обработки пакетов сложного состава, таких как «титановый сплав – ПКМ – титановый сплав - алюминиевый сплав», «титановый сплав – ПКМ – алюминиевый сплав» и др.
Известно «Ступенчатое сверло» (SU № 844160, МПК B23B51/02, опубликовано 07.07.1981). Оно предназначено для обработки точных отверстий в металлах. Ступенчатое сверло состоит из двух соосных сверл, образующих две ступени. Спинка сверла у ступени меньшего диаметра выполнена незатылованной и представляет собой цилиндрическую поверхность. Его диаметр и длина определяются следующими соотношениями
где d – диаметр меньшей ступени, мм;
D – диаметр большей ступени, мм;
l – длина меньшей ступени, мм.
Недостатком данного сверла является то, что первая ступень имеет слишком маленький диаметр, следовательно существует ограничение использования внутренних каналов под СОЖ. Тем самым использование сверла для обработки глубоких отверстий сопряженно с ухудшением качества.
Известно «Сверло для обработки отверстий в смешанных пакетах, содержащих металлы и полимерные композиционные материалы (RU №149613 U1, МПК В23В51/02, опубликовано 10.01.2015)». Это спиральное сверло имеет спиральные направляющие ленточки, и режущие кромки, расположенные на поверхности вращения, ось которой совпадает с осью сверла, имеющие в проекции на осевую плоскость сверла, форму параболы, в проекции на плоскость, перпендикулярную оси сверла, форму спирали, отличающееся тем, что режущие кромки, выполненные в форме параболы, в проекции на осевую плоскость сверла, сопрягаются с кромками направляющих ленточек под углом от 7° до 20° включительно.
Недостатком данного типа сверл является протяженность режущей кромки. По мере выхода сверла из отверстия осевая сила резания снижается и меняет свой знак. Сверло как по спирали ввинчивается в отверстие, стремится срезать слишком большой припуск и ломается. Всему виной небольшая податливость ходового винта шпинделя СМАП в осевом направлении. Такая конструктивная особенность СМАП делает невозможным использование подобного вида сверл.
Известно «Сверло для сверления полимерных композиционных материалов» наиболее близкое по технической сущности и достигаемому результату к настоящей полезной модели и принятое за прототип (SU № 1238905, МПК B23B51/02, опубликовано 23.06.1986). Оно предназначено для обработки ПКМ. Сверло имеет режущую часть, состоящую из центрального сверла с главными режущими кромками и вспомогательные режущие кромки на периферии, поперечную режущую кромку, цилиндрические ленточки. Вершина вспомогательных режущих кромок на периферии расположена ниже точки сопряжения этих режущих кромок с цилиндрическими ленточками центрального сверла, что позволяет одновременно сверлить и рассверливать с хорошей подрезкой периферийных участков полимерного композиционного материала.
Недостатком данного сверла является ограничение его использования только при сверлении ПКМ, не подходит для сверления смешанных пакетов, в состав которых входят металлы. Повышенные значения шероховатости поверхности отверстий и склонность к вибрациям при использовании в портативных сверлильных машинах. При увеличении износа появление вырывов на поверхности отверстия из ПКМ.
Техническим результатом является повышение производительности и качества обработки отверстий в деталях содержащих ПКМ в составе пакетов из разнородных материалов.
Технический результат достигается тем, что заявленная полезная модель имеет хвостовик и ступенчатую режущую часть с двумя главными на ступени меньшего диаметра и вспомогательными криволинейными режущими кромками на ступени большего диаметра, поперечную режущую кромку и цилиндрические ленточки, при этом, с целью повышения производительности и улучшения качества обработки, главные режущие кромки выполнены с углом в плане 130-150°, а вспомогательные режущие кромки 150-170°, а вершина вспомогательной режущей кромки смещена вдоль оси к хвостовику от точки пересечения главной режущей кромки и цилиндрической ленточки на величину Δ и расположена с опережением вдоль оси относительно точки пересечения вспомогательной режущей кромки и цилиндрической ленточки, причем соотношения между диаметрами ступенчатой режущей части определяется из выражения
,
где D – диаметр большей ступени, мм;
d – диаметр меньшей ступени, мм;
Δ – величина смещения, мм.
За счет того, что сверло имеет ступенчатую режущую часть, при обработке отверстия температура на вспомогательных режущих кромках соответствует 35-65% от максимальной температуры в зоне резания, что снижает риски деструкции полимерной матрицы и влияние усадки металлов на точность отверстий в смешанных пакетах.
При больших скоростях резания сверло должно способно эффективно удалять большое количество стружки, иначе появляется опасность разрушения сверла из-за забивания его стружкой. Эта проблема решается за счет ступенчатой режущей части, которая при обработке отверстий делит стружку на мелкие части.
Особенность геометрии заключается в том, что отношение переднего угла первой ступени к переднему углу второй ступени определяется из выражения
.
Сверло имеет обратную конусность 0,050 мм на длине 100 мм. Эта конусность прерывается на расстоянии 20 мм от вершины сверла специальной ступенькой. Ступенька имеет протяженность 20 мм, после неё сверло продолжается с обратной конусностью (0,050 мм на длине 100 мм) до хвостовика.
Основным отличием данного сверла от прототипа является то, что оно предназначено для обработки смешанных пакетов, состоящих из разных комбинаций металлических сплавов и ПКМ. Также вспомогательные режущие кромки 2 на периферии, выполнены с углом в плане, равным 150-170°. При меньших углах в плане ухудшается подрезка полимерного композиционного материала, а при больших углах в плане повышается интенсивность износа вспомогательных режущих кромок и уменьшается стойкость сверла.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии настоящей полезной модели критерию «новизна».
Предлагаемая полезная модель иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 приведен общий вид сверла, на фиг. 2а и 2б показан вид со стороны главных режущих кромок.
Сверло состоит из хвостовика 1 и рабочей части 2. Рабочая часть включает в себя режущую часть 3, которая с двумя главными на ступени меньшего диаметра 4 и вспомогательными криволинейными режущими кромками на ступени большего диаметра 5, две вспомогательные режущие кромки 6 и одну поперечную режущую кромку 7. Вспомогательные режущие кромки 5 имеют в проекции на плоскость, перпендикулярную оси сверла, форму спирали и сопрягаются с винтовой поверхностью направляющих ленточек 8 под углом от 7° до 20° включительно.
Сверло работает следующим образом. Хвостовик 1 закрепляется в патроне или непосредственно в шпинделе  сверлильного оборудования. Сверлу сообщается  вращение, при этом подача осуществляется вручную или автоматически. Режущие кромки сверла 4, 5, 6, 7 срезают обрабатываемый материал. Образующаяся стружка двигается по винтовым канавкам 9 в направлении противоположном направлению сверлении. После окончания сверления сверло выводится из отверстия.
Заявляемая полезная модель сверла позволяет одним инструментом выполнять обработку точных отверстий (9-10 квалитета точности) за один проход в пакетах сложного состава, таких как «титановый сплав – ПКМ – титановый сплав», «титановый сплав – ПКМ – алюминиевый сплав» и др.