СПИРАЛЬНОЕ СВЕРЛО

Полезная модель относится к обработке металлов резанием, в частности к спиральным сверлам, используемым при сверлении глубоких отверстий малого диаметра.
Известно спиральное сверло, для получения глубоких отверстий в трудно обрабатываемых материалах, задняя поверхность стружкоотводящей канавки которого переходит в ленточку, и угол наклона спирали выполнен плавно увеличивающимся в сторону хвостовика, а сердцевина сверла имеет утолщение к хвостовику (Авторское свидетельство СССР №795 748, МПК В23В 51/02 от 15.01.1981 г. «Спиральное сверло» Бюллетень №2).
Недостатком такого спирального сверла является сложная конструкция его рабочей части. Кроме того, утолщение сердцевины к хвостовику приводит к изменению параметров формы стружкоотводящих канавок в каждом сечении плоскости заточки, проходящем через точки расположенные вдоль оси сверла. В результате, после каждой переточки сверла, происходит значительное изменение конструктивных и геометрических параметров в каждой точке по длине главных режущих кромок, что в свою очередь приводит к изменению формы образованной стружки в процессе сверления. Такая конструкция спирального сверла не способна обеспечить беспрепятственный отвод стружек разнообразной формы при обработке глубоких отверстий малого диаметра.
Известно выбранное в качестве прототипа спиральное сверло, содержащее хвостовик и рабочую часть с двумя спиральными стружкоотводящими канавками, на рабочей части сверла от главных режущих кромок на длине равной запасу на переточки, сердцевина выполнена постоянной толщины, а далее - с утолщением (Полезная модель RU №107 717, МПК В23В 51/02 от 27.08.2011 г.)
o
Постоянство толщины сердцевины, на длине рабочей части, предусмотренной для переточек сверла, обеспечивает постоянство величин геометрических и конструктивных параметров формы стружкоотводящих канавок и на этом участке для любого поперечного сечения вдоль оси сверла все указанные параметры остаются неизмененными. Соответственно, в условиях централизованной заточки с применением приспособлений, после каждой переточки обеспечивается идентичность геометрических и конструктивных параметров на главных режущих кромках сверла. Это позволяет максимально сократить колебание периода стойкости сверла между переточками. Такие сверла в настоящее время широко применяются на металлообрабатывающих предприятиях, но при сверлении неглубоких отверстий, глубиной l<5D мм и диаметром D>3 мм и на этих операциях проблемы, практически не возникают, так как при сверлении отверстий, глубиной l>5D мм и диаметром D<3 мм и на этих операциях проблемы, практически не возникают, так как при сверлении отверстий диаметром больше 3 мм, в процессе сверления образуется стружки более устойчивой формы, которые из неглубокого отверстия легко удаляются и не успевают пакетироваться внутри отверстия. Однако, при увеличении глубины l>5D мм и уменьшении диаметра D<3 мм, выполнение операции сверления довольно усложняется. Это можно объяснять тем, что с уменьшением диаметра сверления уменьшается и величина рекомендуемой подачи S мм/об. Соответственно уменьшается толщина срезаемого слоя и в процессе сверления образуются стружки довольно малой толщины, очень мягкие и неустойчивой разнообразной формы, которые при транспортировке по спиральным стружкоотводящим канавкам из глубины l>5D мм, дополнительно деформируются, ломаются и до удаления из отверстия успевают пакетироваться внутри отверстий. В результате увеличивается крутящий момент на сверле и происходит его поломка.
Недостаток прототипа состоит в том, что по выше указанным обстоятельствам, при применении известных спиральных сверл на операциях сверление глубоких (l>5D мм) отверстий малого диаметра (D<3 мм) в условиях массового производства - не обеспечивается стабильность высокой производительности обработки, так как указанные операции не поддаются механизации и автоматизации, что вызвано массовыми поломками и совершенно низким периодом стойкости сверл при механической (машинной) подаче инструмента. Такие операции в целом технологическом процессе, особенно, на автоматических линиях для выпуска конкретной продукции часто являются «узкими» местами.
По этой причине - «Операции сверления исключаются из обработки на автоматических линиях, если глубина сверления l>5Dмм при диаметре D<3 мм, и выполняются на отдельном оборудовании с ручной подачей и частыми промежуточными выводами сверла из просверливаемых отверстий для удаления стружки». (Пуш В.Э., Пигерт Р., Сосонкин В.Л. Автоматические станочные системы. - М.: Машиностроение, 1982. - 319 с.).
Согласно указанных рекомендации на всех металлообрабатывающих предприятиях массового производства, операции сверления глубоких отверстий малого диаметра до настоящего времени выполняются на отдельном участке на установленных настольно - сверлильных станках - с ручной подачей и частыми промежуточными выводами сверла из просверливаемого отверстия. Частые выводы сверла необходимы для своевременного предотвращения пакетирование стружки внутри отверстия и тем самым предохранения сверла от поломки.
При ручной подаче и с частыми промежуточными выводами сверла из отверстия, по сравнению с механической подачей, процент поломок сверл значительно сокращается, но все же они происходят довольно часто. По официальным данным на всех металлообрабатывающих предприятиях в настоящее время, при обработке отверстий диаметром D<3 мм и глубиной l>5D мм спиральными сверлами с ручной подачей, поломки по причине пакетирования стружки в среднем достигают до 40%. Процент поломки растет, чем больше глубина и меньше диаметр обрабатываемого отверстия.
Кроме того, из-за частых поломок, полностью использовать заранее предусмотренный нормативный ресурс сверла и количество его переточек становиться невозможным и на практике фактический ресурс сверла не превышает три процента от нормативного. По этой причине значительно повышается расход сверл.
Несмотря на высокий процент поломок сверл, высокий процент отхода деталей в брак со сломанными сверлами в обрабатываемых отверстиях, повышенный расход инструмента и низкую производительность обработки при сверлении глубоких отверстий малого диаметра на настольно-сверлильных станках с ручной подачей инструмента, технические службы предприятий массового производства мирятся с этими обстоятельствами, так как такой метод обработки в настоящее время все же считается более точным, производительным и экономичным, чем другие современные методы обработки.
Как показывает практика на операциях сверления глубоких отверстий малого диаметра в условиях массового производства, основным фактором, повышающим производительность обработки, является снижение числа поломок сверл в каждой рабочей смене.
О большом стремлении повысить производительность обработки на операциях сверления глубоких отверстий малого диаметра, в условиях массового производства, свидетельствует имеющееся в настоящее время большое количество патентов и огромное количество рекомендаций и разработки по совершенствованию технологических систем применяемых на данных операциях. Однако, на практике, ощутимое улучшение в целом по повышению надежности процесса сверления и производительности обработки пока не наблюдается.
Например, с целью исключения поломок сверл при сверлении глубоких отверстий малого диаметра, в восьмидесятых годах были разработаны и изготовлены разные конструкции специальных станков с механической подачей и снабженные приборами с адаптивным управлением процессом. На шпинделях этих станков были установлены специальные датчики - контролирующие в процессе сверления величины осевого усилия и крутящего момента на сверле. В случае превышения величины крутящего момента или осевого усилия на сверле от допустимого значения, вызванного пакетированием стружки или от потери работоспособности сверла, по команде датчиков, шпиндель автоматически выводил сверла из просверливаемого отверстия для удаления стружки и сразу возвращался обратно для продолжения процесса сверления. На таких станках была достигнута полная ликвидация случаев поломки сверла. Каждый оператор мог работать одновременно на несколько станках. Однако, как показала практика, по причине частого пакетирование стружки, необходимо стало большое количество выводов, в результате чего время на обработку каждого отверстия увеличилось многократно по сравнению с ручной подачей сверла. Поэтому эти станки были сняты с участка и операции сверления начали выполнять по старому - на настольно сверлильных станках, с ручной подачей сверла.
Для определения действительных причин повышающих процент поломок сверл и поиска решения для его снижения, на участке цеха топливной аппаратуры «ЧТЗ УРАЛТРАК» в течение года проводилось подробное статистическое наблюдение над процессом сверления глубоких отверстий малого диаметра.
В цехе топливной аппаратуры в течение нескольких десятков лет в условиях массового производства, среди множества деталей с глубокими отверстиями малого диаметра, выпускаются корпуса распылителя разных модификации с тремя топливоподводящими отверстиями диаметром D=1,5 мм, и глубиной l=24,6 мм.
По технологическому процессу, обработка этих деталей, кроме глубоких отверстий выполняется на станках автоматах в поточной линии, а сверление топливоподводящих отверстий выполняют опытные операторы на настольно сверлильных станках, с ручной подачей спирального сверла и его частыми промежуточными выводами.
Так как новые сверла, заточенные на заводах изготовителях оказываются неработоспособными для данной операции даже в пределах одного отверстия, каждый рабочий оператор брал в руки несколько штук сверл, и интуитивно располагая рабочую часть каждого сверла относительно периферии заточного круга, затачивал сверло вручную для своего станка. Качество каждого заточенного сверла он оценивал пробным способом, только после сверления, для чего каждое заточенное сверло поочередно устанавливал на станке и сверлил все три отверстия, после чего с помощью контрольных приборов на всех трех отверстиях проверял заданные параметры. Если этим сверлом обеспечивались требование чертежа, сверло не сломалось и сохраняло работоспособность, то продолжал этим сверлом работать.
Очевидно, что сверла, заточенные вручную по критериям периода стойкости, работоспособности и обеспечения заданной точности обработанной отверстий резко отличались друг от друга. Сверла часто ломались, иногда на первой же детали, или теряли работоспособность, или не обеспечивали точность по заданным параметрам просверленных отверстий. Тогда оператор менял сверло.
После каждой замены сверла, как обычно, оператору приходилось произвести следующие промежуточные приемы: а) проверка по обеспечению точности заданных параметров просверленного отверстия с помощью контрольных приборов, б) подналадка станка, т.е. корректировка глубины сверления и увода оси отверстия,
Замена сверл в течение рабочей смены оператору происходила в среднем от одного до 120 раз, в зависимости от «удачи» заточки.
Колебание периода стойкости сверл между переточками, (выраженной суммарной глубиной просверленных отверстий) составлял от 10 мм до 30 000 мм. Верхний предел был редким случаем, но бывало, что оператор один раз заточенным сверлом работал целую рабочую смену, а иногда и больше. Такие случаи бывали при случайной, но «удачной» заточке сверла и во время сверления этими сверлами образованные стружки приобретали форму прямой или слабозавитой ленты, с шагом близким к шагу спирали стружкоотводящих канавок, которые беспрепятственно и беспрерывно поднимались по стружкоотводящим канавкам на поверхность обрабатываемой заготовки.
Необходимые проверки по обеспечению точности заданных параметров просверленных отверстий после каждой замены сверла, по причине их поломок, неудовлетворительной работоспособности, низкого периода стойкости или неточности заточки, отрицательно сказываются на производительности обработки и ее стабильности, так как перечисленные приемы значительно увеличивают вспомогательное время. Суммарная величина этого времени нестабильная, зависит от работоспособности сверла и числа его поломок в каждой рабочей смене и колеблется в широких пределах как в течение одной смены, так и в разные рабочие дни. Следовательно, производительность обработки на операциях сверления глубоких отверстии малого диаметра была низка и нестабильна.
Сменная выработка каждого оператора в течение месяца менялся от 150 до 350 шт. деталей и зависела тоже от «удачной» заточки. Поэтому, заранее планировать сменную выработку рабочего оператора не представлялось возможным, что неприемлемо для массового производства.
В период наблюдения над процессами сверления, на участке были проведены некоторые исследовательские работы, в том числе:
а) Проводилось вскрытие довольно большего количества отверстий в тех деталях, в которых во время сверления сломанное сверло оставалось в глубине просверливаемого в отверстия. Вскрытия показали, что во всех деталях, поломки сверл происходили после обработки отверстий, глубиной больше 15 мм (т.е. l>10Dмм). Поломанные сверла были врезаны (упирались) в металл. Пространство между поверхностями обработанного отверстия и стружкоотводящими канавками, на длине 3…5 мм от главных режущих кромок, в результате пакетирования было плотно заполнено стружечными обломками. Это подсказывает, что от пакетирования стружки в стружкоотводящих канавках, происходило резкое увеличение крутящего момента на сверле и его поломка. А высокий процент поломок сверл при его ручной подаче и частыми выводами из отверстия можно объяснить тем, что иногда стружка в стружкоотводящих канавках пакетировалась моментально, сразу при соприкосновении сверла с обрабатываемым металлом, а операторы для удаления стружки не всегда успевали своевременно вывести сверла и происходили поломки.
б) Сведения подтверждающие возможность получения при осуществлении полезной модели технического результата. Сверла, заточенные предлагаемым образом, обрабатывали отверстия суммарной глубиной 18 000 --- 28 000 мм, и при этом обработка каждого отверстия производилась с минимальным (5 --- 6) числом выводов сверла, а производительность обработки достигала 350 --- 400 штук деталей в смену. На этих сверлах, на месте пересечении задней поверхности перьев со спинкой были обнаружены следы трения, возникшие в процессе сверления. А куски стружек, длиной 50 --- 70 мм, которые по стружкоотводящим канавкам беспрепятственно и беспрерывно вылетали на поверхность обрабатываемой заготовки, были не завитые, а прямые и жесткие. Передние поверхности (со стороны обработки) этих стружек были очень гладкие и блестящие. Все это говорило о том, что со стороны обработки происходило выглаживание поверхностей срезаемых слоев. Однако этот вопрос остается «загадочным» - откуда все это? Главные режущие кромки сверла на его перьях расположены впереди от места пересечения задней поверхности перьев со спинкой.
Выглаживание поверхностей срезаемых слоев напомнило о том, что известен метод обработки с опережающим пластическим деформированием срезаемого слоя металла, который был опробован для чистовой обработки заготовок на токарных станках. В результате такой обработки период стойкости проходных резцов увеличились в десятки раз и больше. Однако широкое применение такого метода обработки ограничивается в основном неудобством в работе, так как для обработки каждого конкретного размера, для осуществления опережающего пластического деформирования срезаемого слоя металла, требуется перед резцом установить специальное (сложное) устройство, изготовленное конкретно для заданного размера.
Таким образом, в результате анализа проведенных работ стало очевидно, что для значительного повышения производительности обработки на операциях сверления глубоких отверстий малого диаметра необходимо:
а) создание такого технического решения, которое в процессе сверления надежно обеспечивает предотвращение пакетирования стружек в стружкоотводящих канавках сверла.
б) техническое решение для создания специального заточного станка и приспособления, обеспечивающие идентичность геометрических параметров на рабочей части сверла между заточками.
Актуальность и необходимость технического решения данной проблемы совершенно очевидна.
Практика показывает, что основным фактором, определяющим уровень производительности обработки и ее стабильности на операциях сверления глубоких отверстий малого диаметра в условиях массового производства, является уровень величины процента поломок сверл в каждой рабочей смене, что в свою очередь зависит от формы стружки образованной в процессе сверления.
Задачей, которую решает предлагаемая полезная модель, является повышение и обеспечение стабильной производительности обработки на операциях сверления глубоких отверстий малого диаметра в условиях массового производства.
Решение поставленной задачи заключается в совмещении процесса поверхностного упрочнения срезаемого слоя металла с процессом его срезания и превращения в стружку, что способствует в процессе сверления образованию жесткой прямой и свободно удаляемой из зоны обработки стружки, с максимальным исключением ее пакетирования в стружкоотводящих канавках.
o
o
Для решения поставленной задачи в спиральном сверле, содержащем хвостовик и рабочую часть с двумя спиральными стружкоотводящими канавками и сердцевиной, на рабочей части которой от главных режущих кромок на длине, равной запасу на переточки, сердцевина выполнена постоянной толщины, а далее с утолщением, авторы предлагают на задней поверхности перьев сверла, за главными режущими кромками на расстояние (πD'/2 - L) мм выполнить два упрочняющих элемента, каждый из них располагается от поперечной режущей кромки до пересечения задней поверхности со спинкой и примыкает к поверхности стружкоотводящей канавки, а их вершины от вершин главных режущих кромок на диаметре спинки - D' вдоль оси сверла удалены на расстояние h=L S n / 2000 V - (0,1…0,2) S мм.
При использовании спирального сверла такой конструкции, становится возможным сверление отверстий осуществлять одновременно с двумя методами обработки, из которых сначала упрочняющие элементы совершают поверхностное упрочнение срезаемого слоя, а следом главные режущие кромки срезают поверхностно упрочненный срезаемый слой металла и превращают его в стружку. В результате поверхностного упрочнения срезаемого слоя металла со стороны обработки образуется наклеп, который в процессе стружкообразования препятствует завиванию стружки. Стружка выпрямляется полностью, становится жесткой и приобретает форму непрерывной слабозавитой ленты с шагом, близким к шагу спирали стружкоотводящих канавок сверла, чем обеспечивается ее беспрепятственный и беспрерывный вывод из всей глубины просверливаемой отверстий. Именно это способствует максимальному исключению пакетирования стружки в стружкоотводящих канавках и тем самым значительному сокращению процента поломок сверл в каждой рабочей смене.
При проведении поиска по патентной и научно-технической литературе не было обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
Промышленная применяемость полезной модели видна из описания конструкции спирального сверла.
Техническое решение предлагаемой полезной модели поясняется прилагаемыми к нему графическими материалами:
На фиг. 1 - предлагаемое спиральное сверло, на задней поверхности перьев которого выполнены упрочняющие элементы;
На фиг. 2 - режущая часть предлагаемого спирального сверла;
На фиг. 3 - предлагаемое спиральное сверло в процессе работы;
На фиг. 4 - отрезок развертки цилиндрического сечения, проходящего через сверло и металл, иллюстрирующий образование стружки в процессе сверления на примере 2 оборотов предлагаемого сверла, при его перемещении по винтовой поверхности резания.
На фигурах сквозной нумерацией обозначено:
1 - хвостовик сверла;
2 - рабочая часть сверла;
3 и 4 - стружкоотводящие канавки сверла;
5 - сердцевина сверла;
6 и 7 - главные режущие кромки рабочей части сверла;
8 - ось симметрии сверла;
9 и 10 - перья сверла;
11 и 12 - упрочняющие элементы на задней поверхности перьев сверла;
13 - поперечная режущая кромка сверла;
14 и 15 - спинки сверла на его рабочей части;
16 - обрабатываемая заготовка;
17 и 18 - непрерывная лентообразная прямая стружка с наклепанным слоем;
19 и 20 - упрочненные поверхности срезаемых слоев, образованные упрочняющими элементами сверла;
ос.
Р- осевое усилие, действующее на сверло;
V - главное движение резания;
n - частота вращение сверла;
D - диаметр цилиндрического сечения отверстий;
o
S/2 - толщина срезаемого слоя;
Спиральное сверло (фиг. 1) содержит хвостовик 1, рабочую часть 2 с двумя стружкоотводящими канавками 3 и 4 и сердцевиной 5. На рабочей части 2 конструктивные параметры профилей поперечных сечений спиральных стружкоотводящих канавок 3 и 4 и сердцевины 5 от главных режущих кромок 6 и 7 вдоль оси 8 сверла на длине К, равной запасу на переточки - выполнены постоянной величиной, а далее по направлению к хвостовику 1 имеют различные величины, причем сердцевина 5 увеличивающаяся, а стружкоотводящие канавки 3 и 4 уменьшающиеся.
На задней поверхности перьев 9 и 10 (фиг. 1 и фиг. 2) за главными режущими кромками 6 и 7 на расстояние (πD'/2 - L) мм выполнены упрочняющие элементы 11 и 12, которые расположены от поперечной режущей кромки 13 до пересечения задних поверхностей 9 и 10 со спинками 14 и 15 и примыкают к поверхностям стружкоотводящих канавок 16 и 17. Кромка задней поверхности пера на диаметре D' спинки сверла удалены от главных режущих кромок 6 и 7 вдоль оси 8 сверла на величину
o
o
h=L S n/2000 V - (0,1…0,2) S мм,
где L - расстояние главной режущей кромки до кромки задней поверхности пера по дуге окружности с диаметром спинки сверла, мм;
o
S - подача на один оборот сверла, мм/об;
n - частота вращения сверла, об/мин;
V - скорость резания на диаметре спинки сверла, м/мин.
Упрочняющие элементы, расположенные на задних поверхностях перьев спирального сверла образуются совместно с главными режущими кромками при их заточке по периферии заточного круга, относительно которого сверло с определенной ориентацией зафиксировано в заточном приспособлении.
Таким образом, предлагаемая конструкция спирального сверла обеспечивает предотвращение пакетирования стружек в процессе сверления, что способствует значительному снижению процента поломок сверл в каждой рабочей смене, а это значительно повышает производительность обработки при сверлении глубоких отверстий малого диаметра.