ГОЛОВКА ДЛЯ ГЛУБОКОГО СВЕРЛЕНИЯ И СПОСОБ ГЛУБОКОГО СВЕРЛЕНИЯ ИЗГОТАВЛИВАЕМОГО ИЗДЕЛИЯ
HEAD FOR DEEP DRILLING AND METHOD OF DEEP DRILLING

Настоящее изобретение относится к усовершенствованной головке глубокого сверления и способу глубокого сверления для сверления изготавливаемой детали, а точнее детали, изготавливаемой из титана.
Глубокое сверление отличается от неглубокого сверления и от пробивания отношением L/D между длиной L и диаметром D выполняемого отверстия. Так, под глубоким сверлением в настоящей заявке понимается техника сверления, позволяющая выполнять отверстия с отношением L/D, большим или равным 10. При таком отношении L/D, в частности, необходимо удалять стружку, образующуюся в изготавливаемом изделии процессе сверления.
С одной стороны, следует отметить, что изобретение, прежде всего, относится к сверлению отверстий большого диаметра, как правило, более 40 мм, и преимущественно превышающего или равного 65 мм.
Известно применение сверл глубокого сверления для сверления легированной стали, в частности, таких марок легированной стали, как 300М и 434М. Такие сверла представляют собой вращающийся приводной стержень, на переднем конце которого установлена головка для глубокого сверления, которая имеет корпус, как минимум, передняя сторона которого представляет собой режущий инструмент, за которым располагается паз, выходящий во внутренний канал вышеуказанного корпуса; этот канал обеспечивает удаление в заднем направлении стружки, которая может образовываться во время сверления.
Для облегчения удаления стружки, ограничения нагрева и снижения трения между головкой для сверления и дном выполненного отверстия применяется смазочно-охлаждающая жидкость, как правило, исключительно масло или 10-15% раствор масла.
Общая форма передней и задней части головки для сверления является симметричной для обеспечения вращения относительно центральной оси, вокруг которой вращается головка и сверло.
Задняя часть головки для сверления и приводного стержня представляет собой полые цилиндры, при этом диаметр приводного стержня не превышает диаметр задней части головки для сверления. Кроме этого, задний диаметр имеет размер меньше, чем максимальный диаметр передней части головки для сверления и выбирается таким образом, чтобы во время сверления формировалось круглое пространство между задней частью головки для сверления, приводным стержнем и стенками выполняемого отверстия. Это круглое пространство, необходимое для ограничения трения между сверлом и стенками отверстия, также используется для подачи смазочно-охлаждающей жидкости в переднюю часть головки для сверления. Затем жидкость со стружкой удаляется по внутреннему каналу, проходя через переднюю часть головки для сверления и приводной стержень.
В связи с наличием круглого пространства необходимо направлять головку для сверления по ходу ее движения. В этой связи известно применение трех направляющих ползунов, которые, как правило, имеют карбидное покрытие, или применение ползунов Celoron (торговая марка), которые распределяются равномерно и выступают с наружной боковой периферии задней части головки и предназначены для обеспечения опоры на стенки отверстия, образованного в ходе сверления.
Тем не менее, известные в настоящее время головки для сверления не рассчитаны на сверление деталей из титана (Ti). По существу титан прилипает к направляющим ползунам, что в результате приводит к застреванию головки для сверления и делает практически невозможным ее использование в применяемых в настоящее время сверлильных станках ввиду невозможности создания достаточно значительного крутящего момента при сверлении для последовательного приведения в действие вращающейся головки. Кроме этого, имеет место преждевременный износ, что предполагает частую замену ползунов, при том, что их стоимость является высокой, принимая во внимание сложность технологии их изготовления и используемые материалы. Наконец, неблагоприятные условия сверления приводят к тому, что геометрическая форма выполненного отверстия является неудовлетворительной (в частности, отмечаются существенные отклонения относительно оси сверления), которые очень трудно и даже невозможно исправить путем механической обработки. Помимо этого, этап последующей обработки затрудняется наличием частиц карбида, отделившихся от направляющих ползунов.
Задача изобретения состоит в усовершенствовании головок, известных из уровня техники, и в разработке головки для глубокого сверления, в частности, адаптированной для глубокого сверления деталей, изготавливаемых из твердых материалов, таких как титан.
Поставленная задача решается тем, что головка глубокого сверления, выполненная с возможностью вращения вокруг центральной оси и включающая в себя корпус, передняя часть которого, по меньшей мере, представляет собой сверло, за которым предусмотрен паз, связанный с внутренним каналом вышеуказанного корпуса, обеспечивающим удаление в заднем направлении стружки, образуемой при сверлении, согласно изобретению со стороны ее переднего края и в ее центре содержит направляющее сверло, выполненное с возможностью направлять вышеуказанную головку при сверлении для того, чтобы она не выходила за пределы оси сверления, которая, как правило, совпадает с осью приводного вала средств приведения во вращательное движение головки для сверления.
Направляющее сверло или центрующее сверло позволяет избавиться от ползунов и проблем, связанных с прилипанием титана к ползунам. В результате момент сверления, необходимый для приведения во вращательное действие головки при сверлении, является достаточно малым для того, чтобы его могли развивать сверлильные станки, применяемые в настоящее время для сверления других материалов, отличных от титана. Кроме этого, направление движения, обеспечиваемое с помощью вышеуказанного сверла, позволяет получить хорошую геометрию выполненного отверстия и, в частности, позволяет ограничить отклонения относительно оси сверления.
В соответствии с конкретным способом осуществления изобретения, головка глубокого сверления, кроме этого, имеет ползуны, жестко соединенные с вышеуказанным корпусом, которые выступают за внешнюю боковую поверхность последнего; при этом расстояние между внешними сторонами этих ползунов и центральной осью является меньшим, чем расстояние между центральной осью и самым удаленным от этой оси внешним боковым краем сверла.
Не следует путать эти ползуны с направляющими ползунами, применяемыми в устройствах из известного уровня техники, поскольку эти ползуны ни в коей мере не обеспечивают направление головки для сверления, так как эту функцию полностью выполняет направляющее сверло. Ползуны, установленные на головке для сверления согласно настоящему изобретению, после завершения сверления используются при извлечении головки для сверления из выполненного отверстия и позволяют избежать ситуации, при которой внешний боковой край сверла, самый удаленный от центральной оси головки для сверления, мог бы оставить глубокие царапины на стенках отверстия. С этой целью направляющие размещаются на корпусе головки для сверления таким образом, чтобы головка могла опираться, как минимум, на один из этих ползунов при ее извлечении. Вес головки для сверления может распределяться между вышеуказанным ползуном и вышеуказанным сверлом таким образом, чтобы давление, оказываемое сверлом на стенки отверстия, было меньшим, а появившиеся царапины можно было бы легко зачистить на этапе последующей механической обработки. Направляющие могут также быть полезны в случае разрыва какого-либо элемента режущей головки (как правило, одного из режущих элементов, образующих вышеуказанные сверла) для ограничения зон контакта между головкой и стенками выполненного отверстия и, таким образом, для защиты его стенок.
Эта разница назначения между ползунами по изобретению и известными направляющими ползунами выражается в том, что применяются различные материалы, и в том, что ползуны по настоящему изобретению выходят лишь на незначительное расстояние за поверхность корпуса головки для сверления, что позволяет исключить возникновение явления прилипания. Ползуны по настоящему изобретению могут быть выполнены, например, из бронзы, то есть из материала, не являющегося дорогостоящим, так что их замена не приводит к значительным расходам.
Изобретение также имеет задачей разработать способ глубокого сверления для выполнения отверстий в изготавливаемой детали с использованием головки для сверления вышеописанного типа, приводного вращающегося стержня, жестко соединенного с вышеуказанной головкой для сверления, и средств для приведения во вращение вышеуказанного приводного стержня.
Этот способ позволяет сверлить изготавливаемую из титана деталь с отношением L/D между глубиной L выполняемого отверстия в данной детали и диаметром D этого отверстия, преимущественно превышающим или равным 65 мм. В качестве примера удалось просверлить в детали из титана отверстие диаметром D 185 мм на длине L 3400 мм, т.е. с отношением L/D, превышающим 18.
В дальнейшем изобретение поясняется описанием вариантов его осуществления, не ограничивающих его, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 изображает вид в перспективе головки для глубокого сверления согласно изобретению;
фиг.2 - вид сбоку головки для глубокого сверления по фиг.1;
фиг.2а - разрез в плане IIA-IIB по фиг.2 детали головки для глубокого сверления по фиг.1;
фиг.3 - вид спереди головки для глубокого сверления по фиг.1;
фиг.4 - первый тип сверла для глубокого сверления согласно изобретению;
фиг.5 - второй тип сверла для глубокого сверления согласно изобретению.
Ниже приводится описание примера головки для глубокого сверления по изобретению со ссылками на фиг.1, 2, 2а и 3.
Головка для сверления имеет корпус 2, имеющий переднюю часть 4 и заднюю часть 6. Указанная головка для сверления предназначена для приведения во вращательное движение вокруг центральной оси А-А. Вес головки для сверления распределяется таким образом, чтобы ее центр тяжести совпадал с центральной осью вращения А-А, что позволяет исключить любой дисбаланс.
Общая форма контура 2 обеспечивает симметричность вращения относительно центральной оси А-А. А именно, передняя часть 4 корпуса 2 имеет усеченную общую форму с уширением в сторону передней части, а задняя часть 6 имеет общую форму полого цилиндра с наружным диаметром Е.
Передняя сторона 4а передней части 4 корпуса в целом представляет собой резец, как минимум, образованный режущей пластиной, установленной на передней части 4. В примере передняя сторона 4а имеет четыре резца 8а, 8b, 8c и 8d. Эти резцы установлены строго перпендикулярно центральной оси А-А и размещаются на равном расстоянии от этой оси (в данном случае речь идет о радиальном расстоянии) и таким образом, чтобы зоны действия этих резцов при вращении корпуса 2 частично перекрывались. В порядке удаленности относительно центральной оси А-А резцы размещаются следующим образом: 8а, 8b, 8c и 8d.
Каждый резец образован двумя съемными режущими пластинами 7, размещаемыми рядом, но не обязательно смежно. Так, в соответствии с примером, каждая пара режущих пластин 7 установлена на съемной опоре, именуемой кассетой 9, которая установлена в передней части 4. Эти кассеты 9 могут устанавливаться в передней части 4 на разной высоте и под разным углом наклона. После регулировки положения кассет нет необходимости в проведении какой-либо дополнительной регулировки для установки режущих пластин 7 в кассетах 9, поскольку гнезда, предусмотренные в кассетах 9, предназначенные для установки вышеуказанных пластин 7, отрегулированы по размеру последних. Кассеты и пластины жестко соединяются между собой и на головке для сверления с помощью винтов или любым другим способом. Выбор типа применяемых режущих пластин 7 (в частности, их формы, материала и т.д.) осуществляется, главным образом, в зависимости от материала детали, подлежащей сверлению, а также от квалификации работника. Для глубокого сверления титана преимущественно выбирают карбидные режущие пластины.
Следует отметить, что касательные резцов, как правило, могут иметь наклон относительно перпендикулярной плоскости к центральной оси А-А для облегчения сверления и, в частности, касательная резца 8 может иметь наклон под углом «х», составляющим от 0 до 5°, предпочтительно от 1 до 3° относительно касательной к резцу 8а, что облегчает удаление стружки.
Согласно варианту выполнения, резцы 8а и 8b расположены почти в той же плоскости Р-Р по центральной оси А-А, показанной на фиг.3, тогда как резцы 8 с и 8d расположены почти в другой плоскости Р'-Р' также по центральной оси А-А, которая в целом образует в плоскости Р-Р угол «а» в диапазоне от 5 до 30° и преимущественно от 10 до 20°. Для сверления отверстия диаметром 185 мм в детали из титана было выбрано значение 15° для головки для сверла. Было обнаружено, что этот диапазон значений угла «а» позволяет облегчить сверление. В частности, отмечается, что облегчается удаление стружки, повышается скорость сверления и уменьшается износ резцов.
Как видно на фиг.1, 2 и 3, за резцами 8а-8d расположены пазы 10а и 10b, которые соединены через внутренний канал 12 с корпусом 2, образованным в передней части 4 и продолжающимся до задней части 6. Этот канал 12 позволяет удалять в заднем направлении стружку, образовавшуюся при сверлении.
Направляющее сверло 20 расположено в центре передней стороны 4а головки для глубокого сверления. Это направляющее сверло может сниматься с головки глубокого сверления; при вращении направляющего сверла 20 предусматриваются средства фиксации; помимо этого, предусматриваются также средства регулировки расстояния d' выступа направляющего сверла 20. При этом расстояние выступа d' - это расстояние, на которое сверло 20 выступает перед самым передним резцом корпуса 2.
Сверло 20 устанавливается в гнездо 21, предусмотренное для этого в центре головки 2 с ее передней стороны 4а. Сверло 20 удерживается в гнезде 21 с помощью вышеуказанных средств фиксации, в состав которых входит зажимной винт 22, установленный внутри отверстия (преимущественно в направлении, поперечном гнезду 21), которое с одной стороны заходит в вышеуказанное гнездо 21, а с другой стороны выходит на боковую наружную поверхность передней части 4 корпуса 2, образуя таким образом проем 24, через который обеспечивается доступ к головке винта 22. Рядом с гнездом 21 вышеуказанное отверстие имеет внутреннюю резьбу, в которую можно завинчивать винт 22. Завинчивание винта 22 позволяет зажать сверло 20 между винтом 22 и стенкой паза 21, расположенной напротив этого винта, для его фиксации при вращении. Для улучшения опоры винта 22 сверло 20 может иметь лыску 23. Следует отметить, что вышеуказанные средства фиксации также выполняют функцию средств крепления сверла 22 к корпусу 2. Можно также рассмотреть любое другое средство фиксации при вращении, такое как штифт или система «шип-паз».
В соответствии с представленным примером, средства регулирования расстояния выступа d' направляющего сверла 20 включают в себя регулировочный винт 26. Этот винт 26 завинчивается в резьбу 28, предусмотренную в отверстии, выполненном в передней части 4 головки 2, входя с одной стороны в дно гнезда 21 и с другой стороны во внутренний канал 12 корпуса 2. Направляющее сверло 20 опирается на край стержня винта 26; при этом этот край образует выступ на дне гнезда 21. Завинчивание/отвинчивание винта 26 позволяет таким образом изменять расстояние d' до затяжки сверла винтом 22.
Предпочтительно, чтобы направляющее сверло выступало перед самым передним резцом корпуса 2 на расстояние от 1 до 20% от расстояния d между центральной осью и наружным боковым краем резца, самого удаленного от этой оси. Это расстояние d', на которое выступает внешняя часть направляющего сверла, должно быть достаточным для обеспечения надлежащего направления и не должно быть слишком большим, чтобы ограничить вероятность деформации или разрушения сверла. Поэтому, например, для диаметра сверла D 185 мм выбирается расстояние от 8 до 10 мм, т.е. приблизительно от 8 до 11% от расстояния d между центральной осью и внешним боковым краем резца, самого удаленного от этой оси, которое в данном случае соответствует 185/2=92,5 мм.
Кроме этого, предпочтительно, чтобы радиус направляющего сверла не превышал пятую часть (20%) от расстояния d между центральной осью А-А и наружным боковым краем резца, самого удаленного от этой оси. По существу диаметр направляющего сверла 20 должен обеспечивать поверхность опоры сверла, достаточную для того, чтобы обеспечить направление головки для сверления, при этом оставаясь достаточно незначительным для того, чтобы ограничить зону действия сверла; при этом последнее в основном предназначено для направления головки, а не для сверления (несмотря на то, что оно также задействовано в этом процессе). Например, для расстояния d 92,5 мм выбирается радиус сверла 20, составляющий 15 мм.
Передний край направляющего сверла может иметь различную форму. Существует множество публикаций с описанием возможных различных форм направляющих сверл, применяемых для выполнения отверстий и доступных специалисту в данной области техники. В данном случае можно отметить, что передний край имеет простую форму, в основном заостренную, обеспечивая надлежащее направление, и легко входит в изготавливаемую деталь.
В соответствии с вариантом способа выполнения направляющего сверла, оно может, как минимум, иметь канал 24, который проходит через него в продольном направлении и внутри которого может циркулировать смазочно-охлаждающая жидкость. Сверло 20, показанное на фиг.2, имеет два канала 24, которые связаны с передними и задними краями сверла и которые почти симметричны относительно центральной оси А-А, являющейся осью вращения сверла 20.
С учетом конструкции головки глубокого сверления 2 по изобретению ниже приводится описание работы инструмента глубокого сверления, оборудованного такой головкой, со ссылкой на фиг.4 и 5.
Независимо от выбранного способа в состав инструмента глубокого сверления по изобретению, как правило, входит приводной вращающийся стержень, жестко соединенный с головкой для сверления, и средства, приводящие в действие вышеуказанный приводной стержень. Головка для сверления 2 может быть установлена на стержне 40 любым надлежащим способом. Например, край стержня 40 может иметь наружную резьбу для навинчивания внутренней резьбы задней части 6 корпуса 2.
Средства приведения во вращение стержня 40 должны быть рассчитаны на развитие крутящего момента, достаточного для осуществления глубокого сверления.
Для удаления стружки, образовавшейся в изготавливаемой детали, применяется смазочно-охлаждающая жидкость, преимущественно жидкость, состоящая полностью из масла или масляного раствора с концентрацией 10-15%. Эта смазочно-охлаждающая жидкость подается таким образом, чтобы она доходила до дна выполненного отверстия. Как показано на фиг.4 и 5, можно предусмотреть два возможных способа подачи.
Со ссылкой на фиг.4 следует отметить, что смазочно-охлаждающая жидкость может подаваться в подающую камеру 50, образованную между патроном 54 и стержнем 40 или головкой для сверления. Патрон 54 расположен вокруг стержня 40 (или головки для сверления) и находится в контакте с изготавливаемой деталью 60. Плотность камеры 50 относительно наружной стороны обеспечивается с помощью уплотнительных швов 52, расположенных между патроном 54 и изготавливаемой деталью 60 и между патроном 54 и стержнем 40. Поскольку максимальный наружный диаметр передней части 4 корпуса 2 превышает диаметр задней части 6 вышеуказанного корпуса 2 и диаметр приводного стержня 40, имеется круглое пространство 58, которое образовано с одной стороны наружной стенкой задней части 6 и стержня 40 и с другой стороны внутренней стенкой образовавшегося отверстия. Это круглое пространство 58 связано с камерой подачи 50 таким образом, что подаваемая жидкость попадает в круглое пространство, а затем на дно выполненного отверстия. Затем жидкость со стружками удаляется через внутренний канал 12, предусмотренный в корпусе 2, и через внутренний канал 44, выполненный в полом приводном стержне 40. Проемы 31 могут быть выполнены в наружной стенке корпуса для того, чтобы облегчить циркуляцию жидкости.
Согласно другому способу реализации, со ссылкой на фиг.5 приводной стержень 40 состоит из двух полых концентрических цилиндров 41а и 41b. «Поступающая» смазочно-охлаждающая жидкость подается между внутренним цилиндром 41b и наружным цилиндром 41а, а «выходящая» жидкость удаляется со стружкой через внутреннюю часть внутреннего цилиндра 41b. Для ограничения турбулентности на уровне головки для сверления можно предусмотреть, чтобы передний край внутреннего цилиндра 41b был уширенным и выходил за край наружного цилиндра 41а таким образом, чтобы обеспечивалось направление «поступающей» жидкости в сторону проемов 32, которые предусмотрены в наружной стенке корпуса 2 головки для сверления и которые связаны с круглым пространством 58.
Глубокое сверление детали 60 осуществляется следующим образом. Сначала инструмент устанавливается относительно изготавливаемой детали. Для этого можно выполнить центрующее углубление для подачи, как минимум, частично направляющего сверла 20. Можно также использовать направляющий бандаж 61, крепящийся к детали 60, который позволит направлять инструмент в начале сверления и затем направлять инструмент с помощью направляющего сверла. Такой бандаж показан на фиг.4 и включает в себя круглую деталь 62, которая окружает инструмент и которая имеет выступы 62а, расположенные на равном расстоянии на внутренней поверхности, и на которые инструмент может опираться.
Затем инструмент приводится во вращательное движение. Направляющее сверло 20 входит в деталь 60 для создания вторичного отверстия малого диаметра в центре первичного отверстия, которое необходимо выполнить. Это вторичное отверстие позволяет направлять головку для глубокого сверления по мере его погружения, обеспечивая условие, при котором его центральная ось А-А не отклоняется от оси сверления. Кроме этого, после того, как направляющее сверло 20 вошло в изготавливаемую деталь 60, оно позволяет стабилизировать головку для сверления и, например, препятствует передаче вибрации от вращающихся механизмов на головку для сверления. Таким образом, изобретение позволяет существенно снизить отклонения относительно оси сверления и в целом снизить нарушение геометрии выполненного отверстия.
После завершения сверления инструмент извлекается из отверстия. Для того чтобы исключить вероятность, при которой наружный край резца 8d оставлял бы царапины на стенках отверстия, предусматриваются ползуны из бронзы 30, размещаемые снаружи передней части 4 корпуса 2. Ползуны 8d также выступают за пределы корпуса 2 таким образом, что корпус может опираться на них при извлечении. Таким образом, вес корпуса 2 полностью не передается на резец 8d, что ограничивает глубину царапин, которые резец может оставить на стенках выполненного отверстия. Неглубокие царапины, которые все же могут появиться в результате извлечения инструмента, могут быть без труда устранены на следующем этапе механической обработки. Следует отметить, что ползуны выполнены с возможностью извлечения инструмента без контакта со стенками отверстия, выполненного при сверлении.