СПОСОБ СВЕРЛЕНИЯ ОТВЕРСТИЙ В ЗАГОТОВКАХ
BORING HOLES IN BILLETS

Предполагаемое изобретение относится к области способов обработки заготовок сверлением для машиностроения.
Известны способы сверления отверстий в заготовках, при которых сверлу и заготовке одновременно сообщают рабочие движения вращения и поступательного перемещения.
Одним из аналогов таких способов обработки сверлением является способ обработки отверстий путем сверления на токарном станке, при котором относительное вращение придают заготовке, закрепленной в шпинделе токарного станка, при этом сверло, закрепленное в задней бабке станка, не вращается и имеет только движение подачи вдоль оси сверла (см. патент 2317179 В23В 35/00, опубл. 2008 г.).
Недостаток аналога состоит в том, что относительное вращение придают только заготовке, а сверло сохраняют невращающимся. При отсутствии вращения сверло врезается в заготовку со смещением оси в зависимости от погрешности его изготовления и установки, наклона поверхности врезания на заготовке, и в процессе работы с плохим центрированием приобретает все большее смещение по глубине сверления относительно оси вращения заготовки. Заготовка, как правило, имеет несимметричную относительно оси вращения форму, и при вращении с большой частотой, обусловленной режущими свойствами инструментального материала, приобретает завышенные неуравновешенные центробежные силы. Это требует усиленного крепления заготовки, увеличенной жесткости станка или же приходится снижать необходимую частоту вращения заготовки, теряя в производительности обработки сверлением, нерационально используя режущие способности инструментального материала по условиям его стойкости, качеству обработки, затратам мощности на резание.
Следовательно, аналог снижает производительность обработки, ресурс режущего инструмента и точность обработки отверстий.
Другой аналог - способ сверления отверстий с наклонным входом, при котором при врезании одновременно с вращением и осевым перемещением сверла перемещают заготовку перпендикулярно оси вращения сверла до совмещения осей инструмента и выполняемого отверстия (см. патент 914194 В23В 35/00, опубл. 1982 г.).
Недостаток аналога состоит в том, что вращение сверлу сообщают с частотой, соответствующей предельно допустимой по условиям резания скоростью резания. Высокая допустимая скорость резания для сверла, изготовленного из высокопрочного и износостойкого инструментального материала, приводит к тому, что образующаяся при сверлении стружка за счет центробежной силы прижимается к поверхности обрабатываемого отверстия, заклинивается между указанной поверхностью и наружной поверхностью сверла. Это приводит к образованию на наружной поверхности сверла налипов, к пакетированию стружки, увеличению крутящего момента, температуры резания, интенсивному износу и поломке инструмента. В результате приходится часто выполнять замену инструмента, его переточку, увеличивая для этого простои оборудования. При такой работе с вращением только инструмента сверло плохо центрируется при врезании в заготовку и приобретает смещение относительно оси вращения, то есть увод, который увеличивается по глубине сверления.
Еще один недостаток аналога заключается в том, что прямолинейное перемещение заготовки с наклонным входом перпендикулярно оси вращения сверла не обеспечивает самоцентрирования инструмента из-за радиальных сил реакции на поверхности образующегося несимметричного конуса врезания и поперечного изгиба сверла. В результате не обеспечивается совмещение осей вращения сверла и получаемого отверстия, возникает увод оси отверстия. Настройка заготовки в конечном положении ее движения длительна и не поддается расчету, а потому является грубой.
Следовательно, аналог снижает производительность обработки, ресурс режущего инструмента и точность обработки отверстий.
Наиболее близким способом того же назначения к заявляемому изобретению по совокупности признаков является способ обработки сверлением, в котором одновременно осуществляют вращение и осевую подачу сверла и плоскопараллельное перемещение заготовки в направлении, перпендикулярном оси инструмента (см. патент 1798048 В23В 35/00, опубл. 1993 г.), принятый за прототип.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного способа, принятого за прототип, относится то, что плоскопараллельное движение заготовки осуществляют в неопределенном ее исходном положении перпендикулярно оси сверла, с неопределенной скоростью, а сверлу сообщают частоту вращения, обусловленную режущими свойствами инструментального материала. Неопределенность исходного положения и скорости перемещения заготовки не обеспечивает постоянство условий зацентровки сверла при врезании с совпадением осей обрабатываемого отверстия и вращения сверла и требует длительной настройки конечного положения заготовки. В зависимости от исходного положения скошенной поверхности заготовки изменяется влияние на зацентровку поперечной кромки сверла. Неопределенная скорость перемещения заготовки также изменяет условия зацентровки: при малой скорости зацентровка улучшается, но снижается производительность обработки, при большой - создается поперечный изгиб сверла и смещение оси обрабатываемого отверстия. Сообщение сверлу частоты вращения, обусловленной режущими свойствами инструментального материала, если эти режущие свойства высоки, приводит к тому, что образующаяся при сверлении стружка за счет центробежной силы прижимается к поверхности обрабатываемого отверстия, заклинивается между этой поверхностью и наружной поверхностью сверла. Это приводит к образованию на наружной поверхности сверла налипания материала стружки, к ее пакетированию в стружечных канавках, увеличению крутящего момента, температуры резания, интенсивному износу и поломке инструмента. В результате приходится часто выполнять замену инструмента, увеличивая простои оборудования.
Следовательно, прототип снижает производительность обработки, ресурс режущего инструмента и точность обработки.
Технический результат - повышение производительности, точности обработки и ресурса режущего инструмента.
Указанный технический результат при осуществлении предполагаемого изобретения достигается тем, что в известном способе обработки сверлением, включающем одновременное вращение и осевую подачу сверла и перемещение заготовки, при этом заготовке сообщают вращение в направлении, противоположном направлению вращения сверла, при этом вращение сверла осуществляют с частотой, не превышающей наибольшую частоту вращения, при которой не происходит заклинивание стружки между сверлом и обрабатываемой поверхностью отверстия, а заготовку вращают с частотой, определяемой по формуле
с
n=V/πD-n,
c
где n - частота вращения заготовки, 1/с; V - предельно допустимая по условиям резания скорость резания, м/с; D - диаметр сверла, м; n - наибольшая частота вращения сверла, при которой не происходит заклинивание стружки, 1/с.
Наибольшая частота вращения сверла, при которой не происходит заклинивание стружки, выбрана при сверлении отверстия в неподвижной заготовке, при котором осуществляют постепенное увеличение частоты вращения сверла до появления визуальных признаков заклинивания стружки в виде закрепленных на наружной поверхности сверла частиц стружки, фиксацию этой частоты вращения, последующее уменьшение частоты вращения до частоты, когда заклинивание стружки не происходит, которую принимают в качестве упомянутой наибольшей частоты вращения.
Наибольшая частота вращения сверла, при которой не происходит заклинивание стружки, выбрана при сверлении отверстия в неподвижной заготовке, при котором осуществляют равномерное увеличение частоты вращения сверла с одновременным измерением крутящего момента, мощности сверления и температуры резания, в момент появления нерегулярных колебаний указанных физических параметров осуществляют снижение частоты вращения сверла до частоты, когда указанные колебания исчезают, которую принимают в качестве упомянутой наибольшей частоты вращения.
Между отличительными признаками и вышеизложенным техническим результатом существует причинно-следственная связь, заключающаяся в устранении длительной настройки перемещения заготовки при изменении наклона поверхности врезания, точная настройка при вращении заготовки получается автоматически и обеспечивает хорошее центрирование сверла при врезании в заготовку; в уменьшении центробежных сил, действующих на стружку, и возможности ее заклинивания с образованием налипов и пакетирования, а значит уменьшении вероятности поломки сверла, его износа и остановки процесса сверления.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления предполагаемого изобретения с получением вышеуказанного технического результата: на фиг.1 представлена схема обработки сверлением заготовки с наклонной поверхностью врезания в начальный момент врезания сверла; на фиг.2 показана схема обработки сверлением после врезания сверла в заготовку; на фиг.3 - часть сверла с закрепленной на его наружной поверхности частицей стружки после ее заклинивания.
c
c
c
c
Способ обработки сверлением осуществляют по схеме, представленной на фиг.1. Сверлу 1 сообщают одновременное вращение по стрелке 2 и осевую подачу по стрелке 3, а заготовке 4 с наклонной под углом α поверхностью врезания 5 сообщают вращение по стрелке 6, направленной противоположно вращению сверла 1 по стрелке 2. Вращение сверла 1 осуществляют с частотой n, а заготовки - с частотой n. На образующуюся при сверлении стружку 7, как показано на фиг.2, действуют центробежные силы Р, которые прижимают стружку 7 к поверхности обрабатываемого отверстия 8, в результате чего она может заклиниваться между наружной поверхностью 9 сверла 1 и поверхностью обрабатываемого отверстия 8. Частица стружки 10, как показано на фиг.3, прочно соединена с наружной поверхностью 9 сверла 1, увеличивает крутящий момент, мощность и температуру резания. Чтобы этого не происходило, сверло 1 вращают с наибольшей частотой n, при которой не возникает заклинивание стружки 7 за счет центробежных сил. Эта частота n меньше частоты, соответствующей предельно допустимой по условиям резания скорости резания V и определяемой очевидным соотношением V/πD, где D - диаметр сверла 1. Для сохранения суммарной относительной скорости резания, равной предельно допустимой по условиям резания скорости резания V, заготовке 4 сообщают вышеуказанное вращение по стрелке 6, противоположное вращению сверла 1 по стрелке 2, с частотой, определяемой по формуле n=V/πD-n.
c
c
Для определения наибольшей частоты n, вращения сверла 1, при которой не происходит заклинивание стружки 7, при неподвижной заготовке 4 сверлят отверстия 8 с различной частотой вращения сверла 1, постепенно ее увеличивая, до тех пор, пока не появятся визуальные признаки заклинивания стружки 7 в виде ее частиц 10, закрепленных на наружной поверхности 9 сверла 1, фиксируют частоту вращения, при которой появляются эти признаки, а затем частоту вращения сверла 1 уменьшают до уровня n, при котором заклинивания стружки 7 нет, и принимают полученную частоту в качестве искомой наибольшей частоты n.
c
c
Другой способ определения наибольшей частоты n, вращения сверла 1, при которой не происходит заклинивания стружки 7, состоит в том, что при неподвижной заготовке 4 сверлят отверстия 8, при этом осуществляют равномерное увеличение частоты вращения сверла 1 с одновременным измерением крутящего момента, мощности сверления и температуры резания, и в момент появления нерегулярных колебаний указанных физических параметров осуществляют снижение частоты вращения сверла 1 до частоты, когда указанные колебания исчезают, которую принимают в качестве упомянутой наибольшей частоты вращения сверла n,.
В дальнейшем, после определения наибольшей частоты вращения сверла рабочую частоту его вращения можно принимать сколь угодно меньшей, в зависимости от условий резания, например, при малой жесткости длинного сверла и т.п., компенсируя это снижение увеличением частоты вращения заготовки в соответствии с расчетной формулой.
Опишем пример практической реализации предлагаемого способа. На токарном станке в патроне закрепили заготовку из стали 40Х длиной 50 мм, диаметром 40 мм с наклонной поверхностью врезания под углом 15° к плоскости вращения. В резцедержателе на суппорте станка установили многоскоростную сверлильную головку со сверлом из быстрорежущей стали Р6М5 диаметром 10 мм. Предельно допустимая скорость резания для сверла по справочным данным составляет 0,5…0,6 м/с, что соответствует частоте вращения сверла от 16 до 19 об/с. Сверление осуществляли с подачей 0,25 мм/об. Сначала обработку проводили при невращающейся заготовке с частотой вращения сверла 16,7 об/с (1000 об/мин). На первой же заготовке на ленточке сверла образовался налип от заклинивания стружки, что обнаружилось визуально и по скрипу при работе сверла. Увод оси отверстия при этом оказался около 0,5 мм у поверхности врезания и увеличивался по глубине отверстия. Попытки уменьшить увод по способу, принятому за прототип, посредством перемещения сверлильной головки с помощью поперечного суппорта эффекта не дали, лишь увеличился прогиб сверла, а по глубине заготовки увод даже возрос. После этого включили вращение заготовки в противоположном направлении вращению сверла с частотой 8,35 об/с (500 об/мин) и такую же частоту вращения придали сверлу, сохранив, таким образом, предельно допустимую скорость резания при общей частоте относительного вращения 16,7 об/с. В результате процесс сверления протекал без образования налипов, врезание сверла в заготовку проходило плавно без видимого смещения оси. Увод оси отверстия составил менее 0,1 мм на входе и уменьшился до нуля по длине отверстия.
Следовательно, опыты показали эффективность предлагаемого способа обработки сверлением по отсутствию заклинивания стружки при обработке с предельно допустимой скоростью резания и по уводу оси обрабатываемого отверстия, способ исключает необходимость в поднастройке положения заготовки и инструмента при наклонной поверхности врезания. То есть подтвердились преимущества предлагаемого способа по повышению производительности, точности обработки и ресурса режущего инструмента.