ГлавнаяСтенки отверстия получаются цилиндрическими и гладкими, с чистотой 3—5 класса, т. е. максимальная высота шероховатости не превышает 0,1 мм. Диаметр отверстия выдерживается при сверлении также с большой точностью по 4—5 классу. Предельные отклонения от номинального диаметра не превышают -0, +0,4 мм. Наклеп обрабатываемого металла вокруг отверстия как по степени, так и по размерам зоны незначителен.
Сверление отверстий производят на сверлильных станках специальным инструментом — спиральным сверлом (рис. III.37,a). Рабочая часть сверла 1 образует отверстие, а хвостовик 2 закрепляют в шпинделе сверлильного станка. Рабочая часть сверла имеет: два главных режущих лезвия 5, перемычку 4, два второстепенных лезвия 5, две канавки 6, расположенные по винтовой линии по всей длине рабочей части сверла, и две ленточки 7 в виде небольших выступов по передним (по направлению вращения сверла) кромкам канавок. Участок сверла между рабочей частью и хвостовиком 8 называют шейкой. При изготовлении металлических строительных конструкций применяют сверла от 15 до 50 мм.
При сверлении станок сообщает сверлу вращение (по часовой стрелке) и поступательное движение, называемое подачей.
Ленточки, выступающие над поверхностью рабочей части сверла, сокращают площадь соприкосновения его со стенкой отверстия и снижают силы трения между ними. Второстепенные лезвия, располагающиеся на кромках ленточек, служат только для удаления со стенки отверстия незначительных неровностей.
Основные силы сопротивления обрабатываемого металла возникают на главных режущих лезвиях сверла и на перемычке. Направление этих сил показано на рис. III.37, б. Как видно из рисунка, силы сопротивления резания возникают как в горизонтальной плоскости (Pz и Px), так и в вертикальной (Py и Pп). Силы Px, как равные по величине и направленные навстречу, взаимно уравновешиваются. Две силы Pz составляют пару Pz*D/2.
Горизонтальные и вертикальные силы, возникающие в результате трения ленточек сверла о стенку отверстия, незначительны, а в силовых расчетах процесса сверления их не учитывают.
Для преодоления сил сопротивления резанию сверлильный станок сообщает сверлу крутящий момент M, преодолевающий момент Pz*D/2 и осевую силу Р, называемую усилием подачи сверла, преодолевающую сумму сил Py и Pп.
Силы, создаваемые крутящим моментом M и усилием подачи Р, равные по величине силам сопротивления резанию, но обратные по направлению, носят название сил резания.
Величина сил резания, а следовательно, и величины M и P зависят от прочности обрабатываемого металла, диаметра сверла и геометрии его рабочей части. Величину сил резания можно несколько снизить (на 15—30%) при прочих равных условиях путем подачи к месту сверления смазочно-охлаждающей жидкости.
Экспериментально установлено, что крутящий момент M распределяется следующим образом: на резание металла главными режущими лезвиями 85%, на резание металла лезвием перемычки 5% и на трение стружки и ленточек 10%. В величине усилия подачи P силы Py составляют около 45 %, Pп — 50% и силы трения — 5%.
При сверлении сверло находится в весьма сложном напряженном состоянии. Его главные режущие лезвия и лезвия перемычки, проникая в металл, испытывают значительные контактные напряжения. Крутящий момент M скручивает сверла, а усилие подачи P вызывает продольный изгиб.
Из-за трения при сверлении выделяется значительное количество тепла, Выделяемая теплота расходуется на нагрев стружки (60—75%), нагрев сверла (20—25%), обрабатываемой детали, и очень немного тепла рассеивается в воздух.
Главные режущие лезвия сверла, в зависимости от прочности обрабатываемого металла и режимов сверления, нагреваются до 250—300°. При нагреве материал сверла теряет свою прочность, режущие лезвия; затупляются и выкрашиваются. В целях снижения температуры нагрева также применяют смазочно-охлаждающие жидкости, которые непрерывно подают по трубке к образуемому отверстию. Независимо от условий сверления режущие лезвия сверл после некоторого времени работы притупляются, поэтому периодически производят заточку сверл на заточных станках. Чем больше диаметр сверла, тем больше оно допускает переточек. Так, стандартное сверло диаметром 16 мм допускает до 50 переточек, а сверло диаметром 150 мм — до 100.
При разработке технологии сверления технологу известны марка обрабатываемой стали или алюминиевого сплава, а следовательно и их механические свойства, толщина металла, в котором сверлятся отверстия и диаметр отверстий. По этим данным можно подобрать материал сверла, режимы сверления, выбрать сверлильный станок, составить схему организации рабочего места и подсчитать время сверления.
В настоящее время сверла изготовляют из углеродистых инструментальных сталей, легированных инструментальных сталей, специальных быстрорежущих сталей, а при обработке сталей высокой прочности применяют сверла, у которых в головку рабочей части вставлены пластинки из твердых сплавов 9 (рис. III.37, в). По мере увеличения прочности обрабатываемого металла целесообразно применять сверла из более прочных и теплостойких материалов.
В табл. III.25 указаны некоторые рекомендации по выбору материала сверл в зависимости от прочности обрабатываемого металла, а также указаны некоторые свойства этих материалов.
Исследования, проведенные ЦНИИТмашем, показали, что сверла из опытной быстрорежущей молибденовой стали, имеющей в своем составе 2,3% вольфрама, 9,2% молибдена и 7,6% кобальта, более стойки, чем сверла из стали P18 в 6—8 раз.
Марку материала и диаметр сверла указывают на его шейке.
Основными геометрическими параметрами рабочей части сверла являются (рис. III.37,г): угол при вершине 2φ, передний γ и задний а углы резания, а также угол заострения β главных режущих лезвий. К числу основных характеристик относятся также размеры ленточек и угол наклона винтовых канавок со к геометрической оси сверла.
Угол при вершине сверла 2φ целесообразно принимать при сверлении отверстий в сталях равным 118—120°, а в алюминиевых сплавах 140°. Углы γ, α и β, ввиду того что стенки канавок имеют сложную форму поверхности, меняют свою величину на длине режущего лезвия.
От угла наклона винтовых канавок со зависит формообразование стружки и величина силы трения стружки о стенки канавок. Угол наклона канавок определяет и величину переднего угла резания γ. При сверлении отверстий в сталях всех классов угол со рекомендуется принимать в пределах 25—35°, а в алюминиевых сплавах — от 35 до 50°.
Для сверл, оснащенных пластинками из твердого сплава, передний угол принимают равным: при сверлении сталей с твердостью до 200 Hв от 0 до 7°, а с твердостью более 200 Hв отрицательным от 0 до 4°.
Задний угол при обработке всех сталей принимают равным 10°. Угол со для сверл, оснащенных пластинками, имеет величину при сверлении сталей 15—20°, а алюминиевых сплавов 35—45°.
Рекомендованные значения геометрических парам рабочей части сверл многократно проверены экспериментально и обеспечивают достаточно высокие технико-экономические показатели процесса.
Хвостовик сверла представляет собой конус, размеры которого зависят от диаметра сверла. Размеры конусов стандартизованы, и каждому размеру дан номер. В ряде случаев конусы в шпинделе и у сверла могут по размерам не совпадать. В этом случае технологи должны предусмотреть применение переходного патрона.
Применяемые при сверлении различные растворы и эмульсии должны удовлетворять ряду требований: обеспечивать наибольший отвод тепла, облегчать образование стружки и ее удаление из отверстия, иметь хорошую смазочную способность, обладать антикоррозионными свойствами, быть безвредными для рабочих.
При сверлении отверстий в сталях классов от С24 до С50 включительно рекомендуется применять водные растворы соды (2%) или мыла (1%). В качестве антикоррозионной добавки полезно в указанные растворы вводить жидкое стекло (0,5 %).
При сверлении отверстий в сталях классов С60 и С75 желательно применять специальную эмульсию, в состав которой входят: 10% эмульсола (смесь синтетических кислот и минерального масла), 5% сульфофрезола (масло веретенное № 3 — 80%, нигрол—18%, сера — 2%), 0,2% кальцинированной соды и 84,8% воды. Сверлить отверстия в алюминиевых сплавах можно без применения смазочно-охлаждающих жидкостей.
Расход смазочно-охлаждающих жидкостей, которые подаются из бачков по трубкам самотеком, обычно составляет около 10 л/мин.
Режим сверления включает следующие условия: величину подачи сверла, скорость резания обрабатываемого металла, количество оборотов сверла в единицу времени (обычно в минуту), значения усилия подачи P и крутящего момента M1 а также мощность, расходуемую сверлильным станком.
Подачей сверла называют поступательное движение сверла в глубь металла в мм за один оборот сверла. Величина подачи сверла зависит от прочности обрабатываемого металла и ограничивается прочностью самого сверла, так как с увеличением подачи увеличивается усилие подачи P и крутящий момент М.
Практикой установлено, что более производительно сверление на максимальных подачах, а поэтому разработку режимов сверления начинают с определения максимально возможной подачи по прочности сверла, которая может быть определена по формуле
где Cs — коэффициент, зависящий от прочности материала сверла и обрабатываемого металла;
D — диаметр сверла, мм.
Значения коэффициента Cs приведены в справочниках по резанию металла. В некоторых случаях подача сверла может ограничиваться мощностью электродвигателя сверлильного станка.
На рис. III.38, а изображен график, по которому можно определить максимальную подачу для сверла из быстрорежущей стали P18 диаметром от 15 до 30 мм при сверлении отверстий в сталях различного класса прочности.
Величина подачи определяет площадь сечения стружки f, приходящейся на одну режущую кромку (рис. III.37, д):
Скорость резания при сверлении по длине главных режущих лезвий не одинакова. При одном и том же количестве оборотов сверла скорость у точек, более удаленных от оси сверла, выше.
В теории сверления за скорость резания принимается скорость кругового движения точки режущего лезвия наиболее удаленной от оси сверла, т. е. лежащей на наружной окружности. Максимально допустимую скорость резания можно определить по формуле
где Cv — коэффициент, зависящий от прочности обрабатываемой стали;
Dxv — диаметр сверла, мм;
syv — подача, мм/об;
Tm — экономичная стойкость сверла;
m, xv, yv — показатели, степени, зависящие, так же
как и коэффициент К, от свойств обрабатываемого материала, материала режущей части сверла и условий сверления (подача, вид смазки и т. п.). Значения этих показателей степени и К приведены в справочниках по обработке металлов резанием.
Экономичная стойкость для сверл диаметром от 15 до 30 мм равна 15—30 мин. Под экономичной стойкостью сверла T понимают время работы сверла между заточками, при котором обеспечиваются наименьшие затраты на сверление (стоимость сверл и зарплата).
На рис. III.38, б показан график скоростей сверления отверстий в некоторых строительных сталях при применении сверл из стали P18.
По скорости резания находят количество оборотов сверла по формуле
На рис. III.38, в приведен график, по которому для сверла заданного диаметра по скорости резания можно найти число оборотов сверла в 1 мин.
Усилие подачи P, крутящий момент M и мощность, затрачиваемую сверлильным станком Ncв, определяют по формулам:
где Cп и Cм — коэффициенты, зависящие от свойств обрабатываемого металла;
S — максимально возможная подача, мм/об;
хp, ур, хм и ум — показатели степеней. Значения этих коэффициентов и показателей приведены в справочниках по резанию металлов; п — количество оборотов сверл в минуту.
Для определения мощности, потребляемой сверлильным «станком Nст, необходимо мощность, затрачиваемую на сверление, Nсв разделить на коэффициент полезного действия станка, который примерно равен 0,75.
На рис. III.38, г изображены графики для определения примерных величин Р, M и Nст при сверлении сталей, всех классов сверлами из быстрорежущей стали P18 с применением соответствующего охлаждения. Значения Р, M и Nст одинаковы для всех сталей, поскольку они определяются главным образом прочностью сверл.
Для сверления отверстий в деталях строительных конструкций применяют радиально-сверлильные станки — передвижные и стационарные. На рис. III.39 показаны два типа передвижных радиально-сверлильных стайка. Один из них (рис. III.39, а) имеет два шпинделя, что позволяет одновременно сверлить два отверстия.
Указанные станки имеют следующую кинематическую схему перемещения шпинделя: шпиндель 1 совместно со шпиндельной головкой 2 перемещается по рукаву 3, а рукав вращается относительно вертикальной оси колонны 4. Шпиндель может подниматься на определенную высоту, а у некоторых станков, кроме того, поднимается и опускается и рукав (рис. III.39, б).
Большие возможности перемещения шпинделя и самого станка по рельсам позволяют сверлить отверстия в деталях со значительными размерами, без передвижения деталей.
У радиально-сверлильных станционарных станков колонна закреплена на фундаменте. При сверлении на этих станках крупных деталей в ряде случаев детали укладывают на вагонетки, которые перемещаются в зоне сверлильного станка по рельсам.
В табл. III.26 указаны параметры некоторых передвижных радиально-сверлильных станков.
В зоне работы сверлильного станка необходимо иметь стеллажи для металла, подлежащего сверлению, площадь для разметки и наметки центров отверстий, стеллажи для укладки и закрепления обрабатываемых деталей, а также некоторую площадь для складирования деталей, в которых отверстия уже просверлены.
При сверлении весьма важно правильно укладывать и закреплять детали. Прогибы обрабатываемых деталей под действием усилия подачи P не должны превышать 0,22 мм, иначе значительно снижается стойкость сверл.
На стойкость сверл оказывает влияние и жесткость самого станка. Упругая деформация узлов станка в направлении подачи не должна превышать 0,02 мм, а биение сверла — 0,05 мм. Практически следует сверлить с минимальным удалением оси шпинделя от оси колонны.
Значительное влияние на стойкость сверл имеет длина сверла: у коротких сверл их стойкость увеличивается. Особо важно соблюдать эти условия при сверлении отверстий в деталях из сталей высокой прочности.
Время, необходимое для образования отверстий в тех или иных деталях, слагается из времени сверления (машинное время), а также вспомогательного времени (установка деталей и инструмента, пуск и остановка станка), времени на обслуживание, рабочего места (уборка, уход за станком) и продолжительности отдыха.
Количество отверстий, которое можно просверлить в смену на двухшпиндельном станке в деталях из сталей разных классов прочности при применении сверл из быстрорежущей стали P18, указано на рис. III.40.
Зона наклепа вокруг просверленного отверстия не превышает 0,5 мм, а твердость зоны наклепа выше твердости основного металла на 20 Нв.
В тех случаях, когда диаметр отверстий больше того, который можно выполнить сверлением, их растачивают на карусельных или расточных станках. Для этого сначала вырезают кислородной резкой отверстие диаметром на 15—20 мм меньше проектного, а затем на станках доводят его до проектного размера расточкой. Диаметр отверстий, образованных таким путем, может быть выдержан с отклонением от проектной величины в пределах 0,5 мм.
В деталях толщиной до 25 мм отверстия большого диаметра (от.80 до 200 мм) можно вырезать на сверлильных станках с помощью специальных оправок с резцами (рис. III.41). Оправка состоит из направляющего стержня 1, шайбы 2 с пазами для резцов 3. Резцы в пазах прижимают винтами 4. Оправка закрепляется в шпинделе сверлильного станка с помощью конуса 5. Сначала в центре будущего отверстия необходимо просверлить отверстие диаметром 20—26 мм, в которое при вырезании отверстий вставляют направляющий стержень оправки.
В тех случаях, когда расстояния между центрами отверстий большого диаметра требуется выдерживать с большой точностью (±0,3 мм), отверстия для направляющего стержня оправки сверлят по кондукторам.
