В процессе резания сверло испытывает сопротивление со стороны обрабатываемого материала. На каждую точку режущей кромки действуют силы сопротивления. Заменим их равнодействующей силой, приложенной к точке А на расстоянии, примерно равном D /4 от оси сверла. Последнюю можно разложить на три составляющие силы Р x , Р у и Р z (рис.72.)
Рис. 72. Силы, действующие на сверло
Сила сопротивления Р х направлена вдоль оси сверла. В этом же направлении действует сила Р п на поперечную кромку, сила трения Р т ленточки о поверхность отверстия, cилы сопротивления, действующие на сверло вдоль ее оси, на ось X заменим равнодействующей силой Р 0 , которая называется осевой силой или силой подачи. Она преодолевается механизмом подачи станка. Последний должен передать на шпиндель станка осевую силу Р" 0 , способную преодолеть силу Р 0 . Максимальная осевая сила, допускаемая механизмом подачи станка, приводится в его паспорте.
Формулы для подсчета осевой силы и момента при сверлении:
Определение силы Р 0 и момента М кр производится по эмпирическим формулам, полученным экспериментальным путём. Для сверл из инструментальных сталей при обработке стальных и чугунных деталей они имеют следующий вид:
; , кГс·мм – при сверлении;
; , кГс·мм при рассверливании.
где: С р и С м – коэффициенты, зависящие от обрабатываемого металла, формы заточки сверла и условий резания;
z p , x p , y p , z M , x M и y M – степени влияния диаметра сверла D , глубины резания t , подачи s на осевую силу P 0 и крутящий момент при сверлении М ;
K p и K M – поправочные коэффициенты на изменённые условия сверления;
Радиальные силы Р у , разнонаправленные, уравновешиваются (SР у = 0). Сила Р z создает момент сопротивления резанию М на главных режущих кромках, а сила Р т ’, касательная к ленточке, - момент трения на ней (им обычно пренебрегают).
Относительное влияние элементов сверла на силу резания и момент кручения при сверлении приведены в таблице 16.
Таблица 16. Влияние элементов сверла на осевую силу P 0 икрутящиймоментМ
Момент сопротивления резанию M рез преодолевается механизмом главного движения, т. е. крутящим моментом на шпинделе станка М кр . На каждой ступени шпинделя станка мощность N шп постоянна, момент М кр переменный. Он зависит от частоты вращения (числа оборотов) п на данной ступени и определяется:
М кр = 716200·1,36·() кГс мм ; N шп = N дв ·h , кВт ,
М кр = 974000·() кГс мм .
Зная момент сопротивления М , можно определить эффективную мощность N э затрачиваемую на резание при сверлении,
Мощность на подачу сверла составляет около 1 % от мощности и в расчетах не учитывается. По мощности определяют мощность, которую должен иметь электродвигатель станка для обеспечения заданного процесса резания:
, кВт
Станок пригоден для заданных условий сверления, если N шп > N e .
6.4. Влияние различных факторов на осевую силу и момент при сверлении. На осевую силу Р 0 и момент сопротивления резанию М влияют свойства обрабатываемого материала, геометрические параметры сверла, элементы среза (диаметр, подача) и др.
6.4.1. Свойства обрабатываемого материала . Чем выше предел прочности σ в и твердость НВ материала, тем больше его сопротивление резанию, тем выше значения Р 0 и М . Для сверл из быстрорежущей стали получены экспериментально следующие зависимости:
, и - для стали;
, и - для чугуна.
где: С р и С м – коэффициенты, зависящие от условий резания.
6.4.2. Геометрические параметры сверла . С увеличением угла w осевая сила Р 0 и момент М уменьшаются в связи с увеличением передних углов γ х на главных режущих кромках и облегчением отвода стружки. Угол j , (2j ) влияет на составляющие силы резания и момент по аналогии с точением: при уменьшении угла осевая сила Р 0 уменьшается, а тангенциальная Р z увеличивается, тем самым увеличивается и М . С уменьшением угла 2j сопротивление резанию в связи с увеличением γ х уменьшается, но одновременно увеличивается ширина среза и уменьшается его толщина. Последнее ведет к росту деформации (тонкие стружки деформируются полнее) и, следовательно, росту силы Р x и момента М . Угол наклона поперечной кромки d > 90° (см. рис. 72) и это значительно увеличивает осевую силу Р 0 . Ранее было отмечено, что сила, действующая на поперечную кромку Рп = 0,55Р 0 . Для ее снижения уменьшают длину кромки путем подточки, увеличивают ее передний угол, тем самым создаются более благоприятные условия резания вблизи нее. На величину М геометрия поперечной кромки влияет слабо. Двойная заточка сверла также слабо влияет на Р 0 и М .
Диаметр сверла и подача. С увеличением диаметра сверла D и подачи s увеличиваются ширина и толщина срезаемого слоя, следовательно, возрастают силы и момент резания. Экспериментально установлено, что диаметр сверла влияет на Р 0 в большей степени (1), чем подача (0,8). Для объяснения можно привести аналогию с точением, где глубина резания t влияет в большей степени на силы резания, чем подача (см.), а при сверлении t = D /2 мм. Подача влияет примерно в одинаковой степени (0.8) на осевую силу Р 0 и крутящий момент М , а диаметр влияет в большей степени (1,9) на М и в меньшей - на Р 0 (1). Это объясняется тем, что при увеличении диаметра й возрастает сила Р z , создающая момент М , и одновременно увеличивается длина плеча, на котором действует эта сила, что также способствует увеличению М (рис.).
Охлаждающая жидкость. Подача охлаждающей жидкости в зону резания облегчает отвод стружки, уменьшает работу трения и замедляет износ сверла. Она способствует снижению осевой силы Р 0 и момента М до 25% при обработке стальных деталей и до 15% - при обработке чугунных.
Износ сверла
Природа и характер износа сверл и резцов одинаковы. При обработке вязких материалов (сталей и др.) быстрорежущими сверлами изнашиваются передние и задние поверхности сверла (рис. 73.), а у твердосплавных сверл передние поверхности изнашиваются незначительно.
Рис. 73. Характер износа сверла: А – по задней поверхности; Б – по ленточке; В – по уголкам; Г – по передней поверхности
При обработке хрупких материалов (чугуна, пластмассы и др.) преимущественно изнашиваются задние поверхности и уголки сверла. Передние и задние поверхности сверла более интенсивно изнашиваются на периферии, так как здесь скорость резания наибольшая и уголки сверла, являясь ослабленным местом, сильно нагреваются и разрушаются. Закономерность износа свёрл примерно та же, что и резцов при точении (Рис. 74).
Рис. 74. Характер протекания износа сверла от времени работы
Оценку износа рекомендуется производить: при обработке вязких материалов -по длине износа по задним поверхностям h з , для хрупких материалов - по длине износа уголков h y . Допустимая величина износа -критерий износа при сверлении быстрорежущими свёрлами:
h З кр = 0,4…1,2 мм, при обработке стали;
При обработке чугуна быстрорежущими свёрлами в качестве критерия износа принимается износ по длине уголков.
h у = 0,4…1,2 мм – обработка сверлом из быстрорежущей стали;
h у = 0,9…1,4 мм. – обработка сверлом из твёрдого сплава;
Период стойкости Т , мин, зависит от диаметра сверла и обрабатываемого материала.
Т = (1,0…1,25)∙D – обработка стали быстрорежущими свёрлами;
T = (1,25…1,5) D – обработка чугуна быстрорежущими свёрлами;
Т = (1,5…2,0) D – обработка чугуна свёрлами из твёрдого сплава.
В результате проведенных опытов при сверлении стали быстрорежущими сверлами получена следующая зависимость:
Из полученных результатов видно, что на износ сверла в большей степени влияет скорость, в меньшей - подача. Это становится понятным, если учесть, что на температуру резания степень влияния скорости примерно в 2 раза выше, чем подачи.
Сверление является значительно более сложным процессом, чем точение; образование стружки протекает в более тяжелых условиях. Это зависит от условий работы сверла и особенностей его конструкции.
В процессе резания затруднены отвод стружки и подача охлаждающей жидкости к режущим кромкам. При отводе стружки возникает значительное трение между ней, поверхностью канавки сверла и отверстия детали. В результате повышаются деформация стружки и тепловыделение, ухудшается теплоотвод от режущих кромок, ускоряется износ сверла и снижается его стойкость. Скорость резания, допускаемая режущими свойствами сверла, зависит от тех же факторов, что и при точении. Кроме того, существенное влияние оказывает глубина сверления.
6.7.1. Стойкость сверла. Зависимость между скоростью и стойкостью Т такая же, как и при точении. С увеличением скорости резко возрастает интенсивность износа сверла, так как увеличиваются работа резания и количество выделяемого тепла и, следовательно, уменьшается его стойкость. Зависимость выражается известной формулой:
, м/мин или , мин.
Величина m обычно колеблется в пределах 0,125…0,5 в зависимости от обрабатываемого материала и материала сверла. Для быстрорежущих сверл m = 0,2 для стали и m = 0,125 для чугуна. Для твердосплавных сверл m = 0,4 для чугуна. При абразивном износе, имеющем место при обработке пластмасс, m = 0,4…0,5. Стойкость Т зависит от диаметра сверла D и свойств обрабатываемого материала: чем больше D , тем выше Т ; причем для хрупких материалов Т выше. Например, стойкость быстрорежущих сверл D ≤ 5 мм равна 15 мин - по стали и 20 мин - по чугуну; для сверл D = 6…50 мм стойкость соответственно равна 25…90 и 35…140 мин. Это объясняется тем, что при одинаковых условиях обработки силы сопротивления резанию чугуна значительно меньше, чем стали. Значения Т , С и m приводятся в нормативах режимов резания при сверлении.
6.7.2. Свойства обрабатываемого материала и материала инструмента влияют на скорость резания по аналогии с точением. Зависимости между скоростью и механическими свойствами материала для быстрорежущих сверл имеют следующие выражения:
V = - при обработке деталей из углеродистых и легированных сталей; и: V = - при обработке деталей из серых и ковких чугунов.
Допускаемая скорость существенно зависит от материала инструмента. Например, сверла из твердого сплава марки ВК6М позволяют увеличить скорость более чем в 3 раза при обработке вязких материалов (сталей) и в 4 раза при обработке хрупких (чугуна) по сравнению с быстрорежущими.
6.7.3. Геометрия и диаметр сверла. Геометрия сверла влияет на теплообразование и теплоотвод от режущих кромок, а следовательно, на интенсивность износа и стойкость сверла. Для повышения стойкости, или скорости резания, допускаемой сверлом, производят специальную заточку сверла, в результате которой улучшается его геометрия. Способы заточки приведены выше.
Экспериментально установлено, что с увеличением диаметра D при неизменных условиях сверления повышается стойкость, или допускаемая сверлом скорость резания. Это объясняется тем, что при увеличении диаметра D увеличивается масса металла, отводящая тепло от режущих кромок, ленточек и рабочих поверхностей в тело сверла, а также в тело детали. По аналогии с точением ширина среза (b = ) влияет незначительно на температуру резания и тепловая напряженность режущей кромки с увеличением диаметра D растет слабо. Видимо, тепловыделение растет менее интенсивно, чем теплоотвод от режущих кромок и поверхностей трения, поэтому стойкость сверла увеличивается.
6.7.4. Подача и глубина сверления. Подача при сверлении влияет по аналогии с точением. При увеличении подачи увеличиваются толщина и сечение среза, возрастает работа резания и количество выделяемого тепла, и, следовательно, уменьшается допускаемая сверлом скорость резания.
Глубина сверления l по мере возрастания усложняет условия резания: ухудшается отвод стружки, удлиняется время контакта стружки с поверхностью канавки сверла и детали, повышается работа трения и деформация стружки, затрудняется подача охлаждающей жидкости в зону резания и в результате сверло сильно нагревается. Поэтому при l = 5∙D скорость резания уменьшают примерно на 25%, а при l = 10∙D - до 59%. Для глубокого сверления применяют сверла специальных конструкций (ружейные, ВТА и др.).
6.7.5. Охлаждающая жидкость необходима особенно при сверлении пластичных металлов и глубоких отверстий. Удаление (вымывание) стружки с большой глубины производят СОЖ под большим давлением в 100…200 МПа. Для этой цели применяют сверла с внутренним подводом охлаждающей жидкости через каналы в конструкции сверла. Охлаждение позволяет увеличить скорость резания на 25…30%.
Лабораторная работа № 6
Расчёт режимов резания при сверлении
Цель работы: научиться рассчитывать наиболее оптимальные режимы резания при сверлении по аналитическим формулам.
1. Глубина резания t , мм. При сверлении глубина резания t = 0,5 D , при рассверливании, зенкеровании и развертывании t = 0,5 (D – d ) ,
где d – начальный диаметр отверстия;
D – диаметр отверстия после обработки.
2. Подача s , мм/об. При сверлении отверстий без ограничивающихся факторов выбираем максимально допустимую по прочности сверла подачу (табл.24). При рассверливании отверстий подача, рекомендованная для сверления, может быть увеличена до 2 раз. При наличии ограничивающих факторов подачи при сверлении и рассверливании равны. Их определяют умножением табличного значения подачи на соответствующий поправочный коэффициент, приведенный в примечании к таблице. Полученные значения корректируем по паспорту станка (приложение 3). Подачи при зенкеровании приведены в табл. 25, а при развертывании – в табл.26.
3. Скорость резания v р , м/мин. Скорость резания при сверлении
https://pandia.ru/text/80/138/images/image003_138.gif" width="128" height="55">
Значения коэффициентов С v и показателей степени m , x , y , q приведены для сверления в табл.27, для рассверливания, зенкерования и развертывания – в табл. 28, а значения периода стойкости Т – табл. 30.
Общий поправочный коэффициент на скорость резания, учитывающий фактические условия резания,
Кv = Кмv Киv Кιv ,
где Кмv - коэффициент на обрабатываемый материал (см. табл. 1, 3, 7, 8);
Киv – коэффициент на инструментальный материал (см. табл. 4);
Кιv, - коэффициент учитывающий глубину сверления (табл. 29). При рассверливании и зенкеровании литых или штампованных отверстий вводится дополнительно поправочный коэффициент Кп v (см. табл. 2).
4. Частоту вращения n , об/мин, рассчитывают по формуле
https://pandia.ru/text/80/138/images/image005_96.gif" width="180" height="51">
5. Крутящий момент M кр , Н·м, и осевую силу Ро , Н, рассчитывают по формулам:
при сверлении
Мкр = 10 См Dqsy Кр;
Р0 = 10 Ср Dqsy Кр;
при рассверливании и зенкеровании
Мкр = 10 См Dq tx sy Кр;
Р0 = 10 Ср tx sy Кр;
Значения См и Ср и показателей степени q , x , y приведены в табл. 31.
Коэффициент Kp , учитывающий фактические условия обработки, в данном случае зависит только от материала обрабатываемой заготовки и определяется выражением
Кр = Кмр.
Значения коэффициента Кмр приведены для стали и чугуна в табл. 11, а для медных и алюминиевых сплавов – в табл. 10.
Для определения крутящего момента при развертывании каждый зуб инструмента можно рассматривать как расточной резец. Тогда при диаметре инструмента D крутящий момент, H·м,
;
здесь sz – подача, мм на один зуб инструмента, равная s/z ,
где s – подача, мм/об, z – число зубьев развертки. Значения коэффициентов и показателей степени см. в табл. 22.
6. Мощность резания Ne , кВт , определяют по формуле:
где n пр - частота вращения инструмента или заготовки, об/мин,
Мощность резания не должна превышать эффективную мощность главного привода станка N е < N э (, где N дв - мощность двигателя, h - кпд станка). Если условие не выполняется и N е > N э , снижают скорость резания. Определяют коэффициент перегрузки рассчитывают новое меньшее значение скорости резания https://pandia.ru/text/80/138/images/image011_47.gif" width="75" height="25 src=">, где Рост – осевая сила станка.
7. Основное время То , мин, рассчитывают по формуле ,
где L – длина рабочего хода инструмента, мм;
Длина рабочего хода, мм, равна L = l + l 1 + l 2 ,
где l – длина обрабатываемой поверхности, мм;
l 1 и l 2 – величины врезания и перебега инструмента, мм (см. приложение 4).
Таблица 1
Поправочный коэффициент К мv , учитывающий влияние физико-механических свойств обрабатываемого материала на скорость резания.
Обрабатываемый материал | Расчетная формула |
|
|
Серый чугун |
|
Ковкий чугун |
|
Примечания: 1. σв и НВ – фактические параметры. Характеризующие обрабатываемый материал, для которого рассчитывается скорость резания. 2. Коэффициент Кr характеризующий группу стали по обрабатываемости, и показатель степени nv см. в табл.7. |
Таблица 2
Поправочный коэффициент Кп v , учитывающий влияние состояния поверхности заготовки на скорость резания.
Таблица 3
Поправочный коэффициент Км v , учитывающий влияние физико-механических свойств медных и алюминиевых сплавов на скорость резания.
Таблица 4
Поправочный коэффициент Киv , учитывающий влияние инструментального материала на скорость резания.
Обрабатываемый материал | Значения коэффициента Ки v в зависимости от марки инструментального материала |
||||||
Сталь конструкционная | |||||||
Коррозионно-стойкие и жаропрочные стали | |||||||
Сталь закаленная | Н RС 35 – 50 | Н RС 51 – 62 |
|||||
Серый и ковкий чугун | |||||||
Сталь, чугун, медные и алюминиевые сплавы | |||||||
В детали из чугуна КЧ35-10 необходимо получить сквозное отверстие 45Н8 с шероховатостью Rz=8 мкм. Глубина отверстия 52 мм. Операция выполняется на станке 2170.
Получить отверстие 45Н8 с Rz=8 мкм одним сверлом невозможно. Установим технологический маршрут обработки.
По справочным данным найдём, что с целью получения отверстия указанных выше размеров и шероховатости необходимо применить:
Сверление;
Зенкерование;
Зенкерование чистовое;
Развёртывание.
Это значит, что после сверления необходимо оставить припуск на зенкерование, а после зенкерования оставить припуск на развёртывание.
В справочнике найдём, что для обработки отверстия диаметром до 45 мм при зенкерование t2=3.48мм, чистовом зенкеровании рекомендуется t3=0.48 мм, а при развёртывании - t3=0.1 мм.
Там же найдём, что в зависимости от последовательности переходов на глубину резания надо взять поправочный коэффициент Kt:
Kt2=1,1; Kt3=1,55; Kt4=2,8.
Таким образом, с учётом особенностей маршрута обработки необходимо иметь:
Определим диаметры инструментов:
Диаметр развёртки
Диаметр зенкера чистового
Диаметр зенкера
Диаметр сверла
Уточняем диаметр сверла, округлив его до ближайшего по ГОСТ. Градация диаметров спиральных свёрл приведена в справочнике. Свёрла с диаметром от 30 до 50 мм выпускаются инструментальной промышленностью с интервалом изменения диаметров, равным 0,5 мм. С учётом сказанного выбираем D1=35 мм. В связи с коррекцией диаметра сверла корректируем и диаметры других инструментов.
В данном случае получим:
Различные коэффициенты, необходимые для определения параметров резания, характеристики сталей и сплавов и рекомендации были выбраны из справочного методического пособия В. И. Лепилина «Режимы резания авиационных материалов при сверлении, зенкеровании и развёртывании».
Сверление
Обрабатываемый материал относится к чугунам. Чугун КЧ35-10 имеет?b=350 МПа.
Выбор основных размеров и геометрии инструмента.
Анализируя перечень стандартов на спиральные быстрорежущие свёрла устанавливаем, что для чугунов по ГОСТ 10903-77 изготавливаются спиральные длинные свёрла с коническим хвостовиком. Выбираем сверло 35 мм из стали Р18 с общей длиной L=350 мм, длиной спиральной части l=230 мм и коническим хвостовиком Морзе №3. Для сверления труднообрабатываемых материалов рекомендуется двойная заточка с подточкой перемычки и ленточки - ДПЛ.
Таблица 2.
|
Элемент режущей части |
||
|
Угол наклона винтовой канавки |
||
|
Угол между режущими кромками |
||
|
Угол между переходными режущими кромками |
||
|
Длина переходных кромок В=0.2D |
||
|
Угол наклона поперечной кромки |
||
|
Задний угол |
||
|
Длина подточенной поперечной кромки А=0.1D |
||
|
Ширина фаски на передней поверхности |
||
|
Длина подточки перемычки l=0.2D |
||
|
Длина подточки ленточки l 1 =0.1D |
||
|
Задний угол на подточенной части ленточки |
||
|
Ширина оставленной ленточки |
Устанавливаем критерий износа и оптимальный период стойкости. Для быстрорезов при обработке титановых сплавов h3=0.02D1.2=1,43; Т=3D или Т=105 мин.
Выбор глубины резания
При сверлении t=D/2, а следовательно для нашего случая t=17,5 мм.
Выбор подачи.Подача, допускаемая прочностью механизма подач станка.
для станка 2170
По справочнику:
Следовательно,
Подача, допускаемая прочностью инструмента.
При сверлении инструментами из быстрорежущих сталей
Подача по жесткости системы СПИД в связи с заданной точностью и шероховатостью обработанной поверхности.
При сверлении труднообрабатываемых материалов в жёстких деталях без допуска и с допуском до 12 квалитета под последующее зенкеровагние или расточку резцом
Выбор наибольшей технологически допускаемой подачи
Из найденных значений s1=3,48мм/об; s2=1,54мм/об; s3=1,155 мм/об выбираем наименьшее и сопоставляем с имеющимися значениями на станке 2170. Принимаем ближайшее меньшее из них к меньшему расчётному. Будем иметь s0=1,05мм/об. Это и есть наибольшая технологически допускаемая подача.
Выбор скорости резания.
Частота вращения шпинделя станка может быть определена по формуле:
В справочнике находим:
Подставив всё необходимое в формулу, получим:
Сопоставляя с паспортными данными станка, находим:
Определяем подачу для nx+1:
Согласовывая с паспортными величинами подач, будем иметь
Решаем вопрос о наивыгоднейшем сочетании s и n.