Сверла

Сверло -  осевой режущий инструмент для образования отверстий в сплошном материале и увеличения диаметра имеющегося отверстия. Сверла являются одним из самых распространенных видов инструментов. В промышленности применяют сверла: спиральные, перовые, одностороннего резания, эжекторные, кольцевого сверления, а также специальные комбинированные. Сверла изготавливают из легированной стали 9ХС, быстрорежущих сталей Р6М5 и др., и оснащенные твердым сплавом ВК6, ВК6-М, ВК8, ВКЮ-М и др.

Спиральные сверла. Спиральные сверла имеют наибольшее распространение и состоят из следующих основных частей: режущей, калибрующей или направляющей, хвостовой и соединительной. Главные режущие кромки сверла (рис. 1,а) прямолинейны и наклонены к оси сверла под главным углом в плане j.

Рис.1.

Режущая и калибрирующая части сверла составляют ее рабочую часть, на которой образованы две винтовые канавки, создающие два зуба, обеспечивающие процесс резания. На рабочей части сверла (рис. 2) имеется шесть лезвий: два главных (1 - 2 и 1' - 2'), два вспомогательных (1 - 3 и 1' - 3'), расположенных на калибрующей части сверла, которая служит для направления в процессе работы и является припуском на переточку, и два на перемычке (0 - 2 и 0 - 2'). Эти лезвия расположены на двух зубьях и имеют непрерывную пространственную режущую кромку, состоящую из пяти разнонаправленных отрезков (3 - 1, 1 - 2, 2 - 2', 2' - 1', 1' - 3').

Рис.2.

Для уменьшения трения об образованную поверхность отверстия и уменьшения теплообразования в процессе работы сверло на всей длине направляющей части имеет занижение по спинке с оставлением у режущей кромки ленточки шириной 0,2 - 2 мм в зависимости от диаметра сверла. Ленточки обеспечивают направление сверла в процессе резания, и только в начале, на длине, равной 0,5 значения подачи, они работают в качестве вспомогательной режущей кромки. Для уменьшения трения при работе на ленточках делают утонение по направлению к хвостовику (обратная конусность 0,03 - 0,12 мм по диаметру на 100 мм длины). Размер утонения зависит от диаметра сверла.

Спиральные сверла из быстрорежущей стали с цилиндрическим хвостовиком изготавливают диаметром от 1 до 20 мм. В зависимости от длины рабочей части сверла делят на короткую (ГОСТ 4010 - 77), среднюю (ГОСТ 10902 - 77) и длинную (ГОСТ 886 - 77 и ГОСТ 12122 -77) серии. Сверла с коническим хвостовиком изготавливают диаметром от 6 до 80 мм (ГОСТ 10903 - 77), удлиненные (ГОСТ 2092 - 77) и длинные (ГОСТ 12121 - 77). Мелкоразмерные сверла диаметром от 0,1 до 1,5 мм для увеличения прочности изготавливают с утолщенным цилиндрическим хвостовиком  (ГОСТ 8034 - 76).

Рекомендуемые материалы

Быстрорежущие сверла диаметром свыше 6 - 8 мм делают сварными, хвостовики у этих сверл, а также хвостовики и корпуса у сверл, оснащенных твердым сплавом, изготавливают из стали 45, 40Х, кроме того, для корпусов сверл, оснащенных твердым сплавом, применяют сталь 9ХС и быстрорежущие стали.

Режущая часть сверла. Производительность и стойкость сверла во многом зависят от значения главного угла в плане j. Подобно главному углу в плане проходного резца, угол j сверла влияет на составляющие силы резания, длину режущей кромки и элементы сечения стружки. Обычно на чертежах сверл указывают значение угла при вершине 2j. С увеличением угла при вершине сверла уменьшается активная длина режущей кромки и увеличивается толщина срезаемого слоя, при этом увеличиваются силы, действующие на единицу длины режущей кромки, что вызывает повышенное изнашивание сверла. При увеличении угла 2j сечение срезаемого слоя остается неизменным, степень его деформации уменьшается, суммарная составляющая силы резания, определяющая крутящий момент, падает. Суммарная осевая сила резания сверла при увеличении угла 2j возрастает. Это объясняется изменением положения относительно оси сверла плоскости N - N, перпендикулярной к режущей кромке, при этом часть сил, действующих на режущую кромку сверла, взаимно уравновешивается.

Передние углы на поперечной режущей кромке при увеличении угла 2j  уменьшаются, что ухудшает внедрение этой кромки в материал заготовки и приводит к возрастанию осевых сил при сверлении, при этом возрастает опасность появления продольного изгиба сверла. Увеличение угла при вершине 2j приводит к более плавному изменению передних углов вдоль главной режущей кромки, что улучшает режущие способности сверла и облегчает отвод стружки.

Опыты показывают, что при уменьшении угла 2j от 140° до 90° осевая составляющая силы резания снижается на 40 - 50%, а крутящий момент увеличивается на 25 - 30%.

Рекомендуемые на основании экспериментальных данных и производственного опыта значения угла 2j при обработке заготовок из различных материалов приведены ниже.

Передний угол главных режущих кромок сверла определяется в осевом g или нормальном к режущей кромке g_н сечениях. При отсутствии подточки по передней поверхности передний угол в осевом сечении для каждой точки режущей кромки зависит от угла наклона винтовой канавки, проходящей через эту точку:

tgw_x = r_xtgw/r,

где w_х - угол наклона винтовой канавки в данном сечении; r_х - радиус, на котором определяют угол наклона винтовой канавки; r - наружный радиус сверла; w - угол наклона винтовой канавки на наружном диаметре.

Передний угол в нормальном сечении для заданной точки х при смещении режущей кромки относительно оси симметрии канавок сверла, может быть определен по формуле

где m_х определяют из выражения sinm_x = a/r_x; a - смещение главной режущей кромки относительно оси симметрии сверла; r_х - радиус сверла, на котором находится рассматриваемая точка.

Рис.3

Для режущих кромок сверла, расположенных на оси симметрии канавок, т. е. при а = 0, формула принимает такой вид:

tgg_нх = tgw_x/sinj.

Как видно из этой формулы, передние углы переменны по длине режущей кромки. Передний угол имеет максимальное значение в точке, расположенной у наружного диаметра, и уменьшается, доходя до отрицательных значений у поперечной кромки сверла.

Рис.4.

Угол наклона винтовых канавок сверла w, задаваемый по наружному диаметру, оказывает большое влияние на прочность и жесткость сверла и отвод стружки. С увеличением угла w увеличивается передний угол, облегчается процесс резания, улучшается отвод стружки, повышается жесткость сверла на кручение, но снижается жесткость в осевом направлении. Влияние угла w на снижение крутящего момента и осевой составляющей силы резания резко сказывается при увеличении угла w до 25 -  35°. При дальнейшем увеличении угла w силы резания практически не уменьшаются, но происходит ослабление прочности лезвия у периферии сверла. Во избежание этого следует производить подточку по передней поверхности под углом, меньшим w. Для обычных серийно выпускаемых сверл диаметром до 10 мм w = 25...28°, для сверл больших диаметров w = 30...35°.

Международная организация по стандартизации ISO рекомендует три типа сверл: сверла типа Н, предназначенные для обработки хрупких материалов (чугуна, бронзы, латуни) с w = 10...16°; сверла типа N для обработки большой группы материалов, образующих элементную стружку с w = 25...35°; сверла типа W для эбработки вязких материалов (алюминия, меди, дюралюминия и др.) с w = 35...45°. Иногда вместо угла w указывают шаг винтовой канавки P_z = pd/tgw, где d - наружный диаметр сверла.

Передние углы на поперечной режущей фомке имеют большие отрицательные значения (до -60°). Ввиду этого поперечная режущая кромка не режет, а вдавливается в металл и скоблит дно отверстия, расходуя при этом до 65% осевой составляющей силы резания и около 15% крутящего момента.

Задний угол образуется на режущей части сверла на главных и поперечных режущих кромках и находится между касательной к задней поверхности в данной точке режущей кромки и касательной в той же точке к траектории ее вращения вокруг оси сверла. Задние углы измеряют или в плоскости NN нормальной к режущей кромке (угол a_н) или в плоскости 00, параллельной оси сверла (угол a₀) (рис. 4). Зависимость между углами a_н и a₀ может быть выражена формулой

tga_H = tga_osinj.

Для получения близких по значению углов заострения вдоль режущей кромки и обеспечения достаточного значения заднего угла в процессе резания задний угол делают переменным вдоль режущей кромки. На периферии он равен 8 - 14°, а у сердцевины 20 - 25° в зависимости от диаметра сверла. Технологически наиболее простым является оформление задней поверхности по плоскости (рис.5,а). Однако при этом способе для обеспечения достаточного зазора между задней поверхностью и поверхностью резания необходимо иметь задние углы не менее 20 - 25°, кроме того нельзя получить значения заднего угла и угла наклона поперечной кромки, не зависящие от угла при вершине сверла и заднего угла на периферии. Недостатком сверл с одноплоскостной формой задней поверхности является также прямолинейная поперечная кромка, которая при работе без кондуктора не обеспечивает правильного центрирования сверла.

Рис.5,а

Двухплоскостная форма задней поверхности сверл (рис. 5,б) позволяет получить независимые значения заднего угла на периферии, угла при вершине и угла наклона поперечной кромки.

Этот результат может быть получен также при конической, цилиндрической и винтовой форме задней поверхности (рис.5, в - д). Коническая форма задней поверхности сверла является участком конической поверхности, ось которой параллельна проекции главной режущей кромки сверла на торцовую плоскость. Для образования задних углов вершина конуса должна быть смещена относительно оси сверла на величину, равную или больше радиуса перемычки, и ось конуса наклонена к продольной оси сверла под углом а. Цилиндрическая часть задней поверхности сверла является участком цилиндрической поверхности. Этот метод редко применяют.

Винтовая часть задней поверхности сверла является развертывающейся винтовой поверхностью. Она позволяет (по сравнению с конической поверхностью) получить более рациональное распределение значений задних углов и более выпуклую поперечную кромку сверла, что улучшает самоцентрирование сверла при работе. У сверл с винтовой задней поверхностью увеличиваются значения задних углов на поперечной режущей кромке, что приводит к уменьшению осевых нагрузок по сравнению со сверлами, заточенными другими способами. Большим преимуществом винтовой заточки является возможность автоматизации процесса заточки.

Твердосплавные сверла. Для сверления заготовок из чугуна, цветных металлов, пластмассы, мрамора, гранита и других неметаллических материалов применяют твердосплавные сверла. При сверлении заготовок из сталей эти сверла редко применяют из-за нестабильности работы (поломки, выкрашивания и незначительного увеличения производительности при их эксплуатации).

Рис.6.

Сверла диаметром от 5 до 30 мм оснащают пластинами или коронками из твердого сплава. Недостатками конструкции сверл с напайной пластиной из твердого сплава (ГОСТ 22735 - 77 и ГОСТ 22736 - 77) (рис. 6) являются ослабление корпуса в месте расположения пластины и расположение места припайки пластины в зоне резания, что может приводить к их отпаиванию в процессе работы. Сверла с припаянными встык коронками из твердого сплава лишены этих недостатков. Длину коронки берут равной 1 - 2 диаметра сверла.

У твердосплавных сверл диаметром от 3 до 12 мм рабочую часть делают из твердого сплава и впаивают в стальной хвостовик (ГОСТ 17275 - 71), сверла диаметром от 1,0 до 12 мм делаются целиком из твердого сплава (ГОСТ 17273 - 71, ГОСТ 17274 - 71 и др.).

Для успешной работы твердосплавных сверл необходимо обеспечить их повышенные прочность и жесткость по сравнению со сверлами из быстрорежущей стали, что обеспечивается увеличением диаметра сердцевины до 0,25 диаметра сверла. У сверл малых диаметров, предназначенных для сверления отверстий в труднообрабатываемых материалах, диаметр сердцевины может быть увеличен до 0,32 - 0,35 диаметра сверла с одновременным уменьшением длины рабочей части сверла и созданием на ней обратной конусности.

Угол наклона винтовых канавок у сверл выбирают равным 20°. Для сверл, обрабатывающих отверстия длиной свыше 3 - 4 диаметров сверла, угол наклона винтовых канавок должен быть увеличен до 45 - 60°. У сверл, оснащенных пластинами из твердого сплава, для создания более прочной опоры под пластиной переднюю поверхность корпуса на ее длине выполняют плоской с углом наклона 7 - 10°. На сверлах подтачивают перемычку, оставляя ее длину в пределах 0,1 - 0,15 диаметра сверла. По передней поверхности сверла делают подточку под углом g_н = 0...5° в зависимости от материала заготовки.

Используетя конструкция сверла, оснащенного трехгранными твердосплавными пластинами. Сверла с такими пластинами изготавливают, начиная с диаметра 17,5 мм и выше, с прямыми канавками, в них делают специальные отверстия для подачи в зону резания смазывающе-охлаждающей жидкости. Для оснащения сверл применяют пластины с положительными задними углами и отверстием, имеющим криволинейную образующую. Крепление и точная фиксация пластины в корпусе производятся винтом с конической головкой. Диаметр винта меньше диаметра отверстия пластины. При завинчивании винта коническая головка давит на криволинейную образующую пластины и фиксирует ее в корпусе сверла, при этом ось отверстия пластины смещается относительно оси винта. На передней поверхности пластин имеются стружколомающие канавки, обеспечивающие получение стружки малой длины, которая легко удаляется из канавок инструмента. Пластина, установленная на одном пере, обеспечивает рассверливание отверстия по центру, вторая пластина смещена к периферии сверла и образует отверстие требуемого диаметра.

Сверла этой конструкции эффективно применяют при обработке отверстий в заготовках из разных металлов, в том числе из углеродистых и легированных сталей. Так, при обработке отверстий в заготовках из углеродистых сталей с пределом прочности не более 800 МПа сверла работают при скорости 100 - 140 м/мин. Обладая высокой жесткостью и хорошей системой подачи СОЖ в зону резания, эти сверла позволяют вести обработку с повышенными подачами по сравнению со спиральными сверлами из быстрорежущей стали.

Основные констр. элементы спирального сверла: рабочая часть и копрус с элементами крепления.

Лекция "9 Последовательностные схемы" также может быть Вам полезна.

Рабочая часть обеспечивает съем припуска, перемещение потока стружки, направление сверла при обработке, достаточный запас на переточку. Хар-ся геометр. параметрами углов заточки, формой и профилем участков, образующих режущие кромки, формой самих кромок, габаритными размерами, точностью исполнения и взаимным расположением режущих и направляющих элементов, качеством поверхности. Материал рабочей части - 9ХС, БС, ТС - ВК.

Сверла из БС Æ свыше 8 мм с цилиндр. хвостовиками и свыше 6 мм с коническими - сварные. Допускается цельные до 12 мм из светлотянутой шлифованной стали (сереб-рянки).

Твердость  рабочей части из БС Æ до 5 мм HRC 62-64 свыше 5 мм - HRC 62-65.

Корпуса сверл с пластинками из ТС - Р9, 9ХС (HRC 56-62), 40Х, 45Х(40-50).

Геометрия сверла.