Геометрические параметры режущей части сверла

8.1. КОНСТРУКТИВНЫЕ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ СПИРАЛЬНЫХ СВЕРЛ И РАЗМЕРЫ СРЕЗАЕМОГО СЛОЯ

Спиральное сверло (рис. 8.1) состоит из рабочей части, шейки и хвостовика. В свою очередь рабочая часть сверла состоит из режущей и калибрующей частей. На режущей части сверла, заточенной на конус с углом при вершине 2ср, располагаются две симметрично расположенные главные режущие кромки /, представляющие собой линии пересечения двух винтовых передних 2 и двух фасонных главных задних поверхностей 3. Главные режущие кромки соединены поперечной режущей кромкой (перемычкой) 4 — линией пересечения двух главных задних поверхностей. На наружной поверхности сверла, выполненной в виде двух направляющих калибрующих ленточек шириной/ находятся две вспомогательные режущие кромки 5. Передняя поверхность спирального сверла представляет собой линейчатую конволюгную винтовую поверхность, гак как она образуется винтовым движением с постоянным шагом главной режущей кромки, наклоненной к оси сверла под углом ф по направляющему цилиндру, диаметр которого равен

Рис.8.2. Передняя поверхность спирального сверла

Рис. 8.1. Основные конструктивные элементы и геометрические параметры спирального сверла:

1 — главная режущая кромка; 2 — передняя поверхность; 3 — главная задняя поверхность; 4 — поперечная режущая кромка; 5 — вспомогательная режущая кромка

диаметру сердцевины сверла d₀ (рис. 8.2). К основным геометрическим параметрам спирального сверла, кроме угла ф, относятся угол со — угол наклона винтовых стружечных канавок к оси сверла, измеряемый на наружном диаметре сверла d, и угол Ф — угол наклона поперечной режущей кромки (перемычки). Калибрующая часть сверла не только калибрует отверстие, но и выступает в качестве направляющей инструмента в обработайном отверстии и служит запасом на переточку сверла, осуществляемую по задним поверхностям.

Для снижения сил трения на направляющих ленточках их ширина , где d — диаметр сверла. Во избежание

защемления сверла в обработанном отверстии, возможном из-за упругого восстановления поверхности последнего, на ленточках предусматривают обратную конусность, т.е. уменьшение диаметра инструмента в направлении к хвостовику в пределах 0,03. 0,12 мм на 100 мм длины рабочей части сверла.

Для повышения продольной устойчивости сверла предусмотрена прямая конусность его сердцевины, г.е. увеличение диаметра сердцевины к хвостовику в пределах 1,4. 1,7 мм на 100 мм длины рабочей части сверла. При этом начальный диаметр сердцевины сверла d_n = (0,15. 0,25)с/.

Для крепления сверла в шпинделе станка служит хвостовик, который может быть коническим (конус Морзе) или цилиндрическим. Хвостовики спиральных сверл изготавливают из конструкционной стали и соединяют сваркой с рабочей частью.

Половина угла при вершине сверла ф выполняет роль угла в плане. У стандартных сверл универсального назначения угол 2ф = = 116. 120°. Этот угол можно изменить путем заточки, но при этом нарушается прямолинейность главных режущих кромок и изменяется фактическое значение передних углов. Обычно угол 2ф у спиральных сверл затачивают в пределах 2ф = 70. 135°. При этом меньшее значение этого угла берут при сверлении хрупких материалов, например чугунов, а большее — при сверлении вязких легированных сталей и цветных металлов.

Передние и задние углы на главных режущих кромках сверла переменны но длине этих кромок. На рис. 8.3 в произвольно взятой точке i на радиусе эти углы показаны в трех сечениях: 1) N-N — перпендикулярно к главной режущей кромке; 2) А-А — параллельно оси сверла; 3) В

В — касательно к окружности радиусом г_г

Рис. 8.3. Передние и задние углы спирального сверла в различных сечениях

Значения передних углов в сечении А—А зависят от угла со, наклона воображаемой винтовой линии к оси сверла:

Если принять, что превышение главных режущих кромок относительно оси сверла г =с/ /2 = 0, где с/ — диаметр сердцевины сверла, то передний угол в продольном сечении А-А

Передний угол в нормальном сечении N-N

Таким образом, передние углы у _Aj и у_Л., изменяются по длине главных режущих кромок спирального сверла.

У стандартных спиральных сверл превышение главных режущих кромок г₀ > 0 и поэтому определение фактических (рабочих) передних углов у_Л,_ф. в сечении N-N значительно усложняется. Эго объясняется тем, что основная плоскость, относительно которой отсчитываются передние углы, проходит через главную режущую кромку и перпендикуляр к вектору скорости резания v,. Поэтому положение основной плоскости в /-й точке переменно и отклоняется от плоскости, параллельной оси сверла, на угол г|₍. (рис. 8.4, б). При этом поверхность резания будет представлять собой не конус, а поверхность однополостного гиперболоида и тогда фактические передние углы в перпендикулярном сечении уменьшатся на угол р,:

где , удг, — передний угол, отсчитываемый от

плоскости, параллельной оси сверла; с — коэффициент радиуса сердцевины, с = г /р.

После преобразования этого уравнения получено:

Уравнение (8.2) существенно упрощается, если в него подставить значения, принятые для стандартных сверл: оз = 30°, ф = 60°, с = 0,16:

Рис. 8.4. Распределение но длине главных режущих кромок спирального сверла переднего угла у и угла наклона главной режущей кромки а

Картина распределения передних углов но длине главных режущих кромок спирального сверла, рассчитанная по уравнениям (8.1) и (8.3), показана на рис. 8.4, а.

При наличии превышения г > 0 в каждой точке главной режущей кромки сверла из-за поворота вектора скорости резания v, относительно перпендикуляра к этой режущей кромке N возникают переменные значения угла наклона главной режущей кромки А._; (рис. 8.4, в), которые можно определить но уравнению

Из рис. 8.4 следует, что в любой /-й точке главной режущей кромки фактические передние углы имеют разные значения, изменяясь от положительных значений (у_Л,_ф( = 27°) на периферии и до

отрицательных значений в районе поперечной режущей кромки (Улф#= — 30°). Угол наклона А. наоборот, увеличивается при

уменьшении радиуса /’, достигая больших значений около поперечной режущей кромки.

Задние углы а у осевых инструментов обычно задаются в цилиндрическом сечении. На их величину оказывает влияние кинематика сверла (рис. 8.5): по мере приближения /-й точки главной режущей кромки к оси сверла задний угол а_ст, замеренный в статическом положении, уменьшается на величину угла 0,, который

Рис. 8.5. Статический а_ст и кинематический а_к задние углы в цилиндрическом сечении спирального сверла можно рассчитать по формуле

где s — подача сверла, мм/об; d, — диаметр г-й точки сверла.

Следовательно,

где 9, — угол подъема винтовой линии /-й точки главной режущей кромки сверла, зависящий от подачи сверла s и диаметра цилиндра гпроходящего через ;’-ю точку.

Форма задних поверхностей спирального сверла определяется методом заточки. На практике наибольшее применение получили •заточки по конической и винтовой поверхностям, а также по плоскостям. При этом все методы заточки должны обеспечивать статический •задний угол на периферии (ленточке) сверла в пределах а_С1 = 8. 14°.

Поперечная режущая кромка АВ (рис. 8.6, а) состоит из двух полукромок АО и ОВ, являющихся продолжением до оси сверла главных режущих кромок. В сечении N-N этих полукромок передние углы имеют большие отрицательные значения. При этом на форму сечения и величину передних углов влияет принятый метод заточки сверла. Так, например, при заточке по конической поверхности (рис. 8.6, б) у_л,«ф= -60°, по винтовой поверхности (рис. 8.6, в) у _л,

-20.. -30°, а по двум плоскостям (рис. 8.6, г) у _Л, * -30°.

Рис. 8.6. Передние углы на поперечной режущей кромке спирального сверла:

а — вид сверла с торца; б — коническая заточка; в — винтовая заточка; г — двухплоскостная заточка

Размеры срезаемого слоя при сверлении (рис. 8.7) определяются кинематикой процесса сверления. Траектория движения режущих кромок спирального сверла состоит из вращательного движения вокруг оси сверла со

Рис. 8.7. Размеры слоя, срезаемого при сверлении

скоростью (в м/мин) и поступательного движения вдоль этой же оси [движения подачи s (в мм/об)]. При этом подача на одну главную режущую кромку s_z =s/2, так как z = 2 . Отсюда толщина слоя, срезаемого одной режущей кромкой, , а ширина

Глубина резания при сплошном сверлении t = d/2, а при рассверливании отверстий диаметром . Машинное время, затраченное на сверление одного отверстия, Т_ы = I l(sn), где / — глубина отверстия, п — частота вращения сверла, об/мин.

Геометрия спирального сверла

Сверление является одним из самых распространённых методов получе­ния отверстия. Режущим инструментом служит сверло, с помощью которого получают отверстие в сплошном материале или увеличивают диаметр ранее просверленного отверстия (рассверливание). Движение резания при свер­лении — вращательное, движение подачи — поступательное. Режущая часть сверла изготовляется из инструментальных сталей (Р18, P12, P6M5 и др.) и из твердых сплавов. По конструкции различают свёрла: спиральные, с прямыми канавками, перовые, для глубоких отверстий, для кольцевого сверления, центровочные и специальные комбинированные. К конструктив­ным элементам относятся: диаметр сверла D, угол режущей части (угол при вершине), угол наклона винтовой канавки w, геометрические пара­метры режущей части сверла, т.е. соответственно передний g и задний a углы и угол резания d, толщина сердцевины d (или диаметр сердцевины), толщина пера (зуба) b, ширина ленточки f, обратная конусность j₁, форма режущей кромки и профиль канавки сверла, длина рабочей части l _o, общая длина сверла L.

Рис. 5.9. Части и элементы спирального сверла

Диаметр сверла следует всегда брать немного меньше, чем диаметр просверливаемого отверстия, так как диаметр отверстия при сверлении увеличивается.

Как и резец, сверло имеет передний и задний углы. Передний угол — угол между касательной к передней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и нормалью в той же точке к поверхности вращения режу­щей кромки вокруг оси сверла. Передний угол рассматривается в плоскос­ти, перпендикулярной к режущей кромке.

Рис. 5.10. Передний и задний углы сверла

Наибольшее значение угол g имеет на периферии сверла, где в плос­кости, параллельной оси сверла, он равен углу наклона винтовой канавки w. Наименьшее значение угол g имеет у вершины сверла. На поперечной кромке угол g имеет отрицательное значение, что создаёт угол резания больше 90°, а, следовательно, и тяжелые условия работы. Такое резкое из­менение переднего угла вдоль всей длины режущей кромки является боль­шим недостатком сверла, так как это вызывает более сложные условия об­разования стружки. На периферии сверла, где небольшая скорость резания и наибольшее тепловыделение, необходимо было бы иметь и наибольшее те­ло зуба сверла. Большой же передний угол уменьшает угол заострения, что приводит к более быстрому нагреву этой части сверла, а, следова­тельно, и к наибольшему износу.

Задний угол a — угол между касательной к задней поверхности в рассматриваемой точке режущей кромки и касательной в той же точке к окружности ее вращения вокруг оси сверла. Этот угол принято рассматри­вать в плоскости, касательной к цилиндрической поверхности, на которой лежит рассматриваемая точка режущей кромки.

Для точки, находящейся на периферии сверла, задний угол в нормаль­ной плоскости Б-Б может быть определён по формуле

Действительное значение заднего угла во время работы иное по срав­нению с тем углом, который мы получили при заточке и измерили в стати­ческом состоянии. Это объясняется тем, что сверло во время работы не только вращается, но и перемещается вдоль оси. Траекторией движения точки будет не окружность (как это принимают при измерении угла), а некоторая винтовая линия, шаг которой равен подаче свёрла в миллимет­рах за один его оборот. Таким образом, поверхность резания, образуе­мая всей режущей кромкой, представляет собой винтовую поверхность, касательная к которой и будет действительной плоскостью резания.

Спиральное сверло

Рассмотрим элементы и формы заточки стандартного спирального сверла.

Части спирального сверла

На рисунке показаны основные элементы сверла.

1. задняя поверхность
2. спинка зуба, перемычка
3. передняя поверхность
4. режущая кромка
5. канавка
6. режущие кромки
7. зуб
8. кромка ленточки
9. ленточка
10. поперечная кромка

Углы спирального сверла

Угол при вершине 2φ зависит от типа обрабатываемого материала. Для обработке стали этот угол должен быть равен 116° — 118°, для обработки чугуна и твердой бронзы 90° — 100°, для обработки латуни, баббита, силумина — 140°, красной меди — 125°. У стандартных спиральных сверел этот угол составляет 116° — 118°.

Заточка сверла

При заточке сверла необходимо следить за тем, чтобы его режущие кромки были прямолинейны, и их длина и образуемые ими с осью сверла углы одинаковы. Угол наклона поперечной кромки φn для сверел диаметром до 15 мм составлять 50 градусов, а для сверел больших диаметров — 55°.

Правильная заточка сверла позволяет создать благоприятные условия резания, уменьшить необходимую силу подачи и увеличить стойкость сверла. Для этого применяют подточку перемычки, доводя длину поперечной режущей кромки до 0,1 от диаметра сверла. При этом толщина перемычки по всей длине сверла остается без изменения, а значит прочность не уменьшается.

На границе ленточки и режущей кромки сверла происходит наибольший износ. Для его уменьшения затачивают у ленточки на длине l = 1,5. 5мм задний угол α1, оставляя фаску f = 0,1. 0,2 мм.

Вершина сверла может затачиваться под двумя углами 2φ=116° — 118°. и 2φ0=70° — 75° при ширине фаски b, равной 0,2 диаметра сверла, такой способ заточки позволяет уменьшить давление на единицу длины режущей кромки и улучшить отвод тепла.

Сверло конструкции Жирова

Сверло конструкции В.И. Жирова представляет собой спиральное сверло с комбинированной заточкой, подточкой и прорезкой поперечной кромки, а также с тройной заточкой режущих кромок под углами:

Такой особый способ заточки позволяет добиться уменьшения осевой силы при сверлении чугуна в 3-4 раза, а при сверлении стали в 2-3 раза. Это достоинство особенно ощутимо на станках с ручной подачей режущего инструмента.

Режимы резания при сверлении

Рекомендуемые значения подачи и скорости резания при работе быстрорежущими сверлами представлены на рисунке.

Значение подачи указано в мм/об, скорость резания в м/мин.

При использовании сверел из углеродистой стали для указанной в таблице подачи скорость резания необходимо уменьшить в 2 раза. При сверлении на глубину, более трех диаметров сверла скорость резания следует уменьшить.

Подача и скорость резания при рассверливании

Рекомендуемые скорости резания при рассверливании представлены в таблице.

Геометрические параметры режущей части сверла

6.1.2 Геометрия сверла

Поверхность канавки, воспринимающая давление стружки, называется передней поверхностью.

Рисунок 6.1.2.1 Работа спирального сверла (В. Леонтьев)

Линия пересечения передней и задней поверхностей образует режущую кромку, а линия пересечения задних поверхностей — поперечную кромку (ее размер составляет в среднем 0,13 диаметра сверла).

Рисунок 6.1.2.2 Геометрия сверла (Макиенко Н.И. Общий курс слесарного дела М.: Высш. шк. , 1989.)

Режущие кромки соединяются между собой на сердцевине (сердцевина — тело рабочей части между канавками) короткой поперечной кромкой. Для большей прочности сверла сердцевина постепенно утолщается от поперечной кромки к концу канавок (к хвостовику).

Рисунок 6.1.2.3 измерение угла «при вершине» (В. Леонтьев)

Угол между режущими кромками — угол 2 φ при «вершине сверла» — оказывает существенное влияние на процесс резания. При его увеличении повышается прочность сверла, но одновременно резко возрастает усилие подачи. С уменьшением угла при вершине резание облегчается, но ослабляется режущая часть сверла.

Значение этого угла (град) выбирается в зависимости от твердости обрабатываемого материала (Макиенко Н.И. Общий курс слесарного дела М.: Высш. шк. , 1989.).

Эксплуатационные качества любого режущего инструмента, в том числе и сверла, зависят от материала инструмента, его термообработки, а также от углов заточки режущей части.

Переднего угла γ (гамма), заднего угла α (альфа), угла при вершине 2ϕ (фи), угла наклона поперечной кромки сверл ψ (пси) и угла наклона винтовой канавки ω (омега) (смотри рисунок 6.1.2.2).

Передним углом γ называют угол между поверхностью резания (обработанной поверхностью) и касательной к передней поверхности.

Наличие переднего угла облегчает врезание инструмента, стружка лучше отделяется и получает возможность естественного схода.

С увеличением переднего угла улучшаются условия работы инструмента, повышается его стойкость и уменьшается усилие резания. Вместе с тем ослабляется тело режущей части инструмента, которое может легко выкрашиваться, ломаться; ухудшается отвод теплоты, что приводит к быстрому нагреву и потере твердости.

Поэтому для каждого инструмента приняты определенные значения переднего угла.

Передний угол имеет меньшее значение при обработке твердых и прочных материалов, а также при меньшей прочности инструментальной стали. В данном случае для снятия стружки требуются большие усилия и режущая часть инструмента должна быть прочнее. При обработке мягких, вязких материалов передние углы берутся больше.

Задний угол α — это угол наклона задней поверхности, образуемой касательными к задней и обрабатываемой поверхностям.

Задний угол служит для уменьшения трения задней поверхности об обрабатываемую поверхность.

При слишком малых углах α повышается трение, увеличивается сила резания, инструмент сильно нагревается, задняя поверхность быстро изнашивается. При очень больших задних углах ослабляется инструмент, ухудшается отвод теплоты.

Передние и задние углы сверла в разных точках режущей кромки имеют различное значение: для точек, расположенных ближе к наружной поверхности сверла, передний угол больше и, наоборот. Если у периферии сверла (наружный диаметр) он имеет наибольшее значение (25. 30°), то по мере приближения к вершине уменьшается до значения, близкого к нулю.

На практике передний угол задан производителем сверла, а задний угол при заточке проверяется специальным шаблоном.

Рисунок 6.1.2.4 Проверка заднего угла сверла шаблоном (В. Леонтьев)

Угол заострения β образуется пересечением передней и задней поверхностей. Значение угла заострения β зависит от выбранных значений переднего и заднего углов, поскольку α + β + γ = 90 °.

Рисунок 6.1.2.5 Угол заострения сверла ( В. Леонтьев)