Мусина Ж.К.

Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова,

Республика Казахстан

Модель действующих сил на двухвершинное спиральное сверло без поперечной кромки

При обработке отверстий традиционным спиральным сверлом, передний угол которого различен в разных точках режущего лезвия, скорость резания не постоянна и меняется от нуля в центре сверла до максимального значения на периферии сверла, в центре отверстия, под перемычкой сверла, резание как таковое отсутствует, производится смятие, выдавливание и скобление обрабатываемого материала к периферии под режущие кромки. Особенностью геометрии сверла является наличие пятой (поперечной) условно режущей кромки (рисунок 1). На рисунке 1: D_r – главное движение скорости резания; D_s – вспомогательное движение подачи, D_s=S_oc; – угол при вершине; S_oc – осевая подача; a – толщина среза. 1, 2 –главные режущие кромки; 3, 4 – вспомогательные режущие кромки; 5 – поперечная условно режущая кромка.

Рисунок 1 – Параметры срезаемого слоя традиционного сверла с поперечной кромкой

Как видно из рисунка вместо сверления на поперечной кромке имеет место выдавливание, смятие и скобление, повышенная температура. Все эти факторы ухудшают качество обработки отверстий и создают тяжёлые условия резания. Процесс сверления протекает в условиях: затруднён отвод стружки и подвод СОЖ; значительное трение стружки о поверхность канавок сверла и самого сверла об обработанную поверхность; вдоль режущей кромки возникает резкий перепад скорости резания (от max до нуля). Главный задний угол α не является величиной постоянной – он возрастает по мере приближения к центру. Очень неблагоприятным является передний угол на поперечной кромке. У стандартных спиральных свёрл передний угол γ на поперечной кромке составляет значение до минус 57˚–60˚. Ввиду этого на поперечной кромке вместо резания имеет место смятие, выдавливание и скобление металла.

При сверлении равнодействующие силы резания, приложенные к режущим кромкам сверла разлагают на три взаимно перпендикулярные составляющие силы: осевые силы Р_х, составляет около 40%; касательные силы Р_z; радиальные силы Р_у. Помимо всего, на сверло действуют силы сопротивления, возникающие на поперечной режущей кромке Р_п, которые составляют до 65%, и силы трения на ленточках Р_Т – 3%, также на сверло действуют дополнительно силы от действия повышенной температуры.

Осевые составляющие от расширения обрабатываемого материала увеличивают суммарную осевую силу. Радиальные составляющие сил, возникающие от расширения аномально нагретого материала за счёт действия поперечной кромки, приводят к нестабильности формообразования, изменению формы и ухудшению шероховатости поверхности отверстия.

На поперечной кромке из-за противоречащим основным положениям теории резания, геометрии возникают не только процессы вдавливания, смятия и скобления, но и возникает из-за этого повышенная осевая сила Р_ос.

В результате выделения большого количества тепла на поперечной кромке (заштрихованная зона на рисунке 2) возникают дополнительные силы, действующие на сверло. Р_ру – результирующая удельных сил Р_у (условно показаны на одной стороне от оси сверла; они распределены равномерно по окружности); Результирующая удельных раскладывается на составляющие Р_рΣ и Р_оΣ, кроме того, вызывает «распирание» деформации отверстия в радиальном направлении. На рисунке обозначено: P_Tг – тангенциальная сила резания, действующая на режущие кромки; P_уд – удельная сила распирания деформации отверстия; Р_рΣ – суммарная удельных сил радиальная; Р_оΣ – суммарная удельных сил осевая; Р_ру – результирующая удельных сил; P_ок – осевая сила, действующая на режущие кромки; Р_р – радиальная сила, действующая на режущие кромки; Р_оп – осевая сила, действующая на поперечную кромку.

Рисунок 2 – Модель действующих сил на спиральное сверло с поперечной кромкой с учётом механических и тепловых воздействий

Основным отличительным признаком способа сверления отверстий двухвершинным спиральным сверлом без поперечной кромки является отсутствие поперечной кромки и замена её внутренними режущими лезвиями с соблюдением основных фундаментальных положений о геометрии режущего клина с положительным передним и задним углами.

На рисунке 3 показана схема срезания стружки двухвершинным спиральным сверлом без поперечной кромки. Поперечная кромка заменена внутренними лезвиями, и процесс снятия стружки происходит в обычных условиях резания без отрицательных передних углов.

Рисунок 3 – Параметры срезаемого слоя

Таким образом, при использовании нового режущего инструмента меняются условия резания: срезаемый слой металла с толщиной среза а, в отличие от обработки традиционным сверлом разделён на две части прорезанной канавкой. Вместо поперечной кромки у традиционного сверла у нового сверла выполнены режущие кромки, углы которых соответствуют фундаментальным положениям теории резания о режущем клине. При смене типа режущего инструмента меняется способ обработки и условия резания, исключается источник повышенного тепловыделения и повышается качество обработки.

На рисунке 4 показана схема сил, действующие на двухвершинное спиральное сверло без поперечной кромки: Р_он – составляющая осевой силы, действующая на наружные режущие кромки; Р_ов – составляющие осевой силы, действующая на внутренние режущие кромки; – суммарная составляющая осевых сил, действующих на режущие кромках; Р_рн – радиальная сила, действующих на наружных режущих кромках; Р_раΣ – суммарная радиальная сила резания; на наружных кромках радиальные силы уравновешиваются; Р_рв – радиальная сила резания на внутренней режущей кромке полной длины; Р_рвк – радиальная сила резания на внутренней режущей кромке, укороченной прорезанием канавки; в – ширина канавки; укорочение режущей кромки .

На длине ΔК радиальная сила резания не уравновешена, что может вызвать разбивку отверстия по диаметру. Для предотвращения разбивки в массовом и крупносерийном производстве нужно применять обработку с использованием кондукторных втулок.

Рисунок 4 – Модель действующих сил на двухвершинное спиральное сверло без поперечной кромки

Сравнение способов срезания стружки традиционным сверлом и новым двухвершинным спиральным сверлом без поперечной кромки показывает, что в первом случае имеет место очень неблагоприятные условия формирования обрабатываемой поверхности и действующие силы, в результате поверхность, полученная обработанной традиционным сверлом, имеет высокую шероховатость.

При обработке отверстий двухвершинным спиральным сверлом без поперечной кромки, при которой устранён источник дестабилизирующего влияния – зона повышенного нагрева – условия резания и формообразования обрабатываемой поверхности улучшаются, и значительно уменьшается шероховатость. Геометрические параметры нового спирального сверла с поперечной кромкой соответствуют фундаментальным положениям теории резания о режущем клине. При использовании нового режущего инструмента меняются условия резания: срезаемый слой металла с толщиной среза а, в отличие от обработки традиционным сверлом, разделён на две части прорезанной канавкой. Вместо поперечной кромки у традиционного сверла, у нового сверла выполнены режущие кромки, углы которых соответствуют фундаментальным положениям теории резания о режущем клине. При смене типа режущего инструмента меняется способ обработки и условия резания, исключается источник повышенного тепловыделения и повышается качество обработки.

Литература:

1 Вульф А.М. Резание металлов. Л.: Машиностроение, 1973.

2 Бобров В.Ф. Основы теории резания металлов. – М.: Машиностроение. 1975. – 344с., ил.

3 Предварительный патент Республики Казахстан №19559 от 25.03.2008г. на изобретение «Двухвершинное спиральное сверло без поперечной кромки с направляющими ленточками». Авторы: Дудак Н.С., Мусина Ж.К.