3.4. Технология обработки на сверлильных и расточных станках

В производстве авиационных двигателей сталкиваются с необходимостью получения отверстий разного назначения, диаметра, формы, требований по точ­ности. Отверстия могут быть глухими и сквозными, цилиндрическими, кониче­скими, с образующей сложной формы, ступенчатыми, с канавками (под уплот­нения, стопорные элементы и технологическими для выхода круга). Обработка таких отверстий требует разных подходов, использования широкой номенклату­ры универсальных и специальных инструментов.

Основными операциями обработки отверстий, выполняемых на станках сверлильно-расточной группы, являются:

• сверление, используется для предварительного или окончательного полу­чения отверстия в сплошном материале;

• зенкерование, применяется для увеличения размеров отверстия и исправ­ления погрешностей формы и положения предварительно просверленных отвер­стий. Специальными зенкерами (зенковками, цековками, подрезками) выполня­ют обработку конических и ступенчатых элементов отверстий, например потай­ных винтов, болтов и торцевых поверхностей, прилегающих к отверстиям;

• растачивание, т. е. обработка отверстия резцами. Используется для полу­чения отверстий сложной конфигурации, имеющих ступени, фаски, канавки, элементы с криволинейной образующей. Кроме того, растачивание широко применяют для обработки точных цилиндрических отверстий большого диамет­ра и систем отверстий с высокими требованиями по взаимному расположению;

• развертывание, применяют для получения точных цилиндрических или конических отверстий. Требуемая точность достигается многолезвийным инст­рументом — разверткой. Развертка представляет собой многозубый инструмент, изготовленный с высокой точностью, имеющий калибрующую часть;

• поверхностное пластическое деформирование (раскатывание, дорнование, выглаживание), используется для получения требуемых свойств поверхностного слоя (шероховатости, остаточных напряжений сжатия, степени и глубины уп­рочнения) и калибрования отверстий.

Н а рис. 3.56 приведены характерные детали, требующие обработки на свер­лильных и расточных станках.

3.4.1. Обработка отверстий сверлением, зенкерованием и развертыванием

П редварительное или окончательное получение отверстий в сплошном ма­териале выполняют сверлами разной конструкции и назначения (рис. 3.57). Сверла относят к осевому размерному инструменту. При выборе сверла руково­дствуются видом выполняемой операции и свойствами обрабатываемого мате­риала.

На рис. 3.58 показаны режущие части сверл, особенности их конструкции и заточки. Сверла с двумя винтовыми канавками (спиральные) наиболее универ­сальны и применяются для обработки самых различных материалов. В зависи­мости от назначения они могут иметь неодинаковые углы наклона винтовой ка­навки. С ростом наклона увеличивается передний угол и тем самым облегчается процесс стружкообразования, однако уменьшается прочность сверла.

Наиболее часто спиральные сверла имеют угол при вершине 2φ = 118° и задний угол α= 8... 12°. Их используют для обработки большинства конструк­ционных сталей. Для мягких материалов рекомендуют сверла с 2φ = 60...90° и α =12...15°. Твердые и вязкие материалы обрабатывают сверлами с 2φ = = 135... 150° и α= 6...8°. Уменьшение длин режущих кромок при сверлении такими сверлами позволяет понизить крутящий момент, силы трения и тепловы­деление.

Для эффективной работы спиральными сверлами используют подточку по­перечной кромки, ленточек, двойную заточку главных режущих кромок и др.

Традиционные спиральные сверла могут эффективно обрабатывать отвер­стия глубиной L< 3d. Для сверления отверстий большей глубины необходимо периодически выводить сверло из отверстия для удаления стружки. С увеличе­нием глубины сверления усложняются условия работы сверла, ухудшается от­вод теплоты, повышается трение стружки о стенки канавок инструмента, за­трудняется подвод СОЖ к режущим кромкам. Это приводит к необходимости уменьшения скорости резания и подачи (табл. 3.13).

Таблица 3.13

	Относительная глубина отверстия, L/d	Снижение скорости резания от номинальной, %	Снижение подачи отноминальной, %
	3...4	5	5
	4...5	10	10
	5...6	30	20
	6...8	30...40	20

Для повышения точности сверления (смещения от оси) рекомендуется пред­варительно выполнять центровочные отверстия. Использование более короткихсверл способствует уменьшению увода инструмента за счет роста жесткости и увеличению стойкости инструмента.

Сверла с подачей СОЖ через тело инструмента рекомендуют для сверления отверстий с L> 3d. В этом случае подача СОЖ под давлением с требуемым рас­ходом обеспечивает удаление стружки. При этом увеличивается производитель­ность обработки.

Д ля сверления отверстий в материалах с высокой твердостью HRC= 35....60 используют сверла с твердосплавными напаянными пластинами и ко­ронками (рис. 3.58, а, д).

Спиральные сверла из быстрорежущих сталей обеспечивают обработку от­верстий с точностью 11-13-й квалитет при шероховатости обработанной по­верхности Rz= 40.. .80 мкм. Сверла с пластинами из твердых сплавов — обработку отверстий с точностью 8-11 -й квалитет при шероховатости Rz= 20.. .40 мкм.

Сверла с прямолинейными стружечными канавками рекомендуется исполь­зовать для обработки листовых материалов, а также мягких материалов и пла­стиков. Без спиральных канавок отсутствует эффект навинчивания детали на сверло, приводящего к искажению профиля отверстия и деформации листового материала. Подобные сверла с твердосплавными пластинами и внутренним под­водом СОЖ (см. рис. 3.57, д) используют для обработки твердых материалов, при резании которых формируется стружка скалывания.

Поскольку сверло является сравнительно нежестким инструментом, сложно избежать его увода от оси.

Специальные спиральные сверла (рис. 3.59) могут иметь три или четыре стружечных канавки. Их обычно используют для рассверливания отверстий. Эти сверла обеспечивают более высокие производительность, точность и качество поверхностного слоя, чем обычные.

Наличие элементов, препятствующих доступу инструмента, — уклонов и скосов (рис. 3.60, б, в, г), приводящих к угловому входу и выходу сверла, на­клонных (рис. 3.60, в), пересекающихся (рис. 3.60, а, д), близко расположенных (рис. 3.60, е) и глубоких отверстий — снижает технологичность деталей, обраба­тываемых сверлением.

С равнительно короткие спиральные сверла позволяют сверлить наклонные отверстия с углом 6...8° на входе и 30° на выходе. При обработке наклонных отверстий на входе и выходе сверла подачу снижают на 30...50 %. Так же по­ступают на участках пересечения с отверстиями. Для обработки наклонных отверстий приходится вводить дополнительные операции или переходы фрезе­рования и зацентровки участков входа сверла. Иногда проблему сверления на­клонных отверстий решают использованием кондукторных втулок. При обра­ботке параллельных близкорасположенных отверстий, чтобы избежать ихсмыкания, приходится использовать дополнительные операции зенкерования или растачивания.

Сверла с механическим креплением многогранных неперетачиваемых пла­стин (МНП) из твердых сплавов (см. рис. 3.57, е) выполняют с прямыми или винтовыми канавками и, как правило, с отверстиями в теле инструмента для по­дачи СОЖ в зону резания. Такие сверла предназначены для производительной обработки отверстий глубиной 2...7 диаметров. Разные фирмы изготавливают сверла с МНП диаметром от 12 до 80 мм, имеющие одну (для малых диаметров) или несколько пластин разразнообразных форм и размеров.

В отличие от сверл с симметричным расположением главных режущих кро­мок сверла с МНП оснащают разными по форме несимметрично расположен­ными пластинами, имеющими стружколомающие канавки. Наиболее распро­странены сверла с двумя пластинами, одна из которых располагается ближе к периферии инструмента, а другая — к центру, а для сверл больших диаметров используют несколько пластин, заполняющих промежуток между крайними. Пластины могут закрепляться в кассетах в корпусе сверла.

Для уравновешивания радиальных сил резания пластины располагают таким образом, чтобы результирующие силы на каждом пере были параллельны и равны.

Сверла с МНП отличаются высокой жесткостью и позволяют выполнять обра­ботку со скоростями резания до 150 м/мин (для сталей) и подачами, в три раза пре­вышающими подачи для спиральных сверл. В то же время сверление инструментом с МНП требует предварительной оптимизации режимов обработки данного мате­риала для обеспечения условий образования и вывода стружки из отверстия.

На рис. 3.61 показаны схемы формирования отверстия сверлами с МНП раз­личной формы. Обычно передняя пластина устанавливается несколько выше, чем задняя.

В зависимости от условий обработки шероховатость поверхностей отвер­стий составляет Ra=1,25...3,2 мкм. Точность обработки отверстий сверлами с МНП без предварительной настройки на размер не хуже ~ 0,4 мм. Она может быть существенно повышена (до 0,05...0,07 мм) смещением оси сверла от оси вращения в процессе предварительной настройки. Смещение сверла от оси вра­щения выполняют в сторону периферийной пластины, что позволяет получать отверстия несколько большего диаметра, чем диаметр сверла. Максимальное значение смещения зависит от диаметра и конструкции сверла и находится в пределах 0,5...3 мм. Для работы со смещением сверла его устанавливают в спе­циальный регулируемый патрон (рис. 3.62). При обработке на токарных станках с ЧПУ такое сверло может работать как расточной резец (рис. 3.63).

Обработка сверлами с МНП выполняется с подачей СОЖ через корпус сверла под давлением 0,2...0,4 МПа. Основной функцией СОЖ в данном случае является удаление стружки. Для улучшения условий удаления стружки корпуса некоторых сверл изготавливают с винтовыми стружечными канавками. Без внутренней подачи СОЖ сверление возможно на глубину, не превышающую один диаметр, из-за возрастания опасности пакетирования, т. е. забивания кана­вок стружкой, приводящего к повреждению корпуса и пластин.

Технологические центровые отверстия, широко применяемые для установки деталей типа валов на токарных и шлифовальных станках, а также для направ­ления сверла, получают специальными центровыми сверлами (см. рис. 3.57, в, г). Наибольшее распространение получили центровые сверла с углом конуса 60 и 90°. Для того чтобы вершина центра не упиралась в заготовку, в центровых от­верстиях выполняют цилиндрические углубления диаметром d. Для защиты от повреждений центровые отверстия многократного использования выполняют с предохранительной фаской под углом 120°. Центровые отверстия диаметром 1,5...5 мм обрабатывают комбинированными центровыми сверлами, а центро­вые отверстия больших размеров получают сначала цилиндрическим сверлом, а затем зенковкой.

Сверла кольцевого сверления, которые называют также трепанирующими или пустотелыми, обычно используют для сверления отверстий большого диа­метра (рис. 3.64). Процесс кольцевого сверления иногда называют ротационным протягиванием.

К ольцевые сверла в зависимости от назначения и глубины сверления вы­полняют цельными, с припаянными пластинами твердого сплава или сменными неперетачиваемыми пластинами. Для улучшения условий удаления стружки в некоторых конструкциях сверл предусматривают винтовые канавки.

Особенности кольцевого сверления:

• образование диска (стержня) внутри сверла. Для удаления стержня иногда используют специальные подпружиненные выталкиватели. Геометрия инстру­мента рассчитывается таким образом, чтобы стержень свободно удалялся из сверла без повреждения режущих кромок;

• значительно более высокая стойкость инструмента, обусловленная боль­шим количеством режущих кромок и меньшей нагрузкой на них;

• отсутствие поперечной режущей кромки и как следствие — резкое сниже­ние осевой силы;

• кольцевое сверление в основном используют как черновую операцию, по­сле которой выполняют растачивание или развертывание отверстия.

Некоторые фирмы, например SANDVIKCOROMANT, выпускают кольце­вые сверла с неперетачиваемыми пластинами, используемые для сверления от­верстий диаметром 60... 110 мм на глубину до 2,5d.

Для сверления конструкционных керамик, стекла и других твердых ма­териалов применяют алмазные кольцевые сверла, имеющие на рабочей части слой с алмазами или кубическим нитридом бора (рис. 3.65). При обработкетакими сверлами СОЖ подается через корпус.

Для эффективного сверления отверстий необходимо назначать оптимальные режимы резания, обеспечивающие требуемую стой­кость инструмента, условия вывода стружки, минимизацию увода сверла. При назначении режима резания следует учитывать множест­во факторов: жесткость технологической системы, тип, размеры и форму заточки ин­струмента, вид инструментального материа­ла, условия подачи СОЖ и др.

Подача S₀ при обработке стандартными спиральными сверлами назначается в зави­симости от диаметра инструмента и коррек­тируется в соответствии с конкретными ус­ловиями обработки по формуле:

где S_τ— табличное значение подачи (табл. 3.14); К_SL, K_SЖ, K_Sm, K_SИ— коэффици­енты, учитывающие глубину сверления, жесткость технологической системы, обрабатываемый материал и материал инструмента соответственно. Расчет скорости резания выполняют по формулам вида

где D— диаметр сверла; Т — стойкость инструмента; Сv, р, m, х — эмпириче­ские коэффициенты.

Производители режущего инструмента обычно приводят рекомендации по назначению режимов обработки для конкретных инструментов и групп обраба­тываемых материалов.

Таблица 3.14

Диаметр сверла, мм	Табличное значение подачи, мм/об	Диаметр сверла, мм	Табличное значение подачи, мм/об
2,0	0,04	10,0	0,25
3,0	0,06	12,0	0,28
4,0	0,08	16,0	0,34
5,0	0,12	20,0	0,40
6,0	0,16	25,0	0,44
8,0	0,20	30,0	0,5

Зенкеры представляют собой инструменты, применяемые для увеличения диаметров отверстий с целью повышения их точности и снижения шероховато­сти. Цилиндрические зенкеры обычно применяются обработки отверстий после сверления для исправления погрешностей, связанных с уводом сверла (зенкер значительно более жесткий инструмент), обеспечения круглости и необходимой шероховатости поверхности (рис. 3.66, а). Кроме того, зенкерами обрабатывают отверстия, полученные прошивкой при штамповке и литье. Припуск под зенкерование предварительно просверленного отверстия составляет 0,5...3 мм на сто­рону. Зенкер выбирают в зависимости от обрабатываемого материала, заданной точности обработки, вида (сквозное, ступенчатое, глухое) и диаметра отверстия. Традиционные спиральные цилиндрические зенкеры имеют три или более стру­жечные канавки. Подача при зенкеровании в 2,5-3 раза превышает подачу при сверлении. Зенкерование может быть как предварительной (перед развертыва­нием), так и окончательной операцией. Для обработки материалов с σ_в> 750 МПа применяют зенкеры, оснащенные пластинами из твердого сплава. Скорость ре­зания твердосплавных зенкеров в 2-3 раза больше, чем зенкеров из быстроре­жущей стали. При обработке высокопрочных материалов и литья по корке ско­рость резания твердосплавных зенкеров уменьшают на 20...30 %.

Экономическая точность обработки зенкерами — 8-10-й квалитет, шерохо­ватость обработанной поверхности Rz= 20...40 мкм. Глубина резания tпри зен­керовании находится как

г де D— диаметр зенкера; d— диаметр предварительно полученного отверстия. Подача на один зуб зенкера S_zсоставляет:

где Z— число зубьев зенкера.

Специальные зенкеры используют для получения отверстий заданного про­филя и обработки торцевых поверхностей. Зенкеры, служащие для получения ступенчатых отверстий, например болтов в потай, называют цековками(рис. 3.66, б). Конические зенкеры (зенковки) применяют для обработки кониче­ских отверстий под головки винтов, центровых отверстий и снятия фасок (рис. 3.66, в). Обработку торцевых поверхностей, прилежащих к отверстию, вы­полняют подрезками (рис. 3.66, г).

На рис. 3.67 приведены некоторые конструкции зенкеров, используемых в современном производстве.

Развертывание используют для предварительной и окончательной обработки отверстий с полями допусков по 6-9-му квалитету и параметром шероховатости 2,5...0,32 мкм. Главным достоинством развертывания является возможность гаран­тированного получения точных отверстий при высокой производительности. Для получения точных отверстий производят последовательную обработку тремя инст­рументами: сверлом, зенкером и разверткой. Сверлением получают исходное от­верстие, причем из-за малой жесткости сверла обычно наблюдается увод оси отвер­стия. Зенкер имеет большее количество режущих кромок и обладает значительно большей жесткостью, чем сверло; это позволяет устранить увод оси отверстия, воз­никший при сверлении. Окончательный размер, форму и шероховатость п оверхно­сти отверстие получает после развертывания.

Развертка представляет собой многозубый инструмент, изготовленный с вы­сокой точностью и имеющий калибрующую часть. Некоторые конструкции раз­верток приведены на рис. 3.68.

П о способу применения различают машинные и ручные развертки. Ручными цилиндрическими развертками с прямыми и винтовыми зубьями с помощью специальных воротков, обрабатывают отверстия диаметром 2...50 мм. Машинными развертками с цилиндрическим или коническим хвостовиком получают отверстия диаметром 5...300 мм. Развертки большого диаметра обычно изготавли­вают сборными с вставными регулируемыми ножами. Припуск под развертывание обычно не превышает 5 % от диаметра обрабатываемого отверстия. Развертка в процессе обработки самостоятельно центрируется по оси отверстия за счет наличия заборного конуса с малым углом ф. Некоторые конструкции разверток должны иметь точное направление. Иногда их направляют кондукторными втулками.

В зависимости от требуемой точности отверстие обрабатывают одной (8-9-й квалитет) или последовательно двумя развертками (6-7-й квалитет). При пред­варительном развертывании удаляется большая часть припуска на обработку.

Конические отверстия получают, используя комплекты конических зенке­ров и разверток (рис. 3.69). При этом сначала сверлится исходное отверстие, которое затем последовательно обрабатывается ступенчатым зенкером, разверткой с прерывистыми режущими кромками и конической разверткой.

Для обработки отверстий могут применяться однозубые развертки с регулируемым положением режущей пластины (ножа). Они позволяют по­лучать отверстия с разным расположением полей допусков. Одна из конструкций такой развертки показана на рис. 3.70. Развертка имеет твердосплавные опорные пластины, зажимы, по два винта для регулирования положения ножа и его закрепления. Такие развертки применяют для обработки отверстий диаметром 6...60 мм. Установка ножа выполняется в специальном приспособлении по индикаторам.

Для повышения производительности обработки ступенчатых и сложнопрофильных отверстий используют комбинированный инструмент (ступенчатые сверла, сверла-зенковки, ступенчатые зенкеры и развертки). Некоторые их кон­струкции показаны на рис. 3.71, 3.72.

Комбинированный инструмент изготавливают цельным и сборным с ис­пользованием твердосплавных неперетачиваемых пластин (рис. 3.73, а, б). Для расширения технологических возможностей стандартного инструмента (сверл, зенкеров, разверток) предложены конструкции насадок и переходников, осна­щенных режущими пластинами (рис. 3.73, в, г).

Комбинированный инструмент целесообразно использовать при обработке большого количества однотипных отверстий.

На рис. 3.74 показаны схемы обработки отверстий комбинированными зен­керами.

Операции обработки отверстий выполняют на универсальных станках то­карной, сверлильно-расточной и фрезерной групп, специализированных станках и обрабатывающих центрах. На вертикально-сверлильных и радиально-сверлильных станках (рис. 3.75) операции сверления выполняют по предварительнойразметке или на приспособлениях, называемых кондукторами. Сверлильные станки с ЧПУ предназначены для обработки систем отверстий инструментами одного или разных диаметров.

Кондукторы обеспечивают установку детали по выбранным базам и имеют элемент (плиту) с отверстиями, в которые устанавливают кондукторные втулки, направляющие режущий инструмент при обработке.

Кондукторные втулки для сверления (рис. 3.76, а) не требуют разметки и пред­варительного центрования, повышают точность обработки (уменьшают увод сверла и разбивку обрабатываемых отверстий), дают возможность сверления наклонных отверстий (рис. 3.76, б) без дополнительной подготовки входного торца.

На точность сверления отдельного отверстия влияют значение зазора между втулкой и инструментом, длина направляющей части втулки, расстояние от нижнего торца втулки до заготовки и глубина сверления. Точность обработки систем отверстий дополнительно зависит от точности взаимного расположения осей кондукторных втулок на кондукторной плите. При выполнении операций зенкерования кондукторная втулка может располагаться позади обрабатываемо­го отверстия (рис. 3.76, в).

В табл. 3.15 приведены данные о точности и шероховатости поверхностей отверстий, обрабатываемых размерным инструментом.

Таблица 3.15

Способ обработки отверстия	Квалитет точности	Шероховатость поверхности Rz, мкм
Сверление спиральными сверлами: классов точности В1 и В (нор­мальная) класса точности А1 (повышен­ная)	13-15 11-12	25...40 16...25
Обработка сверлами с внутренним подводом СОЖ	7-9	1...16
Обработка сверлами с внутренним отводом стружки (ВТА)	7-10	1...16
Обработка сверлами с внутренним эжекторным отводом стружки	9-10	1...16
Зенкерование	8-10	10...25
Развертывание	7-9	1...16