3.4.2. Сверление глубоких отверстий

Глубокими называют отверстия, у которых длина в пять и более раз превы­шает диаметр.

Сверление глубоких отверстий представляет значительные трудности, свя­занные с уводом оси отверстия, сложностью охлаждения сверла и вывода стружки. Оно может выполняться:

• с вращением сверла и его подачей;

• с вращением детали и подачей сверла;

• с вращением детали и сверла в противоположных направлениях.

Основным недостатком первого метода является увод сверла, который мо­жет быть вызван несимметричной заточкой режущих кромок, неоднородностью обрабатываемого материала и др. Для удаления стружки, во избежание поломки сверла, приходится периодически выводить инструмент из отверстия, что сни­жает производительность.

Существенного уменьшения увода сверла можно достигнуть сверлением на горизонтально-сверлильных станках, когда вращается деталь, а подается сверло.

Еще меньший увод оси наблюдается при сверлении глубоких отверстий с од­новременным вращением инструмента и детали в противоположных направлениях.

Специальные методы (системы) глубокого сверления используют для полу­чения отверстий диаметром более 10D. Для сверления глубоких отверстий ис­пользуют сверла специальной конструкции, схемы обработки, обеспечивающие дробление стружки, внутреннее охлаждение и удаление последней потоком ох­лаждающей жидкости. Выбор того или иного инструмента и системы сверления зависит от диаметра и глубины обрабатываемого отверстия.

Отверстия глубиной до 100D получают тремя основными типами сверл:

• ружейными;

• эжекторными;

• системы STS (ВТА).

Ружейные сверла с цельными твердосплавными головками выпускают диа­метром от 1 до 6 мм для обработки отверстий глубиной до 40D. Сверла с припа­янными твердосплавными пластинами обычно имеют диаметры 6...25 мм при длине 35D. Ружейные сверла со сменными неперетачиваемыми пластинами имеют диаметр 20...40 мм при длине до 35D и диаметр 40...90 мм при макси­мальной глубине сверления до 1000 мм. На рис. 3.77 показаны ружейные сверла разных типов.

Ружейное сверло состоит из сверлильной головки, имеющей твердосплав­ные режущие и направляющие пластины или целиком изготавливаемой из твер­дого сплава, стебля и хвостовика (рис. 3.78). Охлаждающая жидкость подается по каналу в стебле.

Сверление ружейными сверлами производится с внутренним подводом ох­лаждающей жидкости и наружным отводом стружки. Охлаждающая жидкость подается под высоким давлением, что обеспечивает требуемую эффективность

охлаждения и отвод стружки вдоль V-образной канавки. При этом используют кондукторную втулку (рис. 3.79), которая направляет сверло в начальной стадии обработки. Втулка должна быть точно выверена относительно оси шпинделя станка (не допускается биение более 0,02 мм). Диаметр кондукторной втулки должен быть на 0,005 мм больше диаметра сверла. Втулки изготавливают из за­каленных сталей или твердых сплавов. Иногда, например при обработке на станках с ЧПУ с автоматической сменой инструмента, направление ружейно­го сверла обеспечивают предварительной обработкой точного входного от­верстия.

Режимы резания назначают исходя из свойств обрабатываемого материала. Осевая подача зависит от глубины обрабатываемого отверстия и требуемой точ­ности обработки. Чем больше глубина отверстия и выше требования по точности, тем меньше подача. Рекомендуемые значения подачи для обработки различных материалов приведены на рис. 3.80, а значения скорости резания в табл. 3.16.

Ружейные сверла позволяют обрабатывать отверстия с точностью по IT9 и шероховатостью Ra= 1,25... 2,5 мкм. На рис. 3.81 приведены значения прямо­линейности оси и увода ружейных сверл в зависимости от глубины обрабаты­ваемого отверстия. Для повышения качества обработки используют ружейные развертки. Иногда для обработки глубоких отверстий применяют системы с от­водом стружки через внутреннюю полость инструмента (рис. 3.82).

Отверстия диаметром от 20 до 65 мм могут обрабатываться эжекторными сверлами (рис. 3.83). Эти сверла обеспечивают производительность в среднем в пять раз большую, чем спиральные, при точности обработки IT10 и шероховато­сти Rz= 10 мкм.

Эжекторное сверло состоит из стебля, внутреннего трубопровода и сменной, оснащенной твердосплавными пластинами, сверлильной головки. Различные виды головок показаны на рис. 3.84.

Сверлильная головка обеспечивает образование стружки удобной формы, что достигается ее разделением при обработке тремя режущими кромками, рас­положенными таким образом, чтобы срезание слоев металла производилось в шахматном порядке. На передних поверхностях сверла располагают стружколо-матели. Радиальные силы, возникающие при резании, воспринимаются двумя опорными пластинами на цилиндрической образующей головки. Охлаждающая жидкость подается в зону резания по кольцевому каналу, образованному стеб­лем сверла и внутренним трубопроводом. Большая часть СОЖ нагнетается через отверстия в сверлильной головке в зону резания для смазки и охлаждения направляющих и режущих пластин. Остальная жидкость подается через сопла во внутреннем трубопроводе и направляется обратно, к выходу. Это вызываетэжекторный эффект, т. е. во внутренней трубе образуется перепад давления, в результате чего жидкость, осуществляющая смазку и охлаждение, вместе со стружкой всасывается во внутренний трубопровод и направляется к выходу.

Сверла, работающие по системе STS (SingleTubeSystem), имеют конструк­цию, аналогичную эжекторным, однако отсутствует внутренний трубопровод. Охлаждающая жидкость под давлением нагнетается в зазор между стеблем сверла и обработанной поверхностью, обеспечивая отвод стружки и использо­ванной СОЖ через канал в стебле сверла (рис. 3.85). Сверление по системе STS

используют для получения глубоких отверстий диаметром от 12 до 380 мм, предпочтительно для обработки материалов, дающих вязкую сливную стружку, в частности коррозионно-стойких сталей.

Режимы обработки эжекторными сверлами и сверлами STS зависят от кон­струкции инструмента, диаметра обрабатываемого отверстия и материала заго­товки. Дополнительно к значениям осевой подачи и скорости резания задают давление и расход СОЖ. Значения осевой подачи обычно значительно выше, чем при обработке ружейными сверлами. Например, при сверлении отверстий диаметром 20...30 мм в титановых сплавах скорость резания составляет 30...50 м/мин при осевой подаче 0,16...0,22 мм/об.

Для сверления глубоких отверстий используют также специальные свер­лильные головки с неперетачиваемыми сменными пластинами (рис. 3.86). Они предназначены для получения отверстий диаметром 40...270 мм. Направление инструмента в отверстие обеспечивает центральное сверло. СОЖ под давлением подается через тело штока и корпус головки.

Эффективность глубокого сверления в значительной степени зависит от ус­ловий стружкообразования. Длинная толстая и широкая стружка может привести к забиванию выводящих каналов. Форма и размеры стружки зависят от обрабаты­ваемого материала, геометрии инструмента, скорости резания, осевой подачи и их соотношения, СОЖ и некоторых других факторов. Условия, обеспечивающие оп­тимальные размеры стружки, часто определяют опытным путем, изменяя пара­метры обработки.

В авиадвигателестроении широко применяется технология вибросверления, которая заключается в наложении на инструмент или деталь дополнительных осевых колебаний низкой частоты, обеспечивающих гарантированное дробление стружки и отвод ее из зоны обработки потоками СОЖ.

П ри вибрационной обработке отверстий режущие кромки инструмента по­лучают сложную траекторию перемещения (вращение относительно оси с осевым перемещением). Очевидно, что при таком характере перемещения режущих кромок форма образующейся стружки и ее размеры определяются:

• соотношением частот осевых вибраций/и вращения инструмента п_и, к =f/п_и;

• амплитудой вибраций А. Необходимым условием для разделения стружки является превышение амплитудой значения осевой подачи, приходящейся на режущую кромку S_zДостаточным условием разделения стружки является не кратность значенийfи п_и, т. е. не целое значение величины к. Иначе при работе одной режущей кромки или четном значении к при работе двумя режущими кромками может не происходить разделения стружки. Например, стружка будет иметь постоянную толщину по сечению, хотя и будет зигзагообразной;

• числом режущих кромок;

• сдвигом фаз φ между следами предыдущего и последующего проходов режущей кромки инструмента. Величина φ определяет форму сечения срезаемо­го слоя (рис. 3.87).

Допустимое значение амплитуды вибраций ограничивается статическим значением заднего угла режущей части инструмента. Очевидно, с увеличением амплитуды кинематический задний угол, т. е. угол между задней поверхностью инструмента и обработанной поверхностью, будет уменьшаться. При отрица­тельных значениях заднего угла резание становится невозможным.

Особенности работы режущего инструмента при виброобработке определя­ют геометрию его режущей части.

Для вибрационной обработки отверстий применяют различные конструкции инструментов (с внутренним, наружным и эжекторным подводом СОЖ). Однако для повышения эффективности обработки целесообразно использовать специ­альные конструкции инструментов (вибросверла, виброзенкеры и виброразверт­ки), геометрия которых адаптирована к условиям вибрационного резания. Этиинструменты выполняют с внутренним подводом СОЖ, они отличаются повы­шенной жесткостью благодаря уменьшению сечения стружкоотводящих кана­вок. Конструкции этих инструментов приведены на рис. 3.88, 3.89, 3.90. В каче­стве инструментального материала для вибросверления широко используют твердые сплавы, в частности ВК80М, ВК100М, ВК15 и др.

Реализация технологии вибрационной обработки отверстий возможна на специализированном или модернизированном универсальном оборудовании с системой подачи СОЖ под давлением.

На рис. 3.91 приведена схема станка для вибросверления. Заготовка 1 устанав­ливается на столе станка. Режущий инструмент 2 закрепляется в цанговом патроне 3. Его вращение выполняется в подшипниках качения 4 от шкива 5. Подача СОЖ в зону обработки осуществляется через устройство 6, отверстия в штоке и сверле.

Вибрации инструмента производятся гидравлическим вибратором, в состав которого входят распределитель (золотник 11 и гильза 10), гидроцилиндр 8 и пор­шень 9. Рабочая жидкость от гидравлической системы к распределителю и от распределителя к гидроцилиндру, обеспечивающему подачу шпинделя 7, посту­пает через систему отверстий. Амплитуда вибраций инструмента зависит от экс­центриситета эксцентрика 13, при вращении которого осуществляется возвратно-поступательное движение золотника 11. Это движение сопровождается открыти­ем магистралей подачи рабочей жидкости попеременно в правую и левую полостигидроцилиндра 8, что приводит к колебательному движению поршня 9, а сле­довательно, и режущего инструмента 2. Для обеспечения точности амплитуды и плавности перемещений предусмотрена жесткая обратная связь, реализуемая посредством планки 14, механически связывающей поршень 9 с гильзой рас­пределителя 10. В этом случае при движении поршня 9 одновременно произ­водится и перемещение гильзы 10, что позволяет сохранять постоянное про­ходное сечение у отсечных кромок золотника 11 и избежать колебаний расхода и давления в гидроцилиндре, которые могли бы нарушить стабильность коле­бательного процесса.

Вибрационная обработка глубоких отверстий наиболее эффективна для труднообрабатываемых материалов (вязких, жаропрочных, коррозионно-стой­ких, теплостойких сталей и сплавов на никелевой и титановой основах). Она обеспечивает высокопроизводительную и качественную доработку отверстий, предварительно полученных методами литья, штамповки (в том числе по корке), исправляет (уменьшает) увод оси предварительно полученного отверстия.

Возможный диапазон применения технологии вибрационной обработки от­верстий — отверстия диаметром 2... 100 мм и более глубиной до 100 диаметров.

Отверстия могут быть различной формы, сквозные и глухие, гладкие и ступен­чатые.

Вибросверление для деталей ГТД и агрегатов применяется для получения от­верстий в форсунках, золотниках, втулках, патрубках, дисках турбин, валах и др.

Для выполнения операций глубокого сверления используют специализиро­ванные одно- и многошпиндельные станки. Иногда глубокое сверление выпол­няют на универсальных станках и обрабатывающих центрах. На рис. 3.92 и 3.93 показаны специализированные станки для глубокого сверления.