6.1 Теоретические основы процесса поперечного сверления

Сущность сверления состоит в резании резцами, расположенными торцу цилиндрического тела инструмента сверла и описывающими при рабе в древесине винтовые поверхности.

Технологическое назначение процесса - получение отверстий или гнёзд круглого сечения. Назначение отверстий и гнезд в деталях и узлах из древесных материалов различно: для вставки круглых шипов (шкантов), пропускания деталей металлических креплений (болтов, стяжек), ввинчивания шурупов, а также удаления дефектных мест заготовки с последующей заделкой отверстий пробками.

Движение резца - вращение - в станках всегда придается инструменту: механизм подачи может надвигать вращающееся сверло вдоль оси вращения на неподвижную заготовку либо подавать заготовку на сверло. Сверление - сложный процесс.

По направлению оси отверстия относительно волокон древесины различают сверление продольное (в торец детали) и поперечное ( в пласть, в кромку).

В настоящей работе рассматривается процесс поперечного сверления. У сверл различают хвостовую часть (для крепления сверла в станке) и рабочую. Рабочей называют часть сверла, несущую две винтовые канавки. Она включает режущую и направляющие части. Режущая часть сверла, представленная на рисунке 6.1, имеет две режущие кромки I. Направляющая часть имеет две направляющие ленточки (фаски 2), которыми сверло центрируется в отверстии и две винтовые стружечные канавки 3 для транспортировки стружки из отверстия.

Передние поверхности резцов 4 - это винтовые поверхности канавок; задние поверхности 5 обычно являются частями конических поверхностей. Главные режущие кромки 1 можно считать прямыми линиями.

Сверло, представленное на рисунке, имеет главные режущие кромки 1, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения; направляющий центр б и подрезатели 7. Главная режущая кромка сверла с подрезателями и центрами срезает слой толщиной а = Зг, предварительно отделенный от боко­вой- поверхности отверстия впереди идущим подрезателем. Направляющий центр, ось которого совпадает с осью сверла, обеспечивает дополнительное (к ленточкам) его центрирование.

Рисунок 6.1 – Схема поперечного сверления

На энергетические параметры влияют многие условия сверления. Из них наиболее важными являются диаметр и глубина отверстия, подача на резец (толщина срезаемого слоя), порода древесины и длительность работы сверла после заточки.

Удаление стружки из рабочей зоны (выход ее из гнезда) возможно толь­ко в определенной круговой зоне сверла, прилегающей к цилиндрической по­верхности отверстия. На этом пути на стружку действуют центробежные силы инерции, прижимающие ее к поверхности отверстий, и силы трения скольже­ния, направление которых можно считать нормальным к оси сверла. Эти силы способствуют выводу стружки из отверстия.

По мере приближения к центру сверла скорость главного движения реза­ния V уменьшается. Скорость же движения подачи для всех точек сверла оди­накова. Значит в различных точках режущей кромки направление вектора ско­рости результирующего движения резания V_е тоже различно, а, следовательно, различные значения для различных точек лезвия принимает и угол движения, составленный векторами V и V_е (рисунок 6.1, сечения А-А и Б-Б).

Угол движения при сверлении α_д достигает больших значений. Например, при подаче на оборот S_о = 4 мм и диаметре D = 4 мм - α_д = 18 ⁰ .

Рабочий кинематический задний угол α_р зависит от заднего угла а и угла движения α_д. Угол α_p меньше угла α и это отличие возрастает от периферии сверла к его центру (α'_p,< α"_p, рисунок 6.1, сечения А-А и Б-Б).

Уменьшение угла α_р до 0 ⁰ ведет к резкому возрастанию сил трения меж­ду обрабатываемой заготовкой и задней поверхностью сверла, что вызывает его нагрев и даже возгорание древесины.

Значения углов при сверлении:

задний α = 20 ... 25⁰;

заострения β = 20…25⁰;

резания δ = 40 ... 50⁰.

Эти углы измеряются в плоскости, нормальной к главной режущей кромке (рисунок 6.1, сечения А-А, Б-Б).

Скорость движения подачи определяется по продолжительности рабоче­го хода стола и величине хода, V_s, м/мин, по формуле:

V_s = (L_{x *} 60) / (1000 * Т_р.x), (1)

где L_x - длина рабочего хода стола, мм;

Т_р.x - продолжительность рабочего хода стола, с (измеряется секундоме­ром).

Подача на резец, S_z, мм определяется:

S_z =(V_{s *} 1000) / (z * n) , (2)

где z - число резцов, шт;

n - частота вращения шпинделя станка, мин^-1 .

Подача на оборот, S_o, мм, определяется:

S_o = S_z * z, (3)

Средняя скорость главного движения резания, т.е. скорость на половине диаметра, Vср, м/с, определяется по формуле:

Vср = (π * D * n) / (1000 * 2 * 60), (4)

где D - диаметр сверла, мм.

Толщина срезаемого слоя (стружки), а, мм:

а =S_z*sinφ = S_z , (5)

где φ = 90 ⁰ - половина угла сверла при вершине (2 φ - угол между главными режущими кромками).

Ширина срезаемого слоя (стружки), b, мм, определяется:

b = D / 2sinφ =D/2, (6)

Длина срезаемого слоя у периферии, lп, мм:

1п =πD, (7)

Средняя длина стружки, l_ср, мм:

l_ср = lп /2 = (π * D )/ 2. (8)

Площадь поперечного сечения срезаемого слоя (стружки) за один оборот одним резцом f_z, мм²:

f_z = (S_z * D) / 2, (9)

Площадь поперечного сечения слоя, срезаемого за один оборот сверла, f_o,мм²:

f_z = (S_z * z * D) /2 =(S_o * D) / 2, (10)

Объем слоя, срезаемого за один оборот одним резцом, О, мм³:

О = f_z * l_ср= (S_z * D) /2 * 2(πD)/2 = (π * S_z* D²) / 4 , (11)

Секундный объем слоя, срезаемого за один оборот сверла, О_с, мм³/с :

О_с = f_о *V_ср=(S_o*D)/2*(π*D*n)/(2*60)=(π*S_o*D²*n)/(4 ^* 60). (12)

Время сверления отверстия, Т_св, с:

Т_св = (60*t)/(1000*V_s), (13)

где t - глубина сверления, мм.

Угол движения определяется для двух точек лезвия: при D ≈ D_mах и при

0<D<0,5 Dmах, град:

α_д = arctg [S_o / (πD)] , (14)

Рабочий кинематический задний угол α_р, град.:

α_p = α - α_д , (15)

Главная составляющая силы резания (касательная), приведенная к точке сверла с радиусом 0,25D, F_х, Н, равна:

F_x = K*f_o=K*S_o*D/2 , (16)

где K - удельная работа резания, Дж/см²:

K = K_т *а_n *a_p, (17)

где K_т - табличное значение удельной работы резания , Дж/см³ (таблица 6.1);

а_n- поправочный множитель на породу древесины (таблица 6.2);

а_р - поправочный множитель на затупление резцов (таблица 6.3).

Мощность резания при сверлении, N_рез, Вт:

N_рез = Р_х V_ср , (18)

N_рез =k* Ос/1000 =К*π*So*D² *n/1000 *4* 60, (19)

Крутящий момент при сверлении, Мкр, Н мм:

Мкр=F_{х окр} D/2, (20)

где F_{х окр} - окружная касательная составляющая силы резания, приведенная к

точке сверла с радиусом 0,5 D, H

Р_{х окр} = k*S_z*D/2 , (21)

Осевое усилие подачи при t ≤ 10D, Р_{х ос}, Н:

F_{х ос} =(0,25 + 0,07D)F_{х окр}, (22)

Мощность подачи, N_п, Вт:

N_п = F_{х ос} * V_s /60 . (23)

Таблица 6.1 - Значение k_т при сверлении древесины хвойных пород (сверла острые, глубина сверления t ≤ 5D

Подача на резец	Кт, Дж/см3
	Для диаметра сверла, D, мм
	5	10	15	20	25
Сверло с центрами и подрезателями
0,1	1540	430	196	113	88
0,5	380	110	52	33	24
1,0	235	70	34	23	16
2,0	162	50	25	18	12
Сверло с конической заточкой
0,1	3250	870	460	300	185
0,5	1250	310	160	100	65
1,0	1000	240	107	62	42
2,0	875	200	107	62	42

Таблица 6.2 - Поправочный множитель а_п на породу древесины

Порода древесины	ап	Порода древесины	ап
Липа	0,80	Лиственница	1,10
Осина	0,85	Береза	1,25
Сосна	1,00	Бук	1,40
Ель	0,95	Дуб	1,55
Ольха	1,05	Ясень	1.75

Таблица 6.3 - Поправочный множитель а_р на затупление резца

Длительность работы инструмента после заточки, час	ар
0	1,0
1	1,20
2	1,30
3	1,35
4	1,40
5	1,45
6	1.50