Анализ видов подточки перемычки и методов расчета точности обработки спиральными сверлами
Новоселова Ксения Андреевна, Филичкин Максим Станиславович
Руководители – Дерябин Игорь Петрович, Шаламов Виктор Георгиевич
Трехгорный технологический институт – филиал Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (ТТИ НИЯУ МИФИ), Трёхгорный
khoran_99@mail.ru, maxf96@mail.ru, derigp@gmail.com
В данной статье рассматриваются теоретические вопросы о влиянии параметров подточки поперечной режущей кромки (перемычки) спирального сверла на показатели качества отверстия, а также проведенные исследования в научных источниках и теоретической литературе. Рассмотрены виды подточки перемычки, её влияние на разбивку, увод и изменение припуска при обработке.
В работе проанализированы методы подточки перемычки спиральных свёрл, оценены преимущества подточки перемычки и её влияние на точность обрабатываемого отверстия.
Ключевые слова: поперечная режущая кромка (перемычка), спиральное сверло, точность обработки отверстия.
Analysis of the types of cross cutting edge sharpening and methods
of calculating accuracy by twist drill
Novoselova Ksenia Andreevna, Philichkin Maxim Stanislavovich,
Deryabin Igor Petrovich, Shalamov Viktor Georgievich
Tryokhgorny Technological Institute, the branch of the National Research Nuclear
University «MEPhI», Tryokhgorny
This article discusses the theoretical questions about the influence of the parameters of the sharpening of the cross cutting edge (bridge) of a twist drill on the quality of the hole, as well as the research conducted in scientific sources and theoretical literature. The types of bridge sharpening, its influence on the layout (difference between actual hole dimension and diameter of drill), axis offset and change of the allowance during processing are considered.
The paper analyzes the methods of sharpening the bridge of twist drills, discussed the advantages of sharpening the bridge and its impact on the accuracy of the hole.
Keywords: cross cutting edge (bridge), twist drill, hole processing accuracy.
Обработка отверстий сверлами занимает значительное место: сверление точных отверстий составляет до 50% всех сверлильных работ, а доля машинного сверления составляет от 30 до 40% рабочего времени.
Однако точность получаемых отверстий, возникающих в результате обработке сверлами до сих пор остается не стабильна. Одними из главных причин сравнительно невысокой точности просверленных отверстий являются особенности геометрии сверла, отклонение от симметричности заточенной режущей части и малая жесткость сверла.
Целью данной работы является исследование теоретического вопроса о влиянии параметров подточки перемычки поперечной режущей кромки спирального сверла на показатели качества отверстия, изучить методики расчета точности обработки спиральными сверлами.
Основными недостатками геометрии спирального сверла, приводящие к снижению стойкости и увеличению сил резания являются:
1) отрицательные передние углы на поперечной режущей кромке;
2) недостаточные передние углы, примыкающие к сердцевине сверла;
3) отсутствие заднего угла на направляющих ленточках.
В современной науке существует множество способов, способных значительное улучшить режущую способность спирального сверла посредством изменения геометрии при заточке.
Наиболее распространенными из них являются:
1. подточка направляющих ленточек;
2. подточка перемычки;
3. двойная заточка.
При рассмотрении вопроса связи подточки перемычки с показателями качества отверстия нужно отметить, что в научной и справочной литературе отсутствуют сведения количественной связи между этими показателями.
Перейдём непосредственно к рассмотрению поперечной режущей кромки (перемычке).
Перемычка (поперечная режущая кромка) – это геометрический элемент сверла, служащий для зацентровки материала сверлом, являющаяся центром сверла (точка соприкосновения материала и сверла при обработке).
Перемычка сверла фактически не участвует как в таковом резании материала, она лишь заминает его, так как скорость резания на оси равна нулю, что соответственно приводит к увеличению усилия для прохождения режущих кромок в материал (а также к снижению стойкости инструмента, увеличению температуры и давления в зоне резания). Именно с целью уменьшения усилия и условий резания, есть необходимость в подточке перемычки.
Работа А.В. Баранова и Н. К. Шалаева «Расчётное определение контактных нагрузок на режущих лезвиях и перемычке сверла» [1] как раз подтверждает, что температурные поля и скорость их изменения достигают значительных величин, в результате чего режущая часть инструмента подвергается интенсивным тепловым нагрузкам.
В частности, для свёрл данный вопрос особенно актуален, поскольку обработка отверстий отличается целым рядом особенностей по сравнению с обработкой наружных поверхностей (более тяжёлые условия образования и удаления стружки, низкая жёсткость инструмента, переменность передних и задних углов режущих лезвий и перемычки).
Перейдём к рассмотрению типов подточек перемычек.
Существует несколько видов подточки перемычки, однако в любом из случаев ее подтачивают с двух сторон, при этом полное ее стачивание недопустимо.
Классификация подточек перемычки представлена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Типы подточки перемычки: а) со стружкоотводящей канавкой; б) с увеличением передних углов на кромке перемычки; в)с увеличением передних углов на кромке перемычки и подрезанием задней части зуба; г) со стачиванием части перемычки; д) со стачиванием части перемычки и подточкой режущих кромок; е) с прорезкой перемычки.
Параметры каждого типа подточки перемычки представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры подточки перемычки
| Тип подточки | Параметры подточки | Особенность подточки |
| Со стружкоотводящей канавкой(рисунок 1, а) | Длина режущей кромки не изменяется, создается стружкоотводящая канавка | - |
| Продолжение таблицы 1 | ||
| С увеличением передних углов на кромке перемычки (рисунок 1, б) | Увеличение передних углов от -30° до -20° | Выполняется торцовой и цилиндрической поверхностями дискового круга, пересекающимися под прямым углом |
| С увеличением передних углов на кромке перемычки и подрезанием задней части зуба (рисунок 1, в) | Увеличение передних углов от -30° до -20°, снятие затылочной части пера | Снижает стойкость сверл при сверлении труднообрабатываемых и твердых материалов |
| Со стачиванием части перемычки (рисунок 1, г) | Частичный срез поперечной кромки (укороченная кромка) | Снижает осевую силу и улучшает центрирование сверла. Применяется при глубине сверления не более трёх диаметров |
| Со стачиванием части перемычки и подточкой режущих кромок (рисунок 1, д) | Частичный срез поперечной кромки, частичная переточка стружкоотводящей канавки | Широко применяется при изготовлении цельных твердосплавных сверл, а также применяется в тех случаях, когда необходимо дополнительно притупить (заострить) режущие кромки |
| С прорезкой перемычки (рисунок 1, е) | Срез поперечной кромки полностью | Используется для сверления чугуна |
В работе И.П. Дерябина, С.И. Павлючука и С.В. Чернышева «Экспериментальные исследования влияния подточки перемычки спиральных сверл на точность обработки отверстий» [4] рассматриваетсявопрос о влиянии подточки перемычкипо передней поверхности,представленной на рисунке 2, в результате было выявлено что подточка перемычки снижает погрешности диаметра на 25 %, формы на 55 % и расположения оси отверстия на 43 %.
Исходя из данного исследования, возникает вопрос о необходимости сравнительного исследования при разных типах подточки для выявления наиболее эффективной. На рисунке 2 представлен вид подточки перемычки по передней поверхности.
Рисунок 2 - Вид подточки перемычки по передней поверхности,где
D – фактический диаметр сверла, a – длина поперечной режущей кромки, ψ – угол наклона поперечной кромки
Перейдём к рассмотрению влияния перемычки на точность, разбивку, увод отверстия, а также рассмотрим имеющуюся методику их расчета.
Для оценки влияния подточки перемычки на точность обработки отверстий были проведены экспериментальные исследования в работе «Экспериментальные исследования влияния подточки перемычки спиральных сверл» [4].
В экспериментах участвовали сверла с подточкой перемычки и без подточки. Было обработано 40 деталей из материала Сталь 40ХА.
Полученные результаты экспериментов в виде средних значений приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты экспериментов
| Вид сверла | Отклонение от округлости, мм | Разбивка, мм | Отклонение от прямолинейности, мм |
| Сверло с подточкой перемычки | 0,025 | 0,117 | 0,079 |
| Сверло без подточки перемычки | 0,055 | 0,155 | 0,138 |
Из данного исследования можно сделать вывод о практической необходимости подточки поперечной кромки сверла в соответствии с полученными в ходе работы данными: уменьшение отклонения от округлости и прямолинейности.
Отверстия, полученные сверлением без подточки перемычки, имеют отклонения формы в продольном и поперечном сечении, отклонение оси отверстия от баз.
Рассмотрим влияние перемычки на разбивку обрабатываемого отверстия.
Разбивка - разность между диаметрами инструмента и обработанного отверстия. Результаты исследования [4] приведены на рисунке 3. При сверлении сверлом с подточкой перемычки разбивка значительно меньше, чем разбивки сверлом без перемычки.
Рисунок 3 - Разбивка отверстия: D(d) с подточкой перемычки, D1(d) – без подточки
Подточка перемычки снижает увод оси отверстия [4].
В данной работе эксперимент показал, что уменьшение длины перемычки и увеличение угла при вершине ведет к уменьшению величины разбивки просверленного отверстия и уменьшению увода его оси.
Рассмотрим анализ механических сил действующих на сверло.
Подточенная перемычка, в отличие от классической перемычки создает более благоприятную геометрию обусловлено это тем, что главный кинематический передний угол существенно больше соответствующего угла классической перемычки, но этот угол увеличивается с уменьшением расстояния до оси сверла [9]. Схема сил резания и поле скоростей представлена на рисунке 4.
Рисунок 4 – Схема сил резания и поле скоростей в плоскости остро заточенного лезвия
В работе И.П. Дерябина и С.И. Павлючука «Анализ схем формообразования отверстий сверлами с подточкой перемычки» [6] говорится, что основной причиной изменения формы и увода оси отверстия при сверлении является разность радиальных составляющих сил резания действующих на режущие кромки.
В данной работе рассматривается, как меняется площадь срезаемого слоя в зависимости от того, подточена перемычка или нет. В первом случае резание осуществляется сверлом без подточки поперечной кромки (рисунок 5.а), во втором случае такая подточка имеется (рисунок 5.б). Анализируя полученную схему можно видеть, что после подточки перемычки площадь срезаемого слоя в зоне перемычки уменьшается, соответственно увеличивая способность вершины сверла к самоцентрированию. Наглядно видно уменьшение длины поперечной кромки.
а) 
б) 
Рисунок 5 – Схемы сверления: а) без подточки перемычки; б) с подточкой перемычки
Для выявления необходимости исследования, был изучен объем исследованных работ на данную тематику, результаты которых приведены в таблице 3.
Таблица 3 - Результаты анализа источников
| Авторы, исследования, патенты | Рассмотрение резания с перемычкой | Точность обработки (параметры) | Методики расчета точности |
| А.В. Баранов, Н. К. Шалаев «Расчётное определение контактных нагрузок на режущих лезвиях и перемычке сверла» [1] | Рассматривается, проводится анализ механики и теплофизики резания с подточенной перемычкой | Рассматривается взаимосвязь тепловых и механических явлений | Не рассматривается |
| А.В. Баранов, А. Д. Растопчи «К вопросу оптимизации условий работы поперечной кромки сверла» [2] | Рассматривается, проводится анализ резания с перемычкой и полуперемычкой | Не рассматривается. Делается вывод, что практически на всей длине поперечной кромки имеются условия для протекания процесса резания, за исключением крайне малого участка у оси сверла от 6 до 7 % длины – с отрицательными значениями угол | Не рассматривается |
| Продолжение таблицы 3 | |||
| Е. В. Васильев, Д. С. Макашин, И. К. Черных «Влияние форм и геометрических параметров подточки поперечной режущей кромки на толщину среза по длине режущих кромок спирального сверла» [3] | Рассматривается частично | Изучается вопрос о равномерности припуска с разными видами подточки перемычки, в результате чего делается вывод о благоприятном влиянии круговой подточки перемычки на самоцентрирование сверла | Не рассматривается |
| И.П. Дерябин, С.И. Павлючук, С.В. Чернышев «Экспериментальные исследования влияния подточки перемычки спиральных сверл на точность обработки отверстий» [4] | Рассматривается частично | Напрямую рассматривается вопрос о влиянии подточки перемычки на точность отверстия, рассматриваются параметры отклонения от округлости, прямолинейности, разбивка. В результате выявлено, что подточка перемычка благоприятно влияет на точность отверстия. | В качестве методики расчета точности применяются экспериментальные измерения геометрических параметров сверла с подточкой перемычки, а также приведены результаты статического анализа. |
| И.П. Дерябин, С.И. Павлючук «Влияние вида подточки поперечной кромки спирального сверла на точность получаемых отверстий» [5] | Рассматривается частично | Рассматриваются экспериментально полученные параметры увода оси отверстий, отклонений от округлости и разбивки | Не рассматривается |
| И.П. Дерябин, С.И. Павлючук «Анализ схем формообразования отверстий сверлами с подточкой перемычки» [6] | Рассматривается, приводится анализ радиальных сил, действующих на каждое сверло | Рассматриваются радиальные силы, действующие на сверло | Рассматривается методика расчёта радиальных сил, действующих на сверло |
| А.В. Козлов, И.П. Дерябин, А.Г. Схиртладзе «Математическое моделирование процессов обработки отверстий» [7] | Не рассматривается | Рассматриваются следующие параметры точности отверстия: разбивка, увод оси, а также вопрос о погрешности формы, перемычка рассматривается частично | Предоставлена методика расчета точности по разным параметрам, перемычка рассматривается частично |
| Ж. К. Мусина, М.Ж. Абишева, А.М. Солтанова «Влияние методов заточки свёрл на эксплуатационные качества» [8] | Не рассматривается | Рассматриваются экспериментальные зависимости величины биения режущих кромок, а также значения осевой силы и температуры главных кромок сверла | Не рассматривается |
| Л.Д. Оленин «К анализу механики резания цилиндрическим сверлом с перемычкой» [9] | Рассматривается, приводится энергетический анализ сил действующих на сверло | Точность обработки не рассматривается, однако выявлено благоприятное влияние исправленной перемычкой на геометрию отверстия | Приведен энергетический расчет сил, в результате чего выявлено, что большая часть осевой силы приходится на перемычку |
В результате данного анализа можно сделать вывод о том, что по проведенным исследованиям, нельзя сформулировать четкую методику расчёта точности с учётом влияния перемычки и существует необходимость в разработке данной методики.
Библиографический список
1. А.В. Баранов, Н. К. Шалаев. «Расчётное определение контактных нагрузок на режущих лезвиях и перемычке сверла», 2013. – 5 с.
2. А.В. Баранов, А. Д. Растопчи «К вопросу оптимизации условий работы поперечной кромки сверла», 2016. – 4с.
3. Е. В. Васильев, Д. С. Макашин, И. К. Черных. «Влияние форм и геометрических параметров подточки поперечной режущей кромки на толщину среза по длине режущих кромок спирального сверла». – Омск, 2018. – 8 с.
4. И.П. Дерябин, С.И. Павлючук, С.В. Чернышев. Экспериментальные исследования влияния подточки перемычки спиральных сверл на точность обработки отверстий, 2015. – 5с.
5. И.П. Дерябин, С.И. Павлючук «Влияние вида подточки поперечной кромки спирального сверла на точность получаемых отверстий», 2014. – 6с.
6. И.П. Дерябин, С.И. Павлючук «Анализ схем формообразования отверстий сверлами с подточкой перемычки», 2014. – 7с.
7. А.В. Козлов, И.П. Дерябин, А.Г. Схиртладзе. Математическое моделирование процессов обработки отверстий: учебное пособие. – Челябинск: издательство ЮУрГУ, 2006. – 209 с.
8. Ж. К. Мусина, М.Ж. Абишева, А.М. Солтанова «Влияние методов заточки свёрл на эксплуатационные качества», 2016. – 4с.
9. Л.Д. Оленин. «К анализу механики резания цилиндрическим сверлом с перемычкой». – М.: Издательство МГТУ «МАМИ», 2011. – 11 с.