Сверление Отверстий На Станке С Чпу

Сверление отверстий на станке чпу - это процесс изготовления цилиндрических отверстий посредством металлорежущего инструмента на фрезерном и сверлильном оборудовании с числовым программным управлением. Сверление является основным способом получения отверстий.

Операцию сверления можно выполнять на различном оборудовании, таком как: сверлильный станок, фрезерный станок, сверлильно-фрезерные станки с ЧПУ. Сверление на станке, как правило, предшествует таким операциям как растачивание или развертывание. Общим для всех этих операций является сочетание вращательного и поступательного движения инструмента. Существует большое различие между сверлением отверстий небольшой глубины и глубоких отверстий, для обработки которых разработаны специальные методы, позволяющие сверлить отверстие глубиной, во много раз превышающей диаметр инструмента.

С развитием инструмента для обработки коротких отверстий последовательность процесса сверления на станках с чпу и подготовка к нему претерпевают существенные изменения. Современный инструмент позволяет засверливаться в сплошной материал и не нуждается в предварительной зацентровке отверстий. Достигается высокое качество поверхности и, зачастую, отпадает необходимость в последующей чистовой обработке отверстия.

В некотором смысле сверление на станке с чпу можно сравнить с операциями точения и фрезерования, но при сверлении уделяется большее значение эвакуации стружки. Обработка в ограниченном пространстве отверстия накладывает повышенные требования в отношении контроля за стружкообразованием.

Сверление в сплошном материале является одним из наиболее распространенных методов изготовления отверстия заданного диаметра за одну операцию (рис. 1, а).

Трепанирующее сверление на станках используется, в основном, при обработке отверстий большого диаметра, так как этот метод не требует таких затрат мощности, как сверление сплошного материала. Трепанирующие сверла превращают в стружку не весь материал отверстия, а оставляют целым сердцевину отверстия и, следовательно, предназначены только для обработки сквозных отверстий (рис. 1, б).

Растачивание - это процесс увеличения диаметра отверстия инструментом специальной формы (рис. 1, в).

Развертывание - это процесс, использующий много- или однолезвийный инструмент для повышения точности формы и размеров отверстия, а также снижения шероховатости поверхностей (рис. 1, г).

Рис. 1. Обработка отверстий на станках с чпу: а - сверление; б - трепанирующее сверление; в - растачивание; г - развертывание.

Режимы резания при сверлении отверстий на станке с чпу задаются такими параметрами, как скорость резания, подача на оборот, скорость подачи или минутная подача (рис. 2). Скорость резания (vc) выражается в м/мин и определяет скорость на периферии сверла.

Скорость резания изменяется вдоль режущей кромки от максимума на периферии до нуля на оси сверла. Рекомендуемые значения скорости относятся к скорости на периферии сверла.

Подача на оборот (rn), измеряемая в мм/об, определяет величину осевого перемещения инструмента за один его оборот и используется для вычисления скорости осевой подачи сверла.

Рис. 2. Основные параметры при сверлении

Скорость подачи или минутная подача (vf), измеряемая в мм/мин, это подача инструмента по отношению к пройденному им пути в единицу времени. Другое название этой величины – машинная подача, или подача стола. Скорость, с которой сверло проникает в заготовку, равняется произведению подачи на оборот и скорости вращения шпинделя.

Основные факторы, характеризующие операцию сверления на станке:

• диаметр отверстия;
• глубина отверстия;
• точность и качество поверхности;
• обрабатываемым материал;
• условия обработки;
• надежность обработки;
• производительность.

Образование стружки с формой и размерами, позволяющими легко удалять ее из отверстия, является первоочередным вопросом при рассмотрении любой операции сверления (рис. 3). Без удовлетворительной эвакуации стружки, работа сверла станет невозможной вследствие забивания стружечных канавок и закупоривания сверла внутри отверстия.

Рис. 3. Образование и удаление стружки, подвод СОЖ при сверлении

Высокопроизводительная обработка отверстий современными сверлами на портально сверлильном станке с чпу возможна только при обеспечении беспрепятственного отвода стружки посредством использования достаточного количества охлаждающей жидкости.

Большинство коротких сверл имеет две стружечные канавки для эвакуации стружки. Современное оборудование и инструмент позволяют осуществлять подвод СОЖ по внутренним каналам в сверле, через которые она поступает непосредственно в зону резания, уменьшая действие сил трения и вымывая стружку из отверстия.

Стружкообразование зависит от типа обрабатываемого материала, геометрии инструмента, режимов резания и, в некоторой степени, от выбранной охлаждающей жидкости. Обычно мелкая стружка образуется при увеличении подачи и/или уменьшении скорости резания. Длина и форма стружки считаются в норме, если они позволяют гарантированно удалять ее из обрабатываемого отверстия.

Поскольку скорость резания уменьшается от периферии к центру, вершина сверла не будет участвовать в резании. На вершине сверла передний угол отрицательный и скорость резания равна нулю, а это означает, что она будет просто давить материал, что повлечет за собой появление пластической деформации. В свою очередь, это приведет к увеличению осевой силы резания. Если оборудование не имеет достаточной мощности и жесткости, появляется биение шпинделя и, в результате, форма отверстия может получиться овальной.

Сверление отверстий на станке чпу при помощи современных сверл со сменными пластинами позволяет вести обработку с высокими скоростями и большими объемами образующейся стружки, которая вымывается из отверстия потоками охлаждающей жидкости, подающейся под определенным давлением по внутренним каналам. Необходимые давление (МПа) и объем (л/мин) СОЖ зависят от диаметра отверстия, а также от условий обработки и типа материала заготовки.

При внутреннем подводе СОЖ для вращающегося сверла ее давление должно быть выше, по сравнению со сверлом невращающимся, из-за влияния центробежной силы. В этом случае рекомендуется компенсировать недостаток давления дополнительным объемом жидкости. Определенные потери давления при прохождении по трубопроводам должны также учитываться при подводе СОЖ.

Для выбора сверла для станка с чпу необходимо:

• Определить диаметр, глубину и требования по качеству поверхности отверстия (принимаются во внимание вопросы надежности обработки).
• Выбрать тип сверла (выбрать сверло для черновой или чистовой обработки, в соответствии с обрабатываемым материалом и требованиями к качеству отверстия, и обеспечивающее максимальную экономичность обработки).
• Выбрать марку сплава и геометрию (при использовании сверл со сменными пластинами, пластины должны быть выбраны отдельно, в соответствии с диаметром сверла, геометрией и сплавом, предназначенными для обработки данного материала; для цельных сверл и сверл с напаянным твердым сплавом достаточно выбрать марку твердого сплава).
• Выбрать тип хвостовика (выбрать тот тип, который подходит для используемого оборудования).

С появлением станков с ЧПУ наиболее распространенным и успешным применением было их использование для сверления. Большинство разработок представляло собой координатный стол с управлением от ЧПУ, устанавливаемый под траверсой радиально-сверлильного станка. В тот период рекламировалась экономия, достигаемая тем, что больше не нужны кондукторы и специальные зажимные приспособления. Однако накопленный потребителями опыт показал, что экономия, достигаемая за счет устранения кондукторов, часто оценивалась неправильно. В результате исследований установлено, что оператор, работающий на радиально-сверлильном станке с кондуктором, может вести позиционирование отверстий быстрее, чем это может быть сделано системой ЧПУ (это особенно характерно для систем с малой скоростью позиционирования). Даже в тех случаях, когда система ЧПУ может дать выигрыш во времени, более высокая часовая стоимость эксплуатации станка с ЧПУ приводит к удорожанию обработки. Используя ЧПУ станок происходит общее снижение расходов благодаря значительному уменьшению времени на пригонку.

Пример: Обрабатываемая деталь - дверь (рис. 4) из низкоуглеродистой стали. При обработке с использованием ЧПУ применяют сверлильный станок портального типа, при обычном методе обработки - радиально-сверлильный станок. Операции: сверление, зенкование и нарезание резьбы в 137 отверстиях диаметром 3/16 - 1 3/4 in. Детали обрабатывают партиями из 60 деталей по 12 партий в год.

Рис. 4. Сверлильные операции на детали «Дверь»

Уменьшение времени, необходимого на пригонку и сборку, объясняется в основном следующим. Во всех дверях имелся ряд одинаковых отверстий, в каждой двери, в то же время имелось по нескольку неповторявшихся отверстий, расположенных в соответствии с требованиями потребителей. Было очень просто добавить эти дополнительные отверстия к программе обработки и при этом сохранить высокую точность. При обычных методах обработки дополнительные отверстия необходимо было разметить, и они поэтому не были выполнены с точностью, достижимой при использовании кондукторов.

Наилучшим использованием сверлильного станка совместно с координатным столом с ЧПУ можно считать случай, когда вообще нецелесообразно применять кондуктор, например из-за того, что малы размеры партий обрабатываемых деталей. При этом экономия достигается из-за отсутствия разметки, а также и во время самого сверления, так как на станке с ручным управлением намного труднее попасть в центр, размеченный керном.

Пример: Обрабатываемая деталь - фланец (рис. 5) из латуни. При обработке с использованием ЧПУ применяют координатный стол и радиально-сверлильный станок. При обычном методе обработки - радиально-сверлильный станок. Операции: сверление шести отверстий диаметром 15/32 in, расположенных по окружности диаметром 5 1/8 in через 60°. Детали обрабатывают партиями из восьми штук.

Рис. 5. Операции сверления на детали «Фланец»

Что касается скорости индексирования головок, то во многих случаях еще имеется широкое поле деятельности в направлении дальнейших улучшений конструкций с тем, чтобы скомпенсировать дополнительные расходы, вызванные добавлением поворотной головки. Однако нет сомнений, что принятый принцип оправдан так как при добавлении команд на изменения подачи и скорости цикл обработки становится полностью автоматическим и совершенно не зависит от «эффективности» и старательности рабочего.

Сверление является наиболее распространенным методом изготовления отверстий диаметром до 40 мм и обеспечивает обработку отверстия в целом материале. Режущая часть спирального сверла имеет две режущие кромки (рис. 6). Передний угол γ зависит от угла ω наклона винтовой канавки сверла, который, как правило, составляет 25-30°; задний угол α формируется при заточке.

Рис. 6. Схема сверления отверстия

Особенностью сверления является переменная скорость резания по длине режущей кромки сверла, имеющая максимальное значение у периферии сверла, постоянно уменьшающаяся к центру и равная нулю в середине перемычки сверла, соединяющей две режущие кромки. В центре сверла процесс резания переходит в смятие и перемычка работает как зубило. При сверлении отверстий стружка сходит по винтовой канавке. Сверло помимо вращательного движения вокруг своей оси, имеет еще и поступательное движение вдоль этой же оси. Поэтому каждая режущая точка сверла совершает движение по винтовой линии с шагом, равным подаче на оборот. С увеличением подачи на оборот передний угол сверла в работе увеличивается и сверло как бы заостряется.

Особенностью сверла является наличие на периферии сверла цилиндрической ленточки, что дает сверлу направление и обеспечивает получение заданного диаметра.

Геометрические параметры сверла показаны на рис. 6. Главные режущие кромки сверла перекрещиваются под углом 2φ, который называется двойным углом в плане и, как правило, составляет 120°.

Передний угол γ - переменный и зависит от шага и угла ω наклона винтовой канавки. Для сверл диаметром до 15 мм задний угол α=11÷14°, а для сверл диаметром более 15 мм α=8÷11°. Угол наклона поперечной кромки ψ=50÷55°. Угол наклона винтовой канавки у сверл ω=18÷30°. Чтобы исключить возможность защемления сверла в отверстии, его рабочую часть делают с обратным конусом (до 0,1 мм на 100 мм длины).

Схемы сверления и рассверливания отверстия показаны на рис. 7. Подача S - перемещение сверла вдоль оси за один оборот. Так как сверло может быть рассмотрено как двойной резец, подача на зуб Sz=S/2. Минутная подача Sмин=Sn, где n - частота вращения сверла, об/мин.

Рис. 7. Сверление (а) и рассверливание (б) отверстия

Толщина срезаемого слоя α= Szsin φ.

Ширина срезаемого слоя при сверлении B=D/(2sinφ), а при рассверливании B1=(D-d)/2sinφ, где d - диаметр ранее просверленного отверстия.

Площадь поперечного сечения при сверлении F=DS/4, а при рассверливании F1=(D-d)S/4.

Скорость резания v=πDn/1000, м/мин.

При нормировании технологического процесса, как правило, пользуются штучным временем обработки деталей: Тшт=То+Твсп+Тобсл+Тф, где T - основное (или технологическое) время; Твсп - вспомогательное время; Тобсл - время обслуживания рабочего места; Тф - время перерывов на физические потребности и отдых.

В течение основного времени То происходит резание металла: To=L/(Sn), где L=lт+l1+l2 - длина рабочего хода инструмента в направлении подачи (lт - путь теоретического резания; l1 - величина подвода; l2 - величина перебега).

В течение вспомогательного времени Твсп (выбираемого по нормативам) рабочий устанавливает и снимает деталь; подводит инструмент, заменяет зажимное приспособление и инструмент, управляет станком и контролирует деталь. Все эти времена выбираются по нормативам.

В течение времени Тобсл, предназначенного на обслуживание, рабочий заменяет затупленный инструмент, удаляет стружку (в процессе работы), правит инструмент, подналаживает и регулирует станок (в процессе работы), осматривает, чистит и смазывает станок; время Тобсл выбирается по нормативам.

Время Tф рассчитывается по формуле Tф=k(To +Тв), где k<1 и выбирается по нормативам.

Сверлением получают отверстия в сплошном материале с точностью до 11-го квалитета и параметром шероховатости Rz=40÷20 мкм. Необходимая длина режущей части сверла зависит от требуемой глубины сверления и определяется используя чертежи детали. При сверлении глубоких отверстий применяют удлиненные сверла.

Сверла устанавливают коническим хвостовиком в отверстие переходной втулки или удлинителя, а последние - в конус шпинделя станка. Предварительно сопрягаемые конические поверхности протирают концами или салфеткой. Сверла снимают с оправки или удлинителя с помощью клина-выколотки. Необходимо иметь в виду, что все инструменты с коническим хвостовиком могут нормально работать лишь при условии хорошего сопряжения конических поверхностей и отсутствия забоин. Для направления сверла в начале обработки применяют предварительную зацентровку отверстия коротким сверлом Ø до 30 мм.

Применяя для сверления расточные станки, режимы резания выбирают по справочникам. Режим резания при сверлении и рассверливании выбирают (по справочникам) в зависимости от материала обрабатываемой детали, диаметра и геометрии заточки сверла, длины обрабатываемого отверстия и вылета сверла.

Подачу при сверлении осуществляют осевым перемещением шпинделя относительно детали, закрепленной на неподвижном столе, или перемещением стола с деталью относительно вращающегося шпинделя (сверла). Ручную подачу сверла применяют при засверливании по корке, установочном перемещении до соприкосновения инструмента с деталью и при выводе инструмента из отверстия для удаления стружки. Ввиду значительных осевых усилий сверление производят с механической подачей.

При сверлении необходимо соблюдать следующие правила:

• не применять сверла с длиной спиральных канавок меньше глубины сверления;
• подводить к детали лишь вращающееся сверло;
• врезание осуществлять вручную, а затем включать механическую подачу;
• не останавливать сверло при резании, не выключив предварительно подачу сверла;
• при сверлении сквозных отверстий торец детали должен быть перпендикулярен оси сверла на входе и выходе.

Применяя горизонтально-расточные станки сверлят глухие отверстия следующим образом. Подводят сверло до соприкосновения с деталью и замечают по круговому лимбу подачи шпинделя деление, совпадающее с нулевой риской. Засверливают отверстие вручную и, включив механическую подачу шпинделя, следят за поворотом кругового лимба до деления, соответствующего глубине отверстия. После этого выключают механическую подачу и выводят (вручную) сверло из отверстия. При рассверливании глухих отверстий вручную подводят второе сверло (до касания наружного диаметра сверла с торцом детали), после чего, включив механическую подачу, отсчитывают глубину сверления по лимбу подачи шпинделя.

Отверстия, длина которых меньше пяти диаметров сверла, при нормальном вылете шпинделя сверлят по разметке без направления сверла. При точном расположении отверстия (отношении длины отверстия к диаметру больше 5) сверла направляют через втулки (установленные в приспособлении) или через предварительно обработанные отверстия в одной из стенок детали. Если отверстие расположено на значительном расстоянии от торца шпинделя применяют удлиненную оправку, входящую по скользящей посадке в направляющую втулку.

В качестве СОЖ при сверлении используют эмульсию или керосин (расход СОЖ 10-12 л/мин). Применение охлаждения при обработке стали позволяет увеличить скорость резания на 25-30%.

Поломка сверл может произойти вследствие выкрашивания режущих кромок, затупления, износа или повреждения кромок ленточек или поломки лапки хвостовика. Чтобы предотвратить поломку сверл по указанным причинам, необходимо уменьшить скорость резания, заточить сверло, уменьшить подачу, заменить направляющую втулку с прослабленным диаметром отверстия, своевременно очищать сверло от стружки, обеспечить правильное сопряжение конических поверхностей инструмента, переходной втулки и шпинделя.

При сверлении деталей на расточных станках могут быть следующие погрешности обработки: уход сверла от заданной оси, разбивка отверстия по диаметру, неудовлетворительная шероховатость обработки или смещение оси отверстия от базовых поверхностей.

Причины увода сверла от заданной оси: продольный изгиб сверла, неплотная посадка конуса сверла в шпинделе станка, непараллельность оси шпинделя направляющим станка или неперпендикулярность поверхности детали направлению подачи сверла.

Причины разбивки отверстия при сверлении: несоосность осей хвостовика и рабочей части сверла, смещение оси заборного конуса относительно хвостовика, неравенство режущих кромок при заточке или биение оси шпинделя станка.

Неудовлетворительная шероховатость обработки отверстия сверлом и смещение оси отверстия от базовых поверхностей также являются следствием указанных выше причин, но, кроме того, зависят и от качества заточки, состояния режущих кромок и ленточки, правильности координации инструмента при установке.

Увод сверла от заданной оси можно предупредить двойной заточкой с подточкой перемычки и ленточки, предварительной засверловкой жестким укороченным сверлом, применением удлиненных направляющих втулок при сверлении отверстий в нескольких стенках, ликвидацией забоин и загрязнения конусов инструмента и шпинделя, перемещением шпинделя (а не стола) Во время обработки и фрезерованием торца детали перед сверлением.

Разбивку отверстия по диаметру также можно предупредить, если соблюдаются технические условия на биение рабочей части сверла относительно хвостовика (диаметр сверла до 20 мм - биение не более 0,12 мм, диаметр 20-50 мм - 0,15 мм, диаметр свыше 50 мм - 0,18 мм), производится заточка сверл и контролируется равенство длин режущих кромок.