Силы резания, момент и мощность при сверлении

В процессе резания сверло испытывает сопротивление со стороны обрабатываемого материала. На каждую точку режущей кромки действуют силы сопротивления. Заменим их равнодействующей силой, приложенной к точке А на расстоянии, примерно равном D/4 от оси сверла. Последнюю можно разложить на три составляющие силы Р_x, Р_у и Р_z (рис.72. )

Рис. 72. Силы, действующие на сверло

Сила сопротивления Р_х направлена вдоль оси сверла. В этом же направлении действует сила Р_п на поперечную кромку, сила трения Р_т ленточки о поверхность отверстия, cилы сопротивления, действующие на сверло вдоль ее оси, на ось X заменим равнодействующей силой Р₀, которая называется осевой силой или силой подачи. Она преодолевается механизмом подачи станка. Последний должен передать на шпиндель станка осевую силу Р'₀, способную преодолеть силу Р₀. Максимальная осевая сила, допускаемая механизмом подачи станка, приводится в его паспорте.

Формулы для подсчета осевой силы и момента при сверлении:

Определение силы Р₀ и момента М_кр производится по эмпирическим формулам, полученным экспериментальным путём. Для сверл из инструментальных сталей при обработке стальных и чугунных деталей они имеют следующий вид:

; , кГс·мм – при сверлении;

; , кГс·мм при рассверливании.

где: С_р и С_м – коэффициенты, зависящие от обрабатываемого металла, формы заточки сверла и условий резания;

z_p, x_p, y_p, z_M, x_M и y_M – степени влияния диаметра сверла D, глубины резания t, подачи s на осевую силу P₀ и крутящий момент при сверлении М;

K_p и K_M – поправочные коэффициенты на изменённые условия сверления;

Радиальные силы Р_у, разнонаправленные, уравновешиваются (SР_у = 0). Сила Р_z создает момент сопротивления резанию М на главных режущих кромках, а сила Р_т’, касательная к ленточке, — момент трения на ней (им обычно пренебрегают).

Относительное влияние элементов сверла на силу резания и момент кручения при сверлении приведены в таблице 16.

Таблица 16. Влияние элементов сверла на осевую силу P₀икрутящиймоментМ

М_кр= 716200·1,36·( ) кГс мм; N_шп = N_дв·h , кВт,

М_кр= 974000·( ) кГс мм.

Зная момент сопротивления М, можно определить эффективную мощность N_э затрачиваемую на резание при сверлении,

Мощность на подачу сверла составляет около 1 % от мощности и в расчетах не учитывается. По мощности определяют мощность, которую должен иметь электродвигатель станка для обеспечения заданного процесса резания:

,кВт

Станок пригоден для заданных условий сверления, если N_шп > N_e.

6.4. Влияние различных факторов на осевую силу и момент при сверлении. На осевую силу Р₀ и момент сопротивления резанию М влияют свойства обрабатываемого материала, геометрические параметры сверла, элементы среза (диаметр, подача) и др.

6.4.1. Свойства обрабатываемого материала. Чем выше предел прочности σ_в и твердость НВ материала, тем больше его сопротивление резанию, тем выше значения Р₀ и М. Для сверл из быстрорежущей стали получены экспериментально следующие зависимости:

, и - для стали;

, и - для чугуна.

где: С_р и С_м – коэффициенты, зависящие от условий резания.

6.4.2. Геометрические параметры сверла. С увеличением угла w осевая сила Р₀ и момент М уменьшаются в связи с увеличением передних углов γ_х на главных режущих кромках и облегчением отвода стружки. Угол j, (2j) влияет на составляющие силы резания и момент по аналогии с точением: при уменьшении угла осевая сила Р₀ уменьшается, а тангенциальная Р_z увеличивается, тем самым увеличивается и М. С уменьшением угла 2j сопротивление резанию в связи с увеличением γ_х уменьшается, но одновременно увеличивается ширина среза и уменьшается его толщина. Последнее ведет к росту деформации (тонкие стружки деформируются полнее) и, следовательно, росту силы Р_x и момента М. Угол наклона поперечной кромки d > 90° (см. рис. 72) и это значительно увеличивает осевую силу Р₀. Ранее было отмечено, что сила, действующая на поперечную кромку Рп = 0,55Р₀. Для ее снижения уменьшают длину кромки путем подточки, увеличивают ее передний угол, тем самым создаются более благоприятные условия резания вблизи нее. На величину М геометрия поперечной кромки влияет слабо. Двойная заточка сверла также слабо влияет на Р₀ и М.

Диаметр сверла и подача. С увеличением диаметра сверла D и подачи s увеличиваются ширина и толщина срезаемого слоя, следовательно, возрастают силы и момент резания. Экспериментально установлено, что диаметр сверла влияет на Р₀ в большей степени (1), чем подача (0,8). Для объяснения можно привести аналогию с точением, где глубина резания t влияет в большей степени на силы резания, чем подача (см. ), а при сверлении t = D/2 мм. Подача влияет примерно в одинаковой степени (0.8) на осевую силу Р₀ и крутящий момент М, а диаметр влияет в большей степени (1,9) на М и в меньшей — на Р₀ (1). Это объясняется тем, что при увеличении диаметра й возрастает сила Р_z, создающая момент М, и одновременно увеличивается длина плеча, на котором действует эта сила, что также способствует увеличению М (рис. ).

Охлаждающая жидкость. Подача охлаждающей жидкости в зону резания облегчает отвод стружки, уменьшает работу трения и замедляет износ сверла. Она способствует снижению осевой силы Р₀ и момента М до 25% при обработке стальных деталей и до 15% — при обработке чугунных.

Износ сверла

Природа и характер износа сверл и резцов одинаковы. При обработке вязких материалов (сталей и др.) быстрорежущими сверлами изнашиваются передние и задние поверхности сверла (рис. 73.), а у твердосплавных сверл передние поверхности изнашиваются незначительно.

Рис. 73. Характер износа сверла: А – по задней поверхности; Б – по ленточке; В – по уголкам; Г – по передней поверхности

При обработке хрупких материалов (чугуна, пластмассы и др.) преимущественно изнашиваются задние поверхности и уголки сверла. Передние и задние поверхности сверла более интенсивно изнашиваются на периферии, так как здесь скорость резания наибольшая и уголки сверла, являясь ослабленным местом, сильно нагреваются и разрушаются. Закономерность износа свёрл примерно та же, что и резцов при точении (Рис. 74).

Рис. 74. Характер протекания износа сверла от времени работы

Оценку износа рекомендуется производить: при обработке вязких материалов —по длине износа по задним поверхностям h_з, для хрупких материалов - по длине износа уголков h_y. Допустимая величина износа -критерий износа при сверлении быстрорежущими свёрлами:

h_З^кр = 0,4…1,2 мм, при обработке стали;

При обработке чугуна быстрорежущими свёрлами в качестве критерия износа принимается износ по длине уголков.

h_у = 0,4…1,2 мм – обработка сверлом из быстрорежущей стали;

h_у = 0,9…1,4 мм. – обработка сверлом из твёрдого сплава;

Период стойкости Т, мин, зависит от диаметра сверла и обрабатываемого материала.

Т = (1,0…1,25)∙D – обработка стали быстрорежущими свёрлами;

T = (1,25…1,5) D – обработка чугуна быстрорежущими свёрлами;

Т = (1,5…2,0) D – обработка чугуна свёрлами из твёрдого сплава.

В результате проведенных опытов при сверлении стали быстрорежущими сверлами получена следующая зависимость:

Из полученных результатов видно, что на износ сверла в большей степени влияет скорость, в меньшей — подача. Это становится понятным, если учесть, что на температуру резания степень влияния скорости примерно в 2 раза выше, чем подачи.