Температура при сверлении металла

Обновлено: 05.10.2024

АЛМАЗ / СВЕРЛЕНИЕ / ПОЛИМЕРНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ / ТЕМПЕРАТУРА / ТЕПЛОПРОВОДНОСТЬ / ТЕМПЕРАТУРНОЕ ПОЛЕ / DIAMOND / DRILLING / POLYMER COMPOSITE MATERIALS / TEMPERATURE / THERMAL CONDUCTIVITY / TEMPERATURE FIELD

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Дударев Александр Сергеевич, Свирщёв Валентин Иванович

Приводится рассмотрение важной теплофизической задачи определения температуры в зоне резания, возникающей при сверлении полимерных композиционных материалов , на примере углепластика. Полимерные композиционные материалы имеют особенности при механической обработке, характеризуются анизтропными физико-механическими и теплофизическими свойствами, низкой теплопроводностью . Известные подходы для определения темпертурного поля при обработке металлов непригодны. Предложено аналитическое решение нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности . Полимерный композиционный материал представлен как двухкомпонентная система.

EVALUATION OF THE TEMPERATURE FIELD AT DIAMOND DRILLING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS

The article provides a review of important thermal problem of the definition temperature in the cutting zone caused by the drilling process polymer composite materials , for example CFRP. Polymer composite materials have characteristics during mechanical processing, characterized anisotrop-governmental physico-mechanical and thermal properties, extremely low heat conductivity. Known approaches for determining temperaturnogo field when processing the processing of metals. The proposed analytical solution of nonlinear differential-equations ferentiating teploprovodnosti. Polymer composite material is presented as a two-component system.

Текст научной работы на тему «Оценка температурного поля при алмазном сверлении полимерных композиционных материалов»

ОЦЕНКА ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ПРИ АЛМАЗНОМ СВЕРЛЕНИИ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ

А.С. Дударев, В.И. Свирщёв

Приводится рассмотрение важной теплофизической задачи определения температуры в зоне резания, возникающей при сверлении полимерных композиционных материалов, на примере углепластика. Полимерные композиционные материалы имеют особенности при механической обработке, характеризуются анизтропными физико-механическими и теплофизическими свойствами, низкой теплопроводностью. Известные подходы для определения темпертурного поля при обработке металлов непригодны. Предложено аналитическое решение нелинейного дифференциального уравнения теплопроводности. Полимерный композиционный материал представлен как двухкомпонентная система.

Ключевые слова: алмаз, сверление, полимерные композиционные материалы, температура, теплопроводность, температурное поле.

Проведение теплофизического анализа с целью управления тепловыми процессами в технологических системах является одним из резервов повышения качества изделий [1].

Температурное поле элементов технологической системы «Станок -приспособление - инструмент - заготовка» (СПИЗ) формируется возникающими в ней источниками теплоты.

Существуют различные подходы к определению температурного поля в компонентах технологической системы, основанные на решении дифференциального уравнения теплопроводности [1], среди которых интерес представляют аналитические и численные методы решения краевых задач [2, 3, 4].

Задача определения температурного поля при шлифовании рассмотрена в большом количестве работ, однако до настоящего времени остаётся ряд нерешённых вопросов, к числу которых относится влияние сма-зочно-охлаждающей технологической среды (СОТС) на формирование температурного поля и физико-механического состояния поверхностного слоя.

Обработка резанием полимерных композиционных материалов (ПКМ) сопровождается целым рядом специфических особенностей, определяемых, главным образом, структурным строением ПКМ, а также их физико-механическими свойствами [5].

По физической природе алмазное сверление ПКМ соответствует физической модели шлифования, но специфика свойств обрабатываемых ПКМ определяет исключительные тепловые явления. Так, низкая теплопроводность ПКМ кардинально влияет на соотношение составляющих те-

плового баланса. Тепло, выделяемое в процессе резания, концентрируется на контактных поверхностях заготовки и инструмента. Согласно исследованию, приведённому в работе [6], тепло, выделяемое в процессе резания ПКМ (углепластика УГЭТ) и стали 40Х, распределяется между элементами технологической системы согласно гистограммам, приведенных на рис. 1.

Рис. 1. Распределение и отвод тепла при резании лезвийным инструментом (точение): а - резание (точение) углепластика; б - резание (точение) стали 40Х

Аналитический расчет температуры резания, а особенно распределения температур по поверхности и в глубину изделия, представляет большие трудности по той причине, что ПКМ имеют ярко выраженную анизотропию не только механических, но и теплофизических свойств [7], которые зависят от направления теплового потока относительно направления ориентации волокон (рис. 2). Теплопроводность в направлении оси Ъ по рис. 2 существенно превышает теплопроводность слоя ПКМ в других направлениях (оси X и У).

Рис. 2. Схема монослоя ПКМ: 1 - полимерная матрица (связующее); 2 - волокна армирующие (наполнитель)

Наиболее часто для прогнозирования двумерного температурного поля используется решение дифференциального уравнения теплопроводности для подвижного полосового источника [1]. Однако уравнение из [1] не учитывает охлаждающего влияния СОТС на характер изменения температурного поля. Попытка учесть это влияние, предпринятая, например В.А. Сипайловым [2] и А.Н. Паршаковым [3], позволила получить только приближенное решение, основанное на ряде допущений. Сложность задачи обусловлена необходимостью учесть в зоне резания одновременно граничные условия второго рода, а за пределами этой зоны - граничное условие третьего рода. Как следствие, тепловая задача характеризуется разрывными (неоднородными) граничными условиями, для учета которых необходимо применять специальные математические приёмы [2]. Полученное решение из [2] учитывает влияние температуры СОТС на температуру шлифования. В это решение СОТС введено через коэффициент теплообмена а.

На основании обобщения исследований В.А. Сипайлова В.П. Лар-шин в своих работах [8, 9] предлагает следующий подход к определению температуры шлифования на поверхности и по глубине поверхностного слоя. Сущность этого подхода заключается в том, что температурный цикл шлифования разбивается на два последовательных этапа времени, как это в действительности и имеет место. На первом этапе происходит нагрев обрабатываемой поверхности в течение времени воздействия источника тепла с плотностью теплового потока д. На втором этапе, для которого начальные условия создаются на этапе нагрева, происходит охлаждение обрабатываемой поверхности в условиях её теплообмена с СОТС. Температурное поле на этапе нагрева описывается математической зависимостью, представляющей собой решение одномерного дифференциального уравнения теплопроводности. Эта зависимость из [3] имеет вид

Т = 2пл[н • ¡ег/с * 2Т , (1)

где Н - безразмерная полуширина теплового источника, Н = — ; V - ско-

рость перемещения источника тепла, м/с; Ь - полуширина полосового ис-

точника тепла, м; Х- безразмерная координата, X - — ;х- размерная ко-

ордината, м; д - интенсивность теплового потока, Вт/м~; а - коэффициент

температуропроводности, м/с; Я - коэффициент теплопроводности, Вт/(м К).

Очевидно, что распределение температуры по глубине поверхностного слоя в конце этапа нагрева является начальным условием для определения температурного поля на этапе охлаждения. Анализ работы [4] по-

зволил установить, что для определения температуры сверления Тохл(хЛ) на этапе охлаждения (с начальными условиями, полученными на этапе нагрева) можно использовать следующее уравнение:

Влияние способа подвода и давления охлаждающей жидкости на температуру резания при сверлении сталей быстрорежущими сверлами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Текст научной работы на тему «Влияние способа подвода и давления охлаждающей жидкости на температуру резания при сверлении сталей быстрорежущими сверлами»

ИЗВЕСТИЯ ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ПОДВОДА И ДАВЛЕНИЯ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ ЖИДКОСТИ НА ТЕМПЕРАТУРУ РЕЗАНИЯ ПРИ СВЕРЛЕНИИ СТАЛЕЙ БЫСТРОРЕЖУЩИМИ СВЕРЛАМИ

Д. В. КОЖЕВНИКОВ, Ю. В. ЩЕПЕТИЛЬНИКОВ

(Представлена научным семинаром кафедры станков и резания металлов)

Процесс сверления сопровождается интенсивным выделением тепла, источником образования которого служит пластическая деформация обрабатываемого металла при переходе его в стружку и трение на контактных поверхностях инструмента и изделия.

Температура резания тесно связана со всеми физическими явлениями, сопровождающими процесс резания металлов, и оказывает решающее влияние на износ и стойкость режущего инструмента. Специфические услови'я процесса сверления (переменность скорости резания и геометрии по длине режущих кромок, затрудненный отвод стружки) значительно осложняют картину теплообразования и распределения температуры. Кроме того, закрытый характер протекания процесса резания при сверлении приводит в результате длительного контакта стружки, несущей основную долю образующегося тепла, с корпусом сверла к дополнительному его нагреву.

С целью снижения температуры резания сверление сталей производят с подводом смазочно-охлаждающей жидкости. Однако применяемый обычно при сверлении метод охлаждения — свободный полив сверху — малоэффективен, так как охлаждающая жидкость прежде всего встречается с нагретой стружкой и вращающимся корпусом сверла, препятствующим ее проникновению в зону резания. На стойкость инструмента оказывает влияние главным образом теплота резания, концентрирующаяся 'в поверхностных слоях режущего инструмента, в зоне контакта его со стружкой и обрабатываемым материалом. Именно отсюда нужно в первую очередь интенсивно отводить тепло. Теплофизиче-ским анализом доказано, что наибольшее снижение температуры резания достигается тогда, когда охлаждающая среда прежде всего встречает на своем пути инструмент, а затем уже стружку и изделие [1]. При сверлении это условие выполняется в полной мере только в случае подвода охлаждающей жидкости непосредственно в зону резания через внутренние отверстия в сверле.

Исследования, проведенные в лаборатории резания металлов ТПИ сверлами из быстрорежущей стали Р9 диаметром 23 мм с прокатанными отверстиями (конструкция ВНИИ) на различных по своим физическим свойствам сталях, убедительно подтверждают сказанное.

Опыты были проведены на модернизированном вертикально-сверлильном станке 2А150. Измерение температуры резания проводилось ме-98

^оДбм естественной термопары при сверлении сталей 45Г17ЮЗ, ЭИ—316, Х25СНЗД, 1Х18Н9Г, ст. 45, ст. 20. Схема установки для измерения температуры резания представлена на рис. 1. Охлаждающая жидкость подводилась в зону резания под давлением до 45 кг/см2 от специальной насосной станции через патрон 1, закрепленный иа шпинделе станка, н отверстия в сверлах. Чтобы избежать возникновения паразитных термопар, зона сверления изолировалась о^ окружающего пространства за-

щитным кожухом 2, охлаждающая жидкость из которого отводилась через отверстия в ■бак, не (связанный .со стаканам. Термоэдс, возникающая в процессе резания между сверлом и заготовкой 6, снималась с медного кольца 3> закрепленного/на шпинделе станка, меднографитовыми

щётками 4 и регистрировалась малоинерционным милливольтметром 5' 'типа М 136/А с ценой деления 0,05 ту.

Результаты измерений температуры резания при скорости, 21,2 м/мип в зависимости от давления охлаждающей жидкости, для всех сталей представлены на рис. 2. Из анализа приведенных зависи-

Ыкрла из Р9 ч> гз тт :

V -- 21? т/тин 5 = 015 """/об (з - ст ■ .. -

* - ст 20 о - Х15СНЗ-Д

Лайпение охлаждающей Жидкости

мостей следует, что наибольшее снижение температуры резания наблюдается, в случае замены охлаждения поливом подводом ' охлаждающей жидкости непосредственно в зону резания. При увеличении давления охлаждающей жидкости температура резания вначале продолжает, уменьшаться и при достижении какого-то «критического» для данного материала и. режима резания значения в дальнейшем остается практически неизменной. Причем эта «критическая величина» давления больше для сталей с меньшей теплопроводностью; Так для стали 45Г17ЮЗ это около 25 кг/'ем2, а для стали 45 температура резания остается практически неизменной, уже начиная с давления 5 кг/см2. Поэтому при одинаковых режимах сверления сталей с различной теплопроводностью разя пость в температуре резания уменьшается с ростом давления (табл. 1).

Вид , , охлаждения Полив 1 ■ кг ¡см2 5 кг/ел2- ' г : . ■ ! 15 кг!см- 25 кг ¡см2 35 кг ¡см2 45 кг! см2

Разность температуры при сверлении ст. 45Г17ЮЗ и ст. 45 446° 356° 268° 252° 245° ■ V ' 240° 235°

Следовательно, сверление жаропрочных и нержавеющих сталей, обладающих худшей, по сравнению с конструкционными материалами, теплопроводностью, следует вести при большем давлении охлаждающей жидкости в подводящей системе, чем при сверлении конструкционных сталей.

При увеличении скорости резания температура резания для всех сталей увеличивается более интенсивно в случае сверления без подвода охлаждения и при охлаждении поливом. При внутреннем охлаждении с увеличением давления охлаждающей жидкости на всех скоростях резания, наблюдается снижение температуры, при этом интенсивность такого снижения по мере увеличения давления охлаждающей жидкости уменьшается (рис, 3).

Значительное снижение температуры резания в случае замены охлаждения внутренним напорным поливом обеспечивает существенное

повышение стойкости сверл. Как показали проведенные в дальнейшем стойкостные исследования, стойкость быстрорежущих сверл при сверлении сталей 1Х18Н9Т и 45Г17ЮЗ в случае замены охлаждения поливом внутренним при давлении охлаждающей жидкости 25 кг/см2 увеличивается в 20—25 раз.

1. Подвод охлаждающей жидкости под давлением в зону резания через внутренние отверстия в сверле обеспечивает значительное снижение температуры резания особенно при сверлении сталей с низкой теплопроводностью.

2. Величина давления охлаждающей жидкости, обеспечивающая наибольшее снижение температуры по сравнению с подачей ее поливом тем выше, чем ниже теплопроводность обрабатываемого материала. :

1. 'А. Н. Резников. Конструирование и практика внедрения^высокостойких режущих инструментов. «Машиностроитель», НТО Машпром, № 6, М., 1966.

Использование метода газового анализа для контроля температуры при сверлении Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Афанасьев Константин Владимирович, Рогов Владимир Александрович

Предлагается новый бесконтактный способ определения температуры резания при сверлении на основе метода газового анализа . Установлено, что температура резания и концентрация образованного в зоне резания газа связаны линейной зависимостью. Показаны преимущества использования способа. По экспериментальным данным получено математическое выражение для расчета температуры резания в зависимости от концентрации газа для обработки стали 45.

Using of Gas Analysis by Way of Temperature Control in Drilling

The paper proposes a new contactless method of determining temperature when drilling on the basis of gas analysis. Established that the cutting temperature and the concentration formed in the cutting of gas associated linear dependence. The paper proposes advantages of the method. According to experimental data obtained by the mathematical expression to calculate the cutting temperature, depending on the concentration of gas.

Текст научной работы на тему «Использование метода газового анализа для контроля температуры при сверлении»

МАШИНОСТРОЕНИЕ И ЭНЕРГОМАШИНОСТРОЕНИЕ

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА ГАЗОВОГО АНАЛИЗА ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ СВЕРЛЕНИИ

К.В. Афанасьев1, В.А. Рогов2

'Областное автономное учреждение «Новгородский научно-координационный центр» ул. Новолучанская, 27а, Великий Новгород, 173001 2Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов

Инженерный факультет Российский университет дружбы народов ул. Орджоникидзе, 3, Москва, Россия, 115419

Предлагается новый бесконтактный способ определения температуры резания при сверлении на основе метода газового анализа. Установлено, что температура резания и концентрация образованного в зоне резания газа связаны линейной зависимостью. Показаны преимущества использования способа. По экспериментальным данным получено математическое выражение для расчета температуры резания в зависимости от концентрации газа для обработки стали 45.

Ключевые слова: температура резания, сверление, метод газового анализа.

Температура резания является одним из важнейших параметров при сверлении, температурные значения периодически требуются при испытаниях нового режущего инструмента, построении тарировочных кривых между диагностируемым параметром процесса резания и температурой, получением математических моделей, в методиках оптимизации режимов обработки и многих других случаях. Возникает потребность в экспресс-контроле температуры резания.

В настоящее время устройства для измерения температуры, в основе которых лежат физические принципы, уже не требуют встраивания в инструментальные узлы станков, предварительной настройки или тщательной калибровки.

Многие устройства, используемые в резании для определения температуры, непригодны при сверлении. Пирометр практически сложно использовать при свер-

лении ввиду скрытой (изолированной) зоны резания. Устройства для измерения температуры с помощью термопары требуют размещения отдельных элементов устройства на быстродвижущихся узлах станках, что значительно усложняет конструкцию.

Целью работы является создание нового способа определения температуры в зоне резания и исследование возможности его использования при сверлении.

Способ бесконтактного определения температуры резания при механической обработке на основе метода газового анализа разработан К.В. Афанасьевым, И.В. Швецовым и В.А. Щёголевым [1]. Предложенный способ заключается в том, что «зону резания изолируют от внешней воздушной среды защитным кожухом, зонд газоанализатора размещают вблизи изолированной зоны резания, измеряют концентрацию образующихся углеродсодержащих газов и определяют температуру процесса резания при помощи корреляционной зависимости между указанной температурой и концентрацией образующихся газов». Способ позволяет осуществлять непрерывный контроль над тепловыми и диффузионными процессами в зоне резания.

Основные положения метода газового анализа изложены в работах [2; 3]. Данный способ имеет ряд преимуществ: высокое быстродействие и низкая погрешность измерений. Быстродействие определяется исключительно технической возможностью газоанализатора, а погрешность измерений газовых каналов составляет не более 4—6% (для оптико-абсорбционного газоанализатора, при использовании других, более высокоточных приборов погрешность снижается до 1—3%). Полученный газоанализатором сигнал передается на персональный компьютер, где выдаются значения температуры, соответствующие концентрации образованных газов. Кроме того, влияние на показания измерительного прибора таких помех, как вибрация, акустические волны и др., замечено не было. За счет этого значительно повышается качество регистрируемого сигнала.

В то же время есть и ограничения по применению предложенного способа: 1) использование только при сухом резании, которое, по разным источникам, занимает до 60% от всей механической обработки; 2) диапазон измеряемых температур — от 0,4Тпл до температуры теплостойкости материала. Например, для сухого сверления стальных материалов температурный диапазон применяемого способа [600, 900 °С]. Однако этого диапазона достаточно для работы на оптимальных режимах резания.

Взаимосвязь параметров коэффициента диффузии, энергии активации и температуры резания определяется выражением [4]

где Б — коэффициент диффузии, см2/с; Б0 — предэкспоненциальный или частотный множитель, см2/с; Q — тепловая энергия (энергия активации), кал/г-атом; Я — универсальная газовая постоянная, Я = 8,31Дж/(кг • м); Т — температура резания, К.

Афанасьев К.В., Рогов В.А. Использование метода газового анализа для контроля температуры.

В выражении (1) значения Q и D0 являются табличными величинами для заданного диффундирующего элемента из кристаллической решетки растворителя. На рисунке 1 изображен график зависимости, расчитанный по формуле (1) для атомов углерода, диффундирующих из кристаллической решетки обрабатываемого материала — стали 45.

600 650 700 750 800 850 900 Т, °С

Рис.1. График зависимости коэффициента диффузии D от температуры резания Т: D0 = 0,04 см2/с, Q = 31 400 кал/г-атом

Для построения графической зависимости N(z, т) = f(T) проведем серии экспериментов на вертикально-сверлильном станке 2Н118 с самоустанавливающейся подачей. Замеры концентрации образованного газа N(z, т) осуществлялись при установленных режимах резания и соответствующей им температуре резания.

Расчет температуры резания осуществляют по эмпирическим формулам, приведенных в работах [5; 6; 7]:

T = KvVk2 Sk3 tk4 ИБкб, (2)

где kj. k6 — коэффициенты, определяемые в ходе проведения эксперимента; V — скорость резания, м/мин.; S — подача, мм/об.; t — глубина резания, мм; h — износ, мм; НВ — твердость обрабатываемого материала, ед.

Используем модель А.Д. Макарова [6] как наиболее предпочтительную для данных режимов обработки. Температура резания, использованная в работе [6], находится из формулы

T = 266,7 -V0384 S 0'132t0'098. (3)

Варьирование осевой подачи осуществляют таким образом, чтобы исходя из расчетной формулы (3) температура резания с каждым новым режимом увели-

чивалась на 20—25 °С в диапазоне температур 600^900 °C. За счет самоустанавливающейся от грузов подачи был рассчитан необходимый шаг в граммах массы грузов, который прибавлялся для увеличения подачи и, как следствие, температуры резания. Зависимость температуры резания от подачи представлена на рис. 2.

В каждом режиме резания осуществляли не менее семи экспериментов, выбиралось новое стандартное сверло, ранее не использовавшееся в работе. Режимы обработки: скорость резания V = 20,1 м/мин., S = 0,03^0,58 мм/об., глубина сверления L/d = 5, диаметр сверла d = 8 мм, материал сверла — Р6М5, материал заготовки — сталь 45.

На основе проведенных экспериментов была получена следующая зависимость. С использованием методов математической статистики [8] для коэффициента корреляции между значениями температуры резания и концентрацией образованного газа получено значение

Данный коэффициент свидетельствует о том, что температура резания и концентрация образованного газа связаны линейной зависимостью:

T = 1020 • N + 640. (4)

На рисунке 3 изображена прямая, построенная на основе математического выражения (4). Из графика видно, что погрешность между теоретическими и экспериментальными значениями не превышает 3%.

Достоинством способа является простота и низкая стоимость газоаналитического оборудования. Данные поступают на прибор в цифровом виде, что исключает дополнительные алгоритмы обработки и вторичную аппаратуру. Получаемый сигнал может быть использован в качестве входной информации для ЧПУ.

Таким образом, разработанный способ бесконтактного определения температуры с помощью метода газового анализа показал принципиальную пригодность при сверлении.

Полученное математическое выражение позволяет рассчитать значения температуры резания на основе показаний концентрации газа, при этом погрешность расчетных и экспериментальных значений не превышает 5%.

[1] Афанасьев К.В., Швецов И.В., Щеголев В.А. Способ бесконтактного определения температуры в зоне резания при механической обработке. Патент на изобретение № 2398659; заявитель и патентообладатель Новгородский государственный университет им. Ярослава Мудрого.

[2] Швецов И.В. Газоаналитическое отображение механической обработки: Монография. — Великий Новгород, 2004.

[3] Сокол В.В., Афанасьев К.В. Оценка тепловой энергии при решении задач теплофизики резания // Вестник ОрелГТУ. Серия «Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии». — 2008. — С. 54—57.

[4] Болтакс Б.И. Диффузия в полупроводниках. — М.: ГИФМЛ, 1961.

[5] Вульф А.М. Резание металлов. — Л.: Машиностроение, 1973.

[6] Макаров А.Д. Оптимизация процессов резания. — М.: Машиностроение, 1976.

[7] Юдковский П.А., Крючков Н.К. Четырехленточное спиральное сверло // Станки и инструменты. — 1965. — № 3.

[8] Рогов В.А., Позняк Г.Г. Методика и практика технических экспериментов. — М.: Машиностроение, 2005.

0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Ы(г, т)

Рис. 3. Зависимости температуры резания от концентрации образованного газа:

1 — по результатам эксперимента; 2 — теоретическая зависимость

USING OF GAS ANALYSIS BY WAY OF TEMPERATURE CONTROL IN DRILLING

K.V. Afanasyev1, V.A. Rogov2

'Regional Autonomous Institution "Novgorod Scientific Coordinating Centre" Novoluchanskaya str., 27a, Veliky Novgorod, Russia, 173001

2Department of Mechanical Engineering, Metal-cutting machines and tools Engineering Faculty People's Friendship University of Russia Ordzhonikidze str., 3, Moscow, Russia, 115419

Key words: temperature control of cutting, drilling, the method of gas analysis.

Температура при сверлении металла

Спиральные сверла имеют самое широкое применение. Спиральной сверло представляет собой цилиндрический стержень, рабочая часть которого снабжена двумя винтовыми спиральными канавками, предназначенными для отвода стружки и образования режущих углов на рабочем конце. Сверла изготавливаются как из быстрорежущей стали, так и твердого сплава.

Спиральные сверла изготовляют с цилиндрическим, коническим и шестигранными хвостовиками. Сверла с цилиндрическим хвостовиком изготавляют диаметром до 12 мм, с коническим – от 6 до 60 мм.

У сверл с коническим хвостовиком лапка на концевой части сверла (2) служит упором при выбивание сверла (1) из гнезда конуса (3) посредством клина (4). Спиральные сверла стандартизованы. Поэтому выбирают только такие размеры отверстий, для которых имеется соответствующий диаметр сверла. Основным размером сверла принято считать диаметр. Длина рабочей части сверла, в зависимости от диаметра, составляет: в сверлах с цилиндрическим хвостовиком - диаметр плюс 50 мм, а с коническим – 2 диаметра плюс 120 мм.

Геометрия спиральных сверл

Геометрические параметры режущей части сверла состоят из переднего угла γ (гамма), заднего угла α (альфа), угла при вершине 2φ (фи), угла наклона винтовой канавки ω (омега) и угла наклона поперечной кромки сверл ψ (пси).

Угол при вершине сверла 2φ выбирается в зависимости от обрабатываемого материала и составляет:

Сталь, чугун, твердая бронза 116°—118°
Коррозионно стойкая сталь и сплавы 127°
Титановые сплавы 135°-140°
Красная медь 125°
Мягкая бронза, латунь 120°-130°
Алюминий 130°—140°
Магниевые сплавы 90°
Целлулоид, эбонит 85°—90°
Мрамор и другие хрупкие материалы 80°
Гетинакс, винипласт, пластмассы 90°—100°
Органическое стекло 70°
Мрамор, эбонит 140°
Древесина 140°

Задний угол заточки α измеряется в параллельной оси сверла. При самой обычной заточке его значения так же, как и переднего угла, изменяются. У наружной окружности сверла задний угол равен 8—12°, а у оси — 20—25°. Задний угол сверла уменьшает трение задней поверхности сверла о заготовку. Чтобы понять, зачем нужен задний угол, попробуйте снять обычным ножом стружку с деревянной дощечки, плотно прижав лезвие к ее поверхности. Самое большее, что удастся, — это соскоблить некоторые выступающие волокна. Приподнимите лезвие над плашкой до определенного положения, образуя тем самым «задний» угол, и оно начнет снимать стружку. «Задний» угол не должен быть слишком большим, иначе лезвие «нырнет» сразу на большую глубину и придется снимать толстую стружку со значительными усилиями.

Наклон канавок к оси сверла ω может составлять от 10 до 55°. Угол наклона винтовой канавки определяет значение переднего угла: чем больше угол наклона, тем больше передний угол. Это облегчает процесс резания и улучшает выход стружки. Угол наклона канавки выбирается в зависимости от диаметра сверла и свойств обрабатываемого материала. Для каждого материала существует свой оптимальный угол подъема (для цветных металлов 34°-45°, стали — 25°-30°).

Процесс сверления — это довольно сложный процесс во время которого происходит сдвиг отдельных частиц, пластическая деформация и другие явления. Когда режущая кромка спирального сверла внедряется в какой-то материал, она «вынуждает» стружку скользить по своей передней поверхности. При сверлении хрупкого материала, например чугуна, образуется сыпучая стружка, а если материал пластичен, например медь, то пойдет сливная стружка, похожая на свитую в спираль ленту. Впрочем, такое деление достаточно условно, поскольку материалы не всегда обладают четко выраженными свойствами, например у многих хрупких пластмасс, которые, нагреваясь при появлении стружки, начинают вести себя как пластичный материал.

Передний угол заточки γ определяется в плоскости перпендикулярной режущей кромке. При обычной заточке передний угол в различных точках режущей кромки имеет разные значения. Наибольшее значение он имеет у наружной поверхности сверла, наименьшее — у поперечной кромки. У вершины сверла передний угол заточки будет равен 1—4°. Изменение значения переднего угла является недостатком спирального сверла и вызывает неравномерный и быстрый его износ. Данный недостаток решается различными способами подточками вершины сверла.

Линия, образованная пересечением поверхностей заточки сверла, называется поперечной кромкой, которая образует угол ψ, равный 55°. Величина поперечной кромки принимается обычно равной 0,13 D (где D – диаметр сверла).

Для уменьшения трения боковой поверхности о стенки отверстия с нее снимается фаска. При этом вдоль винтовой канавки получается узкая полоска – ленточка, которая служит также в качестве направляющей сверла.

Для обеспечения повышенной прочности и жесткости твердосплавных сверл по сравнению со сверлами из быстрорежущей стали увеличивают сердцевину до 0,25 диаметра сверла.

Чистота просверленных отверстий и высокая производительность при сверлении достигается лишь при условии работы с остро и правильно заточенным сверлом. В процессе сверления режущая часть сверла изнашивается и потому требует систематического восстановления своих геометрических размеров. Восстановление это осуществляется путем заточки. Заточка сверл производится на специальных заточных станках или вручную на абразивных кругах.

Крепление обрабатываемой детали.

Одним из сложных примеров сверления является сверление оконного профиля с внутренним металлическим армированием. Проблемы состоят в том, что одновременно сверлится три отверстия сразу в термопластике и металле, металл достаточно тонкий и плохо закреплен, металл может отгибаться при сверление, отсутствует охлаждение, пластиковый профиль образует сливную стружку и сильно притирается к сверлу. Все это крайне негативно влияет на длительность работы сверла до перезаточки, по этому старайтесь придерживаться правил:

фиксация заготовки должна быть максимально жесткой, надежной, исключающей возникновение каких-либо смещений или изгиба во время сверления. При необходимости используйте вставки и дополнительные элементы фиксации.
при обработке тонкостенных деталей необходимо уменьшить значение используемой подачи
не использовать сверла из твердого сплава при возникновение вышеописанных проблем, так как они чрезвычайно чувствительны к любым нагрузка на изгиб

Режимы резания при сверлении.

Подача сверла при сверлении отверстий на станках вручную, должна быть максимально равномернее. При сквозном сверлении, после выхода поперечной кромки сверла из металла, сопротивление материала заготовки значительно уменьшается. Поэтому, если не изменять давление на рычаг или маховик подачи сверла, сверло захватит больший слой материала и вследствие чего может сломаться. Во избежание поломки подача сверла перед его выходом из металла должна быть возможно меньшей. Для автоматического сверления необходимо обязательно обеспечить равномерность подачи, а не прилагаемого усилия. Для общего представления о величинах подач можно считать, что при сверлении с автоматической подачей в стальных деталях отверстий диаметром 5—30мм подача принимается в пределах 0,1—0,3 мм/об, а при чугунных деталях — в пределах 0,2—0,7 мм/об. Скорость резания при работе сверлом из быстрорежущей стали должна быть около 30 м/мин, если материал обрабатываемой детали — конструкционная сталь средней твердости, и около 35 м/мин, если деталь из чугуна средней твердости. При работе твердосплавными сверлами скорость резания можно увеличивать в два-три раза. Охлаждение при сверлении понижает температуру сверла, нагревающегося от теплоты резания и трения о стенки отверстия, уменьшает трение сверла об эти стенки и, наконец, способствует удалению стружки. В качестве смазочно-охлаждающей жидкости при сверлении отверстий в стальных деталях применяется эмульсия. Сверление отверстий в чугуне производится без охлаждения.

Дефекты заточки

При ручной заточке сверла возможны следующие дефекты:

Длина режущих кромок неодинакова: середина поперечной кромки не совпадает с осью сверла. При этом длинная режущая кромка будет больше нагружена, чем короткая кромка, и скорее затупится. Внешне это часто выражается в виде выкрашивания ее около угла длинной кромки. Кроме того, под влиянием большой нагрузки со стороны кромки длинной кромки сверло будет отжиматься в сторону от оси вращения и отверстие получится большего диаметра, чем диаметр сверла. Чем глубже отверстие, тем меньше будет его точность. Сверло будет «бить» и может поломаться.
Режущие кромки заточены под различными углами к оси сверла. При этом середина поперечной кромки совпадает с осью сверла. Так как наклон одной режущей кромки больше, чем второй, то последняя работать не будет. Снимать стружку в этом случае будет только одна кромка. Под влиянием односторонней нагрузки режущей кромки сверло будет уводить в сторону и тем самым увеличивать диаметр отверстия.
Два дефекта одновременно. Если после заточки сверла режущие кромки не равны по длине и наклонены к оси сверла под различными углами, то середина поперечной кромки сместится от оси сверла и при работе будет вращаться вокруг оси.

Скорость резания

Один из основных вопросов техники сверления – выбор наивыгоднейшего режима резания, то есть определение такого сочетания скорости вращения и подачи сверла, которое обеспечивает максимальную производительность. Скорость вращения сверла характеризуется числом оборотов его в минуту. Эта скорость представляет путь, проходимый наружными точками режущей кромки сверла, и измеряется в метрах в минуту. В процессе резания материалов происходит нагревание стружки, обрабатываемого изделия и режущего инструмента. Оптимальная скорость резания при сверлении – это такая скорость, которая обеспечивает высокую производительность при достаточно длительной работе сверла (15. 90 минут) без переточки.

Практически установлено, что при экономической скорости резания сверло должно работать без переточки:
- при диаметре сверла 5. 20мм - 15 минут
- при диаметре сверла 25. 35мм - 30 минут
- при диаметре сверла > 40мм - 90 минут

Допускаемая скорость резания при сверлении зависит:

от качества материала сверла. Сверла из быстрорежущей стали допускают более высокие скорости резания, чем сверла из углеродистой стали.
от механических свойств обрабатываемого материала. Чем пластичнее материал, тем труднее отводится стружка, быстрее нагревается сверло и понижаются его режущие свойства. Поэтому хрупкие материалы можно сверлить с более высокой скоростью, чем вязкие.
от диаметра сверла. С увеличением диаметра скорость резания можно повысить, так как массивное сверло обладает большей прочностью и лучше отводит тепло от режущих кромок.
от глубины сверления. Чем глубже просверлено отверстие, тем труднее отвод стружки, больше трение и выше нагрев режущих кромок. Поэтому при прочих равных условиях сверление неглубоких отверстий можно производить с большей скоростью, а глубоких с меньшей.
от величины подачи сверла. Чем больше подача, то есть чем толще сечение стружки, тем скорость резания меньше.
от жесткости системы станка и фиксации обрабатываемого материала
от интенсивности охлаждения сверла.

Сверло работает лучше при большей скорости резания и малой подаче. Если во время работы сверло быстро затупляется в углах режущей кромки (в начале цилиндрической части сверла), это указывает на то, что скорость резания взята слишком большой и ее надо уменьшить. Если же сверло затупляется или выкрашивается по режущим кромкам, это указывает на то, что подача слишком велика. Затупление и поломка сверла чаще всего происходят в конце сверления сквозных отверстий (при выходе из металла). Чтобы предупредить затупление или поломку сверла на проходе, надо в конце сверления уменьшить подачу.

Охлаждение и смазка сверла. Неблагоприятные условия отвода теплоты при сверлении вызывают необходимость охлаждения сверла. При сверлении вязких материалов охлаждение должно быть особенно обильным.

Для охлаждения сверла в работе применяют:
при сверлении твердых материалов – керосин, скипидар, эмульсию;
при сверлении мягких материалов – содовый раствор;
при сверлении серого чугуна – керосин, струю сжатого воздуха.

Применением охлаждения при сверлении можно повысить скорость резания для стали на 10%, а для чугуна до 40% и получить более чистую поверхность отверстия.

Выбор диаметра сверла

В практике, в зависимости от назначения, встречаются различные виды сверления отверстий, например сквозные (на проход) глухие, под развертку, под резьбу и т.п. Во всех этих случаях для одного и того же номинального диаметра отверстия выбирают сверла различных диаметров. Следует иметь в виду, что в процессе сверления сверло в большинстве случаев разрабатывает отверстие и делает его несколько большего диаметра. Разработка отверстия сильно зависит от обрабатываемого материла и используемого станка. При необходимости точного определения необходимо провести пробное сверление и последующий замер.

Средними величинами разработки отверстия сверлом можно принимать следующие:
при диаметре сверла 5мм - разработка отверстия 0,08мм
при диаметре сверла 10мм - разработка отверстия 0,12мм
при диаметре сверла 25мм - разработка отверстия 0,20мм

Для получения отверстий с точным диаметром следует учитывать величину разработки и соответственно подбирать сверло несколько меньшего диаметра. Существуют два способа сверления: по разметке и по кондуктору. Сверление по разметке применяется во всех ремонтных работах, а также в мелкосерийном и индивидуальном производствах. Сверление по кондуктору производится без предварительной разметки и применяется в тех случаях, когда требуется просверлить большое количество одинаковых деталей.

Проблемы при сверлении и возможные причины

01 Проблема:
- повышенный износ на уголках режущих кромок
- износ ленточек сверла, интенсивный износ режущих кромок

Причины:
- слишком длительное время использование сверла
- высокое трение и/или температура в зоне резания
- высокое радиальное биение > 0.02мм
- недостаточная жесткость крепления инструмента или детали
- недостаточная концентрированная СОЖ
- материал с абразивным включением
- высокая скорость резки, низкая подача, мягкий сплав

Решения:
- перезаточка сверла
- использование более концентрированную СОЖ
- проверить величину радиального биения
- снизить скорость резание
- использовать более прочный сплав
- снизить подачу на выходе сверла при обработке сквозного отверстия

02 Проблема:
- выкрашивание на уголках режущих кромок

Причины:
- смещение заготовки на выходе сверла
- низкая жесткость станка, проворот сверла в патроне
- прерывистое резание
- превышение допустимого износа сверла
- недостаточное количество подводимой СОЖ (термотрещины)
- высокое радиальное биение > 0.02мм
- высокая подача
- слишком прочный сплав

Решение:
- улучшить крепление обрабатываемой детали
- создать дополнительные точки крепления
- использование более жестокую оснастку
- проверить величину радиального биения
- снизит подачу
- увеличить расход СОЖ
- использовать сверло с более мягким сплавом

03 Проблема:
- интенсивное отслаивание при стирание износостойкого покрытия на ленточках сверла

Причина:
- повышенное трение в процессе сверления
- выход в наклонную плоскость
- обрабатываемый материал склонен к налипали
- нанесение нового покрытия на предыдущее после перезаточки

Решение:
- использование более концентрированную СОЖ
- снизить подачу на выходе сверла при обработке сквозного отверстия
- полная очистка сверла от нанесенных друг на друга покрытий

04 Проблема:
- налипание обрабатываемого материала на главной режущей кромке (наростообразование)

Причина:
- низкая скорость резания
- повышенный износ по задней поверхности режущей кромке
- повреждение режущих кромок
- недостаток СОЖ, низкая концентрация СОЖ

Решение:
- использование более концентрированную СОЖ
- снизить подачу, увеличить скорость резания
- перезаточить сверло
- нанести покрытие

05 Проблема:
- образование трещин и сколов на пермычке
- высокий износ по перемычке

Причина:
- вибрации
- грубая или наклонная обрабатываемая поверхность
- высокое радиальное биение > 0.02мм
- низкая скорость резания и высокая подача

Решение:
- снизить подачу, увеличить скорость
- использовать более жестокую оснастку
- уменьшить вылет сверла, уменьшить радиальное биение
- улучшить качество поверхности

06 Проблема:
- пластическая деформация сверла

07 Проблема:
- поломка сверла

Причина:
- сверло попадая в раковину сильно отклоняется и ломается
- при сквозном сверление сверло выходит из изделия под большим углом, застревает и ломается
- при глубине сверления больше длины стружечных каналов происходит закупоривание, сильный нагрев, притупление и поломка
- во время выхода сверла из изделия в конце сверления, если подача не уменьшилась, а осталась прежней, сверло часто ломается
- поломка также происходит при работе тупым сверлом
- смещение заготовки, недостаточная жесткость, неправильные режими обработки

Решение:
- снизить подачу на проблемных местах
- проверить режимы резания, улучшить жесткость фиксации заготовки и сверла
- использовать более длинные сверла при глубоком сверление
- уменьшать подачу при выходе сверла
- перезаточить сверло

Режущие материалы для инструменты RUTOOL

Вольфрам-молибденовая быстрорежущая сталь универсального применения. Высокая вязкость позволяет использовать сталь при изготовлении инструмента для ручных систем или с плохой фиксацией заготовки. Сталь хуже других справляется с перегревом во время работы и при высоком нагреве раньше других теряет свою твердость.

Источник информации: Макиенко Н.И. Общий курс слесарного дела. – М. Высш. шк., 1989.

Читайте также:

Температура при сверлении металла

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Дударев Александр Сергеевич, Свирщёв Валентин Иванович

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Дударев Александр Сергеевич, Свирщёв Валентин Иванович

EVALUATION OF THE TEMPERATURE FIELD AT DIAMOND DRILLING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS

Текст научной работы на тему «Оценка температурного поля при алмазном сверлении полимерных композиционных материалов»

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Д. В. Кожевников, Ю. В. Щепетильников

Текст научной работы на тему «Влияние способа подвода и давления охлаждающей жидкости на температуру резания при сверлении сталей быстрорежущими сверлами»

Использование метода газового анализа для контроля температуры при сверлении Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Афанасьев Константин Владимирович, Рогов Владимир Александрович

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Афанасьев Константин Владимирович, Рогов Владимир Александрович

Using of Gas Analysis by Way of Temperature Control in Drilling

Текст научной работы на тему «Использование метода газового анализа для контроля температуры при сверлении»

Температура при сверлении металла

Геометрия спиральных сверл

Крепление обрабатываемой детали.

Режимы резания при сверлении.

Дефекты заточки

Скорость резания

Выбор диаметра сверла

Проблемы при сверлении и возможные причины