УДК 621.941

Біланенко В.Г. к.т.н., доцент, Цимбал А.Ю., Голуб Є.Л.

Національний технічний університет України «КПІ»

ВИЗНАЧЕННЯ ФІЗИЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРОЦЕСІВ ОБРОБЛЕННЯ СВЕРДЛІННЯМ

Сучасне машинобудівне виробництво розвинутих індустріальних держав базується на широкому використанні верстатів з ЧПУ. Швидкий прогрес в розвитку обчислювальної техніки забезпечує вдосконалення технологічних можливостей сучасних металообробних верстатів. Необхідно приймати до уваги, що подальший прогрес машинобудівного виробництва в будь-яких державах світу базується на широкому використанні верстатів з ЧПУ та багатоцільових верстатів на їх основі.

За результатами дослідження технологічних процесів машинобудівного виробництва 145 німецьких фірм, встановлено, що трудомісткість оброблення деталей машин різних класів складають технологічні переходи свердління-36%, фрезерування -26%, точіння-25%, інші види оброблення 13% [1]. Відповідно, є виправданими значні обсяги наукових досліджень фізичних закономірностей процесів свердління, вдосконалення конструкцій свердел та широке застосування змінних багатогранних пластин з металокерамічних твердих сплавів з нанесенням зносостійких покривів на робочі поверхні свердла. Нові технологічні можливості оброблення отворів забезпечують сучасні верстати з ЧПУ та багатоцільові верстати, які дали змогу підвищити продуктивність оброблення отворів в (5-8) разів в порівнянні з традиційними конструкціями спіральних свердел, підвищення точності оброблення та забезпечують реалізацію нових технологічних прийомів оброблення отворів.

Технологічне підготовлення виробництва на базі верстатів з ЧПУ має свої специфічні технологічні завдання, які є обов’язковими для виконання та забезпечення ефективного використання верстатного обладнання. Для реалізації технологічних процесів на верстатах з ЧПУ необхідно проектувати операційні технологічні процеси, які є базою для подальшого розроблення управляючих програм.

При проектуванні операційних технологічних процесів оброблення отворів необхідно послідовно вирішити такі типові технологічні завдання:

· спроектувати послідовність виконання технологічних переходів в кожній технологічній операції, які забезпечують досягнення заданих характеристик якості обробленої поверхні;

· визначити припуски для виконання кожного технологічного переходу;

· визначити режими різання для виконання кожного технологічного переходу.

Реалізація оброблення отворів на верстатах з ЧПУ потребує обґрунтованого визначення складових режиму різання. Відповідно, вдосконалення алгоритмів розрахунку режимів різання та визначення основних фізичних характеристик процесу оброблення є актуальним технологічним завданням, яке має практичну значимість, оскільки забезпечує ефективне використання технологічних можливостей сучасного високовартісного верстатного обладнання та нових конструкцій інструментів.

Для розрахунку режимів різання для свердління необхідно визначати характеристики силових факторів, що діють на інструмент в процесі оброблення. Є очевидним, що необхідна сила різання для видалення заданого припуску при обробленні отворів буде залежати від усіх параметрів процесу оброблення, а саме:

додаткові впливи)

(1.1)

де ХОМ -фізико-механічні характеристики оброблюваного матеріалу; ХІМ- фізико-механічні характеристики інструментального матеріалу; ГПРЧІ- геометричні параметри різальної частини інструменту; - відповідно елементи режиму різання, глибина різання, подача, швидкість різання; додаткові впливи на процес оброблення включають додаткові умови оброблення, наприклад, дію змащувально-охолодних технологічних середовищ, попередню термічну дію на шар, що зрізується, застосування вібрацій для процесу оброблення та інше.

Залежність сили різання від режимів різання для всіх видів лезового оброблення мають практично єдину структуру, яка в явному вигляді включає тільки складові режиму різання, а вплив всіх інших параметрів процесу оброблення визначаються коефіцієнтами пропорціональності, наприклад для оброблення свердлінням, та поправочними коефіцієнтами та . Враховуючи, що свердло є багатолезовим різальним інструментом, який має парну кількість різальних кромок відносно вісі свердла, то, за умов якісного загострювання леза інструменту, радіальні складові сили різання, які діють на різальні кромки свердла будуть близькими до врівноважування.

З урахуванням таких умов, на лезо свердла буде діяти осьова сила та момент свердління. Вплив складових режиму різання на осьову силу різання та момент свердління для умов свердління та розсвердлювання свердлами традиційних конструкцій, які переважно виготовляються з швидкорізальних інструментальних сталей та суцільних свердел, які виготовляються цілком з металокерамічних твердих сплавів, визначають за наступними узагальненими степеневими моделями:

,

(1.2)

де - діаметр свердла, мм; - глибина різання, мм; - поздовжня подача, мм/об; - швидкість різання, м/хв..

В структурі математичних моделей (1.2) невідомими параметрами є показники степеню та коефіцієнти пропорціональності.

Невідомі параметри математичних моделей для осьової сили та моменту свердління були визначені за результатами багато чисельних експериментальних досліджень процесів оброблення свердлінням отворів, які переважно були виконані в середині минулого століття. Відомі на той час конструкційні матеріали були розділені на шість груп, а саме:

· конструкційні вуглецеві та леговані сталі та сталеве литво;

· сірі чавуни;

· ковкі чавуни;

· жароміцні та корозійностійкі сталі;

· мідні гетерогенні сплави;

· алюмінієві сплави.

Для кожної групи конструкційних матеріалів були визначені типові конструкційні матеріали, які найбільш повно репрезентували дану групу матеріалів. Для заданих умов оброблення були визначені ефективні інструментальні матеріали, конструкції різального інструменту та геометричні параметри різальної частини, а також необхідність застосування мастильно-охолодних рідин.

Експериментальні дослідження виконувались за схемою одно факторних досліджень, які передбачають зміну тільки одного параметру при незмінних значеннях інших параметрів, що повинно передбачати відсутність взаємного впливу змінних параметрів на досліджувані характеристики, що додатково не досліджувалось, а приймалось на рівні робочої гіпотези. Важливим додатковим недоліком таких моделей є відсутність статистичних оцінок адекватності таких моделей, характеристик їх точності та обмеженість їх надійного застосування для інших конструкційних матеріалів, які складають названі групи матеріалів та можливість їх застосування для нових сучасних конструкційних матеріалів.

На жаль, зміна характеристик конструкційних матеріалів, властивостей інструментальних матеріалів та геометричних параметрів різальної частини потребує додаткових експериментальних досліджень та отримання нових математичних моделей. За умов тривалого випуску однотипної продукції, для якої використовується обмежена кількість конструкційних матеріалів побудова таких моделей може бути доцільною та ефективною, оскільки вимірювання складових сили різання не потребує тривалих експериментальних досліджень, а отримані моделі значно підвищують точність та ефективність технологічних рішень, що приймаються.

Аналіз сучасних тенденцій вдосконалення машинобудівної продукції показує, що створення заданих експлуатаційних характеристик виробів машинобудування забезпечується застосуванням спеціальних конструкційних матеріалів з специфічними фізико-механічними характеристиками, які суттєво відрізняються від умов для яких визначені параметри степеневих моделей. Додатково необхідно приймати до уваги, що за останні двадцять років відбулись значні зміни в технологічних процесах виготовлення інструментальних матеріалів, розроблені фізичні та хімічні процеси нанесення поверхневих покривів на робочі поверхні інструментів, які є засобом цілеспрямованого формування нових властивостей різальних інструментів для заданих конкретних умов оброблення.

За останні двадцять років розроблено значну кількість вдосконалених конструкцій свердел. Так свердла діаметром до Ø12мм можуть повністю виготовлятись з металокерамічних твердих сплавів, але їх загальна конструкція залишається традиційною. Сучасні свердла більших розмірів мають нову збірну конструкцію, різальні кромки яких утворюються змінними багатогранними пластинами (ЗБП) з багато чисельними системами механічного закріплення. Конструкції збірних свердел забезпечують значне підвищення продуктивності процесу оброблення, зростання жорсткості свердла, як осьової так і радіальної, що дозволяє без спеціального попереднього оброблення поверхні свердлити отвори в нахилених поверхнях, а також отвори, що перекриваються. Такі нові конструктивні особливості збірних свердел усувають необхідність попереднього центрування положення вісі отвору, або попереднього фрезерування частини нахиленої поверхні для забезпечення перпендикулярного розміщення вісі свердла відносно поверхні, в якій виконується свердління. За рахунок високої осьової жорсткості таких конструкцій інструментів є можливим свердлити неповні циліндричні поверхні, що принципово неможливо традиційними спіральними свердлами, а також утворювати глухі отвори практично з горизонтальною площиною дна.

Використання металокерамічних твердих сплавів для осьових інструментів є обмеженим за механічними характеристиками матеріалів і передбачає застосування найбільш міцних матеріалів, до яких належать одно карбідні тверді сплави ВК8, ВК10, ВК10-М та три карбідні тверді сплави ТТ7К12, ТТ8К10, ТТ10К8. Для підвищення продуктивності процесів свердління застосовуються змінні багатогранні пластини твердих сплавів з зносостійкими покривами. Найбільш поширеними сучасними зносостійкими покривами є карбід титану ТіС, нітрид титану ТіN, карбонітрид титану ТіСN, алюмонітрид титану ТіАlN та певні їх комбінації при нанесенні багатошарових покривів.

Відповідно до розмірів свердел, що випускаються спеціалізованими світовими інструментальними фірмами, технологічними можливостями сучасних металообробних верстатів та організаційно-технологічних умов виробництва є можливим ефективне оброблення осьовими інструментами отворів діаметром до Æ100мм. Разом з тим, необхідно приймати до уваги, що оброблення отворів діаметром Æ>50мм свердлами поступається процесам їх фрезерування з круговою інтерполяцією або обробленню розточуванням.

В залежності від службового призначення отворів до їх характеристик якості висуваються достатньо високі вимоги. При обробленні отворів необхідно забезпечити точність розміру (IT6-IT8), точність форми, точність просторового розташування вісі отвору та задані параметри шорсткості. Точність форми отвору встановлюють в поперечному перерізі, до яких відносяться відхилення від круглості та точність форми в поздовжньому перерізі, а саме ухилення вісі отвору та конусність. Не менш важливим технологічним завданням є забезпечення заданого просторового розташування вісі отвору, а саме: паралельності відносно бази, або між собою декількох груп отворів; відхилення від перпендикулярності до поверхні в якій вони обробляються, відхилення від співвісності групи отворів, які розміщуються на одній вісі, відхилення від заданого допуску перетину осей декількох отворів. Забезпечення таких вимог забезпечується певною послідовністю виконання технологічних переходів, вибором схем базування, інструментальних матеріалів, конструкції інструментів та ефективними режимами різання.

Застосування нових конструкцій осьових різальних інструментів потребує додаткового вивчення нових технологічних можливостей такого інструменту. Збірні конструкції свердел, які оснащені змінними багатогранними пластинами і мають високу осьову та радіальну жорсткість, яка не поступається жорсткості зенкерів можуть застосовуватись для першого технологічного переходу оброблення отворів, попередньо виготовлених в заготовці. Необхідно приймати до уваги, що збірні конструкції свердел за конструктивними особливостями значно наближені до конструкцій зенкерів, але мають переважно торцеві різальні кромки.

Інструментальні фірми, які пропонують нові конструкції інструментів, наводять рекомендації для їх ефективного застосування, де переважно вирішується завдання підвищення продуктивності процесу оброблення. Разом з тим необхідно відзначити, що типові рекомендації інструментальних фірм не мають достатніх пояснень та не дають змоги застосовувати їх для змінених умов оброблення. Тому створення системних технологічних рекомендацій для оброблення отворів свердлами різних конструкцій потребує подальшого вивчення та вдосконалення.

Розрахунок режимів різання для свердління потребує визначення осьової сили та моменту свердління. Необхідно приймати до уваги, що за умов свердління отвору в суцільному матеріалі, показники степеню в розрахункових моделях (1.2) , а також при застосуванні спіральних свердел, які виготовлені з швидкорізальних сталей . Відповідно до наведених умов, розрахункові степеневі моделі спрощуються і мають вигляд:

,

(1.3)

Необхідні дані для практичного використання таких моделей для розрахунків осьової сили різання та моменту свердління наводяться в технологічних довідниках [2]. Разом з тим, в технологічній літературі відсутні дані, які дають оцінку точності таких моделей. Сучасні світові інструментальні фірми використовують відмінні формули для розрахунків осьової сили та моменту свердління і є очевидним, що сучасні умови машинобудівного виробництва вимагають нових підходів до визначення фізичних характеристик процесів лезового оброблення. Сучасні передові інструментальні фірми SECO, Sandvik Coromant, Hoffman Group фірма GARANT для визначення складових сили різання використовують питому силу різання, величина якої безпосередньо визначається фізико-механічними характеристиками оброблюваного конструкційного матеріалу та характеристиками процесу оброблення, а саме: площею поперечного перерізу шару, що зрізується, переднім кутом різального інструменту та товщиною зрізуваного шару. Питома сила різання в загальному вигляді визначається за формулою:

(1.4)

де - головна складова сили різання, Н; f-площа поперечного перерізу шару, що зрізується, мм².

Відповідно, головну складову сили різання для всіх видів лезового оброблення можна розраховувати за формулою:

(1.5)

де р- питома сила різання, Н/мм²; а-товщина зрізуваного шару, мм/об; b- ширина зрізуваного шару, мм.

Фірма SECO використовує розділення сучасних конструкційних матеріалів на двадцять дві групи і для кожної такої групи визначається середня питома сила різання, величина якої коригується з урахуванням умов оброблення. Питому силу для заданих умов оброблення розраховують за узагальненою формулою:

(1.6)

де - середня питома сила різання для даної групи конструкційних матеріалів, Н/мм²; γ-передній кут різальної частини інструменту, град; - подача різального інструменту, мм/об; φ –головний кут в плані, град; - показник степеня, який враховує вплив товщини зрізуваного шару на величину загальної питомої сили різання. В технологічних рекомендаціях даних інструментальних фірм наводяться границі міцності групи конструкційних матеріалів, - середня питома сила різання для даної групи конструкційних матеріалів та показник степеня .

Аналогічні залежності використовують і інші інструментальні фірми, наприклад фірма GARANT, яка входить до складу HOFFMANN GROUP, але використовує більш детальний поділ конструкційних матеріалів [3], що підвищує надійність розрахунків характеристик процесів оброблення різанням.

Для визначення ефективності наявних технологічних рекомендацій доцільно виконати порівняльні розрахунки за наведеними формулами. Розрахунки виконаємо для свердління отворів в суцільному матеріалі спіральним свердлом з швидкорізальної сталі Р6М5 діаметром Æ20мм в заготовках, які виготовлені зі сталі 45 ГОСТ 1050-88 та сірого чавуну СЧ15 ГОСТ1412-85.

Відповідні вихідні дані для розрахунку моменту свердління для сталі 45 складають: ; ; , [2] поправочний коефіцієнт, який враховує фізико-механічні характеристики оброблюваного матеріалу, визначаємо за формулою: . Подачу будемо змінювати в діапазоні мм/об.

Відповідні вихідні дані для розрахунку осьової сили для сталі 45 складають: ; ; , [2] поправочний коефіцієнт , який враховує фізико-механічні характеристики оброблюваного матеріалу залишається незмінним .

Відповідно, отримаємо наступні розрахункові формули:

(1.7)

Відповідні вихідні дані для розрахунку моменту свердління для чавуну СЧ15 складають: ; ; , [2] поправочний коефіцієнт, який враховує фізико-механічні характеристики оброблюваного матеріалу, визначаємо за формулою: . Подачу будемо змінювати в діапазоні мм/об. Відповідні вихідні дані для розрахунку осьової сили для чавуну СЧ15 складають: ; ; [2], поправочний коефіцієнт, який враховує фізико-механічні характеристики оброблюваного матеріалу залишається незмінним .

Відповідно, отримаємо наступні розрахункові формули:

(1.8)

Розрахунки моменту свердління та осьової сили для оброблення отворів в сталі 45 виконуємо за такими вихідними даними:середня питома сила для конструкційних матеріалів загального призначення з діапазоном зміни границі міцності МПа складає =1990Н/мм² ; показник степеня , середнє значення переднього кута прийнято 12º [3]. Питома сила для умов оброблення розраховувалась за формулою (1.6).

Розрахунки моменту свердління та осьової сили для оброблення отворів в сірому чавуні СЧ15 виконуємо за такими вихідними даними:середня питома сила для сірих чавунів з твердістю(155-250НВ) з діапазоном зміни границі міцності МПа складає =1160Н/мм² ; показник степеня , середнє значення переднього кута прийнято 12º [3]. Питома сила для умов оброблення розраховувалась за формулою (1.6). Результати розрахунків за формулами (1.6), (1.7) та (1.8) наведено в табл.1.

Таблиця 1-Результати розрахунків моменту свердління та осьової сили для свердління отворів в сталі 45 та сірому чавуні СЧ15

Незмінні елементи різання	Æ20мм				Швидкорізальна сталь Р6М5
	Конструкційна вуглецева сталь 45 ГОСТ1050-88
Поздовжня подача,, мм,об	0,20	0,25	0,30	0,35		0,40	0,45	0,50
Момент свердління, , Нм	32,22	38,53	44,36	50,20		56,04	61,88	67,85
Осьова сила , Н	3727,8	4372,1	4947,4	5522,7		6098,0	6581,2	7133,5
Питома сила різання, ,Н/мм^2	3303,4	3124,3	2985,0	2865,6		2766,1	2678,5	2606,9
Момент свердління, , Нм	33,03	39,05	44,78	50,15		55,32	60,27	65,17
Осьова сила , Н	3846,9	4437,8	5088,1	5711,7		6313,4	6896,4	7463,5
	Сірий чавун СЧ15 ГОСТ1412-85
Момент свердління , Нм	25,97	31,05	35,75	40,45		45,16	49,85	54,00
Осьова сила , Н	2639,9	3156,4	3634,6	3112,9		4591,1	5069,3	5490,2
Питома сила різання, ,Н/мм^2	1928,5	1819,8	1735,5	1667,4		1610,5	1561,9	1519,7
Момент свердління , Нм	19,30	22,75	26,03	29,20		32,20	35,10	38,00
Осьова сила , Н	2242,4	2645,0	3027,1	3392,9		3745,3	4086,3	4417,7

Графічне представлення результатів розрахунків моменту свердління для оброблення отворів в сталі 45 та сірому чавуні наведено на рис.1, а розрахунків осьової сили на рис.2

Рис.1. Результати порівняльних розрахунків моменту свердління для оброблення отворів в сталі 45 та сірому чавуні СЧ15

Рис.2. Результати порівняльних розрахунків осьової сили свердління для оброблення отворів сталі 45 та сірому чавуні СЧ15

Аналіз виконаних розрахунків свідчить про незначні відносні похибки (δ<10%) розрахунків силових характеристик процесу свердління. Технологічні рекомендації, інструментальних фірм охоплюють практично всі відомі на сьогодні конструкційні матеріали, а величина питомої сили різання є універсальним засобом визначення силових характеристик для всіх видів лезового оброблення різанням. Є очевидним, що подальше вдосконалення вітчизняних практичних технологічних рекомендацій доцільно базувати на сучасних засобах визначення характеристик процесів оброблення.

Визначення складових сили різання для процесу оброблення різанням забезпечує визначення роботи різання, кількості теплоти, потужності різання ї є необхідними для обґрунтованого проектування сучасних технологічних операцій оброблення різанням. Визначення осьової сили різання для свердління забезпечує розрахунок величини подачі, яка допускається механізмом подач верстату, а визначення моменту свердління необхідно для визначення швидкості різання, яка допускається потужністю головного приводу верстату. Ефективне застосування верстатів з ЧПУ потребує використання розрахунково-аналітичних алгоритмів визначення режимів різання з їх оптимізацією.

Література:

1. Ellermeier A. et al. Сверление как важнейшая операция металлообработки // Maschinenmarkt. 2005. Nr. 13. с. 44-47, ил. 4.

2. Справочник технолога машиностроителя: В 2 т. т.2 /Под ред. А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова.- 4-е изд., перераб и доп.- М.: Машиностроение,1986.-496с.

3. HOFFMANN GROUP Справочник по обработке резанием ,// 2012г.-17-28,120-147с.