Сверление глубоких отверстий в кальцийсодержащей стали ружейными сверлами малых диаметров

При производстве топливной аппаратуры для дизельных двигателей возникает потребность в сверлении глубоких отверстий диаметром 1,8 ^ 5,0 мм. Ранее эти отверстия выполнялись путем сверления быстрорежущими спиральными сверлами. Однако вследствие низких точности, стойкости и производительности, вызванных малыми прочностью и жесткостью инструмента, сложностью отвода стружки из зоны резания, спиральные сверла были вытеснены "классическими" ружейными сверлами (рис. 1, а ). В настоящее время на смену последним приходят еще более эффективные ружейные сверла с твердосплавным стеблем (рис. 1, б ) [1]. Вследствие использования в качестве материала стебля не стали, как у "классического" ружейного сверла, а однокарбидного твердого сплава с особомелкозернистой и ультрамелкодисперсной структурами они обладают еще большими прочностью и жесткостью, а следовательно, большими точностью, стойкостью и производительностью [2].

В настоящее время выпуск ружейных сверл с твердосплавным стеблем освоили лишь несколько зарубежных фирм, поэтому сведения о технологических возможностях этих инструментов весьма немногочисленны. Представленные в настоящей работе данные по обрабатываемости кальцийсодержащей стали АЦ40Х должны представлять интерес для производственников.

Следует отметить, что под обрабатываемостью понимается способность материала поддаваться обработке резанием. При этом в качестве технологических показателей обрабатываемости обычно используются стойкость инструмента, точность обработки, степень шероховатости обработанной поверхности, форма стружки и др.

Исследование обрабатываемости выполнялось в производственных условиях путем сверления в кальцийсодержащей стали АЦ40Х (ТУ14-1-3283-81) отверстий диаметром 2,05 мм и а

б

Рис. 1. Ружейные сверла диаметром 0,5 ^ 12,0 мм:

а - "классическое", б - с твердосплавным стеблем; 1 - наконечник; 2 - стебель; 3 - хвостовик глубиной 40 мм на четырехшпиндельном станке глубокого сверления (модель ML250-4-850 фирмы Tiefbohrtechnik (Германия)). В качестве режущего инструмента использовались ружейные сверла с твердосплавным стеблем фирмы Botek (Германия). Режим сверления: частота вращения сверла n = 14 000 мин^-1 ( г = 90 м/мин); подача инструмента S _м= 0 мм/мин ( S ₀= 0,0043 мм/об); давление СОЖ марки МР-3 (ТУ0258-019-23693454-2009) p = 9 МПа.

Первоначально оценивались стойкостные возможности ружейных сверл с твердосплавным стеблем. Установлено, что при сверлении в указанном режиме отверстий диаметром 2,05 мм и глубиной 40 мм в стали АЦ40Х разовая стойкость сверл достигает T = 1200 отверстий. Учитывая, что каждое сверло допускает шесть и более переточек, суммарная стойкость этих инструментов может достигать T ^ = 8400 отверстий и более.

Рис. 2. Изменение среднего диаметра D _ср отверстий по их длине L _о в зависимости от номера просверленной заготовки (показатель износа сверла):

1 - № 1; 2 - № 400; 3 - № 900; 4 - № 2131

Изучено влияние количества просверленных заготовок (износа сверла) на точность и степень шероховатости поверхностей обработанных отверстий. Для этого сначала одним сверлом было просверлено 900 заготовок, а затем после переточки инструмента - еще 1231 заготовка, что позволило приблизиться к точке катастрофического износа сверла на графике износ - количество просверленных заготовок. Из просверленных заготовок были отобраны заготовки № 1; 400; 900 и 2131. После этого каждая заготовка разрезалась на кольца шириной 7,5 мм, с обеих сторон каждого кольца измерялись предельные диаметры отверстий D _max, D mi _n и степень шероховатости их поверхностей Ra .

Диаметры отверстий измерялись нутромером повышенной точности фирмы Carl Zeiss (Германия) с ценой деления 2 мкм, а степень шероховатости поверхностей отверстий - на оптическом профилометре (модель NewView 7300 фирмы Zygo (США)). Перед измерением кольца промывались ацетоном в ультразвуковой ванне.

Результаты измерений показали, что по мере износа сверла средний диаметр отверстий D _ср = ( D _max + D min )/2 увеличивается, а его колебания по длине отверстия по мере приближения инструмента к точке катастрофического износа достигают максимума. При этом разбивка на входе в отверстие также существенно увеличивается (рис. 2).

Аналогичная закономерность справедлива для средней степени шероховатости поверхности отверстий, которая вследствие выглаживающего действия направляющих сверла имеет весьма малые значения: Ra _ср= 0,039 ^ 0,054 мкм (рис. 3).

Кальцийсодержащая сталь АЦ40Х относится к числу сталей повышенной обрабатываемости. В ее структуру входят силикаты или алюминаты кальция в сульфидной оболочке, образующие на контактных поверхностях режущего инструмента смазочные пленки. Вследствие этого в процессе обработки существенно уменьшаются силы резания и температура, улучшается дробление стружки и увеличивается стойкость инструмента [3].

Рис. 3. Влияние количества просверленных заготовок (износа сверла) на среднюю степень шероховатости Ra _ср поверхностей отверстий: 1 - № 1; 2 - № 400; 3 - № 900; 4 - № 2131

Для оценки влияния микродобавок кальция (0,03 ^ 0,09 %) на обрабатываемость стали в указанном выше режиме одним ружейным сверлом диаметром 2,05 мм с твердосплавным стеблем было просверлено по три заготовки из сталей марок АЦ40Х и 40Х. Измерения этих отверстий показали, что наличие микродобавок кальция не оказывает существенного влияния на точность отверстий, но способствует уменьшению на 20 % степени шероховатости поверхностей отверстий и получению формы стружки, обеспечивающей улучшенный стружкоотвод (рис. 4).

Таким образом, при сверлении стали марки АЦ40Х обеспечивается более надежный отвод стружки из зоны резания, повышаются производительность процесса сверления глубоких отверстий и стойкость инструмента, уменьшается степень шероховатости поверхностей обработанных отверстий.

а

Рис. 4. Форма стружки, образующейся при сверлении ружейным сверлом диаметром 2,05 мм: а - сталь марки АЦ40Х; б - сталь марки 40Х (х19,2)

б