Сверление глубоких отверстий

Почему традиционное сверление не работает

Специфика обработки глубоких отверстий

Вы наверняка сталкивались с ситуацией, когда нужно просверлить глубокое отверстие, а стандартное сверло просто не справляется. Тут всё иначе. Сверление глубоких отверстий (ГО) — это отдельная вселенная в машиностроении. Скажу прямо: традиционный инструмент здесь бессилен, особенно когда глубина превышает диаметр в десятки раз.

Практика показывает: для глубокого сверления нужны специальные технологии, оборудование и оснастка. Специальный режущий инструмент, измерительные приспособления, особые технологические приёмы. И главное — подача смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) под высоким давлением с большими расходами. Это факт: без мощной насосной станции никуда.

Фактор подачи Сож в зону резания — ключевой момент. Именно он определяет специфику всего процесса. При сверлении ГО практически всё является специальным, принципиально отличающимся от обычного машиностроения. Не всё так просто, как кажется.

Ружейное сверление ELB: когда диаметр менее 40 мм

Точность до Н8 без зенкерования

Технология ружейного сверления предполагает применение трубчато-лопаточных свёрл. В отечественной литературе их называют свёрлами одностороннего резания с внутренним подводом СОЖ. Этот однорезцовый инструмент дал название системе ELB (нем. Einlippenbohrer). Звучит убедительно, правда?

Трубчато-лопаточные свёрла состоят из длинной трубы-стебля с припаянной твердосплавной пластиной на рабочем конце. По всей длине — V-образная канавка с углом 110…120°. СОЖ подаётся внутрь стебля, а стружка вымывается по канавке. Схема: внутренний подвод СОЖ, наружный отвод стружки.

Но есть нюанс. Наличие канавки снижает продольную жёсткость стебля. Стружка может попадать между сверлом и отверстием, оставляя задиры. Шероховатость ухудшается. Впрочем, не всегда это критично.

Считается, что трубчато-лопаточные свёрла незаменимы при диаметрах менее 8 мм. Могут работать даже с отверстиями до 0,5 мм! Максимальный рекомендуемый диаметр — 35…40 мм при относительных длинах до 50 d. Это серьёзно.

На определённых материалах достигается точность отверстий по Н8 (на малых диаметрах до Н7). Увод оси — не более 0,01…0,02 мм на 100 мм длины. Шероховатость Ra = 0,63…1,25 мкм. Благодаря этому зачастую отпадает необходимость в зенкеровании и развёртывании. Что логично.

Технология BTA: наружный подвод СОЖ

Маслоприемник и герметизация

Технология глубокого сверления BTA (Boring and Trepanning Association) предполагает подвод СОЖ по зазору между стенкой отверстия и наружной поверхностью стебля. Стружка забирается из зоны резания и транспортируется по отверстию в стебле. Схема: наружная подача СОЖ, внутренний отвод стружки.

Ещё эту систему называют STS (Single Tube System). Хотя название не совсем справедливо. Отечественные разработки появились задолго до создания ассоциации — ещё в 1940 году [Веремейчук И.С.]. У нас это «технология сверления глубоких отверстий с наружным подводом СОЖ».

Признано: эта технология самая совершенная из всех. Но и самая сложная. Сложность — в необходимости специального устройства: маслоприемника. Он обеспечивает герметизацию стыка: торец заготовки — направляющая втулка. Для вращающихся деталей всё ещё сложнее: втулка вращается вместе с деталью, а маслоприемник неподвижен.

Маслоприемник должен обеспечить подвод больших количеств СОЖ (400 л/мин и более) при давлениях до 10 МПа. Проектирование уплотнений — всегда проблема. И это нормально для таких условий.

Несмотря на сложность, технология решает задачи, недоступные другим методам. Экономически выгодна для диаметров от 7 до 120 мм при относительных длинах 250 d и более. Есть отработанная технология: отверстия диаметром 12 мм в трубах из легированных сталей длиной 6000 мм. Уводы оси — не более 0,1 мм на 1000 мм. Впечатляет?

Эжекторное сверление DTS: две трубы вместо одной

Как работает эжекционный насос

Технология эжекторного сверления глубоких отверстий предполагает использование инструмента с двумя трубами. Поэтому её называют системой DTS (Double Tube System). Принципиальная схема показана на рис. 1.

Рис. 1. Схема эжекторного сверления с двумя трубами

Основа инструмента — две трубы: наружная (стебель 4) и внутренняя (3). Внутренняя труба одним концом стыкуется с установочным конусом 5, вторым контактирует со сверлильной головкой 1. Головка резьбой соединена со стеблем и базируется в направляющей втулке 2. Зазор между втулкой и заготовкой 7 — не более 1 мм.

При сверлении СОЖ подаётся в патрон, затем через отверстия в конусе 5 — в кольцевой зазор между трубами. Поток разделяется на две части. Первая часть идёт к сверлильной головке, через радиальные отверстия поступает в зону резания, подхватывает стружку.

Вторая часть поступает в наклонные прорези-щели 6 на внутренней трубе. Поток, выходящий из щелей, направлен по оси трубы. Это и есть эжекционный насос! Он создаёт разрежение, отсасывает СОЖ со стружкой из зоны резания. После зоны эжектора стружка транспортируется в стружкоприемник. Получается, работает как пылесос. Имеет смысл, правда?

Сравнение трех технологий глубокого сверления

Преимущества и недостатки каждой системы

Эжекторное сверление обеспечивает практически те же результаты, что и другие технологии. Но есть ключевое преимущество: можно работать на универсальных станках (токарных, сверлильных, горизонтально-расточных). Достаточно дополнить их насосной станцией — стационарной или перемещающейся.

При эжекторном сверлении не нужно герметизировать зазоры между заготовкой и втулкой. Это упрощает наладку и обслуживание станка. Можно сверлить самые разнообразные детали, включая прерывистые отверстия — в коленчатых валах, траках и других сложных изделиях. Зависит от ситуации, конечно.

Принципиальная схема была предложена шведской фирмой Sandvik Coromant. Отечественная организация ВНИИинструмент разработала свою конструкцию.

Рис. 2. Эжекторный инструмент разработки ВНИИинструмент

Таблица 1. Сравнение технологий глубокого сверления

Производительность и точность обработки

Достижимые параметры при эжекторном сверлении

Инструмент имеет сборную конструкцию: сверлильная головка 1, наружный стебель 2, внутренняя труба 3. В хвостовой части — щели эжектора. Сверлильная головка (рис. 2, б) — из двух частей: литого корпуса 4 и хвостовика 5, соединённых сваркой.

Головка — трёлезвийный инструмент двухстороннего резания. Режущие пластины 7, 8, 9 закреплены пайкой. Две жёсткие неподвижные направляющие 6 и 10 обеспечивают базирование. Инструмент выпускался серийно для диаметров 20…60 мм, глубин до 800 мм (горизонтальное сверление) и до 400 мм (вертикальное).

Применение выявило особенности. Создали более совершенную конструкцию (рис. 3).

Рис. 3. Усовершенствованная конструкция эжекторного инструмента

Наружная 1 и внутренняя 7 трубы скреплены сварными заклёпками — стебель жёсткий. Единый стебель соединён с хвостовиком 2 тоже заклёпками 8. Торец внутренней трубы выполнен с наружным конусом — вместе с внутренним конусом втулки 4 представляет кольцевой эжектор.

Втулка 4 крепится винтами 5. Положение конуса регулируется заменой мерного кольца 6. Поток СОЖ 3 поступает через четыре паза в хвостовике к эжектору, расходится по двум направлениям. Часть уходит в кольцевую щель, создавая эжекционный эффект. Часть по сферическим канавкам К идёт к сверлильной головке 9, обтекает её, затем отсасывается вместе со стружкой.

Рассмотренная конструкция имеет достоинства. Эжектор просто регулировать на максимальную производительность подбором мерных колец. При засорении — быстро очищается (в отличие от щелевого эжектора). Стебель жёсткий — можно работать на повышенных подачах. Сверлильная головка универсальная — подходит и для наружной подачи СОЖ.

Применение на универсальных станках

Работа без специальных станков

Использование в практике производства показало высокую эффективность и надёжность. Инструмент работает как с невращающимся, так и с вращающимся инструментом. Естественно, разработаны специальные патроны.

Как показал опыт, область применения определяется возможностями эжекционного насоса в инструменте. При получении дроблёной стружки эжекторное сверление применимо для отверстий диаметром 20…60 мм и глубиной до 1000…1200 мм.

По ряду материалов возможно получение точности до 8…9 квалитетов. Шероховатость поверхности — до Ra = 1,25 мкм. Уводы — не более 0,05 мм на 100 мм глубины. По ряду материалов стабильно обеспечивается производительность до 300 мм/мин. Это работает.

Однако есть ограничение. Эжекторное сверление практически не удаётся применить для вязких сталей (жаропрочных, коррозионно-стойких). При их сверлении не удаётся стабильно получить мелкодроблёную стружку. Не всё гладко, но для большинства задач подходит.

Параметры насосных станций и расходы СОЖ

Требования к подаче охлаждающей жидкости

Как и при любой схеме глубокого сверления, станку необходима насосная станция. Правда, для эжекторного сверления параметры сравнительно невысоки. При сверлении отверстий диаметром 60 мм достаточно подавать СОЖ в количестве 120…150 л/мин при давлении до 1,5 МПа.

Для сравнения: при ружейном сверлении отверстия 12 мм нужно 35…40 л/мин с давлением до 7 МПа. При 25 мм — 80…90 л/мин при 5 МПа. При BTA — 400 л/мин и более при 10 МПа. Получается, эжекторное сверление экономичнее. По факту — это важное преимущество.

СОЖ должна выполнять ряд функций: отводить стружку, уменьшать силы резания и трения, отводить тепло. Для этого нужны соответствующие свойства, а оборудование — обеспечить подачу в необходимом количестве при соответствующем давлении.

Возможно, эжекторное сверление — это именно то, что нужно вашему производству. Стоит подумать. Есть над чем поразмыслить, если вы ищете баланс между точностью, производительностью и стоимостью оборудования.

П.П. Серебреницкий