История развития сверлильной машины

Волжский филиал Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)"

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

на тему:

история развития сверлильной машины

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                        Работу выполнил:

 студент группы АТ-11                                 

Гаврилов  Алексей Игоревич

Работу  проверил:

Никитин Алексей  Иванович

                                                                                           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Чебоксары, 2011

 

Уже Древний Египет среди множества  документов, свидетельствующих о  развитии его культуры, оставил нам  изображения операции сверления каменных (не глиняных!) сосудов (см.рис.). 
Сверло вращалось коловоротом. Подвески груза из двух мешков с песком создавали необходимое давление на сверло. Для рассверливания использовались сменные буры-полумесяцы из кремния. Они крепились в пропиле на конце стержня. Находки таких полумесяцев неоднократно отмечались археологами. В процессе расточки полость сосуда заполнялась водой для охлаждения и удаления продуктов разрушения породы.

Среди музейных экспонатов 5000-летнего  возраста имеется Медный прут с трубкой  на конце. Этот древнейший буровой инструмент применялся для получения отверстий  в строительных каменных блоках. Монолит  разрушался абразивным песком, находящимся  под торцом медной трубки. Трубка вращалась  вручную и заливалась водой.

Роль сверления в древнеегипетской каменной культуре постепенно росла. Сверленые  отверстия находят в ювелирных  изделиях, в отдельных элементах  скульптур и пирамид. Без них  не обходится военное дело, в частности  при сверлении отверстий в  крепостных стенах.

Есть указания о совершенствовании  техники бурения (именно бурения, а  не сверления) в Древнем Риме. Так, для инженерно-геологических изысканий  при строительстве дворцов применялся ложковый бур, мало чем отличающийся от современного.

 

Изготовление бус тройным сверлом  в Древнем Египте (вверху). 
Внизу сверление каменного сосуда. В увеличенном виде показан торен стержня и кремниевые буры. Далее-операция лучкового сверления у еги петских плотников (1450 г. до и. э.)

 

Технология сверления с применением  абразивных порошков и трубчатых  костей

стала великим открытием в производстве инструментов. Под перпендикулярно

срезанный торец трубчатой кости, приводимой во вращение сначала руками, а

затем, с открытием лука, - тетивой  лука, обернутой вокруг кости, подсыпался

абразивный порошок и подавалась вода как смачивающая и охлаждающая  жидкость.

Эта технология позволяла выполнять  сквозное сверление во всех известных

материалах, включая и кремень.

Умение сверлить кремень позволило  окончательно решить проблему надежного

закрепления ручек в ударных  инструментах - топорах, молотках и  т. п. - в

сквозные отверстия (так называемые всады) вставлялась и расклинивалась ручка

инструмента. Применение абразивных материалов для заточки и полировки  режущих

лезвий каменных инструментов позволило  довести их остроту до максимально

возможного предела.

Из новых видов инструментов, возникших в Древнем Египте и  Междуречье, нужно

назвать коловорот - инструмент для  сверления отверстий. Египтяне широко

применяли для соединения частей деревянных изделий деревянные же гвозди, для

которых требовалось сверлить огромное количество отверстий в соединяемых

деталях. Египтяне ввели в употребление и деревянный молоток, т. е. молоток  с

головкой из дерева. Этот молоток  вполне годился для работы с деревянными

гвоздями. Отдельно необходимо упомянуть  специализированный ювелирный

инструмент, возникший при работах  с золотом и серебром. Новый  вид инструмента

- измерительный инструмент - применялся, в основном, для землемерных работ,  а

также при разбивке строительных площадок под возводимые сооружения.

Каменное сверло держали в руке и выскабливали им отверстие, или  же экземпляры поменьше закрепляли на древке и придавали ему возвратно-вращательное движение между ладонями. Додумались даже обмотать тетиву лука вокруг древка и двигать лук от себя и к  себе, придерживая древко сверху и  нажимая на него с целью создания осевой силы. Такое лучковое сверление  оказалось почти в 20 раз производительнее двуручного сверления. Интересно, что  сверление толстых каменных орудий осуществляли с двух сторон, совмещая центры. Не обошлось здесь и без  загадок для археологов, которые  долгое время не могли понять назначение цилиндрических каменных столбиков, найденных  в местах раскопок неолитических  стоянок первобытного человека. Впоследствии оказалось, что это "издержки производства" полого сверления трубчатым сверлом. Особенно ясно об этом говорит каменный топор-клин с незаконченным сверлением отверстия. Полое сверление сверлами из бамбука в южных странах и из трубчатых костей у северных народов с обязательной подсыпкой абразивного песка, например, кварцевого явилось крупным шагом вперед, так как при этом достигалась экономия сил, повышалась производительность труда и до 70 процентов материала в зоне отверстия не разрушалось, а оставалось в виде каменных столбиков.

 
а - такое сверло держали непосредственно  рукой; б - маленькие сверла закрепляли в древке; в - каменное орудие с незаконченным  двусторонним сверлением; результат  работы полого сверла

Следует отметить, что  эффективность такого полого сверления  с абразивными частичками и смазкой  водой была настолько высока, что  с успехом применялась и в  бронзовом веке, особенно при обработке  каменных орудий. Сверлить умели в  древности и на Руси. Так, археологические  находки и письменные источники, относящиеся к IX-XI векам, дают представление  о двух видах сверл. Это спиральные сверла - бурав, сверель, которые имели  правое (по часовой стрелке) рабочее  вращение и достигали длины до 370 миллиметров при диаметре от 6 до 21 миллиметра. Были в обиходе мастеровых и перовидные сверла - напарья, похожие  на ложку, которыми сверлили отверстия  диаметром побольше. Технология получения  сверл была непростой, так как  часто применялась кузнечная  сварка. На железную основу наваривалось стальное острие, которое затем подвергалось закалке и заточке. Иногда наконечники  перовидных сверл делали многослойными  и так, чтобы на острие выходила стальная пластинка очень высокой твердости.

 
а - спиральные сверла-буравы IX-XI; б - перовидные сверла древности; в - спиральные сверла-буравы XVII века

При этом металловедческий анализ показывает, что стальное острие имело высокое содержание углерода - до 0,9 процентов. Применялась и цементация. Тогда содержание углерода в стали  достигало 1,2 процента. Для этого  инструмент покрывали салом, обматывали полосками из козлиной кожи, затем  обмазывали глиной и помещали в кузнечный  горн до момента сгорания кожи. Формы  спиральных буравов и перовидных напарья были настолько рациональны  для тех времен, что они почти  в неизменном виде продолжали применяться  и в XVII веке. И только в начале XIX века - в 1822 году появилось всем известное  сверло с вантовыми канавками.

Спиральное сверло имеет два зуба, свернутые по спирали  и образующие так называемую рабочую  часть сверла. С одной стороны  рабочая часть переходит в  шейку и конический или цилиндрический хвостовик, предназначенный для  закрепления сверла в патроне  станка или ручной дрели, а с другой стороны она начинается с режущих  клиньев. Эти клинья имеют переднюю и заднюю поверхности, на пересечении  которых и расположена главная  режущая кромка. По передней поверхности  сходит стружка и, завинчиваясь в  спираль, продвигается по винтовой поверхности  канавки сверла. А задняя поверхность, как и у любого простого резца, старается все сделать для  того, чтобы не мешать процессу обработки  и не подвергать себя излишнему трению о поверхность резания. В этом ей помогают задние углы, которые образуются между касательной к задней поверхности  в заданной точке режущей кромки и касательной в той же точке  к окружности ее вращения вокруг оси  сверла.

 
Спиральное сверло

Обратите внимание, что на главной режущей кромке можно выбрать много точек, расположенных  на разном расстоянии от центра или  периферии сверла. И для каждой выбранной точки будут свои значения задних и передних углов. Если у периферии  сверла задний угол обычно составляет 8-14°, то по мере приближения к центру сверла он увеличивается и достигает  значений 20-26°. А с передними углами все наоборот: чем ближе к центру сверла, тем они становятся меньше и даже принимают отрицательные  значения. Величина этих углов зависит  от осевой подачи сверла. При отсутствии осевой подачи вершина клина движется по окружности и проходит за один оборот сверла путь, равный πD, а при наличии  подачи s вершина клина перемещается уже по винтовой линии, образуя на развертке наклонную линию. Именно от этой линии-следа плоскости резания  и определяют новые значения переднего  и заднего углов. Получается, что  чем больше осевая подача, тем больше становится передний угол и меньше задний. При чрезмерно большой  подаче задние углы становятся нулевыми и задние поверхности зубьев сверла начинают тереться об обрабатываемый материал. В результате происходит разогрев инструмента, возрастают силы резания и его износ, снижается  эффективность обработки.

Сверла часто отличаются друг от друга по способу заточки  задних поверхностей, которые могут  быть в виде плоскости, двух плоскостей, иметь форму винтовой, конической либо цилиндрической поверхности. На все  есть свое обоснование, так же как  и на выбор угла при вершине 2φ, угла между главными режущими кромками сверла, который должен быть тем  больше, чем тверже обрабатываемый материал. Так, при сверлении прочных  сталей угол при вершине 125-150°, а  при сверлении мрамора - 80-90°.

Как мы уже знаем, в  результате заточки зуба сверла по задней поверхности на ее пересечении  с передней поверхностью возникает  главная режущая кромка. Так как  сверло имеет два режущих зуба, то и главных режущих кромок столько  же. Главные режущие кромки не переходят одна в другую, а между ними имеется еще и перемычка. Образованная в результате пересечения обеих задних поверхностей перемычка обычно составляет острый угол с главными режущими кромками, что хорошо видно и легко измерить, если смотреть на сверло вдоль его оси со стороны режущей части. Перемычку иначе называют поперечной режущей кромкой, хотя она и не режет материал, а скорее его сминает и скоблит, так как имеет угол резания больше 90° и скорости резания почти равные нулю. Понятно, что поперечная кромка вызывает при сверлении увеличение осевой силы, крутящего момента и температуры. В сверлах большого диаметра перемычку даже стараются ликвидировать прорезкой, подточкой, что повышает стойкость инструмента.

У сверла есть еще две  режущие кромки, которые образуются пересечением передних поверхностей с  наружной цилиндрической поверхностью рабочей части сверла. Эти режущие  кромки называют вспомогательными которые  принимают участие в резании  на длине, определяемой подачей. Таким  образом, у обычного спирального  сверла пять режущих кромок.

От свойств обрабатываемого  материала зависит и угол наклона  винтовой линии сверла. Она может  быть пологой при обработке пластичных материалов, создающих сливную стружку, и очень крутой, поднимающейся  при обработке материалов. Наружная поверхность спирального зуба, обращенная к стенке отверстия, часто срезается  на небольшую глубину с образованием спинки зуба, что делается для уменьшения трения зуба о материал заготовки. При  этом оставляют лишь неширокую ленточку. Ленточка направляет сверло по оси  отверстия, опираясь на его стенки. Но как бы не старались две ленточки обычного двухзубого спирального сверла направлять его в отверстии и  выдерживать ось при сверлении  прямолинейной, не всегда у них это  хорошо получается. Особенно при глубоком сверлении.

Первыми поняли такой  недостаток двухзубого спирального  сверла оружейники, которые не решились выпускать стволы винтовок, пистолетов и орудий с кривым дулом. Да и не только оружейникам не подходили  отверстия с искривленной осью, но и многим машиностроителям. Поэтому  были созданы пушечные, ружейные, шнековые и даже четырехленточные сверла, имеющие  большие опорные и направляющие поверхности, приводящие к лучшей центровке  инструмента в обрабатываемом отверстии. Некоторые виды сверл для глубокого  сверления появились задолго  до спирального сверла.

 
а - пушечное сверло; б - ружейное сверло; в - шнековое сверло; г - четырехленточное сверло

Интересным многолезвийным инструментом является зенкер, который  вступает в обработку, когда сверла уже сделают отверстия. Зенкеры  применяют для расширения отверстий, получения углублений под головки  винтов, для выполнения конических фасок, гнезд, и даже для обработки  торцовых плоскостей всевозможных приливов, бобышек, венчающих парадное крыльцо  отверстия. Зенкеры, особенно цилиндрические, напоминаю сверла. Корпус зенкера  потолще, чем у сверла, канавки  помельче, зубья побольше и отсутствует  вершина с перемычкой. Режущая  часть цилиндрического зенкера  расположена на небольшом конусе, так как припуск дается не по центру, а только по периферии отверстия. Будучи родственником сверла, зенкер также как и сверло имеет передние и задние углы, углы наклона винтовых канавок и даже ленточек, которые  располагаются на калибрующем участке  инструмента. Отметим, что на этом цилиндрическом участке припуск материала почти  не снимается, так как почти все, что могла, забрала на себя коническая режущая часть. Но зато здесь происходит окончательная доработка отверстия. А дальше идут знакомые по сверлу шейка, хвостовик и лапка.

Есть и другие зенкеры, которыми делают углубления под головки  винтов. Такие инструменты имеют  специальные направляющие цилиндрические цапфы для получения углублений, соосных с отверстиями. А главные  режущие кромки у них находятся  в плоскости, перпендикулярной к  продольной оси инструмента. Торцовые зубья такого зенкера особенно нужны, так как ими обрабатывают опорную  поверхность под головку винта - ровно и без всяких фасок. Рассматриваемый  зенкер имею зубья и на цилиндрической поверхности, которые не остаются без  дела, а дорабатывают и калибруют  расширенное цилиндрическое углубление. В противоположность этому у  зенкеров, которые не входят в отверстие, а лишь обрабатывают плоскость бобышки, зубья расположены только на торцовой поверхности. Конический зенкер имеет  от 6 до 12 прямых зубьев с плоской  передней поверхностью и обрабатывает отверстие в виде конической поверхности.

 

 

Сверление и  рассверливание

Наиболее распространенным методом  получения отверстий в сплошном материале является сверление. Движение резания при сверлении - вращательное, движе ниеподачи - поступательное. Перед началом работы проверяют совпадение вершин переднего и

 

 

заднего центров станка. Заготовку устанавливают  в патрон и проверяют, чтобы

ее  биение (эксцентричность) относительно оси вращения не превышала припуска,

снимаемого  при наружном обтачивании. Проверяют  биение торца заготовки, в

котором будет обрабатываться отверстие, и  выверяют заготовки по торцу.

Перпендикулярность  торца к оси вращения заготовки  можно обеспечить подрезкой

торца, при этом в центре заготовки можно  выполнить углубление для нужного

направления сверла и предотвращения его увода  и поломки.

Сверла  с коническими хвостовиками устанавливают  непосредственно в конусное

отверстие пиноли задней бабки, а если размеры  конусов не совпадают, то

используют  переходные втулки. Для крепления  сверл с цилиндрическими

хвостовиками (диаметром до 16 мм) применяют сверлильные  кулачковые патроны

(рисунок  справа, ниже), которые устанавливаются  в пиноли задней бабки. Сверло

закрепляется  кулачками 6, которые могут сводиться  и разводиться, перемещаясь

в пазах корпуса 2. На концах кулачков выполнены рейки, которые находятся  в

зацеплении  с резьбой на внутренней поверхности  кольца 4.

От  ключа 5, через коническую передачу приводится во вращение втулка 3 с

кольцом 4, по резьбе которого кулачки 6 перемещаются вверх или вниз и

одновременно  в радиальном направлении. Для установки  в пиноли задней бабки

патроны снабжаются коническими хвостовиками 1. Перед сверлением отверстий

заднюю  бабку перемещают по станине на такое  расстояние от обрабатываемой

заготовки, чтобы сверление можно было производить  на требуемую глубину при

минимальном выдвижении пиноли из корпуса задней бабки.

Перед началом сверления обрабатываемая заготовка приводится во вращение.

Сверло  плавно (без удара) подводят вручную (вращением маховика задней бабки)

к торцу заготовки и производят сверление на небольшую глубину

(надсверливают). Затем отводят инструмент, останавливают  заготовку и

проверяют точ

 

 

ность расположения отверстия.

Для того чтобы сверло не сместилось, предварительно производят центровку

заготовки коротким спиральным сверлом большого диаметра или специальным

центровочным  сверлом с углом при вершине 90 градусов. Благодаря этому в

начале  сверления поперечная кромка сверла не работает, что уменьшает смещение

сверла  относительно оси вращения заготовки. Для замены сверла маховик задней

бабки поворачивают до тех пор, пока пиноль не займет в корпусе бабки крайнее

правое  положение, в результате чего сверло выталкивается винтом из пиноли.

Затем в пиноль устанавливают нужное сверло.

При сверлении отверстия, глубина которого больше его диаметра, сверло

периодически  выводят из обрабатываемого отверстия  и очищают канавки сверла и

отверстие заготовки от накопившейся стружки. Для уменьшения трения

инструмента о стенки отверстия сверление  производят с подводом смазочно-

охлаждающей жидкости (СОЖ), особенно при обработке  стальных и алюминиевых

заготовок.

Чугунные, латунные и бронзовые заготовки  можно сверлить без охлаждения.

Применение  СОЖ позволяет повысить скорость резания в 1,4-1,5 раза. В качестве

СОЖ используются раствор эмульсии (для  конструкционных сталей),

компаундированные масла (для легированных сталей), раствор  эмульсии и керосин

(для  чугуна и алюминиевых сплавов). Если на станке охлаждение  не

предусмотрено, то в качестве СОЖ используют смесь  машинного масла с

керосином. Применение СОЖ позволяет снизить  осевую и тангенциальную силы

резания на 10-35% при сверлении сталей, на 10-18% при сверлении чугуна и

цветных сплавов и на 30-40% при сверлении  алюминиевых сплавов. При сверлении

на  проход в момент выхода сверла из заготовки  необходимо резко снизить подачу

во  избежание поломки сверла. Для  сохранности инструмента при  сверлении

следует работать с максимально допустимыми  скоростями резания и с минимально

допустимыми подачами.

Если  ось сверла совпадает с осью шпинделя токарного станка, сверло правильно

заточено  и жестко закреплено, то обработанное отверстие имеет минимальные

погрешности. У правильно заточенного сверла работают обе режущие кромки и

стружка сходит по двум спиральным канавкам. Размеры  отверстия при сверлении

получаются  больше заданных в следующих случаях: режущие кромки сверла имеют

разную  длину, хотя и заточены под одинаковыми  углами; режущие кромки имеют

разную  длину и заточены под разными  углами; режущие кромки имеют равную

длину, но заточены под разными углами.

При неправильно и недостаточно заточенном сверле получается косое отверстие  с

большой шероховатостью поверхности. При работе недостаточно заточенным

(тупым)  сверлом у выходной части отверстия  образуются заусенцы. Неодинаковая

длина режущих кромок и несимметричная их заточка, эксцентричное расположение

перемычки и различная ширина ленточек вызывают защемление сверла в отверстии,

что увеличивает силы трения (по мере углубления сверла в заготовку) и, как

следствие, приводит к поломке инструмента. Обрабатываемое отверстие

называется  глубоким, если его глубина в 5 раз  больше его диаметра.

При сверлении глубокого отверстия  применяют длинное спиральное сверло с

обычными  геометрическими параметрами, которое  периодически выводят из

обрабатываемого отверстия для охлаждения и удаления накопившейся в канавках

стружки. Для повышения производительности обработки применяют сверла с

принудительным  отводом стружки, осуществляемым с  помощью жидкости (или

воздуха), подводимой в зону резания под  давлением.

 

 

С увеличением глубины сверления  ухудшаются условия работы сверла, ухудшается

отвод теплоты, повышается трение стружки  о стенки канавок инструмента,

затрудняется  подвод СОЖ к режущим кромкам. Поэтому если глубина сверления

больше  трех диаметров обрабатываемого  отверстия, то скорость резания следует

уменьшить.

Для сверления отверстий применяют  спиральные сверла, которые изготовляют  из

инструментальных  сталей (углеродистой У12А и легированной 9ХС), из

быстрорежущих сталей (Р6М5 и др.), а также из твердых  сплавов (ВК6М, ВК8М и

ВК10М). Для сверл из быстрорежущих сталей скорость резания v = 25-35

м/мин, для сверл из инструментальных сталей v = 12-18 м/мин, для

твердосплавных  сверл v = 50-70 м/мин. Причем большие значения скорости

резания принимаются при увеличении диаметра сверла и уменьшении подачи. При

ручной  подаче сверла трудно обеспечить ее постоянное (стабильное значение). Для

стабилизации  подачи используют различные устройства. Для механической подачи

сверла  его закрепляют в резцедержателе. Сверло 1 с цилиндрическим хвостовиком,

рисунок слева - а) с помощью прокладок 2 и 3 устанавливают в резцедержателе

так, чтобы ось сверла совпадала с  линией центров. Сверло 1 с коническим

хвостовиком, рисунок слева - б) устанавливают  в державке 2, которую крепят в

резцедержателе.

После выверки совпадения оси сверла с  линией центров суппорт со сверлом

вручную подводят к торцу заготовки и  обрабатывают пробное отверстие

минимальной глубины, а затем включают механическую подачу суппорта. При

сверлении на проход перед выходом сверла из заготовки механическую подачу

значительно уменьшают или отключают и  заканчивают обработку вручную. При

сверлении отверстий диаметром 5-30 мм подача S=0,l-0,3 мм/об для стальных

деталей и S=0,2-0,6 мм/об для чугунных деталей. Резание при сверлении имеет

ряд особенностей в сравнении с резанием при точении, поскольку спиральное

сверло - многолезвийный инструмент, который  производит резание пятью режущими

кромками (двумя главными, двумя вспомогательными и поперечной). Силы,

действующие на сверло в процессе резания, показаны на рисунке справа.

На  каждую точку A режущей кромки сверла действует сила Р, которая может  быть

разложена на составляющие силы Рг, Ру и Рг, Действующие  по осям X, Y и Z.

Силы  Ру на режущих кромках направлены навстречу друг другу и при  симметричной

заточке равны по величине, т. е. их действие на сверло равно нулю. Осевая

сила, действующая вдоль сверла, Ро=2Рx+Рп.к+2Рл где Рп.к - сила, действующая

на  поперечную кромку сверла; Рл - сила трения ленточки сверла о стенки

отверстия. Основную работу при сверлении выполняют  две режущие кромки, а

поперечная  кромка (угол резания которой более 90 градусов) под действием

осевой  силы Ро сминает металл с силой Pп.к0,5Ро

Суммарный момент сил резания Мс=Mz+Mп.к+Мл, где Mz=(0,8-0,9) Mc-момент,

создаваемый силой Рz, Мп.к - момент, создаваемый  силой Рп.к; Мл - момент,

создаваемый силой Рл. При сверлении отверстий  по мере износа сверла по задней

поверхности осевая сила и крутящий момент увеличиваются; например, при износе

задней  поверхности сверла на 1 мм указанные  параметры возрастают почти на 60-

80%.

 

 

Для повышения эффективности работы спиральными сверлами используют такие

способы, как подточка поперечной кромки, изменение  угла при вершине, подточка

ленточки, двойная заточка, предварительное  рассверливание отверстий и др.

Стандартные сверла имеют угол при вершине 118 градусов, однако для обработки

более твердых материалов (и более глубоких отверстий) рекомендуется применять

сверла  с углом при вершине 135 градусов.

Формы заточки режущей части сверла: а) - нормальная, б) - нормальная с

подточкой перемычки, в) - нормальная с подточкой  перемычки и ленточки, г) -

двойная с подточкой перемычки, д) - двойная  с подточкой перемычки и ленточки.

Рассверливание позволяет получить более точные отверстия и уменьшить увод

сверла  от оси детали. При сверлении отверстий  большого диаметра (свыше 25-30