Сверлильные и расточные станки

ВВЕДЕНИЕ 

     Сверлильные станки – многочисленная группа металлорежущих станков, предназначенных для получения  сквозных и глухих отверстий в  сплошном материале, для чистовой обработки (зенкерования, развёртывания) отверстий, образованных в заготовке каким-либо другим способом, для нарезания внутренних резьб, для зенкования торцовых поверхностей.

     Применяя  специальные приспособления и инструменты, можно выполнять различного рода операции, такие как растачивание отверстий, вырезание отверстий большого диаметра в листовом материале («трепанирование»), притирание точных отверстий и т. д.

     В зависимости от области применения различают универсальные и специальные  сверлильные станки. Находят широкое  применение и специализированные сверлильные  станки для крупносерийного и  массового производства, которые  создаются на базе универсальных  станков путем оснащения их многошпиндельными  сверлильными и резьбонарезными  головками и автоматизации цикла  работы.

     На  сверлильно-фрезерных станках можно  выполнять фрезерование, наклонное  торцевое фрезерование, шлифовку поверхности, горизонтальное фрезерование и другие операции. Для выполнения подобных операций используют сверла, зенкеры, развертки, метчики и другие инструменты.

       Спектр применения сверлильных  станков велик. Они используют  в механических, сборочных, ремонтных  и инструментальных цехах машиностроительных  заводов и в предприятиях малого  бизнеса.

     Расточные станки — металлорежущие станки для сверления, зенкерования, развертывания, растачивания, нарезания резьбы, обтачивания цилиндрических поверхностей и торцов, фрезерования.

     Наиболее  распространены универсальные горизонтально-расточные  станки. Для выполнения ряда операций используют алмазно-расточные станки, а также координатно-расточные  станки.  
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 1. Сверлильные станки 
 

     Рабочими  формообразующими движениями при обработке на сверлильных стайках являются главное вращательное движение и поступательное движение подачи шпинделя вдоль его оси. Эти движения сообщаются шпинделем режущему инструменту. Обрабатываемая заготовка при обработке неподвижна.

     По  технологическому назначению сверлильные  станки делят на универсальные (вертикально-сверлильные, радиально-сверлильные, многошпиндельные) и специализированные (горизонтально-сверлильные для глубокого сверления, центровальные для получения центровых отверстий в торцах заготовок валов, станки для обработки отверстий в коленчатых и кулачковых валах, шатунах, фильерах и т. д.). Специализированные станки применяют в условиях серийного и массового производств.

     Вертикально-сверлильные  станки составляют основную часть парка сверлильных станков и выпускаются двух конструктивных разновидностей: на колонне (основной и наиболее распространенный тип) и настольные, устанавливаемые на верстаке и предназначенные для обработки отверстий малого диаметра.

     На  рис. 1.1 показан вертикально-сверлильный станок модели 2HI35. На фундаментной плите 4 смонтирована колонна 3,коробчатой формы, на передней стороне которой имеются вертикальные направляющие для наладочного перемещения шпиндельной бабки 1 и стола 6. Внутри колонны размещен противовес для уравновешивания шпиндельной бабки. Внутри бабки находятся коробка скоростей и коробка подач станка. Шпиндель 7 с режущим инструментом вращается в подшипниках гильзы 8 с зубчатой рейкой; в процессе обработки с помощью реечной передачи гильзе вместе со шпинделем механически или вручную штурвалом 9 сообщается движение осевой подачи. Стол 6 с Т-образными пазами, на котором устанавливают приспособления и заготовку, при наладке перемещают по направляющим колонны вручную с помощью винтового механизма вращением рукоятки 5. В плите расположен бак для СОЖ. которая подается в зону обработки помпой 2.

     Инструменты с коническим хвостовиком устанавливаются  непосредственно в конические отверстия шпинделя станка и удерживаются в нем силой трения. Когда номера конусов Морзе у инструмента и у шпинделя не совпадают, применяют переходные конусные втулки, надеваемые на хвостовики. Инструменты малого диаметра с цилиндрическим хвостовиком крепятся в сверлильных патронах, вставляемых в шпиндель. В условиях серийного производства с целью повышения производительности для установки инструментов применяют револьверные и многошпиндельные головки.

Рис. 1.1 Одношпиндельный вертикально-сверлильный станок модели 2Н135 

     Заготовки сравнительно больших размеров в  единичном производстве крепятся непосредственно к столу станка при помощи болтов и прихватов. Мелкие заготовки закрепляются в машинных тисках. В серийном и массовом производствах для установки и закрепления обрабатываемых заготовок применяют сверлильные приспособления — кондукторы, снабженные закаленными кондукторными втулками, дающими направление инструменту. При использовании кондукторов отпадает необходимость предварительной разметки заготовок под сверление.

     Настольно-сверлильные  станки выпускаются с наибольшим условным диаметром сверления в стали 3, 6 и 12 мм, а станки на колонне — с диаметром сверления 18, 25, 35, 50 и 75 мм.

     На  вертикально-сверлильных станках  для совмещения осей обрабатываемого отверстия и режущего инструмента заготовку вместе с приспособлением приходится перемещать по столу станка вручную. Это затрудняет обработку крупных, тяжелых заготовок; их гораздо удобнее обрабатывать на радиально-сверлильных станках, на которых совмещение осей отверстий и инструмента производится перемещением шпинделя станка относительно неподвижной заготовки.

     На  рис. 1.2 показан радиально-сверлильный станок общего назначения. На плите 1 закреплена тумба 2 с неподвижной колонной 3, на которой смонтирована поворотная траверса (рукав) 5. По направляющим траверсы перемещается бабка б со шпинделем 7. В шпиндельной бабке размещены коробка скоростей, коробка подач и органы управления. Установку шпинделя в горизонтальной плоскости осуществляют в полярных координатах радиальным перемещением бабки и поворотом траверсы. Винтом 4 траверса перемещается вдоль колонны и может быть закреплена на любой высоте в зависимости от высоты заготовки. Заготовка устанавливается либо на съемном столе 8, либо непосредственно на плите /. В некоторых моделях радиально-сверлильных станков шпиндельную бабку выполняют поворотной в вертикальной плоскости, что позволяет обрабатывать отверстия с осями, расположенными под углом. 

Рис. 1.1 Одношпиндельный радиально-сверлильный станок общего назначения 

     Для тяжелого машиностроения выпускаются переносные радиально-сверлильные станки, устанавливаемые непосредственно на громоздких заготовках, а также станки, перемещаемые относительно заготовки по рельсам.

     Радиально-сверлильные  стенки выпускаются с наибольшим диаметром сверления в стали — 25, 35, 50, 75 и 100 мм.

     С целью сокращения машинного времени в условиях серийного производства одношпиндельные вертикально- и радиально-сверлильные станки оснащаются многошпиндельными сверлильными головками, позволяющими сверлить одновременно несколько отверстий. На рис. 1.3, а приведена схема сверлильной головки с постоянным расположением шпинделей. Корпус 3 головки крепится к шпиндельной гильзе станка. Вращение от шпинделя станка через конус 1 и центральное зубчатое колесо z₁ через промежуточные зубчатые колеса z₂ передается на колеса z₃, жестко закрепленные на шпинделях 2 головки. Промежуточные колеса обеспечивают однонаправленное вращение шпинделя станка и шпинделей головки.

     В случае малого расстояния между осями  шпинделей применяют бесшестеренные сверлильные головки (рис. 1.3, б). Конус 1головки снабжен кривошипом 5, который соединен с поводковой плитой 2, поддерживаемой кривошипом 3. С плитой 2 соединены также рабочие шпиндели 4 с кривошипами такого же радиуса. Вращение от шпинделя станка через конус 1 передается на кривошип, сообщающий поводковой плите круговое поступательное движение. От поводковой плиты приводятся во вращение с одинаковой частотой шпиндели 4.

Рис. 1.3. Многошпиндельные сверлильные головки 

     При необходимости одновременного сверления  большого числа (до 200 и более) отверстий в условиях крупносерийного и массового производств применяют многошпиндельные сверлильные станки. Такой станок отличается от одношпиндельного главным образом наличием сверлильной головки колокольного типа с переставными шпинделями (рис. 1.3, в), допускающем переналадку при смене обрабатываемой заготовки.. Рабочие шпиндели 2 размещены в ползунах 1, которые можно перемещать в радиальном направлении и по окружности относительно опорной плоскости корпуса 8 головки. Передача вращения на переставные шпиндели обеспечивается телескопическими валиками 5 с универсальными шарнирами 4.

     Существуют  также многошпиндедьные сверлильные станки, представляющие собой как бы совокупность нескольких (2—4) одношпиндельных станков с общей станиной и столом. Такие станки предназначены для последовательной обработки отверстий (сверления, зенкерования, развертывания и т. п.) постоянно установленными инструментами в заготовке, передвигаемой по плоскости стола от одного шпинделя к другому.

     Обработку деталей класса валов на токарных и круглошлифовальных станках производят с установкой их на центры станка центровыми отверстиями. Операцию обработки центровых отверстий (центровку заготовок) в условиях серийного и массового производства выполняют на центральных и фрезерно-центровочных станках. В первом случае производится только центровка заготовок, а во втором перед центровкой фрезеруются торцы заготовки. Обработка на фрезерно-центровочных станках предпочтительнее, поскольку предварительное фрезерование торцов облегчает работу центровочных сверл; кроме того благодаря тому, что фрезерование торцов и сверление центровочных отверстий производится с одной установки, обеспечивается строгая перпендикулярность осей отверстий торцам. 

Рис. 1.4. Схема работы фреэерно-центровочного полуавтомата 

     На  рис. 1.4 приведена схема работы двухпозиционного фрезерно-центровочного полуавтомата. Заготовка 4, закрепленная в призмах 5 на столе 1 станка, поступает сначала на позицию /, где ее торцы с подачей стола фрезеруются двумя фрезерными головками 3. После этого стол переносит заготовку в позицию //, где двумя центровыми сверлами 2 производится зацентровка обоих ее торцов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Глава 2. Обработка заготовок  на сверлильных станках 
 

2.1 Характеристика метода сверления 

     Сверление — распространенный метод получения отверстий в сплошном материале. Сверлением получают сквозные и несквозные (глухие) отверстия и обрабатывают предварительно полученные отверстия с целью увеличения их размеров, повышения точности и снижения шероховатости поверхности.

     Сверление осуществляют при сочетании вращательного  движения инструмента вокруг оси — главного движения и поступательного его движения вдоль оси — движения подачи. Оба движения на сверлильном станке сообщают инструменту.

     Процесс резания при сверлении протекает  в более сложных условиях, чем  при точении. В процессе резания  затруднен отвод стружки и подвод охлаждающей жидкости к режущим лезвиям инструмента. При отводе стружки происходит трение ее о поверхность канавок сверла и сверла о поверхность отверстия. В результате повышаются деформация стружки и тепловыделение. На увеличение деформации стружки влияет изменение скорости резания вдоль режущего лезвия от максимального значения на периферии сверла до нулевого значения у центра. 

2.2 Режим резания. Силы резания. 

2.2.1 Режим резания 

     За  скорость резания (в м/мин) при сверлении  принимают окружную скорость точки  режущего лезвия, наиболее удаленной от оси сверла: 

     , 

где D — наружный диаметр сверла, мм; п — частота вращения сверла, об/мин.

     Подача s_B (мм/об) равна величине осевого перемещения сверла за один оборот.

     За  глубину резания t (в мм) при сверлении отверстий в сплошном материале принимают половину диаметра сверла: 

, 

а при  рассверливании

, 

где d — диаметр обрабатываемого отверстия, мм.

Рис. 2.2.1.1 Схемы сверления (а) и рассверливания (б) 

2.2.2 Силы резания

     В процессе резания сверло испытывает сопротивление со стороны обрабатываемого материала. Равнодействующую сил сопротивления, приложенную в некоторой точке А режущего лезвия, можно разложить на три составляющие силы Р_х, Р_у и Р_г (рис. 2.3.1).

     Составляющая  Р_х направлена вдоль оси сверла. В этом же направлении действуют сила Р_п на поперечное лезвие и сила трения Р_л ленточки об обработанную поверхность. Суммарная всех указанных сил, действующих на сверло вдоль оси X, называется осевой силой, или силой подачи Р_о. Радиальные силы P_Y, равные по величине, но противоположно направленные, взаимно уравновешиваются.

      Исследованиями  установлено, что сила, действующая  на поперечное режущее лезвие Р_п, весьма значительна и составляет 50 – 55 %, на главные режущие лезвия  - 40 – 45% и на ленточки – около 3% осевой силы Р_о.

Рис. 2.2.2.1 Силы, действующие

                 на сверло 

     Крутящий  момент, преодолеваемый шпинделем сверлильного станка, в основном (80—90%) создается силой P_z.

     В расчетах для определения осевой силы Р_о (в Н) и крутящего момента М_к (в Н*м) используют эмпирические формулы: 

     P_o = C_p*D^xp*s^l’p*K_p; 

M_k = C_m* D^xm*s^ym*K_m, 

где С_р и С_м — постоянные коэффициенты, характеризующие обрабатываемый материал и условия резания; x_v, y_р, х_м, у_м — показатели степеней; K_p и К_ч — поправочные коэффициенты на измененные условия резания.

     Коэффициенты  и показатели степеней приведены  в справочных материалах.

Осевая  сила и крутящий момент являются исходными  для расчета сверла и узлов станка на прочность, а также для определения эффективной мощности. Эффективная мощность (в кВт), затрачиваемая на резание при сверлении, 

N_e =  

     По  мощности N_e определяют мощность  электродвигателя станка: 

      = , 

где η  – КПД механизмов передач станка. 

2.3 Режущий инструмент 

     Отверстия на сверлильных станках обрабатывают сверлами, зенкерами, развертками и метчиками.

     Сверла. По конструкции и назначению сверла подразделяют на спиральные, центровые и специальные. Наиболее распространенным инструментом для сверления и рассверливания является спиральное сверло (рис. 2.3.1, а), которое состоит из четырех частей: рабочей 6, шейки 2, хвостовика 4 и лапки 3.

     В рабочей части 6 различают режущую 1 и направляющую 5 части с винтовыми канавками. Шейка 2 соединяет рабочую часть сверла с хвостовиком. Хвостовик 4 служит для установки сверла в шпинделе станка. Лапка 3 является упором при выбивании сверла из отверстия шпинделя. 
 

      Рис. 2.3.1 Части (а), элементы и углы (б) спирального сверла 

     Элементы  рабочей части спирального сверла показаны на рис. 2.3.1, б. Сверло имеет два главных режущих лезвия 11, образованных пересечением передних 10 и задних 7 поверхностей и выполняющих основную работу резания; поперечное режущее лезвие 12 (перемычку) и два вспомогательных режущих лезвия 9. На цилиндрической части сверла вдоль винтовой канавки расположены две узкие ленточки 8, обеспечивающие направление сверла при резании.

     К геометрическим параметрам режущей  части сверла относятся передний угол γ, задний угол α, угол при вершине сверла 2φ, угол наклона поперечного режущего лезвия ψ и угол наклона винтовой канавки ω.

     Передний  угол γ измеряют в главной секущей плоскости //—//, перпендикулярной к главному режущему лезвию. В разных точках режущего лезвия передний угол различен; наибольший у наружной поверхности сверла, где он практически равен углу наклона винтовой канавки ω, наименьший у поперечного   режущего   лезвия.

     Задний  угол α измеряют в плоскости /—/, параллельной оси сверла. У наружной поверхности сверла α = 8 - 12°; по мере приближения к оси сверла задний угол возрастает до 20—25°.

     Угол  при вершине сверла 2 φ измеряется между главными режущими лезвиями и имеет различную величину в зависимости от обрабатываемого материала. У стандартных сверл, применяемых при обработке разных материалов, 2φ = 90 - 118°; при сверлении сталей средней твердости 2φ = 116 - 120°.

     Угол  наклона поперечного  режущего лезвия ψ измеряется между проекциями главного и поперечного режущего лезвий на плоскость, перпендикулярную к оси сверла. У стандартных сверл ψ = 50 - 55°.

     Угол  наклона винтовой канавки ω измеряют по наружному диаметру. Обычно ω = 18 - 30°.

     Стандартные спиральные сверла выпускают диаметром 0,1 — 80 мм.

     Сверла для глубокого сверления. При сверлении глубоких отверстий (L > 5D) применяют специальные сверла. На рис. VI.64, а показано однолезвийное сверло с напаянной пластинкой из твердого сплава для сверления глубоких отверстий диаметром 30—80 мм. Сверло оснащено одной твердосплавной режущей пластинкой 1 и двумя направляющими пластинками 2. Охлаждающая жидкость подается в зону резания и вымывает стружку через внутренний канал 3 сверла.

Рис. 2.3.2 Сверла для глубокого сверления 

     Сквозные  отверстия диаметром более 100 мм сверлят кольцевыми сверлами (рис. 2.3.2, б). Сверло состоит из полого корпуса 5 с винтовыми канавками. На его торцовой части, закреплены режущие пластинки 4 (резцы), ширина которых больше толщины стенок корпуса. Режущие лезвия пластинок выступают со стороны торца, наружного и внутреннего диаметров корпуса. Число пластинок 4—8, в зависимости от диаметра сверла. Таким сверлом вырезается кольцевая канавка шириной, равной ширине пластинок.

     Охлаждающую жидкость подают через внутреннюю полость  сверла, а стружку отводят по винтовым канавкам.

     Зенкеры (рис. 2.3.3, а - в). Этим инструментом обрабатывают отверстия в литых или штампованных заготовках, а также предварительно просверленные отверстия. В отличие от сверл они снабжены тремя или четырьмя главными режущими лезвиями и не имеют поперечного лезвия, что повышает их прочность и жесткость. Режущая (или заборная) часть 1 выполняет основную работу резания. Калибрующая часть 5 служит для направления зенкера в отверстии и обеспечивает необходимую точность и шероховатость поверхности (2 — шейка, 3 — лапка, 4 — хвостовик, 6 — рабочая часть).

     По  виду обрабатываемых отверстий зенкеры  делят на цилиндрические (рис. 2.3.3, а), конические (рис. 2.3.3, б) и торцовые (рис. 2.3.3, в). Зенкеры бывают цельные с коническим хвостовиком (рис. 2.3.3, а, б) и насадные (рис. 2.3.3, в). Первые изготовляют диаметром до 32 мм, вторые — до 100 мм. 

Рис. VI.65. Инструменты для обработки отверстий на сверлильных станках:

а—в — зенкеры; г—е — развертки; ж — метчик 

     Развертки. Этим инструментом окончательно обрабатывают отверстия. По форме обрабатываемого отверстия различают цилиндрические (рис. 2.3.3, г) и конические (рис. 2.3.3, д) развертки. Развертки имеют 6—12 главных режущих лезвий, расположенных на режущей части 7 с направляющим конусом. Калибрующая часть 8 направляет развертку в отверстии и обеспечивает необходимую точность и шероховатость поверхности.

     По  способу применения различают машинные и ручные развертки. По конструкции крепления развертки делят на хвостовые и насадные. На рис. 2.3.3, е показана машинная насадная развертка с механическим креплением режущих пластинок в ее корпусе.

     Метчики. Их применяют для нарезания внутренних резьб. Метчик (рис. 2.3.3, ж) представляет собой винт с прорезанными прямыми или спиральными канавками, образующими режущие лезвия, и состоит из рабочей и хвостовой частей. Рабочая часть метчика имеет режущую (заборную) 9 и калибрующую 10 части. Заборная часть производит основную работу резания, а калибрующая зачищает нарезаемую резьбу. Хвостовая часть метчика служит для закрепления метчика в патроне. Профиль резьбы метчика должен соответствовать профилю нарезаемой резьбы. Различают гаечные, машинные и ручные метчики. 

2.4 Приспособления для  обработки заготовок  на сверлильных  станках 

     При обработке на сверлильных станках применяют различные приспособления для установки и закрепления заготовок на столах станков (рис. 2.4.1).

Рис. 2.4.1 Приспособления для закрепления  заготовок на сверлильных станках 
 

     Заготовки закрепляют прижимными планками (рис. 2.4.1, а) или в машинных тисках. При сверлении сквозных отверстий заготовку устанавливают на подкладки, что обеспечивает свободный выход сверла из отверстия. При обработке отверстий, параллельных или расположенных под углом к установочной плоскости, используют угольники: простые (рис. VI.66, б) и универсальные (рис. 2.4.1, в). Заготовки, имеющие цилиндрические части, закрепляют в трех- или четырехкулачковых патронах, которые крепят на столе станка. При сверлении отверстий в цилиндрических заготовках их устанавливают на призме и закрепляют струбциной (рис. 2.4.1, г). Для сверления нескольких точно расположенных отверстий в заготовках, обрабатываемых большими партиями, широко используют специальные приспособления — кондукторы (рис. 2.4.1, д). Они имеют направляющие втулки 2, обеспечивающие определенное положение режущего инструмента относительно обрабатываемой заготовки 1, закрепляемой в кондукторе. Необходимость в разметке при использовании кондукторов отпадает.

     Режущий инструмент в шпинделе сверлильного станка закрепляют с  помощью вспомогательного  инструмента:  переходных втулок, сверлильных патронов и оправок.

           Рис. 2.4.2. Схемы закрепления  инструмента в шпинделе станка 

     Режущие инструменты с коническим хвостовиком  закрепляют непосредственно в шпинделе сверлильного станка (рис. 2.4.2, а). Если размер конуса хвостовика инструмента меньше размера конического отверстия шпинделя, то применяют переходные конические втулки (рис 2.4.2, б). Инструменты с цилиндрическим хвостовиком закрепляют в двух-, трехкулачковых или цанговых патронах. Закрепление режущего инструмента в цанговом патроне показано на рис. 2.4.2, в. На резьбовую часть корпуса патрона 1 навинчивается втулка 2, в которой находится разрезная цанга 3. Цилиндрический хвостовик инструмента 4 вставляют в отверстие цанги и закрепляют вращением втулки 2 по часовой стрелке.