Глубокое сверление: ружейные свёрла, BTA, цикл с отводом и СОЖ под давлением

Что считают глубоким отверстием

Стандарта с порогом L/D нет, границу проводят производители инструмента. Sandvik Coromant в каталоге по глубокому сверлению пишет, что обычное сверление редко даёт отверстие глубже пяти диаметров, а всё, что глубже десяти, надо считать глубоким отверстием и сверлить специальной техникой. Сами системы глубокого сверления доходят до отношения 150:1.

Между 3·D и 10·D работают длинные спиральные свёрла с внутренним подводом СОЖ или циклом с выводом. Эта зона разобрана в статье «Сверление на станке с ЧПУ»: там стратегия Walter с пилотом для твердосплавных свёрл до 30·D. Здесь — то, что начинается дальше: инструмент, который сверлит 50–100 диаметров за один непрерывный проход.

Главная задача на такой глубине одна — вынести стружку, не повредив ни сверло, ни стенку. У всех систем глубокого сверления её решают одинаково: жидкость под давлением идёт к кромке одним путём, а возвращается со стружкой другим.

Три системы: ружейное сверло, BTA и эжектор

Ружейное сверло

Ружейное (одностороннее) сверло — полый стебель с режущей головкой и наружной V-образной канавкой по всей длине. СОЖ подаётся внутрь стебля и выходит у кромки, стружка уходит вместе с жидкостью по канавке наружу. По Sandvik Coromant из-за канавки сечение трубки занимает около трёх четвертей окружности.

Кромка одна, поэтому силы резания уравновешивают направляющие на головке, опирающиеся на стенку отверстия. Отсюда главная особенность: сверло не самоцентрируется и до входа направляющих в металл его должно вести что-то внешнее. Ружейными свёрлами сверлят малые диаметры — у Sandvik цельнотвердосплавные головки 428.9 выпускаются от 0,98 мм.

BTA (STS, одна труба)

В системе BTA головку крепят к полой трубе. СОЖ подаётся снаружи трубы — в кольцевой зазор между ней и стенкой отверстия, а стружка с жидкостью уходит внутрь головки и дальше по трубе. Чтобы жидкость шла в зазор, а не наружу, на входе стоит маслоприёмник с уплотнением. Sandvik называет эту схему STS (Single Tube System).

По Botek система BTA охватывает диаметры от 7,76 до 700 мм и глубину более 100·D, а свыше 18 мм головки в основном оснащают сменными пластинами и направляющими. Sandvik оценивает производительность STS в 4–6 раз выше, чем у ружейного сверления, и называет её первым выбором для длинных серий, особенно для материалов с плохим стружкодроблением — низкоуглеродистых и нержавеющих сталей.

Эжекторная система

Эжектор — вариант BTA с двумя трубами. СОЖ идёт по кольцу между наружной и внутренней трубой, выходит у головки и возвращается со стружкой по внутренней трубе. Часть жидкости через кольцевое сопло направлена прямо во внутреннюю трубу: создаётся разрежение, которое подсасывает стружку.

Уплотнения на входе не требуется, поэтому Botek рекомендует эжектор для обычных станков и обрабатывающих центров, для наклонного входа и прерывистых заготовок, с глубиной до 100·D. Нужна отдельная установка подачи СОЖ под эжектор. Sandvik отмечает, что эжектор требует меньшего давления, чем STS, и подходит для небольших партий без специального станка.

Пилотное отверстие и направляющая втулка

На специальных станках глубокого сверления сверло стартует из кондукторной втулки, на обрабатывающих центрах — из пилотного отверстия. Задача у обоих одна: держать головку до тех пор, пока её направляющие не лягут на стенку просверленного отверстия.

Пилот. Botek задаёт диаметр пилота чуть больше диаметра сверла: +0,005…+0,010 мм для свёрл 0,5–4 мм, +0,010…+0,020 мм для 4–12 мм и +0,015…+0,040 мм для 12–50 мм (тип 110). Глубина пилота по таблице Botek — от 1 до 6 диаметров, а для самых длинных свёрл — 30–40 мм, в зависимости от диаметра и длины сверла. Чтобы не выкрошить кромку на входе, пилот рекомендуют делать с фаской. От качества пилота, по Botek, зависят стойкость и увод оси.

Втулка. Sandvik требует шлифовать отверстие втулки ружейного сверла в номинал сверла с допуском H6, делать её твердосплавной и менять, когда она разбита на 0,02 мм. Втулку выставляют соосно шпинделю и сверлу в пределах 0,02 мм. Для эжектора Botek рекомендует ставить втулку не дальше 1,0 мм от заготовки, а вместо втулки допускает пилот с полем F7.

Порядок цикла. По инструкции Botek ружейное сверло вводят в пилот или втулку без вращения или на частоте до 50 об/мин, затем включают СОЖ и шпиндель. Сверлят до глубины без выводов, а на глубине выключают СОЖ и выводят сверло при остановленном шпинделе или до 50 об/мин. Длина стебля без опоры ограничена: для свёрл Botek типа 110 — не более 40·D, дальше ставят люнеты-опоры.

СОЖ через инструмент: давление, расход, фильтрация

В глубоком сверлении жидкость делает четыре дела: смазывает направляющие, охлаждает, продлевает стойкость и выносит стружку. Поэтому параметры подачи задаёт не станок, а каталог инструмента — под диаметр, глубину и тип СОЖ. Общие правила выбора и обслуживания жидкостей — в статье «СОЖ для станков с ЧПУ».

Что прямо указано в прочитанных каталогах:

• Тип жидкости. Botek для ружейных свёрл — масло для глубокого сверления или эмульсия с присадками концентрацией не ниже 10–12 %. При эмульсии давление из диаграммы можно снизить на 10–20 %. Sandvik для STS и эжектора допускает эмульсию с EP-присадками разбавлением не слабее 1:10.
• Давление и расход. Botek даёт диаграмму давления в зависимости от диаметра и глубины и минимальную подачу насоса: не менее 4 л/мин для свёрл до 2 мм и не менее 24 л/мин для 2–12 мм.
• Фильтрация. Botek: 5–10 мкм для свёрл тоньше 2 мм, 5–20 мкм — от 2 мм. Sandvik для ружейного сверления — 5–10 мкм, для STS и эжектора — 10–20 мкм.
• Температура. Sandvik: выше 55 °C жидкость перестаёт нормально смазывать инструмент и насос и быстро стареет, лучший диапазон — 30–40 °C. Бак — около десяти минутных подач насоса.

У Botek есть оговорка к таблице точности эжекторных головок: цифры относятся к маслу для глубокого сверления, на эмульсии их не достичь.

Цикл G83 для спиральных свёрл и его пределы

Спиральное сверло без внутреннего подвода СОЖ сверлит глубоко только прерывисто: цикл G83 после каждого шага Q выводит его к плоскости R, стружка выпадает, сверло возвращается. Адреса, зазор возврата и отличие от G73 — в статье «Постоянные циклы G81, G83, G84».

Пределы цикла следуют из его устройства:

• Время. Каждый вывод — два холостых хода на всю текущую глубину. Чем глубже отверстие, тем больше доля холостых ходов.
• Стружка между выводами. На каждом шаге стружка должна пройти по канавке всю глубину. Если шаг Q большой, она пакетируется раньше вывода; если маленький — растёт время.
• Ось. Цикл не направляет сверло. Длинное спиральное сверло уводит так же, как без цикла, поэтому для глубин, где важна прямолинейность, нужен пилот, а дальше — система глубокого сверления.

У ружейного сверла и BTA цикл другой: СОЖ выносит стружку непрерывно, и выводов нет. Когда вместо G83 достаточно простого G81 — например, для сверла с подводом СОЖ через инструмент, — разобрано в той же статье о циклах.

Увод оси: откуда берётся и как контролировать

Sandvik Coromant называет факторы, влияющие на прямолинейность: инструмент, способ вращения, подача, заготовка, гаситель вибраций, люнет, втулка, маслоприёмник и сам станок. Самый сильный из них — кинематика:

• встречное вращение сверла и заготовки даёт наилучшую прямолинейность;
• вращается заготовка — следующий по качеству вариант;
• вращается только сверло — хуже всего: на длинных отверстиях стебель прогибается.

Для оценки Sandvik даёт упрощённые цифры увода на метр глубины: 0,1–0,3 мм при невращающемся сверле и 0,3–1,0 мм при вращающемся. Отсюда простая прикидка до заказа:

Пример. Отверстие глубиной 600 мм сверлят на обрабатывающем центре вращающимся ружейным сверлом: Δ = 0,3…1,0 · 0,6 = 0,18…0,6 мм. На токарном станке с вращающейся заготовкой ориентир — 0,06…0,18 мм. Если чертёж требует меньше, это вопрос к выбору станка, а не к режимам.

Ещё три источника увода по Sandvik: изношенная или неправильно поставленная втулка; отверстие близко к краю заготовки — нагрев уводит сверло к тонкой стенке; несоосность станка. Для последнего Sandvik советует выверять бабку и приспособление с точностью 0,02 мм и ставить опору трубы примерно через каждые 1,3 м.

Как проверяют: прямолинейность — это не то же самое, что смещение выхода оси относительно входа, Sandvik прямо просит их не путать. На практике измеряют и то и другое: смещение выхода — от баз детали на КИМ или на выходном торце, форму оси — по толщине стенки в нескольких сечениях. Способ контроля согласуйте с цехом до запуска, как и контроль первой детали.

Точность и шероховатость после глубокого сверления

Главное отличие глубокого сверления от обычного — отверстие часто не требует чистовой обработки. Производители дают такие ориентиры:

По Botek главное преимущество ружейного сверления перед спиральным — круглость отверстия, отклонение от круглости может быть порядка 3 мкм. Но все цифры таблицы — возможности инструмента в хороших условиях. Для конкретной детали их подтверждает цех на своём станке, СОЖ и материале. Если нужен H7 по всей длине, заложите развёртывание или растачивание — см. «Зенкерование и развёртывание отверстий».

Что указать в заявке на глубокое сверление

• диаметр, глубину и отношение L/D, глухое или сквозное отверстие;
• допуск диаметра, шероховатость и допуск прямолинейности или смещения выхода оси — с базами;
• материал и состояние поставки: от стружкодробления зависит выбор между ружейным сверлом и BTA;
• вход и выход: плоскость или наклон, пересечения с другими отверстиями;
• как будут проверять ось и кто делает контроль.

Режимы для спиральных свёрл в начале отверстия посчитайте в калькуляторе режимов резания. Для ружейных свёрл и BTA скорость и подачу берут из каталога производителя инструмента: они подобраны под конкретную геометрию и давление СОЖ.