6. MOŻLIWOŚCI KSZTAŁTOWANIA POWIERZCHNI NA WIERTARKACH

6.1. WPROWADZENIE

Głównymi sposobami obróbki skrawaniem otworów okrągłych, o różnych dokładnościach wymiarowo-kształtowych i różnej chropowatości powierzchni, są: wiercenie, pogłębianie, rozwiercanie, nawiercanie i gwintowanie. Charakteryzują się one występowaniem dwóch ruchów podstawowych, koniecznych dla realizacji obróbki: ruchu głównego obrotowego ciągłego i ruchu prostoliniowego ciągłego, zwanego ruchem posuwowym. Rozdział tych ruchów pomiędzy przedmiot obrabiany i narzędzie może być różny i zależy od rozwiązań konstrukcyjnych i kinematycznych obrabiarek, na których odbywa się obróbka otworów. Operacje obróbki otworów mogą być wykonywane na wiertarkach, tokarkach, rewolwerówkach, automatach tokarskich, frezarkach, wytaczarkach i innych obrabiarkach.

Rozróżnia się cztery odmiany kinematyczne wiercenia, pogłębiania i rozwiercania:

• W odmianie 1-ej, zarówno ruch główny, jak i posuwowy wykonuje narzędzie,
  a przedmiot obrabiany znajduje się w spoczynku. Ten układ realizowany jest na obrabiarkach zwanych wiertarkami.

• W odmianie 2-ej ruch główny wykonuje przedmiot obrabiany, a narzędzie - ruch posuwowy wzdłuż własnej osi. Występuje ona na tokarkach i obrabiarkach specjalnych do wiercenia głębokich (długich) otworów.

• W odmianie 3-ej ruch główny wykonuje narzędzie, a ruch posuwowy realizowany jest przez przedmiot obrabiany. Odmiana ta dotyczy wiercenia na wytaczarkach
  i frezarkach.

• W odmianie 4-ej oba ruchy - główny i posuwowy - wykonywane są przez przedmiot obrabiany, przy nieruchomym narzędziu. Jest to odmiana w praktyce przemysłowej rzadko stosowana.

Przykładowe powierzchnie, które można wykonać na wiertarkach zostały przedstawione na rys. 6.1.

Rys. 6.1. Typowe powierzchnie obrabiane na wiertarkach

6.2. PODSTAWOWE PRACE WYKONYWANE NA WIERTARKACH

Wiercenie jest sposobem obróbki otworów w pełnym materiale, przy użyciu narzędzia jedno, dwu lub trzyostrzowego, zwanego wiertłem. Wierceniem można wykonywać otwory na gotowo lub wstępnie, z pozostawieniem naddatku na dalszą, przeważnie bardziej dokładną, obróbkę wykańczającą. Otwory wiercone odznaczają się małą dokładnością wymiarowo - kształtową (IT12 - IT14), dużym rozbiciem (dla d=10-20 mm - Δd=0,15-0,25 mm), dużą chropowatością powierzchni (dla wierteł standardowych ze stali szybkotnącej najczęściej Ra > 5 μm). Stosując bardzo starannie wykonane wiertła kręte pełnowęglikowe pokrywane warstwami uszlachetniającymi, można np. w obróbce żeliwa uzyskać otwory w klasie IT10, o chropowatości
Ra < 1 μm. Odmianami wiercenia są: wiercenie otworów stożkowych i nawiercanie czyli wykonywanie nakiełków lub wejść dla wierteł.

W czasie wiercenia w pełnym materiale wiertłem krętym bierze udział pięć krawędzi skrawających: dwie główne, dwie pomocnicze i krawędź poprzeczna - ścin. Podczas wiercenia, proces przekształcania warstwy skrawanej w wiór przebiega
w sposób bardziej złożony niż w toczeniu. Specyficzna konstrukcja wiertła (ścin, rowki wiórowe i łysinki) powodują, że proces przekształcania warstwy skrawanej
w wiór, odkształcenia, odprowadzenie wióra i inne zjawiska zachodzą w znacznie trudniejszych warunkach, niż podczas toczenia i strugania. Warunki odprowadzenia ciepła ze strefy skrawanej, a także warunki doprowadzenia cieczy chłodzącej, są również gorsze. Znaczna część ciepła przechodzi do narzędzia a temperatura w strefie skrawania osiąga wartość nawet 750÷850°C. Ze zwiększeniem średnicy wiertła temperatura skrawania zmniejsza się, ponieważ łatwiejsze staje się doprowadzenie cieczy chłodząco-smarującej, a jednocześnie polepszają się warunki odprowadzenie ciepła w skutek wzrostu masy wiertła. Zmienność prędkości skrawania wzdłuż krawędzi ostrzy, szczególnie podczas wiercenia w pełnym materiale, znacznie komplikuje i utrudnia przebieg odkształceń w warstwie skrawanej, powodując szybsze tworzenie się wiórów na obwodzie i wolniejsze w pobliżu rdzenia wiertła. W czasie wiercenia zachodzi jednocześnie wiele zjawisk jak.: zgniot, umocnienie, utwardzenie i spęczenie, powstają naprężenia własne warstwy wierzchniej oraz narost.

Wiercenie wtórne (powiercanie) stosuje się w przypadku otworów o większej średnicy, gdy zastosowanie pojedynczego wiertła pociąga za sobą wystąpienie zbyt dużych oporów lub, gdy od otworu żąda się nieco większej dokładności (np. IT11) aniżeli ta, jaką się uzyskuje wiercąc otwór w pełnym materiale.

Rozwiercanie stosuje się wówczas, gdy chodzi o zwiększenie dokładności wymiarowo - kształtowej otworów wierconych (IT6 do IT10) i gdy chropowatość powierzchni winna się mieścić w zakresie od Ra=0,32 do 5 μm. Rozwiercaniem nie zostaną poprawione błędy położenia osi otworu. Rozróżnia się:

• rozwiercanie zgrubne - przy użyciu rozwiertaka zdzieraka, w celu uzyskania otworu o dokładności IT9 do IT11 i chropowatości Ra=2,5 do 5 μm,

• rozwiercanie wykańczające - za pomocą rozwiertaka wykańczaka, w celu uzyskania otworu o dokładności IT6 do IT9 i chropowatości Ra < 2,5 μm.

Oprócz rozwiercania otworów cylindrycznych stosowane jest również rozwiercanie otworów stożkowych, jako obróbka ostateczna pod kołki stożkowe lub, jako obróbka wstępna pod szlifowanie.

Pogłębianie jest operacją mającą na celu powiększenie średnicy wcześniej wywierconego otworu na pewnej jego długości lub obróbkę powierzchni przynależnych do otworu (rys. 6.1. e÷i).

Nawiercanie polega na wykonaniu w pełnym materiale odpowiednio ukształtowanego otworu. Otwory te służą jako bazy obróbkowe w wałkach (nakiełki) lub jako miejsce wejścia wiertła w materiał obrabiany.

Gwintowanie polega na wykonaniu otworu kształtowego (o linii śrubowej) narzędziem zwanym gwintownikiem. Gwintownik, jako narzędzie najczęściej trzy lub czteroostrzowe, o zarysie krawędzi skrawającej odpowiadającym zarysowi nacinanego gwintu, wykonuje w czasie gwintowania posuw na obrót, równy skokowi gwintu.

6.3. PARAMETRY CHARAKTERYZUJĄCE OBRÓBKĘ OTWORÓW NA WIERTARKACH

Prędkość skrawania v_c [m/min] w wierceniu, rozwiercaniu, nawiercaniu, pogłębianiu czy też gwintowaniu, jest funkcją średnicy narzędzia d i prędkości obrotowej n [obr/min] narzędzia (lub przedmiotu) i wyraża się zależnością

[m/min] (6.1)

w której:

d - wymiar średnicy narzędzia w mm,

n - prędkość obrotowa ruchu głównego w obr/min.

Zalecane prędkości skrawania zależą od wielu czynników związanych
z materiałem ostrzy narzędzia, materiałem obrabianym (twardość, wytrzymałość, ciągliwość), warunkami obróbki (chłodzenie, wymagania odnośnie do jakości obróbki, drgania). Prędkość v_c jest jednym z parametrów, od których w dużym stopniu zależy wydajność obróbki oraz jakość wierconych otworów.

Posuw f [mm/obr] decyduje o przekroju warstwy skrawanej, a więc
o obcią­żeniu krawędzi skrawającej i oporach skrawania. Ma więc duży wpływ na dokładność obróbki i jakość obrabianej powierzchni, a także decyduje o wydajności obróbki. Posuw może być wyrażony jako f, w odniesieniu do jednego obrotu narzędzia, na jedno ostrze f_z i jako posuw minutowy, czyli prędkość ruchu posuwowego v_f. Są one z sobą powiązane następującą zależnością:

[mm/min] (6.2)

gdzie:

v_f - prędkość posuwu w mm/min,

f - posuw na jeden obrót w mm/obr,

f_z - posuw na jedno ostrze mm/ostrze,

n - prędkość obrotowa ruchu głównego w obr/min,

z - liczba ostrzy narzędzia.

Głębokość skrawania a_p [mm] zależny od średnicy otworu - w wierceniu w peł­­nym materiale, i od różnicy wymiarów średnicy otworu wykonywanego
i wstępnego - w przypadku rozwiercania, powiercania, wiercenia wtórnego, pogłębiania. Głębokość skrawania a_p wyraża się wzorem:

[mm] (6.3)

gdzie:

d - średnica otworu wykonywanego w mm,

d_o - średnica otworu wstępnego w mm.

Głębokość skrawania decyduje o przekroju warstwy skrawanej, a więc
o obciążeniu narzędzia. Dlatego np. w rozwiercaniu dobiera się ją tak, aby obniżyć do minimum opory skrawania, przez co uzyskuje się lepsze efekty technologiczne obróbki. Nie należy mylić głębokości skrawania w wierceniu z głębokością (długością) wierconego otworu.

6.4. NARZĘDZIA STOSOWANE PODCZAS OBRÓBKI NA WIERTARKACH

Rozróżniamy następujące rodzaje wierteł:

• wiertła kręte: ze stali (najczęściej szybkotnącej), z lutowanymi płytkami
  z węglików spiekanych, pełnowęglikowe, z ceramiki narzędziowej,

• wiertła piórowe: ze stali, z lutowaną lub mocowaną mechanicznie płytką
  z węglików spiekanych,

• wiertła składane z płytkami wieloostrzowymi mocowanymi mechanicznie,

• wiertła do głębokich otworów (działowe, lufowe, eżektorowe),

• wiertła trepanacyjne (rurowe),

• wiertła specjalne (np. do otworów wielostopniowych, stożkowych), itp.

Wiertła kręte są narzędziami trzpieniowymi. Do najczęściej stosowanych należą wiertła kręte, mające dwa ostrza robocze i dwa rowki, którymi wióry są odprowadzane ku części chwytowej. Wiertła te są prowadzone, w wykonywanym przez nie otworze, za pomocą dwóch łysinek rozmieszczonych śrubowo na walcowej części prowadzącej. Na rysunku 6.2 przedstawiono budowę oraz elementy składowe wiertła krętego.

Rys. 6.2. Budowa wiertła krętego: A- część robocza, B- część chwytowa, C- część łącząca, 1- główna krawędź skrawająca, 2- pomocnicza krawędź skrawająca, 3- ścin, 4- powierzchnia przyłożenia, 5- pomocnicza powierzchnia przyłożenia, 6- łysinka prowadząca, 7- rdzeń, 8- rowek wiórowy, 9a- chwyt stożkowy, 9b- chwyt walcowy, 10- płetwa, 11- pow. natarcia, 12- naroże, 13- pow. boczna

W wiertle krętym możemy wyróżnić:

• część roboczą o długości A,

• część chwytową o długości B,

• część łączącą (często w postaci tzw. szyjki) o długości C.

Zadaniem części roboczej jest zamiana naddatku obróbkowego na wióry, nadanie otworowi określonego wymiaru średnicy, zapewnienie odpowiedniej dokładności wymiarowo - kształtowej i chropowatości powierzchni, usunięcie wiórów z otworu oraz prowadzenie wiertła w otworze.

W części roboczej wierteł krętych wyróżnić należy:

• główne krawędzie skrawające,

• wierzchołek i naroża,

• ścin, który jest linią przecięcia głównych powierzchni przyłożenia ostrzy wiertła,

• rowki wiórowe - stanowiące w swej części powierzchnię natarcia,

• łysinki, aby zmniejszyć tarcie łysinek o tworzącą otworu część prowadząca jest lekko zbieżna ku chwytowi,

• rdzeń - wyobrażalny stożek poprowadzony stycznie do dna powierzchni rowków wiórowych.

Część chwytowa ma zadanie:

• ustalenie narzędzia w osi wrzeciona,

• przeniesienie momentu obrotowego z wrzeciona na narzędzie,

• zabezpieczenie narzędzia przed obrotem względem gniazda.

Części chwytowe wierteł wykonuje się walcowe lub stożkowe (stożek Morse'a). Chwyty stożkowe wykonuje się z płetwą, która zabezpiecza część stożkową wiertła przed uszkodzeniem podczas wybijania wiertła z otworu. W mocowaniu za pomocą chwytu walcowego, powierzchnie styku ze szczękami mocującymi wiertło są
nieduże - dlatego chwyty te występują w narzędziach o małych wymiarach średnicy części roboczej (do 12 mm), obciążonych małymi siłami skrawania. W przypadku stożka duża powierzchnia styku zapewnia przeniesienie dużego momentu obrotowego a działanie siły posuwowej powoduje coraz lepsze zakleszczenie połączenia.

W wiertłach krętych przeznaczonych do wiercenia pełnego zwiększenie trwałości narzędzia można uzyskać przez korekcję ścina (rys. 6.3a). Skrócenie ścina wydłuża główne krawędzie skrawające oraz powoduje zmniejszenie siły poosiowej. Zaostrzenie części skrawającej pod dwoma kątami wierzchołkowymi 2κ_r=118°
i 2κ_rε=70÷75°(rys. 6.3b), pozwala zwiększyć okres trwałości wiertła nawet kilkakrotnie, szczególnie podczas wiercenia pełnego w żeliwie wiertłami ze stali szybkotnącej. Podwójny kąt wierzchołkowy wydłuża krawędzie skrawające, wzmacnia naroża oraz zmniejsza koncentrację ciepła na odcinkach głównych krawędzi skrawających położonych w pobliżu naroży [6.2].

Wiertła jednolite z pokrywanych węglików spiekanych (rys. 6.4) są wykonywane w zakresie średnic od ok. 3 do 20 mm. Narzędzia te jednak wymagają specjalistycznej obsługi serwisowej podczas ich regeneracji. Poprawne ostrzenie narzędzi węglikowych wymaga zapewnienia dokładności geometrii ostrza ±1º
i bardzo gładkich powierzchni. Dlatego obecnie coraz częściej dla średnic od ok. 9 do ok. 30 mm stosowane są wiertła sladane z płytką z węglików spiekanych (rys. 6.5). Cechą charakterystyczną tych wierteł jest stosowanie jednej (centralnej) płytki skrawającej, która ma wszystkie najważniejsze elementy nowoczesnego, wysokowydajnego wiertła węglikowego, zapewniając uzyskiwanie wyników zbliżonych do wierteł litych. Korpus takiego wiertła wykonany jest ze stali narzędziowej o dużej wytrzymałości. Powierzchnie zewnętrzne są chromowane, co zapewnia lepszy spływ wiórów i zabezpiecza przed korozją [6.4].

Rys. 6.3. Przykłady korekcji kształtu części skrawającej wierteł krętych [6.2]: a) skrócenie ścina, b) podwójny kąt wierzchołkowy

Rys. 6.4. Jednolite wiertło z węglików spiekanych chłodzone wewnętrznie firmy Gühring [6.4]	Rys. 6.5. Wiertło składane z płytką z węglików spiekanych chłodzone wewnętrznie firmy Gühring [6.4]

Coraz powszechniejszy staje się sposób dostarczania cieczy obróbkowej do strefy skrawania poprzez wewnętrzne kanały, które znajdują się w korpusie wiertła (rys. 6.6). Ciecz może być doprowadzona centralnie przez wrzeciono (w no­wo­­czesnych obrabiarkach), lub bocznie przez konektor w adapterze (rys. 6.7), przy czym jej ciśnienie waha się w granicach 1÷4 MPa. Dzięki takiemu rozwiązaniu strefa skrawania jest efektywnie chłodzona i smarowana, co pozwala na zwiększenie prędkości skrawania względnie na zwiększenie okresu trwałości ostrza wiertła [6.6].

Rys. 6.6. Schemat budowy wiertła z śrubowymi kanałkami w korpusie narzędzia [6.7]

Budowa uchwytu hydraulicznego z wewnętrznym i zewnętrznym doprowa­dzeniem cieczy obróbkowej została przedstawiona na rys. 6.8.

Rys. 6.7. Sposoby dostarczania cieczy obróbkowej podczas wiercenia [6.8]: a) zewnętrznie jedną dyszą, b) zew. dwoma dyszami, c) wewnętrznie poprzez śrubowe kanałki w korpusie wiertła	Rys. 6.8. Sposoby doprowadzenia cieczy obróbkowej [6.8]: a) centralnie przez wrzeciono do kanałków w korpusie wiertła, b) bocznie przez konektor w adapterze do zewnętrznych dysz

Wiertła składane są stosowane głównie do otworów o średnicach powyżej
14 mm. Cechą charakterystyczną tego rodzaju wierteł są płytki wieloostrzowe mocowane mechanicznie (rys. 6.9).

Rys. 6.9. Usytuowanie zewnętrznej i wewnętrznej płytki ostrzowej w wiertle składanym [6.6]: a) schemat rozmieszczenia płytek w narzędziu, b) narzędzie w trakcie wiercenia

Aby możliwe było objęcie jak największego zakresu wierconych otworów
z najmniejszym stopniowaniem średnic (krok - 0,1 mm), płytki zewnętrzna
i wewnętrzna są tak rozmieszczone aby ślady ich pracy przykrywały się częściowe wzajemnie. Podczas gdy płytka wewnętrzna jest zamocowana jako płytka stała przy osi obrotu wiertła, płytka zewnętrzna jest umieszczona w zmiennej pozycji promieniowej na tyle daleko, aby jeszcze zachodziło odpowiednie przykrycie średnic wiercenia realizowanych przez poszczególne płytki [6.6]. Dużą zaletą wierteł składanych jest możliwość wiercenia jednym wiertłem otworów o różnych średnicach. Jest to możliwe poprzez przesunięcie osi wiertła z osi obrotu narzędzia (lub przedmiotu). Zakres zmian średnic wierconych otworów może dochodzić, zależnie od konstrukcji
i średnicy wiertła, do kilku milimetrów.

Narzędzia specjalne np. wielozadaniowe mogą być stosowane do wyko­nywa­nia otworów z jednoczesnym ich fazowaniem, pogłębianiem walcowo-czołowym lub stożkowym. Tradycyjna obróbka otworów wymaga użycia do tego celu najczęściej kilku rodzajów narzędzi. Obecnie wiele firm narzędziowych oferuje szereg narzędzi tego typu, np., w których w korpusie z chwytem walcowym umieszczane są wiertła, ze specjalnymi równoległymi do osi spłaszczeniami i dodatkowymi płytkami fazująco-pogłębiającymi (rys. 6.10a). Konstrukcja rowka wiórowego w wiertle, jak też w korpusie narzędzia, zapewnia bezkolizyjne odprowadzenie wiórów (rys. 6.10b) [6.6].

Rys. 6.10. Narzędzie składane firmy Kennametal Hertel do jednoczesnego wiercenia, fazowania i pogłębiania [6.8]:a) elementy składowe narzędzia, b) narzędzie podczas wiercenia i fazowania otworów

Wiertła piórowe służą do wykonywania otworów o bardzo małych średnicach - poniżej 0,1 mm - oraz do powiercania w zakresie średnic od 2 do 60 mm.

Rozwiertaki są to narzędzia wieloostrzowe, przeznaczone do dokładnej obróbki wstępnie wykonanych otworów. Można je podzielić na trzy podstawowe odmiany: walcowe, stożkowe i specjalne. Materiałami narzędziowymi, najczęściej stosowanymi na rozwiertaki (ich cześć roboczą lub ostrza), to stal szybkotnąca
i węgliki spiekane. Spotkać można także rozwiertaki wykonane ze stali narzędzio­wych węglowych i niskostopowych (rozwiertaki ręczne). Dla zwiększenia trwałości rozwiertaków i polepszenia jakości powierzchni rozwiercanych otworów, ostrza rozwiertaków pokrywa się twardymi związkami np. azotkiem tytanu (TiN), węglikiem tytanu (TiC).

Najczęściej są stosowane rozwiertaki walcowe - wykonywane jako trzpieniowe (rys. 6.11a), mające chwyt walcowy lub stożkowy - oraz przy większych średnicach jako nasadzane (rys. 6.11b) z gniazdem o zbieżności 1:30. Ze względu na dokładność obróbki rozwiertaki walcowe dzieli się na: rozwiertaki zdzieraki i wykańczaki.

Rozwiertaki zdzieraki mają najczęściej trzy lub cztery śrubowo ułożone ostrza, które usuwają od 70÷85 % naddatku przewidzianego na rozwiercanie. Część wykańczającą mają nieznacznie zbieżną w kierunku chwytu, co przyczynia się do zmniejszenia tarcia narzędzia o obrabiany przedmiot.

Rozwiertaki wykańczaki (rys. 6.11c) są narzędziami wieloostrzowymi. Mają ostrza proste (łatwe wykonanie) lub śrubowe przeciwskrętne (lepsze prowadzenie
w otworze; do rozwiercania otworów z rowkami i kanałami). W rozwiercaniu wykańczającym skrawanie mniejszego naddatku przeznaczonego na rozwiercanie - 30÷15 % - oraz większa liczba ostrzy skrawających jednocześnie pozwala uzyskać nie tylko większą dokładność otworu ale również małą chropowatość powierzchni. Dla zwiększenia dokładności wymiarowo-kształtowej rozwiercanych otworów,
w rozwiertakach wieloostrzowych ostrza są rozmieszczone według nierównomiernej podziałki.

Rys. 6.11. Rozwiertaki: a) rozwiertak zdzierak maszynowy - trzpieniowy z długą częścią roboczą i chwytem stożkowym, b) rozwiertak maszynowy - zdzierak nasadzany, c) rozwiertak wykańczak trzpieniowy z chwytem stożkowym; A - część robocza, A1 - część skrawająca, A2 - część wykańczająca, B - chwyt, C - część łącząca [6.1]

Do obróbki otworów o ściśle określonej średnicy stosuje się rozwiertaki stałe, natomiast do obróbki otworów w pewnym zakresie średnic stosuje się rozwiertaki nastawne. Budowę rozwiertaka nastawnego przedstawiono na rys. 6.12. Ostrza 2 mogą przemieszczać się wzdłuż gniazd, których dna są nachylone pod kątem ostrym
w stosunku do osi rozwiertaka. Powierzchnie boczne gniazd oraz ostrzy są rowkowane - przemieszczenie ostrzy wzdłuż gniazd powoduje ich przesuwanie w kierunku promieniowym. Nastawienie rozwiertaka na żądany wymiar średnicy wymaga [6.1]:

• obrócenia krzywek 5 w położenie umożliwiające przesuwanie się ostrzy,

• odblokowania przeciwnakrętki 4,

• obracania nakrętki 3 do chwili, aż ostrza rozwiertaka ustawią się w wymaganym położeniu,

• zablokowaniu przeciwnakrętki 4,

• obrócenia krzywek 5 w położenie uniemożliwiające przesuwanie się ostrzy.

Rys. 6.12. Rozwiertak maszynowy-wykańczak nasadzany nastawny [6.1]: 1-korpus, 2-ostrze ze stali szybkotnącej, 3-nakrętka, 4-przeciwnakrętka, 5-krzywka zaciskowa

Pogłębiacze mogą być narzędziami jedno lub wieloostrzowymi. Z uwagi na rozwiązania konstrukcyjne, pogłębiacze mogą być jednolite, z ostrzami łączonymi
w sposób trwały (rys. 6.13) i składane. Ze względu na sposób mocowania można wyróżnić pogłębiacze trzpieniowe (z chwytem stożkowym lub walcowym) i nasadzane.

Rys. 6.13. Pogłębiacz walcowo - czołowy łączony w sposób trwały z chwytem stożkowym Morse'a

Pogłębiacze w swej części roboczej mogą być zaopatrzone w stały lub wymienny pilot prowadzący, zapewniający współosiowe ustawienie pogłębiacza
w stosunku do osi wstępnie wykonanego otworu. Piloty wymienne zwiększają zakres zastosowań pogłębiacza.

Pogłębiacze stożkowe (rys. 6.14) wykonywane są najczęściej ze stali szybko­tnącej, bez części prowadzącej. Służą do załamywania krawędzi otworów (fazowania).

Rys. 6.14. Pogłębiacz stożkowy [6.1]	Rys. 6.15. Nawiertak [6.1]

Nawiertaki są narzędziami dwuostrzowymi (rys. 6.15), jednolitymi, wyko­nywanymi najczęściej ze stali szybkotnącej SW7M. Dla oszczędności materiału narzędziowego robi się je jako dwustronne. W części roboczej, poza odcinkiem walcowym, przechodzą w część stożkową lub kształtową (zależnie od kształtu nakiełka). Kąt części stożkowej zależy od odmiany nakiełka (60°, 75°, 90° i 120°).

Nawiertakami, w zależności od kształtu części roboczej, możemy wykonać trzy typy nakiełków: zwykły, chroniony i promieniowy (rys. 6.16).

Rys. 6.16. Typy nakiełków znormalizowanych: A-zwykły, B-chroniony, R-promieniowy

Nakiełek zwykły stosuje się gdy jest on wykorzystywany jako wprowadzenie dla wiertła lub jako baza jednooperacyjna np. tylko do mocowania podczas toczenia. Nakiełek chroniony stosuje się wtedy gdy proces technologiczny przewiduje wykonanie kilku różnych operacji na przedmiocie np. toczenie w kłach, a następnie szlifowanie. Stożek o kącie 120º chroni właściwą powierzchnię o kącie 60º przed uszkodzeniem. Nakiełek promieniowy stosuje się do przedmiotów, które wymagają wysokiej dokładności obróbki oraz podczas toczenia stożków z przesunięciem konika. Z uwagi jednak na złożoną technologię wykonania narzędzia, stosowany jest on w ograniczonym zakresie.

6.5. WIERTARKI

Na wiertarkach najczęściej wykonuje się otwory do średnicy 100 mm. Otwory
o większych wymiarach średnicy wykonuje się zazwyczaj za pomocą toczenia lub wytaczania.

Z uwagi na potrzebną moc napędu głównego, która będzie zależeć m.in. od średnicy wierconego otworu, wiertarki dzielą się na małe (d=6-16 mm), średnie (d=20-40 mm) i ciężkie (d=50-100 mm).

Ze względu na rozwiązania konstrukcyjne, przeznaczenie i inne względy technologiczne, można podać następującą ich klasyfikację:

• Wiertarki stołowe służą do wiercenia otworów o niewielkich średnicach, zazwyczaj do 15 mm, w małych przedmiotach.

• Wiertarki stojakowe: słupowe i kadłubowe, są stosowane do obróbki otworów
  w przedmiotach o małych i średnich wymiarach.

• Wiertarki wielowrzecionowe mają wrzeciennik, w którym jest ułożyskowanych wiele jednocześnie obracających się wrzecion. Rozstaw osi wrzecion można regulować, dzięki czemu można wykonywać jednocześnie dużą liczbę otworów rozmieszczonych na tej samej powierzchni.

• Wiertarki promieniowe (rys. 6.17) są przeznaczone do obróbki otworów
  w przedmiotach dużych i ciężkich, które trudno jest przesuwać po stole obrabiarki
  i ustawić w osi obrotu wrzeciona. W wiertarce promieniowej, dzięki pionowemu przesuwowi i obrotowi ramienia dookoła słupa oraz poziomemu przesuwowi wrzeciennika wzdłuż ramienia, obróbka otworów może być wykonywana bez zmiany zamocowania przedmiotu. Wrzecienniki tych wiertarek mają zarówno skrzynię biegów z rozbudowanym zakresem prędkości obrotowych, jak i rozbu­dowaną skrzynię posuwów.

Rys. 6.17. Wiertarka promieniowa WR 50/2 1 - wrzeciennik, 2- silnik główny, 3 - ramię, 4 - słup, 5 - płyta podstawowa, 6 - silnik elektryczny podnoszenia i opuszczania ramienia, 7 - silnik elektryczny elektrohydraulicznego urządzenia zakleszczającego ramię na słupie, 8 - śruba pociągowa podnoszenia i opuszczania ramienia, 9 - kółko służące do ręcznego przesuwu wrzeciennika wzdłuż ramienia, 10 - uchwyt do nastawiania posuwów, 11 - dźwignia do ręcznego przesuwu wrzeciona, 12 - dźwignia do zmiany kierunku obrotu wrzeciona, 13 - rękojeść do obrotu ramienia, 14 - dźwignia do nastawiania prędkości obrotwej wrzeciona, 15 - dźwignia do nastawiania posuwów, 16 - elektropompka chłodziwa, 17 - wyłącznik główny, 18 - przyciski włączenia i zwalniania zacisków płaszcza na słupie i wrzeciennika na ramieniu, 19 - tarcza przycisków (silnika głównego, podnoszenia i opuszczania ramienia), 20 - wyłącznik do uruchamiania i zatrzymania elektropompki, 21 - kółka do ręcznego dokładnego posuwu wrzeciona

• Wiertarki rewolwerowe mają wbudowane głowice rewolwerowe umożliwiające mocowanie większej liczby narzędzi. Dzięki szybkiej wymianie narzędzia wiertarki te można stosować w produkcji seryjnej.

• Wiertarki współrzędnościowe są stosowane do obróbki otworów o bardzo dokładnym położeniu osi otworu względem baz obróbkowych. Ustawienie wrzeciona przeprowadza się z dokładnością do 0,001 mm. Na wiertarkach tych wykonuje się głównie zabiegi roztaczania, rozwiercania i pogłębiania.

• Wiertarki do głębokich otworów przeznaczone są do wiercenia otworów głębokich o długości powyżej 5D w takich przedmiotach jak lufy, korbowody, wały korbowe, wrzeciona tokarek. Płyn obróbkowy dostarczany jest do strefy skrawania pod dużym ciśnieniem przez układ hydrauliczny.

6.6. MOCOWANIE NARZĘDZI

Przykłady mocowania narzędzi przedstawiono na rys. 6.18.

Rys. 6.18. Sposoby mocowania narzędzi w gnieździe wrzeciona: bezpośrednie (a), za pośrednictwem tulejki redukcyjnej (b), za pośrednictwem oprawki samocentrującej (c), za pośrednictwem oprawki szybkomocującej (d), za pomocą uchwytów typu Weldon (e), za pomocą uchwytów hydraulicznych (f), za pomocą uchwytów termoskurczliwych (g) [6.5, 6.8]

Narzędzia we wrzecionach wiertarek ustala się i mocuje:

• bezpośrednio w gnieździe wrzeciona,

• za pomocą tulejek redukcyjnych,

• za pomocą oprawek,

• za pomocą oprawek wiertarskich trzyszczękowych (narzędzia z chwytem walcowym),

• za pomocą oprawek szybkomocujących,

• za pomocą uchwytów typu Weldon,

• za pomocą uchwytów hydraulicznych,

• za pomocą uchwytów termoskurczliwych.

Jednym z podstawowych czynników wpływających na trwałość nowoczesnych narzędzi jest dokładność ich mocowania (współosiowość). Trwałość wiertła wykonanego z węglika spiekanego jest tym mniejsza, im bicie promieniowe jest większe. Przyjmuje się, że błąd bicia na ostrzu powinien być mniejszy niż 0,02 mm (po zamocowaniu narzędzia we wrzecionie). Dla narzędzi o wysokiej jakości i obrabiarek w dobrym stanie technicznym błąd ten nie powinien przekraczać 0,01 mm. W celu zwiększenia dokładności mocowania obecnie stosuje się nowoczesne uchwyty hydrauliczne lub skurczowe (rys. 6.18 f, g). Uchwyty te, dzięki równomiernemu promieniowemu obciskaniu narzędzi w oprawce, gwarantują najwyższą precyzję mocowania narzędzi rotacyjnych (bicie do kilku μm). Mocowanie skurczowe może przenieść znacznie większy moment obrotowy niż uchwyt hydrauliczny (większy
o ok. 35%), czy uchwyt z tulejką zaciskową (ok. 55%). Doskonale nadaje się również do stosowania przedłużaczy zwiększających wysięg narzędzia [6.5].

6.7. MOCOWANIE PRZEDMIOTÓW NA WIERTARKACH

Mocowanie przedmiotów na stole wiertarki zależy od konstrukcji przedmiotu, jego masy i średnicy obrabianego otworu. Przedmioty duże i ciężkie można ustalać bezpośrednio na stole wiertarki (dużymi płaszczyznami) lub w podstawce pryzmowej (powierzchnią zewnętrzną walcową), bez konieczności mocowania (gdy siła posuwowa dodatkowo dociska przedmiot, a moment skrawania nie spowoduje jego obrócenia).

Gdy istnieje obawa, że przedmiot może zmienić swoje położenie w czasie obróbki, stosuje się mocowanie bezpośrednio na stole wiertarki za pomocą śrub
i docisków, lub też za pośrednictwem uchwytów znormalizowanych oraz uchwytów lub przyrządów specjalnych. Spośród uchwytów znormalizowanych do zamocowania przedmiotów stosuje się różnego rodzaju imadła maszynowe stałe, obrotowe, pochylne oraz specjalne uchwyty z tulejkami ustalającymi i prowadzącymi narzędzie w czasie obróbki. W produkcji seryjnej stosuje się uchwyty i przyrządy specjalne, umożliwiające prowadzenie narzędzia i obróbkę otworów o tolerowanym rozstawie osi.

6.8. OBRÓBKA DŁUGICH OTWORÓW

Otwory wykonuje się klasycznym wiertłem krętym pod warunkiem, że długość otworu l nie przekracza 5 d, a jego średnica jest do d = 100 mm. Otwory o l/d > 5 powinno się wykonywać na obrabiarkach do otworów długich przy użyciu odpowiednich narzędzi. Tego rodzaju technologia pozwala na uzyskanie [6.3]:

• dokładnych otworów w granicach klasy dokładności IT9-11, a w szczególnych przypadkach nawet klasy dokładności IT7-9,

• chropowatości powierzchni 1,2 μm > Ra > 0,16 μm,

• odchyłki kołowości do 2 μm,

• prostoliniowości otworu w zależności od jego długości w granicach 0,01-0,05mm.

Nie zawsze jednak stosunek długości do średnicy decyduje o wyborze sposobu wykonywania otworu. Czasem otwory krótsze, o zwiększonych wymaganiach co do dokładności wykonania, ekonomiczniej jest wykonać na obrabiarkach do długich otworów. Dotyczy to zwłaszcza tych przypadków, kiedy żądane dokładności osiągniemy unikając dodatkowych obróbek jak rozwiercanie, wytaczanie czy nawet przeciąganie.

Cechą charakterystyczną wykonywania długich otworów jest podawanie do strefy skrawania pod ciśnieniem płynu obróbkowego, którego głównym zadaniem, oprócz smarowania narzędzia i jego chłodzenia, jest wypłukiwanie wiórów. Typowymi narzędziami do wiercenia otworów długich są: wiertła lufowe, wiertła pracujące wg. metody BTA, wiertła do wiercenia eżektorowego, wiertła rdzeniowe, składane wiertła modułowe.

Wiercenie wiertłami lufowymi stosuje się do małych otworów o średnicy od 2 do 20 mm. Wiertło lufowe pracuje w sposób ciągły (bez wycofywania wiertła
w czasie pracy). Taka praca wiertła jest możliwa dzięki wewnętrznemu doprowadzeniu cieczy pod wysokim ciśnieniem, które chłodzi wiertło, smaruje ostrza skrawające i listwy prowadzące oraz wypłukuje powstające wióry poprzez rowek
w kształcie litery V. Najmniejsze średnice wierteł jakie obecnie są produkowane
(ok. 2 mm), ogranicza wytrzymałość lutowanego złącza głowicy węglikowej z prze­dłu­żaczem. Obecnie wytwarzane są już jednak wiertła o średnicy < 2 mm; są one produkowane jako wiertła lite, tzn. głowica wiertła i przedłużacz wykonywane są
z monolitycznego węglika spiekanego.

Wiertło lufowe składa się z następujących części [6.9]: jednoostrzowej głowicy z węglika spiekanego, przedłużacza i części chwytowej (rys. 6.19).

Rys. 6.19. Wiertło lufowe [6.9]: a) widok głowicy wiertarskiej, b) schemat wiertła lufowego

Głowica wiertarska, o trochę większej średnicy niż przedłużacz (rys. 6.19a) ma otwór okrągły lub o przekroju w kształcie nerki, przez który przepływa ciecz chłodząco-smarujaca. Przedłużacz wykonany jest z profilowanej rurki stalowej,
z wygniecionym rowkiem wiórowym, również w kształcie V. Taka budowa rowka wiórowego umożliwia największy odpływ cieczy chłodząco-smarującej i nadaje jej odpowiednią prędkość, a także zwiększa wytrzymałość przedłużacza na skręcanie. Część chwytowa jest zazwyczaj walcowa, a w jej środkowej części znajduje się spłaszczenie, służące do blokowania chwytu przed wysunięciem z wrzeciona obrabiarki i do przenoszenia momentu obrotowego.

Wiertłami lufowymi najczęściej wierci się na obrabiarkach specjalnych, które odznaczają się dużą sztywnością, wysokimi prędkościami obrotowymi wrzeciona (do 10000 obr/min) przy biciu poprzecznym nie przekraczającym 0,002 mm, niezależnym od wrze­ciennika napędem posuwu i specjalnym wyposażeniem do podawania chłodziwa pod ciśnieniem do 15 MPa i wydajności 100 l/min oraz urządzeniem oddzielającym chłodziwo od wiórów, a następnie go filtrującym [6.10]. Schemat wiercenia wiertłem lufowym przedstawiono na rys. 6.20.

Rys. 6.20. Schemat wiercenia wiertłem lufowym [6.7]

Wiercenie metodą BTA stosowane jest do otworów o średnicy 13-80 mm
(rys. 6.21). W metodzie tej ciecz doprowadzana jest do obszaru skrawania między zewnętrzną ścianką rury łączącej i powierzchnią otworu, a odprowadzana wraz
z wiórami przez kanał w głowicy ostrzowej i rurze łączącej. Podzielenie ostrza skrawającego na kilka części ma na celu częściowe zrównoważenie promieniowych składowych sił skrawania oraz podzielenie szerokiego wióra na pasma, łatwe do usunięcia z otworu.

Wiercenie eżektorowe stosuje się do wykonywania otworów o średnicach
20-63 mm. Wiertło ma dwie krawędzie tnące podzielone na kilka wzajemnie na siebie zachodzących odcinków. W ten sposób otrzymuje się wióry o małej szerokości oraz zmniejsza się siły działające na części prowadzącej. Narzędzie mocowane jest
w specjalnej głowicy, która w zależności od konstrukcji umożliwia zastosowanie tej metody wiercenia na tokarkach uniwersalnych, wiertarkach lub wiertarko-frezarkach, przy równoczesnym doprowadzeniu i odprowadzeniu płynu obróbkowego podczas ruchu obrotowego wykonywanego przez wiertło.

Płyn obróbkowy jest doprowadzany pierścieniowym kanałem między dwiema rurami - zewnętrzną i wewnętrzną (rys. 6.22). Większa część płynu obróbkowego jest przetłaczana przez otworki na obwodzie głowicy wiertarskiej do strefy skrawania, gdzie chłodzi i smaruje ostrza skrawające. Pozostała część płynu jest kierowana do rury wewnętrznej przez kanaliki w kierunku przeciwnym, w celu wywołania podciśnienia w rurze wewnętrznej. Podciśnienie to zasysa płyn obróbkowy, który spełnił już swe zadanie chłodząco-smarujące i wraz z wiórami jest kierowany do wylotu układu [6.3].

Rys 6.21. Głowica wiertarska systemu BTA [6.9]	Rys. 6.22. Obieg płynu obróbkowego w wierceniu eżektorowym: 1- rura wewnętrzna, 2- rura zewnętrzna, 3- dysza pierścieniowa, 4- otwory doprowadzające płyn obróbkowy do ostrzy wiertła, 5- wiertło

Wiertła składane służą do wiercenia otworów w zakresie średnic 45÷170 mm,
a w specjalnych wykonaniach nawet do 330 mm oraz długości 5 x d i większej. Przykład wiertła składanego o budowie modułowej przedstawiono na rys. 6.23.

Rys. 6.23. Wiertło składane o budowie modułowej systemu HTS firmy Kennametal Hertel [6.8]

Można wyróżnić następujące części wiertła modułowego: uchwyt narzędzia, przedłużacze, reduktory, głowica wiertarska, kasety, wymienne płytki ostrzowe
i wiertło centrujące (pilotujące). Dzięki modułowej konstrukcji są możliwe liczne kombinacje, poszerzające pole zastosowań i redukujące zakres wierteł potrzebnych do produkcji. Dobór wiertła do danej średnicy i długości otworu polega na doborze zewnętrznej kasety i odpowiedniego przedłużacza. Wiertło centrujące zapewnia dobre prowadzenie wiertła w otworze, a nawet wiercenie w niepełnym materiale lub wykonywanie otworów zachodzących na siebie [6.6].

Wiercenie rdzeniowe (trepanacyjne, rurowe) ma zastosowanie przede wszystkim do otworów bardzo dużych. Dolna granica wiercenia tworzyw sztucznych
i grafitu to średnica około 20 mm, dla stali natomiast wynosi ona około 50 mm. Maksymalna średnica wiercenia to 500 mm. W metodzie tej narzędzie skrawa tylko część materiału otworu, a jego reszta pozostaje w postaci rdzenia. Chłodziwo jest dostarczane do strefy skrawania między ścianką wierconego przedmiotu a drągiem (rurą) i odprowadzone wraz z wiórami między ścianką drąga i powstającego rdzenia. Istotne jest tu rozdrobnienie wióra ze względu na małą przestrzeń pomiędzy rdzeniem a drągiem [6.10].

6.9. PRZEBIEG ĆWICZENIA

1. Przedstawienie planu zajęć laboratoryjnych.

2. Omówienie kinematyki wiercenia.

3. Przedstawienie podstawowych prac wykonywanych na wiertarkach (nawiercanie, wiercenie, pogłębianie, gwintowanie itp.).

4. Przedstawienie i omówienie budowy wiertarek, które są na wyposażeniu ITMiA.

5. Omówienie sposobów mocowania wierteł i przedmiotów obrabianych na wiertarkach.

6. Przedstawienie i omówienie materiałów narzędziowych i narzędzi (zostaną zaprezentowane nowoczesne narzędzia do wiercenia oraz prospekty z narzędziami wybranych firm).

7. Przygotowanie obrabiarek do pracy: zamocowanie przedmiotu i narzędzi, dobór parametrów skrawania i wybór nastaw.

8. Wykonanie otworu np. na wymiar ∅ 18H7 (wiercenie, rozwiercanie zgrubne
   i wykańczające) oraz pomiar średnicówką błędów kształtu (kołowość, stożkowość).

9. Omówienie sposobów oraz narzędzi do wiercenia długich otworów.

10. Wykonanie otworu wiertłem lufowym oraz pomiar błędów kształtu.

11. Analiza otrzymanych wyników, dyskusja i podsumowanie.

12. Kartkówka.

6.10. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA

[6.1]	BARTOSIEWICZ J.: Obróbka skrawaniem oraz elementy obrabiarek. Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 1997.
[6.2]	DMOCHOWSKI J., UZAROWICZ A.: Obróbka skrawaniem i obrabiarki. PWN, Warszawa 1980.
[6.3]	FELD M.: Projektowanie i automatyzacja procesów technologicznych części maszyn. WNT, Warszawa 1994.
[6.4]	Narzędzia firmy Gühring: Symetryczne wiertła z wymienną płytką skrawającą. Mechanik, 74(2001) nr 3.
[6.5]	Narzędzia firmy Gühring: Uchwyty skurczowe i hydrauliczne. Zwiększenie trwałości narzędzi węglikowych. Mechanik, 74(2001) nr 1.
[6.6]	OCZOŚ K.E.: Obróbka otworów-osiągnięcia w zakresie wiercenia i drążenia. Mechanik, 70(1997) nr 5-6.
[6.7]	Prospekty firmy Gühring oHG.
[6.8]	Prospekty firmy Kennametal Hertel AG (Fürth, Niemcy).
[6.9]	Prospekty firmy AB Sandvik Coromant (Szwecja).
[6.10]	STREUBEL A.: Obróbka długich otworów. Wydawnictwo PWr, Wrocław 1993.

Ćwiczenie 2: Możliwości kształtowania powierzchni NA wiertarkach

1

48

f)

g)

a)

b)

a)

b)

c)

a)

b)

a)

b)

a)

b)

b)

a)

c)

d)

e)

---