Моделирование движения стружки при глубоком сверлении показывает, что простой угол может привести к лучшей конструкции сверла

Исследователи из A*STAR смоделировали процесс удаления стружки при сверлении глубоких отверстий в металлах и сплавах, что открывает путь к созданию более долговечных, надежных и износостойких глубоких (ружейных) сверл.

Глубокое (ружейное) сверление — это процесс создания отверстий с соотношением глубины к диаметру более 10:1 в металлах и сплавах. Оно применяется в различных отраслях: от производства огнестрельного оружия и деталей двигателей внутреннего сгорания (картеры, головки цилиндров) до медицинских инструментов и деревянных духовых музыкальных инструментов. Мелкие фрагменты или стружка, образующиеся при сверлении, влияют на износ сверл. Сверла имеют уникальную геометрию головки и используют подаваемый под высоким давлением охлаждающий жидкость (ОЖ) для удаления стружки по мере углубления. Моделирование эффектов разной геометрии головки позволило команде Tnay Guan Leong из Сингапурского института технологий производства и Института высокопроизводительных вычислений A*STAR создать новую вычислительную модель гидродинамики (CFD) для оптимизации конструкции.

"Удаление стружки из отверстий малого диаметра с высоким соотношением длины к диаметру, часто более 250:1, особенно сложно, — говорит Tnay. — Если стружка начинает забиваться в отверстии, это может увеличить крутящий момент сверления, что приведет к поломке сверла внутри заготовки". Наблюдение за поведением стружки в закрытой зоне процесса затруднено, поэтому исследователи разработали CFD-модель для имитации движения стружки в потоке ОЖ высокого давления и проверили ее экспериментально.

Меняя угол скоса плеча (shoulder dub-off angle) головки сверла, команда смоделировала транспортировку стружки при разной геометрии и определила оптимальный для удаления стружки дизайн. "Этот угол ключевой для контроля расхода и направления потока ОЖ в зону резания, — объясняет Tnay. — Наше моделирование показало, что с увеличением угла скоса стружка движется ко дну отверстия, повышая риск засорения".

В текущих конструкциях используется фиксированный угол скоса в 20 градусов, однако исследователи обнаружили, что производительность сверла значительно улучшается при приближении этого угла к нулю. "Наш следующий шаг — оценка сверла с нулевым углом скоса и использование нашей модели для изучения влияния изменений геометрии режущей кромки, давления и свойств охлаждающей жидкости", — говорит Tnay.