УДК 621.9.025

АНАЛИЗ ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СПИРАЛЬНЫХ СВЕРЛ

Емельянов Дмитрий Владимирович
ФГБОУ ВПО Набережночелнинский филиал Казанского национального исследовательского технического университета КНИТУ-КАИ им. А.Н. Туполева

Аннотация
Данная статья посвящена литературному обзору прочностных характеристик сверл, имеющих спиральную стружечную канавку. Данная статья позволяет обозначить силомоментные характеристики спиральных сверл для обеспечения производительности механической обработки.

Ключевые слова: прочностные характеристики сверл, спиральные сверла


ANALYSIS OF THE STRENGTH CHARACTERISTICS OF TWIST DRILLS

Emelyanov Dmitry Vladimirovich
Naberezhnye Chelny branch of Kazan National Research Technical University KNRTU-KAI them. A.N Tupolev.

Abstract
This article focuses on the literature review of the strength performance drills with spiral flute. This article makes it possible to identify force-torque characteristics of twist drills to ensure the productivity of machining.

Библиографическая ссылка на статью:
Емельянов Д.В. Анализ прочностных характеристик спиральных сверл // Современная техника и технологии. 2015. № 1 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/01/5617 (дата обращения: 28.05.2017).

По своим конструктивным особенностям спиральное сверло известно уже достаточно давно, и представляет собой сложное тело винтообразной формы. При этом отдельные конструктивные элементы, например угол наклона винтовой стружечной канавки – ω, угол в плане – , спиральных сверл и рациональные взаимосвязи между ними могут в значительной степени повлиять на работоспособность спиральных сверл [1, 2]. Спиральная стружечная канавка обычно выполняет две функции: является передней поверхностью главной режущей кромки (ГРК); служит каналом для отвода стружки из зоны резания. Форма и размеры спиральной стружечной канавки, а также поперечное сечение спирального сверла  должны обеспечивать достаточную прочность и жесткость режущего инструмента, но, несмотря на это спиральное сверло, имеет большое количество недостатков, среди которых: недостаточная надежность, низкая прочности, малая жесткость, невысокая производительность [3, 4].

В процессе эксплуатации спиральное сверло испытывает влияние крутящего момента Мкр и Рос – осевой силы, а также результирующей радиальной силой, которая возникает на ГРК в результате чего инструмент испытывает продольные и поперечные деформации, которые в значительной степени влияют на его работоспособность. Так, например, при сверлении отверстия в сплошном материале наблюдается рост крутящего момента по мере увеличении глубины отверстия и при достижении границы L/d0=(3…5) увеличивается риск разрушения спирального сверла. Влияние осевой силы в значительной степени проявляется при формообразовании сквозных отверстий в тот момент, когда поперечная режущая кромка вышла из материала. В этот момент происходит резкая подача заготовки на инструмент, в результате чего происходит разрушение[1, 3]. Другой случай влияния осевой силы наблюдается в самом начале процесса сверления, когда в контакт с заготовкой вступает перемычка спирального сверла. Основные причины разрушения спиральных сверл отразим в таблице 1.1.

Таблица 1.1 Основные причины разрушения спиральных сверл.

Причины разрушения спиральных сверл
Механические Технологические
Разрушения с вязанные с увеличением крутящего момента:

- значительные припуски на обработку

- увод оси сверла

- некорректный выбор геометрии режущей части спирального сверла

- брикетирование стружки в стружечных канавках

- отклонение от заданных параметров точности обрабатываемой поверхности детали

- некорректно рассчитанные или выбранные режимы резания

- не удовлетворительное состояние технологической оснастки и оборудования

- низкая точность наладки технологической системы

- наличие СОЖ и ее свойства

Выкрашивание режущих кромок спирального сверла

- поверхностные деформации

- низкое качество инструментального материала

- термические напряжения

Разрушение спиральных сверл в недостаточной прочности

- дефекты термообработки

- низкое качество инструментального материала

- некорректная конструкция режущего инструмента

Работа по изучению прочности спиральных сверл с учетом их геометрических характеристик была начата в начале ХХ века  [5, 6], но из-за отсутствия соответствующего математического аппарата не приобрела широкого распространения. В работе [7] при изучении прочности использован метод мембранной аналогии Прандтля, однако влияние угла наклона винтовой стружечной канавки ω на прочность спирального сверла не рассматривается.

Г.Н. Титов [9]  впервые озвучил проблему прочности спиральных сверл при их проектировании, тем самым показал ее значение для работоспособности инструмента. Г.Н. Титов приводит данные по геометрическим характеристикам поперечного сечения сверл и расчет максимальной подачи допустимой прочностью рабочей части сверла.

В работе [6] были получены обобщенные эмпирические формулы для оп­ределения силовых зависимостей при сверлении:

Мкр=8,65D2,6                                                             (1)

Pock=17,6D2                                                               (2)

Нагрузки, рассчитанные по формулам (1) и (2) сверла должны выдерживать без разрушения [6]. Для определения величины разрушающего крутящего момента использовалась формула[6]:

Мкр=10,8D2,6                                                             (3)

Зависимости (1), (2), (3) полученные для конкретных условий в работе [6], они не учитывают движение стружки по стружечным канавкам спирального сверла, которое  накладывает дополнительную нагрузку на рабочую часть инструмента, поэтому их применение ограничено.

В свою очередь в работе [10] приведены результаты экспериментального исследования, в котором главным образом рассмотрен вопрос прочности режущих кромок. Там же  приводятся данные по испытаниям на прочность сложных профилей режущих инструментов при растяжении и кручении. Автором сделан вывод, что осевая нагрузка в отдельности и при совместном ее действии на сверло с крутящей нагрузкой не влияет на прочность сверл диаметром 8 мм и выше, что увеличение толщины сердцевины от режущей части к хвостовику не оправдано и затрудняет отвод стружки, тогда как изменение наклона винтовой канавки ω приводит к изме­нению прочности спирального сверла.

В работе [11] приведена серия опытов, в результате которых получены зависимости между геометрическими параметрами сечения сверла и его прочностными характеристиками. В этих формулах сечение сверла характеризуется двумя безразмерными параметрами:

m=d/D            (m=0,14….0,4)                                              (4)

n=h/D (n =0,4……0,8)                                                           (5)

где, D – диаметр сверла, мм

d – диаметр сердцевины, мм

h – ширина пера, мм

Для вычисления крутящего момента в работе [11] определена следующая зависимость:

Мкр=101,4m+n0,003t3                                                  (6)

Полученные закономерности носят эмпирический характер, они не учитывают ни движение стружки по стружечным каналам, ни форму поперечного сечения стебля сверла, а также не учитывают влияние угла наклона стружечных канавок, что делает их ограниченными в применении.

Согласно работам [12, 13] кручение любого стержня характеризуется Wр. – моментом сопротивления кручению, а зная величину [τ] – допускаемых касательных напряжений можно определить [Мкр] –допускаемый крутящий момент:

кр]= [τ] Wр.                                                            (7)

Зависимости определения жесткости и деформации спиральных сверл получены в работах [5, 6, 14, 15, 11]. В этих работах изложены аналитические методы расчета, экспериментально-аналитические и экспериментальные. Однако из-за сложности расчетов и из-за плохой сходимости результатов, полученных различными методами, они также широко не используются.

Жесткость спиральных сверл так же исследована в работах [5, 6,], где установлено:

- радиальная жесткость сверла в значительной степени зависит от диаметра его сердцевины, увеличение которой от 0,1 до 0,3 D влияет на изменение указанной жесткости наиболее резко;

-   с увеличением угла наклона стружечных канавок ω жесткость заметно уменьшается;

В работе [15] исследована жесткость спиральных сверл и их эксплуатационные характеристики. Анализ результатов приведенных автором в этой работе, показал, что стойкость не является линейной функцией жесткости и не всегда повышение жесткости дает эффект, что подтверждается и другими исследованиями. Так же установлено, что сопротивляемость сверла изгибу определяется углом наклона винтовой стружечной канавки – ω.

Наиболее глубокие исследования в области устойчивости спиральных сверл проведены Ю.П. Холмогорцевым, результаты которых приведены в работе [16]. Проведенные теоретические исследования и их экспериментальная проверка показали, что для повышения динамической устойчивости сверл необходимо увеличивать момент инерции сечения путем увеличения сердцевины сверла.

 

Рисунок 1 Разработка фирмы КЕННАМЕТАЛ

Следует отметить что, согласно изобретению KENNAMETAL (USA) предлагается спиральное сверло (Рис. 1), имеющее канавки, содержащие первый, второй и третий спиральные участки. Первый спиральный участок (АВ) выполнен как у сверл стандартной конструкции, при этом он плавно переходит во второй спиральный участок (ВС), который закручен в направлении, противоположном направлению закрутки первого спирального участка. Сделано это для того чтобы увеличит площадь поперечного сечения, тем самым повысить жесткость инструмента. Третий спиральный участок (CD) закручен в направлении первого спирального участка [17].

Так же из изобретения Шейнкмана И. Х., Джакели Л. А., Перцева Е. И., Власова В. М. известно спиральное сверло (Рис. 2), содержащее хвостовик и рабочую часть с двумя спиральными стружкоотводящими канавками и сердцевиной, имеющей плавное утолщение по направлению к хвостовику, отличающееся тем, что на рабочей части сверла от главных режущих кромок на длине, равной запасу на переточки, сердцевина выполнена постоянной толщины, а далее – с утолщением 25-35 % на каждые 100 мм длины [18].

 

                   Рисунок 1.2 Спиральное сверло с утолщенной сердцевиной

При такой конструкции сверла его поперечное сечение будет иметь увеличенные геометрические характеристики (Wp, Jp), однако будет сильно затруднен выход стружки, за счет уменьшения площади стружечных канавок, что неблагоприятно скажется на процессе обработки.

В своей работе Каупер Х., Швегерл Ю. утверждают, что в технологии резания на протяжении уже долгого времени используются сверла с винтовыми стружечными канавками. В этом случае винтовая конфигурация стружечных канавок имеет функцию отклонения направления потока стружки, чтобы ломать стружку в стружечной канавке. Недостаток в случае таких инструментов, имеющих спиральную стружечную канавку, заключается в меньшей изгибной прочности сверла. Исходя из известного факта, что использование стружечной канавки, являющейся прямой относительно центральной продольной оси сверла, повышает жесткость сверла и является прочным на изгиб [17].

Так же из работы [3] известно, что увеличение угла наклона винтовой стружечной канавки ω приводит к снижению жесткости инструмента. Это подтверждается в работе [19], в которой предлагается для повышения жесткости инструмента уменьшить угол наклона ω.

Проанализировав вышеизложенные исследования можно сделать вывод, с увеличением угла наклона винтовых стружечных канавок -  ω, уменьшается жесткость спирального сверла, а также может привести к брикетированию стружки, что, несомненно, сказывается на качестве получаемых отверстий. Выполняя стружечную канавку с переменным углом наклона можно добиться высокой жесткости спирального сверла и улучшенного стружкоотвода.


Библиографический список
  1. Родин, П.Р. Вопросы теории проектирования режущего инструмента : дис. … доктора техн. наук / П.Р. Родин. – Киев : Киевский политехнический институт, 1961. – 346 с.
  2. Родин, П.Р. Металлорежущие инструменты / П.Р. Родин. – Киев : «Вища школа», 1974. – 400 с.
  3. Родин, П.Р. Геометрия режущей части спирального сверла / П.Р. Родин. – Харьков : «Техника», 1971. – 136 с.
  4. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущего инструмента. М.: Машгиз, 1962
  5. Александров А.Я., Алексеев К.В., Дитман А.О. Жиме В.И. и др. Исследование напряжений и деформаций в спиральных сверлах // Прогрессивные конструкции сверл и их рациональная эксплуатация. – М, 1974. – 39 с.
  6. Алексеев К.В. К решению задачи кручения спиральных сверл // Материалы научно-технической конференции, посвященной десятилетию Вильнюского з-да сверл. – Вильнюс, 1967. – 22 с.
  7. Титов, Г.И. Прочность металлорежущих инструментов. – М.: Машгиз, 1947. – 297 с.
  8. Третьяков, И.П. Проблема прочности металлорежущего инст­румента и некоторые пути ее резания. – М.: Знание, 1953. – 31 с
  9. Прибылов Б.П., Авдеев Ю.З., Саидкаримов У.С. Новые форму­лы для расчета прочности сверл на кручение // Разработка ме­тодов расчета сверл на прочность. – М: ВНИИ, 1965. – 107 с.
  10. Арутюнян, Н.Х. Кручение упругих тел / Н.Х. Арутюнян, Б.М. Абромян. – М. : ГИФМЛ, 1963. – 688 с.
  11. Катаев, Ю.П. Пластическое кручение полых элементов летательных аппаратов / Ю.П. Катаев. – М. : Машиностроение, 1985. – 128 с.
  12. Бурмистров Е.В., Маркушин Е.М., Тарасов А.В. Крутильные колебания и их влияние на стойкость сверл малых диаметров при обработке жаропрочных и титановых сплавов // Прогрес­сивные конструкции сверл и их рациональная эксплуатация. -Вильнюс, 1974. – 13 с.
  13. Денисенко В.И. Жесткость спиральных сверл и их экс­плуатационные характеристики. – Вильнюс, 1974. – 14 с.
  14. Холмогорцев, Ю.П. Оптимизация процессов обработки от­верстий. – М: Машиностроение, 104. – 128 с.
  15. Kennametal. Спиральное сверло: патент US 2004/040829.
  16. Шейнкман И. Х. Спиральное сверло: патент на полезную модель  № 107717 / Шейнкман И. Х., Джакел Л. А., Перцев Е. И., Власов В. М.
  17. Cowper H. Drill: патент № 2462335/ Cowper H., Shvegerl J.
  18. Копейкин, Е.А. Повышение прочности инструмента для глубокого вибрационного сверления отверстий малого диаметра : дис. … канд. техн. наук / Е.А. Копейкин. – М. : МГТУ «Станкин», 2003. – 178 с.
  19. Резницкий, Л.М. Механическая обработка закаленных сталей / Л.М. Резницкий. – Москва: «МАШГИЗ», 1958. – 393с.


Все статьи автора «emdmvl»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: