В процессе эксплуатации спиральное сверло испытывает влияние крутящего момента М_кр и Р_ос – 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.

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:

М_кр=8,65D^2,6                                                             (1)

P_ock=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]:

М_кр=10,8D^2,6                                                             (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:

М_кр=10^1,4m+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 W_р. – моментом сопротивления кручению, а зная величину [τ] – допускаемых касательных напряжений можно определить [М_кр] –допускаемый крутящий момент:

[М_кр]= [τ] W_р.                                                            (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.

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].

При такой конструкции сверла его поперечное сечение будет иметь увеличенные геометрические характеристики (W_p, J_p), 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.