Ємельянов Д.В. Аналіз міцності спіральних свердел

Ємельянов Дмитро Володимирович
ФГБОУ ВПО Набережночелнінскій філія Казанського національного дослідницького технічного університету КНІТУ-КАИ ім. А.Н. Туполєва

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

Бібліографічна посилання на цю статтю:
Ємельянов Д.В. Аналіз міцності спіральних свердел // Сучасна техніка і технології. 2015. № 1 [Електронний ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/01/5617 (дата звернення: 07.02.2019).

За своїми конструктивними особливостями спіральне свердло відомо вже досить давно, і являє собою складне тіло гвинтоподібної форми. При цьому окремі конструктивні елементи, наприклад кут нахилу гвинтової стружкової канавки - ω, кут в плані - 2φ, спіральних свердел і раціональні взаємозв'язку між ними можуть в значній мірі вплинути на працездатність спіральних свердел [1, 2]. Спіральна стружечная канавка зазвичай виконує дві функції: є передньою поверхнею головної різальної крайки (ГРК); служить каналом для відводу стружки із зони різання. Форма і розміри спіральної стружкової канавки, а також поперечний переріз спірального свердла повинні забезпечувати достатню міцність і жорсткість різального інструменту, але, незважаючи на це спіральне свердло, має велику кількість недоліків, серед яких: недостатня надійність, низька міцності, мала жорсткість, невисока продуктивність [ 3, 4].

В процесі експлуатації спіральне свердло зазнає впливу крутного моменту Мкр і Рос - осьової сили, а також результуючої радіальної силою, яка виникає на ГРК в результаті чого інструмент відчуває поздовжні і поперечні деформації, які в значній мірі впливають на його працездатність. Так, наприклад, під час свердління отвори в суцільному матеріалі спостерігається зростання крутного моменту в міру збільшення глибини отвору і при досягненні межі L / d0 = (3 ... 5) збільшується ризик руйнування спірального свердла. Вплив осьової сили в значній мірі проявляється при формоутворенні наскрізних отворів в той момент, коли поперечна ріжуча кромка вийшла з матеріалу. У цей момент відбувається різка подача заготовки на інструмент, в результаті чого відбувається руйнування [1, 3]. Інший випадок впливу осьової сили спостерігається в самому початку процесу свердління, коли в контакт із заготівлею вступає перемичка спірального свердла. Основні причини руйнування спіральних свердел відобразимо в таблиці 1.1.

Таблиця 1.1 Основні причини руйнування спіральних свердел.

Причини руйнування спіральних свердел Механічні Технологічні Руйнування з в'язані зі збільшенням крутного моменту:

- значні припуски на обробку

- відведення осі свердла

- некоректний вибір геометрії ріжучої частини спірального свердла

- брикетування стружки в стружкових канавках

- відхилення від заданих параметрів точності оброблюваної поверхні деталі

- некоректно розраховані або обрані режими різання

- незадовільний стан технологічного оснащення та обладнання

- низька точність налагодження технологічної системи

- наявність МОР і її властивості

Викришування різальних крайок спірального свердла

- поверхневі деформації

- низька якість інструментального матеріалу

- термічні напруги

Руйнування спіральних свердел в недостатній міцності

- дефекти термообробки

- низька якість інструментального матеріалу

- некоректна конструкція ріжучого інструменту

Робота з вивчення міцності спіральних свердел з урахуванням їх геометричних характеристик була розпочата на початку ХХ століття [5, 6], але через відсутність відповідного математичного апарату не набула широкого поширення. В роботі [7] при вивченні міцності використаний метод мембранної аналогії Прандтля, однак вплив кута нахилу гвинтової стружкової канавки ω на міцність спірального свердла не розглядається.

Г.Н. Титов [9] вперше озвучив проблему міцності спіральних свердел при їх проектуванні, тим самим показав її значення для працездатності інструменту. Г.Н. Титов наводить дані за геометричними характеристиками поперечного перерізу свердел і розрахунок максимальної подачі допустимої міцністю робочої частини свердла.

В роботі [6] були отримані узагальнені емпіричні формули для визначення силових залежностей при свердлінні:

Мкр = 8,65D2,6 (1)

Pock = 17,6D2 (2)

Навантаження, розраховані за формулами (1) і (2) свердла повинні витримувати без руйнування [6]. Для визначення величини руйнівного крутного моменту використовувалася формула [6]:

Мкр = 10,8D2,6 (3)

Залежності (1), (2), (3) отримані для конкретних умов в роботі [6], вони не враховують рух стружки по стружкових канавках спірального свердла, яке накладає додаткове навантаження на робочу частину інструменту, тому їх застосування обмежене.

У свою чергу в роботі [10] наведені результати експериментального дослідження, в якому головним чином розглянуто питання міцності різальних крайок. Там же наводяться дані з випробувань на міцність складних профілів ріжучих інструментів при розтягуванні і крученні. Автором зроблено висновок, що осьова навантаження окремо і при спільному її дії на свердло з крутить навантаженням не впливає на міцність свердел діаметром 8 мм і вище, що збільшення товщини серцевини від ріжучої частини до хвостовика не виправдано і утрудняє відведення стружки, тоді як зміна нахилу гвинтовий канавки ω призводить до зміни міцності спірального свердла.

В роботі [11] приведена серія дослідів, в результаті яких отримано залежності між геометричними параметрами перетину свердла і його міцності. У цих формулах перетин свердла характеризується двома безрозмірними параметрами:

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

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

де, D - діаметр свердла, мм

d - діаметр серцевини, мм

h - ширина пера, мм

Для обчислення крутного моменту в роботі [11] визначена наступна залежність:

Мкр = 101,4m + n0,003t3 (6)

Отримані закономірності носять емпіричний характер, вони не враховують ні рух стружки по стружкових каналам, ні форму поперечного перерізу стебла свердла, а також не враховують вплив кута нахилу стружкових канавок, що робить їх обмеженими в застосуванні.

Відповідно до роботам [12, 13] крутіння будь-якого стрижня характеризується Wр. - моментом опору крученню, а знаючи величину [τ] - допускаються дотичних напружень можна визначити [Мкр] -Допускається крутний момент:

[Мкр] = [τ] Wр. (7)

Залежно визначення жорсткості та деформації спіральних свердел отримані в роботах [5, 6, 14, 15, 11]. У цих роботах викладені аналітичні методи розрахунку, експериментально-аналітичні і експериментальні. Однак через складність розрахунків і через погану збіжність результатів, отриманих різними методами, вони також широко не використовуються.

Жорсткість спіральних свердел так само досліджена в роботах [5, 6,], де встановлено:

- радіальна жорсткість свердла в значній мірі залежить від діаметра його серцевини, збільшення якої від 0,1 до 0,3 D впливає на зміну зазначеної жорсткості найбільш різко;

- зі збільшенням кута нахилу стружкових канавок ω жорсткість помітно зменшується;

В роботі [15] досліджена жорсткість спіральних свердел і їх експлуатаційні характеристики. Аналіз результатів наведених автором в цій роботі, показав, що стійкість не є лінійною функцією жорсткості і не завжди підвищення жорсткості дає ефект, що підтверджується і іншими дослідженнями. Також встановлено, що опірність свердла вигину визначається кутом нахилу гвинтової стружкової канавки - ω.

Найбільш глибокі дослідження в області стійкості спіральних свердел проведені Ю.П. Холмогорцевим, результати яких наведені в роботі [16]. Проведені теоретичні дослідження та їх експериментальна перевірка показали, що для підвищення динамічної стійкості свердел необхідно збільшувати момент інерції перерізу шляхом збільшення серцевини свердла.

Малюнок 1 Розробка фірми КЕННАМЕТАЛ

Слід зазначити що, відповідно до винаходу KENNAMETAL (USA) пропонується спіральне свердло (Рис. 1), що має канавки, що містять перший, другий і третій спіральні ділянки. Перший спіральний ділянку (АВ) виконаний як у свердел стандартної конструкції, при цьому він плавно переходить в другій спіральний ділянку (ВС), який закручений в напрямку, протилежному напрямку закрутки першого спірального ділянки. Зроблено це для того щоб збільшить площу поперечного перерізу, тим самим підвищити жорсткість інструменту. Третій спіральний ділянку (CD) закручений в напрямку першого спірального ділянки [17].

Так само з винаходу Шейнкмана І. Х., Джакели Л. А., Перцева О. І., Власова В. М. відомо спіральне свердло (Рис. 2), що містить хвостовик і робочу частину з двома спіральними стружкоотводящімі канавками і серцевиною, що має плавне потовщення у напрямку до хвостовика, що відрізняється тим, що на робочій частині свердла від головних різальних крайок на довжині, що дорівнює запасу на переточування, серцевина виконана постійної товщини, а далі - з потовщенням 25-35% на кожні 100 мм довжини [18].

Малюнок 1.2 Спіральні свердла з потовщеною серцевиною

При такій конструкції свердла його поперечний переріз матиме збільшені геометричні характеристики (Wp, Jp), однак буде сильно утруднений вихід стружки, за рахунок зменшення площі стружкових канавок, що несприятливо позначиться на процесі обробки.

У своїй роботі Каупер Х., Швегерл Ю. стверджують, що в технології різання на протязі вже довгого часу використовуються свердла з гвинтовими стружковими канавками. В цьому випадку гвинтова конфігурація стружкових канавок має функцію відхилення напрямку потоку стружки, щоб ламати стружку в стружкової канавки. Недолік в разі таких інструментів, що мають спіральну стружкових канавку, полягає в меншій згинальної міцності свердла. Виходячи з відомого факту, що використання стружкової канавки, що є прямий щодо центральної поздовжньої осі свердла, підвищує жорсткість свердла і є міцним на вигин [17].

Так само з роботи [3] відомо, що збільшення кута нахилу гвинтової стружкової канавки ω призводить до зниження жорсткості інструмента. Це підтверджується в роботі [19], в якій пропонується для підвищення жорсткості інструмента зменшити кут нахилу ω.

Проаналізувавши вищевикладені дослідження можна зробити висновок, зі збільшенням кута нахилу гвинтових стружкових канавок - ω, зменшується жорсткість спірального свердла, а також може призвести до брикетування стружки, що, безсумнівно, позначається на якості одержуваних отворів. Виконуючи стружкових канавку зі змінним кутом нахилу можна домогтися високої жорсткості спірального свердла і поліпшеного стружкоотвода.

бібліографічний список

1. Родін, П.Р. Питання теорії проектування різальних інструментів: дис. ... доктора техн. наук / П.Р. Родін. - Київ: Київський політехнічний інститут, 1961. - 346 с.
2. Родін, П.Р. Металорізальні інструменти / П.Р. Родін. - Київ: «Вища школа», 1974. - 400 с.
3. Родін, П.Р. Геометрія ріжучої частини спірального свердла / П.Р. Родін. - Харків: «Техніка», 1971. - 136 с.
4. Семенченко І.І., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектування металорізального інструменту. М .: Машгиз, 1962
5. Александров А.Я., Алексєєв К.В., Дітман А.О. Жимі В.І. і ін. Дослідження напружень і деформацій в спіральних свердлах // Прогресивні конструкції свердел і їх раціональна експлуатація. - М, 1974. - 39 с.
6. Алексєєв К.В. До вирішення завдання крутіння спіральних свердел // Матеріали науково-технічної конференції, присвяченій десятиріччю ВІЛЬНЮСКІЙ з-ду свердел. - Вільнюс, 1967. - 22 с.
7. Титов, Г.І. Міцність металорізальних інструментів. - М .: Машгиз, 1947. - 297 с.
8. Третьяков, І.П. Проблема міцності металорізального інструменту і деякі шляхи її різання. - М .: Знание, 1953. - 31 с
9. Прибилів Б.П., Авдєєв Ю.З., Саідкарімов У.С. Нові формули для розрахунку міцності свердел на кручення // Розробка методів розрахунку свердел на міцність. - М: ВНДІ, 1965. - 107 с.
10. Арутюнян, Н.Х. Кручення пружних тіл / Н.Х. Арутюнян, Б.М. Абромян. - М.: ГІФМЛ, 1963. - 688 с.
11. Катаєв, Ю.П. Пластичне крутіння порожніх елементів літальних апаратів / Ю.П. Катаєв. - М.: Машинобудування, 1985. - 128 с.
12. Бурмістров Є.В., Маркушина Е.М., Тарасов А.В. Крутильні коливання і їх вплив на стійкість свердел малих діаметрів при обробці жароміцних і титанових сплавів // Прогресивні конструкції свердел і їх раціональна експлуатація. -Вільнюс, 1974. - 13 с.
13. Денисенко В.І. Жорсткість спіральних свердел і їх експлуатаційні характеристики. - Вільнюс, 1974. - 14 с.
14. Холмогорца, Ю.П. Оптимізація процесів обробки отворів. - М: Машинобудування, 104. - 128 с.
15. Kennametal. Спіральні свердла: патент US 2004/040829.
16. Шейнкман І. Х. Спіральні свердла: патент на корисну модель № 107717 / Шейнкман І. Х., Джакели Л. А., Перцев Е. І., Власов В. М.
17. Cowper H. Drill: патент № 2462335 / Cowper H., Shvegerl J.
18. Копєйкін, Е.А. Підвищення міцності інструмента для глибокого вібраційного свердління отворів малого діаметра: дис. ... канд. техн. наук / Е.А. Копєйкін. - М.: МГТУ «Станкин», 2003. - 178 с.
19. Резницький, Л.М. Механічна обробка загартованих сталей / Л.М. Резницький. - Москва: «Машгиз», 1958. - 393с.

Всі статті автора «emdmvl»