Надежность электроинструмента на примере сверлильных машин

Москва 
ВУЗОВСКИЙ УЧЕБНИК 
ИНФРА-М 

Севастопольский государственный университет

НАДЕЖНОСТЬ 
ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТА 
НА ПРИМЕРЕ 
СВЕРЛИЛЬНЫХ МАШИН

МОНОГРАФИЯ 

В.И. ГОЛОВИН, А.О. ХАРЧЕНКО 

2018

УДК 621(075.4)
ББК 31.26
Г61 

Головин В.И.

ISBN 978-5-9558-0465-1 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-011322-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103496-5 (ИНФРА-М, online)

Рассматриваются вопросы повышения надежности процесса сверления глубоких отверстий с использованием электроинструмента. Обозначены основные 
проблемы обработки отверстий и особенности процесса сверления глубоких 
отверстий. Проанализированы методы оценки надежности процессов механической обработки и технологического оборудования. Применен аппарат морфологического анализа для решения задачи синтеза рационального варианта системы электроинструмента. На основе машинного эксперимента проведена 
оценка структур системы. 
Книга рассчитана на специалистов, работающих в области машиностроения, 
преподавателей и студентов технических вузов.

УДК 621(075.4) 
ББК 31.26

ФЗ 
№ 436-ФЗ
Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

Подписано в печать 12.10.2015. Формат 60×90/16. 
Бумага офсетная. Гарнитура Newton. Печать цифровая.
Усл. печ. л. 9,125. Цена свободная. 
ПТ10.

 TK 435600-519559-121015

Издательский Дом «Вузовский учебник» 
127247, Москва, ул. С. Ковалевской, д. 1, стр. 52
www.vuzbook.ru
ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29 
E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

 
 
© Вузовский учебник, 2016

ISBN 978-5-9558-0465-1 (Вузовский учебник)
ISBN 978-5-16-011322-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-103496-5 (ИНФРА-М, online)

Отпечатано в типографии ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 
127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 
Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

Г61 
 
Надежность электроинструмента на примере сверлильных машин : 
монография / В.И. Головин, А.О. Харченко. — М. : Вузовский учебник: 
ИНФРА-М, 2018. — 146 с. — (Научная книга).

Введение

Современное машиностроение характеризуется широким использова
нием технологического оборудования, в том числе и электроинструмента – индустриального, промышленного и профессионального классов, 
который способствует существенному повышению эффективности обработки и снижению себестоимости продукции, однако требует при этом 
обеспечения высокой надежности и производительности.

Категория электроинструмента охватывает целую гамму электриче
ских машин различного технологического назначения (сверлильных, фрезерных, строгальных, отрезных, шлифовальных, окрасочных и сборочных). Наибольшую долю (45%) среди них занимают сверлильные машины. Кроме того, при изготовлении крупногабаритных корпусных деталей, 
например станин тяжелых и уникальных станков, которые не могут быть 
установлены и обработаны в силу их конструктивных особенностей на 
сверлильных либо сверлильно-расточных станках, а также в условиях 
судостроения и судоремонта, когда сверление производится в закрытых и 
труднодоступных зонах, практически единственно возможным является 
использование электроинструмента.  

Процесс сверления отверстий, в особенности глубоких, в труднообра
батываемых материалах, к которым относятся высокопрочные, жаростойкие, нержавеющие, титановые и другие высоколегированные сплавы, связан с необходимостью выбора инструментов, режимов и методов обработки, а также рациональных конструкций электроинструмента. Дефекты, 
которые сопровождают операцию сверления глубоких отверстий, могут 
возникать вследствие увода оси сверла от заданного направления, вибраций, приводящих к огранке на поверхности обрабатываемого отверстия, а 
также изменений силовой нагрузки на инструмент в процессе заглубления, приводящих к поломкам инструмента. 

Значительная часть параметрических отказов и отказов функциониро
вания подсистем электроинструмента возникает в результате воздействий 
оператора, непосредственно участвующего в процессе обработки.

В этой связи повышение надежности сверления глубоких отверстий с 

помощью электроинструмента на основе исследования процесса обработки с учетом мероприятий, принимаемых на этапах проектирования, следует отнести к актуальным задачам, решение которых обеспечит высокую производительность процесса и требуемый высокий уровень функциональных свойств изделий.

Глава 1. АНАЛИЗ ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ ГЛУБОКИХ 
ОТВЕРСТИЙ И СОСТОЯНИЙ ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТА

1.1. ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ ЭЛЕКТРОИНСТРУМЕНТА –

ОСНОВНОЙ ПУТЬ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО НАДЕЖНОСТИ И 

ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

Современные технологические процессы, основанные на использова
нии взаимодействия различных физических явлений, характеризуются 
применением дорогостоящего оборудования, инструментов и приспособлений, стоимость которых переносится на стоимость продукции. В отдельных случаях при обработке уникальных деталей стоимость заготовок 
оказывается гораздо более высокой, чем затраты на ее обработку. Создание технологического процесса, обеспечивающего изготовление деталей 
с заданными параметрами, как в случае обработки уникальных деталей, 
так и в случае массового выпуска продукции, требует повышения надежности технологической системы в целом и каждого ее элемента в отдельности. 

Повышение надежности технологической системы влечет за собой ее 

удорожание, а следовательно, приводит к росту себестоимости продукции. С другой стороны, с повышением надежности технологической системы повышается уровень качества выпускаемой продукции, снижаются 
потери от брака, что приводит к снижению ее себестоимости. Следовательно, повышение надежности технологических систем тесно связано с 
их экономической эффективностью. Иными словами, качество изготовляемой продукции необходимо рассматривать в тесной связи с риском отказа и стоимостью предотвращения этого отказа. 

Отказ технологической системы (процесса) происходит в результате 

отказа каких-либо ее элементов, параметры которых определяются в процессе проектирования и создания технологического процесса. Поэтому 
одной из главных задач обеспечения надежности процессов механической обработки является оптимальное распределение средств между основными этапами обеспечения надежности, в которые входят: этап проектирования, на котором закладываются показатели надежности; технологическая подготовка производства, которая должна обеспечить выбор 
некоторых элементов системы и их компоновку с требуемыми показателями надежности; непосредственное изготовление продукции. 

Среди основных факторов, оказывающих влияние на надежность про
цесса механической обработки на этапе непосредственного изготовления 
деталей, можно назвать следующие: обеспечение стабильности технологического процесса, обеспечение оптимального контроля, обслуживания 
и ремонта, использование результатов анализа отказов и неисправностей 
для повышения надежности процесса механической обработки.

В этой связи надежность инструмента и технологического оборудова
ния, оказывающая существенное влияние на надежность процесса механической обработки, является весьма актуальной задачей.

В настоящее время в различных отраслях промышленности все актив
ней используется такой вид технологического оборудования, как электроинструмент. Эта категория охватывает целую гамму электрических 
машин различного технологического назначения: сверление, отрезка, 
фрезерование, строгание, шлифование, окраска, сборка.

Обзор литературных источников показывает (рис. 1.1), что в процент
ном отношении наибольшую долю (45%) среди выпускаемого и потребляемого электроинструмента занимают сверлильные машины. Их небольшие габариты, широкие функциональные возможности, позволяющие производить сверление отверстий в таких материалах как стали, пластик, композиты, многослойные материалы, бетон, керамика и др., способствуют стабильному расширению их сферы использования.

Рис. 1.1. Соотношение количества выпускаемых видов электроинструмента в 

общей массе их производства

Среди отечественных производителей электроинструмента домини
рующим является симферопольский завод «Фиолент», а также Ижевский, 
Пермский, Саратовский и Конаковский заводы. Из зарубежных производителей следует отметить такие торговые марки как BLACK&DECKER, 
MAKITA (Япония), SKIL, BOSCH, METABO, KRESS (Германия) и DeWolt
(табл. 1.1). 

Любой из электроинструментов должен удовлетворять следующим 

требованиям: 

прочность (механическая, химическая или физическая) основных деталей и рабочих органов;


точность изготовления отдельных деталей инструмента;

6 


точность сборки;


рабочая исполнительность, т.е. способность инструмента выполнять 
свои функции с заданной точностью;


эргономичность;


безопасность;


экологичность;


ремонтопригодность;


рабочий ресурс;


общий ресурс;


нагруженность (время непрерывной работы инструмента);


зависимость от условий эксплуатации;


специализация;


унификация по расходным материалам, рабочим и исполнительным 
органам и дополнительным приспособлениям между инструментом 
одной группы назначения;


тарировка и техническое обслуживание.

Таблица 1.1 

Примеры различного электроинструмента отечественного и зарубежного 

производства

Производитель
Bosch
Интерскол
Фиолент

Машины 
ударносверлильные

Машины 
сверлильные

В зависимости от того, в какой мере электроинструмент удовлетворя
ет перечисленным выше требованиям, его классифицируют по критерию 
профессиональности: 

1) инструмент для конвейерного производства (Industrial): 

максимально высокие прочность, точность изготовления и сборки, 
рабочая исполнительность;


высокая эргономичность конструкции и исполнения инструмента;


безопасность, рассчитанная на высокопрофессиональные навыки оператора; 


высокие ресурс и ремонтопригодность;


полная экологичность;


большая продолжительность включения, т.е. способность работать с 
максимальной нагрузкой в течение неограниченного времени (в пределах ресурса) без наступления вредных для инструмента последствий;


требование «мягких» условий эксплуатации, в том числе повышенные 
требования к рабочим средам (электроэнергия, воздух, вода, масло 
и т.д.);


высокая степень специализации инструмента;


практически полное отсутствие унификации по оснастке, но наличие 
унификации по расходным материалам;


обязательность тарировки и технического обслуживания по жесткому 
графику; 

2) промышленный «тяжелонагруженный» инструмент (Heavy duty). По 
всем параметрам и характеристикам аналогичен инструменту класса 
Industrial, за исключением: 

способности работать в максимально «жёстких» условиях эксплуатации с применением соответствующих конструктивных мер защиты от 
неблагоприятных факторов окружающей среды, таких как пыль, влага, вибрация, удары и т.д.;


унификации по расходным материалам и оснастке с инструментом 
своего класса и некоторыми образцами инструмента класса 
Professional; 

3) профессиональный класс (Professional): 

повышенная точность изготовления и сборки;


высокая прочность основных деталей и узлов;


высокая рабочая исполнительность;


минимальная эргономичность и экологичность;


средняя безопасность, рассчитанная на определенные профессиональные навыки оператора;


повышенный ресурс;


средняя продолжительность включения, т.е. способность работать с 
максимальной нагрузкой в течение ограниченного времени;


способность работать в «жестких» условиях эксплуатации;


специализация инструмента по сходным рабочим операциям;


унификация по расходным материалам и оснастке;


непродолжительное время тарировки и технического обслуживания 
при больших сроках между операциями технического обслуживания;


высокая ремонтопригодность; 

4) любительский инструмент (Hobby): 

низкая прочность;


минимальная точность изготовления и сборки;


низкая эргономичность;


высокая безопасность;


ограниченный ресурс;


низкая ремонтопригодность;


малая продолжительность включения;


требование «мягких» условий эксплуатации;


универсализация;


отсутствие унификации по расходным материалам и оснастке;


отсутствие необходимости в тарировке и техническом обслуживании;

5) полупрофессиональный инструмент (Semi professional). 

Этот класс характеризует любительский инструмент с отдельными 

параметрами, соответствующими профессиональному классу.

Существующая тенденция при производстве электроинструмента –

это снижение его стоимости при сохранении качества, повышение 
надежности и производительности. Происходит это в основном за счет 
совершенствования технологии изготовления, применения унифицированных узлов и элементов, переоснащения производства, модификаций 
конструкции электроинструментов, рациональных режимов работы. 

Опыт эксплуатации свидетельствует о том, что качество инструмента 

в настоящее время достаточно высокое, а производительность инструмента, выпускаемого одной фирмой, может превышать по производительности инструмент другой фирмы на несколько процентов (а иногда и 
десятых долей процента).

В частности, для существенного повышения надежности и производи
тельности электроинструмента необходимо ограничиться конкретным 
технологическим назначением, классом (по критерию профессиональности), выполнить системный анализ и провести комплекс исследований и 
испытаний.

Результаты проведенного анализа [8, 54, 23, 6] показывают, что в свя
зи с большим распространением и высокой трудоемкостью сверления 
глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах, недостаточной 
надежностью и производительностью этого процесса, проблема совершенствования электроинструмента, в частности машин сверлильных, 
стоит достаточно остро. В особенности это относится к процессу обработки глубоких отверстий сверлением в крупногабаритных деталях, которые не могут быть установлены и обработаны в силу их конструктивных особенностей на сверлильных либо сверлильно-расточных станках, а 
также в условиях судостроения и судоремонта, когда сверление производится в закрытых и труднодоступных зонах, где практически единственно 
возможным является использование электроинструмента. 

К числу отраслей, в которых существует острая необходимость обра
ботки деталей с глубокими отверстиями, относятся также: вертолетостро

ение, турбостроение, атомная энергетика, производство буровых установок для нефтяных и газовых скважин и ряд других. Увеличение номенклатуры деталей с глубокими отверстиями приводит к расширению области применения способов и оборудования для их обработки. Необходимость оптимизации конструкций электроинструмента (прежде всего промышленного и профессионального классов) для сверления глубоких отверстий вызвана также недостаточной точностью и переналаживаемостью имеющегося оборудования, не учитывающего особенностей формообразования глубоких отверстий в труднообрабатываемых материалах.

В связи с этим синтез надежных систем электроинструмента для свер
ления глубоких отверстий является актуальной задачей, для выполнения 
которой необходима методика, позволяющая оптимизировать варианты 
структур электроинструмента, оценивать эффективность принимаемых 
решений на уровне новых требований, предъявляемых к проектированию 
и с учетом опыта, накопленного исследователями и разработчиками в 
этой области.

1.2. ОСОБЕННОСТИ ПРОЦЕССА СВЕРЛЕНИЯ ГЛУБОКИХ 

ОТВЕРСТИЙ

В большинстве случаев определение термина «глубокое отверстие» 

основывается на отношении длины отверстия к его диаметру ℓ/d. При 
этом разделение отверстий на глубокие и обычные колеблется от трех до 
десяти [20]. В большинстве исследований, посвященных проблемам обработки глубоких отверстий [26, 90, 98], в качестве численной границы 
принимают ℓ/d ≥ 5.

В работе [92] отмечается, что к глубоким могут быть отнесены такие 

отверстия, изготовление которых связано с необходимостью применения 
специальных инструментов, оборудования и методов обработки и не может быть качественно осуществлено с помощью инструментов и способов обработки, применяемых для получения отверстий нормальной длины.

Для получения глубоких отверстий используются следующие методы:


сплошного сверления, при котором весь материал, расположенный в 
объеме будущего отверстия, измельчается в стружку;


кольцевого сверления, при котором в стружку переходит только кольцевая полость. 
Первый метод получил гораздо большее распространение на практике, 

так как. процесс кольцевого сверления отличается сравнительно низкой 
надежностью и высокой сложностью осуществления. Кроме того, метод 
кольцевого сверления применяется для сверления отверстий относительно большого диаметра, более 30 мм [101].

Задача повышения надежности процесса глубокого сверления особен
но актуальна при использовании электроинструмента (машин сверлильных), имеющего ограничения по диаметру обработки (в стали, пластике, 
композитах, многослойных материалах – до 10…16 мм). Необходимо 
отметить, что при заданной величине вылета инструмента прочность 
сверла резко снижается с уменьшением его диаметра. Необходимость 
поиска методов повышения надежности процесса сверления глубоких 
отверстий электроинструментом диктуется тем обстоятельством, что сам 
процесс обладает рядом особенностей, с которыми в значительной степени связаны трудности, возникающие в процессе обработки.

Сверление занимает особое место среди методов получения глубоких 

отверстий. Специфичность операции заключается в том, что инструмент 
должен прокладывать себе путь в сплошном материале, не имея заранее 
подготовленной опоры и жесткого направления. Процесс характеризуется 
значительной нестабильностью из-за неоднородности качества обрабатываемого материала. Стружкообразование протекает в сложных условиях 
несвободного резания, характеризующегося образованием сливной 
стружки и стружки скалывания. 

Отмеченные особенности приводят к образованию стружки сложной 

формы, отвод которой в большинстве случаев вызывает значительные 
трудности. Условия работы сверла становятся тем тяжелее, чем больше 
глубина сверления, что обусловлено трудностью подачи свежей смазочно-охлаждающей технологической среды (СОТС) в зону резания, большим временем соприкосновения стружки со стенками отверстия, значительным возрастанием температуры в зоне резания. Неоднородность физико-механических свойств обрабатываемого материала, периодическое 
образование нароста на режущих лезвиях сверла приводят к значительным колебаниям силовых факторов в процессе обработки. По мере заглубления имеет место накопление стружки в стружкоотводящих канавках, что приводит к возрастанию силовых параметров с увеличением глубины обработки. В отдельных случаях наблюдается пакетирование 
стружки, что приводит к резким колебаниям крутящего момента.

Все это в конечном итоге, снижает производительность сверлильного 

оборудования, реализующего жесткий цикл обработки, т.е. для обеспечения требуемой надежности и качества процесса приходится значительно 
снижать режимы обработки. Раскрытию особенностей процесса сверления глубоких отверстий, а также вопросам создания специализированного 
оборудования посвящены известные работы М.М. Тверского [89], 
В.Н. Подураева [68], В.Л. Заковоротного [23], В.А. Остафьева [64], 
И.Д. Румянцевой, В.А. Полетаева и других ученых.

В работах исследованы закономерности изменения силовых парамет
ров при сверлении глубоких отверстий, температуры в зоне контакта ин