Способы получения квадратных отверстий

Сверление квадратных отверстий. Сверло Уаттса. Треугольник Рёло.

При выполнении различных слесарных и ремонтных работ иногда возникает необходимость выполнить в металлической заготовке отверстие квадратного сечения. Если для получения круглых отверстий используется стандартный набор инструмента, который имеется под рукой у каждого мастера, то для квадратного профиля нужен специфический инструмент.

Конечно, не имея в наличии соответствующего инструмента, можно получить квадратное отверстие высверливанием круглого с последующей ручной обработкой до квадратного профиля. Но такой способ является малопроизводительным, трудоемким и не позволяет получить точные форму и размеры необходимого профиля.

Для получения качественного профиля наиболее часто сверление квадратного отверстия производят с применением сверла Уаттса, работа которого основывается на особенностях перемещения геометрической фигуры, которая называется треугольник Рело. С технической точки зрения такое сверло правильнее называть фрезой. Использовать напрямую с дрелью сверло Уаттса не получится, потребуется дополнительно специальный переходной шпиндель, который обеспечит необходимую траекторию движения инструмента.

О сверле Уаттса и треугольнике Рёло

Для того чтобы понять, как работает сверло Уаттса, нужно выполнить небольшой экскурс в геометрию. Еще в 15 веке математиков заинтересовали интересные свойства плоских фигур с равной толщиной. Наиболее известной такой фигурой является окружность. Другой простой фигурой из данного ряда является скругленный треугольник.

Данная фигура получается так. За основу берется равносторонний треугольник. Затем из каждой вершины треугольника прочерчивается окружность радиусом равным стороне треугольника. В итоге получится новая фигура с дугообразными сторонами (сморите рисунок ниже).

Немного позже ученый Л. Эйлер обратил внимание на интересную траекторию вращения скругленного треугольника. Затем инженер Рело увидел, что при определенном способе вращения фигуры, траектория ее вершин описывает форму очень близкую квадрату. Для этого необходимо производить вращение с некоторым эксцентриситетом. При таком движении лишь во внутренних углах полученного квадрата образуются незначительные скругления. Такой треугольник сегодня известен под названием треугольник Рело.

В начале 20 века английский ученый Уаттс смог изобрести и запатентовать техническое решение, которое бы обеспечило такое движение металлорежущего инструмента, чтобы в итоге в обрабатываемой детали получилось квадратное отверстие. Получившийся в итого инструмент стал носить название сверло Уаттса.

Классификация сверл для квадратных отверстий

В современной металлообработке практически весь режущий инструмент, который применяется для получения квадратных отверстий, работает по принципу вращения треугольника Рело. Сверло Уаттса (или как его еще иногда называют сверло Рело) позволяет получить квадратные отверстия различных размеров в металлических деталях различной толщины. Классифицируют данный инструмент по его размерам, материалу изготовления, конструкцией хвостовика.

Сверло Уаттса по металлу обязательно должно быть изготовлено из быстрорежущей стали. Такой инструмент имеет маркировку HSS (High Speed Steel). Для инструмента отечественного производства применяют инструментальную сталь У10 либо легированные стали Х12 и Х12МФ. Твердость инструмента должна иметь значение от 52 до 60 HRC. Квадратное сверло может иметь различный диаметр в зависимости от размера стороны квадрата.

Отметим, что купить сверло Уаттса довольно непросто. Не стоит ожидать, что его можно будет найти в каждом магазине металлорежущего инструмента. Возможно, придется приобретать его на заказ в крупном магазине инструмента или покупать в интернет магазине.

Особенности сверления квадратных отверстий в дереве

В мебельном производстве часто соединение деталей выполняют по системе шип-паз. Это соединение предполагает наличие в комплектуемых деталях пазов квадратного профиля. Для получения отверстий в древесине применяют специальное квадратное сверло по дереву. Оно представляет собой комплект долбежного инструмента. Он состоит из внутреннего сверла по дереву и надеваемого на него долота. Обычно диаметр сверла колеблется в пределах от 6 до 18 миллиметров. Хвостовик обычно идет диаметром 19 миллиметров. Такие комплекты могут быть установлены на долбежно-сверлильные станки.

Принцип действий и конструкция сверла Уаттса

Сверление квадратных отверстий при помощи сверла Уаттса основано на принципе вращательного движения треугольника Рело по специфичной эксцентрической траектории.

Форма сверла не повторяет в точности скругленный треугольник, но своими режущими кромками вписывается в его форму.

Сверло имеет такую форму вырезов для того, чтобы отводить стружку из рабочей зоны, а также максимально снизить момент инерции инструмента. К тому же уменьшение массы инструмента способствует снижению нагрузок на шпиндель металлорежущего станка, а заостренные кромки повышают режущие возможности сверла.

Кроме сверла Уаттса для работы обязательно понадобится переходной шпиндель, который обеспечит попеременное смещение центра инструмента и задаст нужную для работы траекторию.

Он состоит из переходного крепления для соединения со шпинделем станка, зубчатого венца, приводной шестерни и шестерни зацепления, а также качающихся втулок. Для использования квадратного сверла с бытовым электроинструментом производители выпускают специальные накладные шаблоны с карданной передачей.

Принцип действий и конструкция треугольник Рело

Треугольник Рело представляет собой плоскую геометрическую фигуру. Она образуется при соединении вершин равностороннего треугольника дугами окружностей, проведенными из каждой вершины этого же треугольника.

Особенность треугольника Рело состоит в том, что при совершении качательного движения его вершины описывают траекторию почти идеального квадрата.

Единственным недостатком такого вращения треугольника Рело является то, что в углах квадрата остаются небольшие скругления.

При необходимости получения квадратного отверстия с внутренними углами 90 градусов его придется доработать. Это можно сделать вручную с помощью напильников и рашпилей либо на долбежных станках.

Альтернативные варианты для проделывания квадратного отверстия

Хотя сверло Уаттса является наиболее производительным и точным инструментом для получения квадратных отверстий, нужно еще рассказать, как просверлить квадратное отверстие другими способами.

Для этого существует несколько неплохих методов. При работе с квадратными сверлами полученное в заготовке отверстие будет иметь закругления небольшого радиуса, которые затем необходимо устранять другими операциями. К тому же, нет возможности работы с деталями значительной толщины.

Рассмотрим эти методы подробнее:

• В условиях производства наиболее точным чистовым способом вырезки отверстия квадратного сечения является лазерная резка. Но для этого необходимо иметь в парке оборудования дорогостоящие сложные станки с ЧПУ.
• Еще одним способом является высверливание в детали круглого отверстия диаметром описанной по квадрату окружности. Затем углы отверстия завариваются при вставленном шаблоне. Этот метод требует наличия сварочного аппарата и соответствующих навыков.
• В условиях серийного производства при работе с листовым и тонкостенным металлом квадратные отверстия получают методом листовой штамповки. В единичном производстве это не актуально, поскольку требует изготовления вырубных или пробивных штампов.
• При работе в домашних условиях, если квадратное отверстие нужно не совсем мелких размеров, то просверлить его можно следующим способом. В детали обычным сверлом по металлу выполняют круглое отверстие диаметров вписанной в квадрат окружности. Затем придают воображаемым углам и граням квадрата прямолинейность с помощью напильника и долота.
• Для работы с металлом небольшой толщины также выпускаются специальные пробойники квадратного сечения. Максимальный их размер составляет 70 на 70 миллиметров.

Источник

Сверление квадратных отверстий

Иногда во время ремонтных или слесарных операций требуется заготовке из металла сделать квадратное отверстие. Использование стандартных круглых сверл в сочетании с ручной доработкой до нужной формы — трудоемкий и малоэффективный способ. Поэтому сверление квадратных отверстий обычно выполняют с помощью специального инструмента — сверла Уаттса. Оно обеспечивает максимальную точность обработки и позволяет получать профиль с минимальными отклонениями от заданных параметров.

История появления инструмента

В основе конструкции сверла Уаттса — треугольник Рело. Для получения такой фигуры необходимо начертить равносторонний треугольник и три окружности. Их центры располагаются в углах треугольника, а радиус равен его стороне. В результате получается треугольник со скругленными сторонами. Инженер из Германии Ф.Рело заметил, что при определенных способах вращения у новой фигуры траектория максимально приближена к квадрату.

Треугольник Рело:

В 1916 году Уаттс оформил патент на специальное приспособление. Его техническая разработка обеспечила перемещение сверла таким образом, чтобы гарантированно получать отверстия квадратной формы.

Сверло Уаттса:

Особенности конструкции и применения

Для изготовления инструмента используют углеродистую и легированную сталь, твердость которой составляет от 52 до 60 HRC. Сверла различаются диаметром, и конструкцией хвостовика, и применяются для обработки заготовок разной толщины.

Рабочая часть инструмента имеет профиль в виде треугольника Рело с тремя выемками. Такая форма обеспечивает удаление стружки и сокращает момент инерции. Кроме того, значительно уменьшается нагрузка на шпиндель и повышается режущая способность инструмента.

При сверлении квадратного отверстия с помощью приспособления Уаттса получают квадрат с несколько скругленными углами. При этом он имеет параллельные стороны и идеальной геометрией. Площадь углов составляет не более 2% от всей поверхности фигуры.

Сверло Уаттса применяют вместе с другой оснасткой. При работе на станках используют специальный шпиндель-переходник. Он имеет сложную конструкцию и обеспечивает попеременное смещение центра инструмента и движение по нужной траектории.

Для обработки заготовок в бытовых условиях применяют накладные рамки. Они закрепляют сверла и соединяются с патронами с помощью переходника. При наличии такой оснастки сверление можно выполнять на токарных и фрезерных протяжных станках.

Другие варианты получения квадратных отверстий

Помимо специальных сверл для изготовления квадратных отверстий используют и другие способы. К ним относятся:

• Лазерная резка. Позволяет получать отверстия с максимально точной геометрией и выполняется на станках с ЧПУ.
• Листовая штамповка. Она осуществляется с помощью пробивных или вырубных штампов, и применяется при серийном производстве.
• Высверливание со сваркой. В детали сверлом делают круглое отверстие, диаметр которого совпадает с аналогичным параметром описанной вокруг квадрата окружности. Затем, используя сварочный аппарат и шаблон из графита марок МПГ или ЭЭГ, заваривают углы.
• С помощью пробойника. Применяется для небольших отверстий, размер которых не превышает 70X70 мм.

В домашних условиях отверстие квадратного сечения можно получить из круглого, придав нужную форму с помощью долота и напильника. Сначала на заготовке намечают квадрат нужного размера. Затем в его углах делают вспомогательные отверстия сверлом малого диаметра, а крупным удаляют металл внутри разметки. В завершении граням и углам придают прямолинейность, используя напильник и долото. Если необходимо сделать квадратное отверстие в древесине, применяют специальный комплект, состоящий из внутреннего сверла диаметром от 6 до 18 мм и долота.

Источник

Сверло для квадратных отверстий. Открытия Рело и Уаттса

В некоторых случаях необходимо получить отверстия в форме квадрата. Обычные способы малопроизводительны и тяжелы. Самый примитивный из них сводится к предварительному высверливанию отверстия диаметром, равным вписанной в квадрат окружности, и постепенному его продалбливанию. Потребуется инструмент, который сможет работать без вращения инструментальной головки, а также специальный переходник. Проще воспользоваться так называемым «квадратным» сверлом (сверлом Уаттса), или, точнее, фрезой.

Немного истории с геометрией

Ещё в XV веке легендарный Леонардо да Винчи, изучая свойства геометрических фигур, обратил внимание на так называемые геометрические объекты с равной толщиной. Таких фигур имеется бесконечное множество, но простейшей – помимо окружности — является скруглённый треугольник, который может быть образован следующим образом. Вычерчивается равносторонний треугольник, каждый из углов которого соединяется дугой окружности, проведённой из центра противоположной стороны. Особенностью такого треугольника будет то, что все его стороны будут иметь постоянную ширину, которая равна длине стороны исходного равностороннего треугольника.

Практическую пользу из этого факта извлёк Л. Эйлер, который три века спустя продемонстрировал вращение такого скруглённого треугольника: вначале вокруг собственной оси, а затем – с некоторым эксцентриситетом, благо карданный механизм науке и технике того времени был уже известен.

Ещё дальше в практическом использовании данной фигуры пошёл немецкий инженер Ф. Рело, который обратил внимание на то, что траектория углов движущегося треугольника при определённых способах его вращения весьма близка к квадрату. Лишь непосредственно в углах квадрата внешняя поверхность описывает дугу, впрочем, небольшого радиуса. В современной технической литературе подобный треугольник называют треугольником Рело, хотя никаких углов у данной фигуры фактически уже нет.

Пройдёт ещё несколько десятков лет, и англичанин Г. Уаттс придумает приспособление, которым можно обеспечить гарантированную квадратную траекторию для металлорежущего инструмента. Техническое решение для сверла Уаттса было запатентовано в 1916 году, а через год началось серийное производство таких инструментов.

Сверло или фреза?

Большинство технической общественности считает, что всё-таки фреза. Тем не менее, производители упорно продолжают называть данный инструмент сверлом для квадратных отверстий, сверлом Уаттса или сверлом, профиль которого соответствует треугольнику Рело.

Что правильнее? Если обратиться к кинематике перемещения такого режущего инструмента (для наглядности можно воспользоваться схемой, приведённой на рис. 1, то можно обнаружить, что съём металла будет производиться только боковой поверхностью, причём плоскостей резания будет не одна, как у обычного сверла, а четыре, что более свойственно фрезам.

Однако одного вращающего движения для получения квадратного отверстия будет недостаточно. Простые математические вычисления (в данной статье не приводятся) показывают: для того, чтобы «сверло» для квадратного отверстия выполняло свою функцию, оно должно при работе описывать не только основное движение вращения режущей кромки, но и качательное движение сверла/фрезы вокруг некоторой оси. Оба движения должны производиться во взаимно противоположных направлениях.

Рисунок 1 – Треугольник Рело: а) – построение; б) последовательность вращения для получения отверстия квадратной формы.

Угловая скорость обоих вращений определяется довольно просто. Если за параметр f принять частоту оборотов вала дрели (либо перфоратора), то для колебательных вращений шпинделя вокруг собственной оси достаточна скорость в 0,625f. В этом случае ось шпинделя как бы зажимается между рабочим валом и приводным колесом, заставляя сверло/фрезу колебаться в зажимном приспособлении с остаточной скоростью

(1 – 0,625)f = 0,375f.

Более точно результирующую скорость вращения фрезы можно установить, пользуясь техническими характеристиками дрели/перфоратора, но ясно, что она будет намного ниже той, на которую изначально рассчитан инструмент. Поэтому получение квадратного отверстия будет происходить с меньшей производительностью.

Устройство и принцип работы

Непосредственно применить фрезу/сверло для квадратных отверстий с профилем треугольника Рело нельзя – необходимы канавки для отвода образующейся стружки.

Поэтому (см. рис. 2) профиль рабочей части инструмента представляет собой вышеописанную фигуру, из которой вырезано три полуэллипса. При этом реализуются три цели: снижаются момент инерции сверла, нагрузки на шпиндель, а также повышается режущая способность фрезы.

Рисунок 2 – Фактический профиль рабочей части инструмента

Конструкция инструмента такова. Собственно, рабочая часть включает в себя рабочую поверхность, которой производится съём металла и отводящие стружку канавки. Изготавливается фреза-сверло для квадратных отверстий из стали У8 и закаливается до твёрдости HRC 52…56. При особо тяжёлых условиях эксплуатации используются изделия из легированной стали Х12 с твёрдостью HRC 56…60. При нормальной подаче СОЖ и из-за сравнительно небольших температур в зоне обработки стойкость инструмента – высокая.

Более сложную конструкцию имеет шпиндель-переходник. Он включает в себя:

1. Корпус.
2. Зубчатый венец.
3. Посадочное место под основной шпиндель (если инструмент устанавливается в инструментальной головке металлорежущего станка, то переходник имеет вид конуса Морзе).
4. Приводной шестерни.
5. Основного шпинделя.
6. Шестерни зацепления с зубчатым венцом.
7. Качающейся втулки.

Для бытовых приспособлений производители фрез/свёрл для квадратных отверстий предлагают накладные рамки, которые соединяются карданной передачей с патроном, и сообщают эксцентрические перемещения режущему инструменту. Толщина такой рамки определяет глубину получаемого отверстия.

Для соединения приспособления с патроном станка необходим ещё специальный переходник. Он состоит из:

1. Корпуса.
2. Плавающего хвостовика.
3. Качающегося кольца.
4. Сменной втулки под патроны разных металлообрабатывающих станков.
5. Крепёжных винтов.
6. Опорных шариков.

Для практического применения рассматриваемого инструмента достаточно придать шпинделю основного оборудования подачу в необходимом направлении. Для изготовления квадратных отверстий с применением такой оснастки пригодны фрезерные протяжные и токарные станки.

Альтернативные способы получения квадратных отверстий

Недостатком свёрл Уаттса считается наличие радиусных дуг в углах квадрата, что не всегда приемлемо. Кроме того, свёрла для квадратных отверстий, изготовленные с использованием треугольника Рело, не могут вести обработку заготовок большой толщины. В таких случаях можно использовать электроэрозионные/лазерные технологии, а также – что проще – применить сварку или штамповку.

Комплекты пробойников для квадратных отверстий выпускаются в ассортименте поперечных размеров до 70×70 мм в металле толщиной до 12…16 мм. В комплект входят:

• Пуансонодержатель под пробойник.
• Направляющая втулка.
• Кольцевой ограничитель хода.
• Матрица.

Для силового воздействия на пробойник можно использовать гидравлический домкрат. Пробитое отверстие выгодно отличается чистотой полученных кромок, а также отсутствием заусенцев. Подобный инструмент производится, в частности, торговой маркой Veritas (Канада).

При наличии в домашнем хозяйстве сварочного инвертора квадратное отверстие в стальной детали можно прожечь. С этой целью в заготовке предварительно сверлится (с запасом) круглое отверстие, затем туда вставляется требуемых размеров квадрат из графита марок ЭЭГ или МПГ, после чего обваривается по контуру. Графит извлекается, а в изделии остаётся квадратное отверстие. Его, при необходимости, можно зачистить и прошлифовать.

Источник