Сверло для квадратных отверстий. Открытия Рело и Уаттса

Сверло для квадратных отверстий
Сверло для квадратных отверстийВ большинстве случаев нужно получить отверстия квадратной формы. Традиционные способы малопроизводительны и тяжелы. Самый простой из них сводится к предварительному высверливанию отверстия диаметром, равным вписанной в квадрат окружности, и поэтапному его продалбливанию. Потребуется инструмент, который сможет работать без вращения инструментальной головки, а еще специализированный переходник. Легче воспользоваться говоря иначе «квадратным» сверлом (сверлом Уаттса), или, точнее, фрезой.

чуть чуть истории с геометрией

Ещё в пятнадцатом веке известный Леонардо да Винчи, изучая свойства фигур геометрической формы, внимание обратил на говоря иначе геометрические объекты с равной толщиной. Подобных фигур есть безграничное много, но самой простой – кроме окружности — считается скруглённый треугольник, который вероятно будет образован так. Вычерчивается равносторонний треугольник, любой из углов которого соединяется дугой окружности, проведённой из центра другой стороны. Спецификой такого треугольника будет то, что все его стороны будут иметь постоянную ширину, которая равна длине стороны начального равностороннего треугольника.
Практичную пользу из данного факта извлёк Л. Эйлер, который три столетия спустя показал вращение такого скруглённого треугольника: сначала вокруг своей оси, а потом – с некоторым эксцентриситетом, хорошо карданный механизм науке и технике того времени был уже известен.
Ещё дальше в практическом применении этой фигуры пошёл немецкий инженер Ф. Рело, который обратил на то внимание, что траектория углов двигающегося треугольника при конкретных способах его вращения очень близка к квадрату. Лишь конкретно в углах квадрата поверхность с внешней стороны описывает дугу, тем не менее, маленького радиуса. В сегодняшней технической литературе аналогичный треугольник именуют треугольником Рело, хотя никаких углов у этой фигуры практически уже нет.
Сверло для квадратных отверстий
Пройдёт ещё пару десятилетий, и британец Г. Уаттс придумает устройство, которым можно обеспечить гарантированную квадратную траекторию для инструмента для резки металла. Техническое решение для сверла Уаттса было запатентовано в 1916 году, а спустя год настало промышленное производство подобных инструментов.
Сверло для квадратных отверстий

Сверло или фреза?

Большинство технической общественности считает, что всё-таки фреза. Все таки, производственники храбро продолжают именовать этот инструмент сверлом для квадратных отверстий, сверлом Уаттса или сверлом, профиль которого отвечает треугольнику Рело.
Что правильнее? Если обратиться к кинематике перемещения такого инструмента для резки (для наглядности воспользуйтесь схемой, приведённой на рис. 1, то можно понять, что съём металла будет выполняться только поверхностью сбоку, причём плоскостей резания будет не одна, как у простого сверла, а 4-ре, что более присуще фрезам.
Впрочем одного вращающего движения для получения квадратного отверстия будет мало. Обыкновенные математические вычисления (в этой публикации не приводятся) показывают: для того, чтобы «сверло» для квадратного отверстия выполняло собственную функцию, оно должно во время работы описывать не только основное движение вращения кромки резки, но и качательное движение сверла/фрезы вокруг некоторой оси. Оба движения должны выполняться во обоюдно разных направлениях.
Сверло для квадратных отверстий
Рисунок 1 – Треугольник Рело: а) – построение; б) очередность вращения для получения отверстия формы квадрата.
Угловая скорость двоих вращений определяется очень просто. Если за параметр f принять частоту оборотов вала дрели (либо перфоратора), то для колебательных вращений шпинделя вокруг своей оси достаточна скорость в 0,625f. В данном случае ось шпинделя как бы зажимается между рабочим валом и приводным колесом, вынуждая сверло/фрезу колебаться в зажимном приспособлении с остаточной скоростью
(1 – 0,625)f = 0,375f.
Намного точнее результирующую частота вращения фрезы можно поставить, пользуясь техническими спецификами дрели/перфоратора, но ясно, что она будет ощутимо ниже той, на которую изначально рассчитывается инструмент. Благодаря этому получение квадратного отверстия произойдет с меньшей работоспособностью.

Устройство и рабочий принцип

Конкретно применить фрезу/сверло для квадратных отверстий с профилем треугольника Рело нельзя – нужны канавки для отвода появляющеся стружки.
Благодаря этому (см. рис. 2) профиль рабочей части инструмента собой представляет описанную выше фигуру, из которой вырезано три полуэллипса. При этом реализуются три цели: уменьшаются момент инерции сверла, нагрузки на шпиндель, а еще увеличивается режущая способность фрезы.
Сверло для квадратных отверстий
Рисунок 2 – Практический профиль рабочей части инструмента
Конструкция инструмента такая. Собственно, рабочая часть в себя включает поверхность для работы, которой выполняется съём металла и отводящие стружку канавки. Делается фреза-сверло для квадратных отверстий из стали У8 и закаливается до твёрдости HRC 52…56. При особо тяжёлых эксплуатационных условиях применяются изделия из легированной стали Х12 с твёрдостью HRC 56…60. При нормальной подаче СОЖ и из-за относительно небольших температур в зоне обработки устойчивость инструмента – высокая.
Довольно не простую конструкцию имеет шпиндель-переходник. Он в себя включает:

  1. Корпус.
  2. Зубчатый венец.
  3. Место посадки под ключевой шпиндель (если инструмент монтируется в инструментальной головке металлорежущего станка, то переходник имеет вид конуса Морзе).
  4. Приводной шестерни.
  5. Ключевого шпинделя.
  6. Шестерни зацепления с зубчатым венцом.
  7. Качающейся втулки.

Сверло для квадратных отверстий
Для домашних устройств производственники фрез/свёрл для квадратных отверстий рекомендуют накладные рамки, которые соединяются карданной передачей с патроном, и сообщают эксцентрические перемещения режущему инструменту. Толщина такой рамки определяет глубину получаемого отверстия.
Для соединений устройства с патроном станка нужен ещё специализированный переходник. Он состоит из:

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

Для использования на практике рассматриваемого инструмента достаточно дать шпинделю ключевого оборудования подачу в нужном направлении. Для производства квадратных отверстий с использованием такой оснастки годятся фрезерные протяжные и токарные станки.

Альтернативные способы получения квадратных отверстий

Минусом свёрл Уаттса является наличие радиусных дуг в углах квадрата, что не всегда допустимо. Более того, свёрла для квадратных отверстий, сделанные с применением треугольника Рело, не могут вести обработку заготовок приличной толщины. В данных случаях можно применять электроэрозионные/лазерные технологии, а еще – что легче – 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 комплектации идет:

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

Для силового воздействия на пробойник можно применять гидравлический домкрат. Пробитое отверстие в хорошую сторону выделяется чистотой полученных кромок, а еще отсутствием заусениц. Аналогичный инструмент выполняется, например, торговой маркой Veritas (Канада).
Если есть наличие в доме инверторного сварочного аппарата квадратное отверстие в стальной детали можно прожечь. Для этой цели в заготовке заблаговременно сверлится (с запасом) отверстие круглой формы, потом туда ставится необходимого размера квадрат из графита марок ЭЭГ или МПГ, после этого обваривается по контуру. Графит достается, а в изделии остаётся квадратное отверстие. Его, если необходимо, можно почистить и зашлифовать.