Сверление квадратных отверстий. Сверло Уаттса. Треугольник Рёло.

Отверстия квадратной формы в заготовках или изделиях, выполненных из металла и других материалов, можно получить с помощью режущего инструмента, называемого сверлом для квадратных отверстий. Оно имеет еще одно название – сверло Уаттса. Квадратные отверстия получаются с небольшими закруглениями в углах, которые почти незаметны. Их сверлят, рассверливают и засверливают в металле черном и цветном толщиной не более 16 мм, дереве, фанере и других материалах, включая вещества композитного происхождения. Операция выполняется с помощью дрели, перфоратора или на станках токарных или протяжных. Применяются в промышленности, сельском хозяйстве и быту при изготовлении продукции, ремонте и выполнении поделок собственными руками.

Характеристики сверла для квадратных отверстий

Профиль сверла для выполнения квадратных отверстий соответствует треугольнику специальной формы, который назвали в честь его изобретателя Рело. Отличительная черта: съем металла выполняется боковой частью, плоскостей резания у него 3. При этом в процессе выполнения операции инструмент описывает основное и качательные движения. Выполняются они в противоположных направлениях (треугольник вращается вокруг подвижной оси). Особенность инструмента: он вычерчивает фигуру, представляющую собой пересечение одинаковых кругов. В результате его вершины вычерчивают квадрат. При этом ось вращения перемещается по определенной траектории, а не стоит на месте.

Как и любое сверло, изделие конструктивно состоит из рабочей части и хвостовика, с помощью которого крепится в патрон, шпиндель или специальное приспособление инструмента или станка. В профиле рабочей части предусмотрены эллипсовидные канавки для отвода стружки в процессе высверливания отверстий. Благодаря их наличию уменьшается нагрузка на зажимное устройство, повышается резательная способность кромок и снижается уровень инерции. Значительно повышает срок эксплуатации режущего инструмента использование охлаждающей жидкости (СОЖ) в процессе выполнения операции. В некоторых моделях сверл квадратного профиля могут предусматриваться канавки для прохождения жидкости.

Сверла для квадратных отверстий классифицируют по таким параметрам:

• материалу, с которым могут работать (по металлу, дереву);
• материалу изготовления (сталь легированная, углеродистая, быстрорежущая, сплав);
• способу изготовления (цельные, составные);
• конструкции (с накладной рамкой, переходником и без них);
• конструкции хвостовой части (цилиндрическая, коническая, шестигранная);
• серии исполнения (укороченная, средняя, длинная);
• классу точности (нормальный, повышенный);
• диаметру;
• длине рабочей части.

По длине и диаметру отечественные изделия должны соответствовать требованиям ГОСТ 886-77, 4010-77 и 10902-77, импортные аналоги – действующим зарубежным стандартам. На хвостовик каждого сверла, выполняющего квадратный профиль в разных по плотности материалах, наносят маркировку. Указывается диаметр сверла, материал, из которого оно изготовлено, и даже логотип или наименование компании. Ходовыми являются сверла диаметром 9, 16, 23, 28 и 33 мм и длиной соответственно 50, 60, 75, 85 и 90 мм.

Геометрические параметры

К основным геометрическим параметрам относят такие показатели:

• диаметр, указываемый в мм;
• длина общая, мм;
• длина рабочей части, мм;
• угол заточки в градусах.

Кроме того, выбирая сверло квадратное, обращают внимание на хвостовик, который должен соответствовать шпинделю инструмента или комплекту приспособлений, для его крепления. Сверление квадратных отверстий необходимо выполнять после предварительной разметки и кернения центра будущего отверстия. Рекомендуется начинать сверление при низких скоростях вращения, а затем перейти на ту скорость, которая указана в паспортных данных станка или инструмента.

Как еще можно выполнить квадратное отверстие

Многих интересует, какими способами можно просверлить квадратное отверстие, если в наличии нет сверла Уаттса. На производстве на тонкостенном металле выполняют их методом штамповки, на более толстых заготовках выполняют методом литья, сваркой или с применением лазерной или электроэрозионной технологии. Кроме того, в торговой сети можно купить специальные комплекты пробойников, которые предназначены для изготовления квадратных отверстий размером до 70х70 мм. Состоит комплект из таких деталей:

• пробойника;
• матрицы;
• ограничителя хода;
• втулки направляющей;
• пуансонодержателя.

Воздействие на пробойник осуществляют с помощью домкрата гидравлического типа.

Совсем простой и малоэффективный способ – выполнить отверстие сверлом диаметром, который будет равен стороне квадрата, а затем доводить с помощью рашпилей и напильников до квадратной формы. На листовом металле небольшой толщины можно выполнить квадрат таким способом: взять сверло небольшого диаметра и вначале просверлить по углам квадрат, а затем по периметру с определенным шагом. Затем остается только вырубить эту часть, зачистить и при необходимости отшлифовать. Но такие отверстия можно выполнять, если к параметрам поверхности не предъявляются требования по шероховатости и точности изготовления.

На видео наглядно показан процесс рассверливания отверстия круглой формы в квадратное с помощью сверла Уаттса:

Просим тех, кто работал с таким режущим сверлом, поделиться опытом работы в комментариях к тексту, рассказать, каким оборудованием или инструментом пользовались и какие нюансы выполнения операции учитывали.

ДомойПоменял и забылСверло 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.

//www.youtube.com/watch?v=60WbTPNFT-8

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.

Содержание:

О том, как просверлить отверстие круглой формы, знает практически каждый, а про сверло для квадратных отверстий известно далеко не всем. Между тем просверлить отверстие квадратной формы можно как в изделиях из мягкой древесины, так и в более твердых металлических деталях. Для решения такой задачи используются специальные инструменты и приспособления, принцип действия которых основан на свойствах простейших геометрических фигур.

Сверло Уаттса

Принципы действия и конструкция

Для того чтобы просверлить квадратное отверстие, обычно используют сверло Уаттса, в основу конструкции которого положена такая геометрическая фигура, как треугольник Рёло. Одна из важнейших особенностей такой фигуры, представляющей собой область пересечения трех равных кругов, состоит в следующем: если к такому треугольнику провести пару параллельных опорных прямых, то расстояние между ними будет всегда постоянным. Таким образом, если двигать центр треугольника Рёло по траектории, описываемой четырьмя эллипсоидными дугами, его вершины будут вычерчивать практически идеальный квадрат, у которого будут лишь несколько скруглены вершины.

Свойство треугольника Рёло

Уникальные свойства треугольника Рёло позволили создать сверла для квадратных отверстий. Особенностью использования такого инструмента является то, что ось его вращения должна не оставаться на месте, а перемещаться по вышеописанной траектории. Естественно, этому перемещению не должен препятствовать патрон оборудования. При использовании такого сверла и соответствующей оснастки квадратное отверстие получается с идеально ровными и параллельными сторонами, но с немного скругленными углами. Площадь таких необработанных инструментом уголков составляет лишь 2% от площади всего квадрата.

Изготовление устройства для сверления квадратных отверстий

Используя сверла Уаттса, работающие по принципу треугольника Рёло, можно выполнять сверление квадратных отверстий в металлических заготовках даже на обычном станке, не оснащенном специальными насадками. Для того же, чтобы создать квадратное отверстие в деревянной детали, можно использовать и обычную дрель, но для этого ее необходимо оснастить дополнительными приспособлениями.

Изготовить несложное устройство, позволяющее просверлить квадратные отверстия в деревянных заготовках, можно по следующим рекомендациям.

• Для начала, используя лист фанеры или деревянную доску небольшой толщины, необходимо сделать сам треугольник Рёло, геометрические параметры которого должны соответствовать диаметру применяемого сверла Уаттса.
• Сверло надо жестко зафиксировать на поверхности изготовленного треугольника.
• Чтобы треугольник Рёло и закрепленное на нем сверло перемещались по требуемой траектории, необходимо изготовить деревянную направляющую рамку. Во внутренней части рамки следует вырезать квадрат с геометрическими параметрами, полностью соответствующими размерам отверстия, которое вы собираетесь просверлить.
• Рамка при помощи специальной планки фиксируется на дрели, при этом центр треугольника Рёло, помещаемого в направляющую рамку, должен совпадать с осью вращения патрона электроинструмента.
• Для того чтобы сообщить сверлу для выполнения квадратного отверстия крутящий момент, но при этом не создать ограничений для перемещения инструмента в поперечном направлении, хвостовик соединяют с патроном дрели посредством передаточного механизма, работающего по принципу карданного вала грузового автомобиля.
• Деревянную заготовку, в которой необходимо просверлить квадратное отверстие, следует надежно зафиксировать, при этом расположить ее так, чтобы центр будущего отверстия строго совпадал с осью вращения используемого для обработки сверла.

Чертеж деталей приспособления для сверления квадратного отверстия

Таблица 1. Размеры направляющих втулок

Таблица 2. Размеры сверл (нажмите для увеличения)

Собрав такое несложное устройство, надежно зафиксировав все элементы его конструкции и обрабатываемую заготовку, можно включать электрическую дрель и начинать процесс сверления.

Как уже говорилось выше, просверленное при помощи такого устройства квадратное отверстие будет иметь абсолютно ровные и параллельно расположенные стороны, но его угловые участки будут слегка закруглены. Решить проблему с закругленными углами несложно: можно доработать их при помощи обычного надфиля.

Следует иметь в виду, что используют вышеописанное приспособление, не отличающееся высокой жесткостью, для сверления отверстий квадратной формы в деревянных заготовках небольшой толщины.

Сверло Уаттса и сделанное с его помощью квадратное отверстие в металлической заготовке

Используемые источники:

• https://wikimetall.ru/oborudovanie/sverlo-dlya-kvadratnyh-otverstij.html
• https://proinstrumentinfo.ru/sverlo-dlya-kvadratnyx-otverstij-treugolnik-relo-sverlo-uattsa/
• http://met-all.org/oborudovanie/prochee/sverlo-dlya-kvadratnyh-otverstij-uattsa-relo.html