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.
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.
Что такое коронка по дереву?
Насадка с напылением для обработки фанеры, ДСП, пластика, металла – известное приспособление, называющееся коронка для сверления дерева и других материалов. Выглядит она как чаша с зубцами, расположенными по краю обода. Надевается на специальный патрон для дрели и вращается благодаря электроинструменту. Глубина отверстия может быть разной, от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. От диаметра фрезы зависит количество зубьев на ней: чем крупнее коронка по дереву, тем большее число зубчиков на ней расположено. Типовой набор кольцевой насадки комплектуется элементами:
- головкой с режущими зубьями;
- хвостовиком;
- центральным сверлом.
Для чего нужна коронка по дереву?
Кольцевая насадка на дрель, с помощью которой легко можно просверлить отверстие любого диаметра, широко применяется в ремонтных работах. Хорошо заточенная профессиональная коронка по дереву для подрозетников позволяет получить аккуратные выемки в стенах, гипсокартоне, деревянных сооружениях необходимого размера. Чистый рез с ровной внутренней поверхностью без сколов и заусенец можно сделать с помощью такой насадки. Центровать поверхность перед сверлением нет необходимости, выпиливание происходит быстро и тихо.
Можно ли коронкой по дереву сверлить металл?
Корончатое сверло прекрасно справляется со своей основной задачей – сверлением отверстий. Специалисты подтверждают, что с его помощью возможно обрабатывать не только древесину. Коронка для отверстий в дереве, выполненная из особенных марок стали с напылением, способна обработать более прочные материалы. С ее помощью легко и просто получить отверстие в цветных металлах любой твердости. Планируя работу со сложными материалами, следует выбирать сверло с маркировками HCS, такая коронка по твердому дереву и металлу легко справится с любой задачей.
https://youtube.com/watch?v=ofHypLFxXE8
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.
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.
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.
Оборудование и приспособления для сверления
Для каждого из этапов разработан инструмент для сверления отверстий. На подготовительной стадии применяются следующие инструменты, позволяющие производить точную разметку места положения будущего отверстия. Для этого применяют: керн, специальный шаблон или кондуктор. Керн представляет собой хорошо заточенный стержень из прочной инструментальной стали. С его помощью наносят углубление на поверхности заготовки, в точке, где планируется произвести сверление. Попадая в это углубление, сверло не скользит по поверхности и производится точное сверление.
Для повышения производительности на предприятиях с массовым производством изготавливают специальные шаблоны. Они позволяют производить разметку мест будущих отверстий у однотипных заготовок. Специальные шаблоны применяют для высверливания на цилиндрических поверхностях. Их изготавливают из стальной полоски, согнутой под прямым углом. На одной из поверхностей сверлят небольшое отверстие, которое в дальнейшем позволит керном наносить отметку на цилиндрической поверхности.
Для получения повышенной точности разметки, соблюдения вертикального положения сверла и соблюдения заданного расстояния, между отверстиями применяется инструмент называемый кондуктором. Кроме этого его применяют при сверлении тонкостенных изделий, для которых не возможно сильное механическое воздействие (например, удар молотка по керну).
Кроме этих изделий применяют инструменты и приспособления позволяющие производить сверление дрелью при её жесткой фиксации. С этой целью применяю:
- направляющий фиксатор;
- удерживающая стойка;
- кондуктор для направления движения сверла.
Первые два приспособления изготавливаются под конкретную конструкцию электродрели. Кондуктор позволяет точно направлять сверло к месту будущего отверстия. Его успешно используют для размеров, не превышающих 20 миллиметров. Поэтому при изготовлении отверстий большого диаметра с помощью кондуктора производят предварительное рассверливание.
Все эти проблемы легко решаются при применении сверлильных или токарных станков. Сверлильные станки делятся на три категории:
- универсальные;
- специализированные;
- специальные.
Они классифицируются по следующим признакам:
- конструкцией стола;
- уровню автоматизации;
- количеству имеющихся шпинделей;
- степени точности;
- наличию дополнительных возможностей.
Первая категория станков позволяет решать практически весь спектр задач по производству отверстий. Серьёзным ограничением служит допустимое расстояние, на которое может двигаться патрон с закреплённым сверлом. Это обстоятельство не позволяет производить сверления на большую глубину. В этом случае применяют специализированные станки. Для повышения производительности труда и увеличении количества выпускаемых однотипных деталей конструируют специальные агрегаты. Они способны выполнять перечень необходимых операций с высокой точностью и скоростью.
По конструкции такие станки выпускаются с одним или несколькими шпинделями. Конструкция стола отличается многообразием: обычные, плавающие, подъёмные и другие. Уровень автоматизации определяется способом выполнения операций сверления. Самыми простыми станками являются ручные и механические. Более совершенными являются автоматические и станки с числовым программным управлением.
Кроме сверлильных станков для решения этих задач используют различные токарные станки.
На токарных станка можно выполнять весь перечень операций связанных с получением отверстий: непосредственно само сверление, рассверливание с последующим развёртыванием или зенкованием.
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.
Как вырезать круглые отверстия
С помощью логических операций Boolean
Такой способ вырезать отверстие в объекте мы уже разбирали очень подробно в этом уроке. Метод действительно хорош своей простотой, но сетка после манипуляций с булеан может получиться «кривая». Иногда проблемы с сеткой помогает решить применение ProBoolean.
С помощью ProCutter
Этот инструмент позволяет делать отверстия почти также, как Boolean. Создаем объект в котором будем вырезать дыры, и объект, или несколько, которые будем вырезать. У меня это два цилиндра.
Теперь выбираем большой цилиндр и применяем к нему ProCutter. Жмем Create – Compound – ProCutter.
Выбираем большой цилиндр, прописываем настройки как у меня на скриншоте, затем, с нажатой кнопкой Pick Stock Object выбираем объекты, которые будем вычитать.
Получаем идеально круглые отверстия.
«Ручным» методом
Этот метод позволяет более грамотно вписать окружность в сетку 3-d модели, но времени придется потратить гораздо больше. Создаем сферу с помощью стандартных примитивов Standard Primitives и конвертируем ее в Editable Poly.
Переходим в режим Vertex и ставим галочку рядом с Ignore BackFacing, таким образом мы не зацепим случайно точки на другой стороне сферы.
Примечаем любой квадрат сетки, выбираем три его вершины (как указано на скриншоте) и соединяем их диагональю с помощью Connect. Создаем таким методом две диагонали.
Выбираем точку на месте пересечения диагоналей и жмем кнопочку Champfer, прописываем радиус.
Переходим на уровень Edge и выбираем две противостоящие линии сетки, затем жмем кнопочку Connect, задаем 4 сегмента.
Так делаем со всеми смежными с окружностью эйджами.
Переходим в режим точек Vertex, у нас должны быть выбраны точки, принадлежащие будущей окружности. Накидываем модификатор Spherify.
Получаем круглое отверстие. Теперь мы можем конвертировать объект, например, в Editable Poly, чтобы проводить манипуляции с ним.
С помощью Loop Regularizer
Еще один способ — воспользоваться бесплатным скриптом Loop Regularizer, который можно . Качаем его, затем перетягиваем сохранившийся файл в открытое окно 3д макса.
Как пользоваться скриптом, расскажу на примере. Создаем прямоугольник, задаем ему два сегмента по высоте и ширине. Переводим его в Editable Poly. Переходим на уровень редактирования Edge и двойным щелчком мыши выбираем все эйджи, делящие прямоугольник пополам в вертикальной плоскости.
Жмем кнопку Chamfer, задаем количество сегментов (чем больше, тем более округлым будет отверстие), задаем расстояние.
Теперь то же сделаем и для горизонтальных эйджей.
Переходим на уровень Polygon и выделяем все полигоны в центре с обоих сторон прямоугольника.
Щелкаем ПКМ на экране и выбираем появившуюся после установки скрипта строчку Regularize.
Квадрат преобразовался в окружность. Как я уже говорила, она была бы более сглаженной, если бы мы задали больше сегментов Chamfer.
Теперь нажимаем кнопочку Bridge и получаем сквозное отверстие.
