Просверлить отверстие. Что может быть проще, скажете вы? Взял дрель, вставил сверло — раз-два и готово. Ведь так? Так, если только отверстие нужно круглое. А если по чертежу должно быть квадратное? Тут уже посложнее. Можно, конечно, высверлить круглое, а затем доделать уголки напильником. Способ надежный, но мучительно-нудный и зачастую неточный.
Вообще, для деревообработки задача квадратных отверстий решается довольно просто. Существуют специальные долбежно-пазовальные станки. Они помощью цепной или долбежной головки за один проход делают аккуратное квадратное или прямоугольное гнездо. Но это в случае с деревом. А если речь заходит о металле? Долбить сталь или чугун цепной фрезой невозможно, а обычные фрезерные станки с концевыми фрезами оставляют скругленные углы.
И вот здесь на помощь приходит гениальное инженерное решение, основанное на хитроумной геометрии. Имя ему — сверло Уаттса. Эта штука позволяет получать отверстия квадратной формы в металле с минимальными погрешностями. В этой статье разберемся, как это работает и есть ли тут подвох.
Если хотите еще больше интересного и познавательного контента, милости просим в наш телеграм-канал.
Что такое сверло Уаттса и почему оно сверлит квадрат
Чтобы понять, как работает сверло Уаттса, стоит разобраться, что лежит в его основе. А в основе этой — особый треугольник с дугообразными сторонами. Свойства этой геометрической фигуры привлекали внимание еще Леонардо да Винчи. А в XVIII веке их исследовал математик Леонард Эйлер. Однако систематическое изучение этой фигуры провел немецкий инженер Франц Рело (1829-1905). И с тех пор она носит его имя.
Треугольник Рело — это фигура, образованная пересечением трех равных кругов. Представьте себе равносторонний треугольник. Из каждой его вершины проведите окружность радиусом, равным стороне треугольника. Область их пересечения и есть треугольник Рело.
Ключевое свойство этой фигуры: если провести к ней две параллельные опорные прямые, расстояние между ними всегда будет постоянным, независимо от того, как повернут треугольник. Это так называемая фигура постоянной ширины. Но самое интересное начинается, когда треугольник Рело начинают вращать особым образом. Если его центр движется не по кругу, а по траектории, состоящей из четырех эллипсоидных дуг, то вершины треугольника вычерчивают фигуру, почти идеально повторяющую квадрат. И углы такого квадрата будут лишь незначительно скруглены. Настолько незначительно, что площадь этих «недоделанных» уголков составит не более 2% от общей площади квадрата.
Практическое применение геометрической фигуры не заставило себя ждать. В 1914 году английский инженер Гарри Джеймс Уаттс (работавший в США) придумал, как использовать свойства треугольника Рело для сверления. А уже в 1916 году получил патент на свое изобретение. И через год началось серийное производство инструмента, который мы теперь знаем как сверло Уаттса.
Кстати, среди специалистов до сих пор идут споры, правильнее называть этот инструмент сверлом или фрезой. Дело в том, что съем материала происходит боковыми поверхностями, как у фрезы, а не торцом, как у обычного сверла. Но исторически и в обиходе закрепилось название «сверло Уаттса».
Кинематика работы: не просто вращение
Главное отличие сверла Уаттса от обычного — его ось не остается на месте, а совершает сложное движение по эллипсообразной траектории. В то время как само сверло вращается вокруг своей оси и одновременно производит качательные движения в противоположном направлении.
Именно поэтому просто зажать сверло Уаттса в обычный патрон дрели и получить квадратное отверстие не получится. Инструменту необходим сложный «плавающий» патрон или специальная оснастка, которая заставит его двигаться по правильной траектории. Это, кстати, объясняет, почему на станках с ЧПУ такое сверление практически не применяется. Ведь программировать такие сложные движения инструмента крайне затруднительно. Неминуемо потребуется специальная вспомогательная оснастка, вроде шаблона с квадратным отверстием, направляющий движение сверла.
Конструкция сверла Уаттса
Рабочая часть сверла Уаттса в сечении напоминает треугольник Рело, но с тремя выемками-канавками. Эти канавки выполняют несколько важных функций:
- Отвод стружки из зоны резания
- Снижение момента инерции сверла
- Уменьшение нагрузки на шпиндель и повышение режущей способности инструмента
Фактически, у такого сверла присутствуют три режущие кромки, которые снимают металл своей боковой поверхностью.
Выбор стали для сверла Уаттса зависит от условий работы:
- Для обычных условий (например, обработка дерева или мягких металлов) используют углеродистую инструментальную сталь У8А. Твердость такого инструмента после закалки составляет HRC 52-56.
- Для тяжелых условий эксплуатации и работы по твердым металлам применяют легированную сталь Х12, которая обладает большей твердостью — HRC 56-60.
Хвостовик сверла Уаттса может иметь разную форму в зависимости от оборудования, на котором будет использоваться инструмент:
- Цилиндрический или шестигранный — для крепления в патроне дрели или специальном переходнике.
- Конический (конус Морзе) — для установки непосредственно в шпиндель токарного или фрезерного станка.
Для бытового использования (например, в столярных мастерских) производители предлагают накладные рамки, которые соединяются с патроном дрели через карданную передачу. Такая рамка как раз и обеспечивает необходимое эксцентрическое (смещенное) движение сверла. Глубина получаемого отверстия ограничивается толщиной этой рамки.
Сфера применения сверла Уаттса
Такая оснастка находит свое применение в самых разных областях:
- В машиностроении/приборостроении оно используется для обработки различных деталей, в которых нужно сделать квадратные отверстия.
- При изготовлении мебели и при других столярных работах сверло Уаттса применяется для создания шиповых соединений и пазов. Или для отверстий под мебельную фурнитуру (в этом случае часто применяется накладная оснастка для обычной дрели).
- При ремонтных работах и при создании различных бытовых поделок.
Особенности работы со сверлом Уаттса
При сверлении глухих квадратных отверстий нужно учитывать важную особенность: внутренний торец такого отверстия получается не плоским, а имеет сложную конусную форму. Это связано с траекторией движения режущих кромок. И если требуется ровное дно, необходима дополнительная заточка режущей части сверла под конкретную задачу.
Ну и как уже упоминалось, идеального квадрата с прямыми углами сверлом Уаттса не получить. Углы всегда будут иметь небольшое скругление. Радиус этого скругления будет приблизительно равен 0,12 от диаметра сверла, то есть около 2%. Для большинства технических задач такая точность является вполне приемлемой.
Какие есть ограничения
Несмотря на свою гениальность, технология сверления квадратных отверстий имеет ряд ограничений:
- Толщина материала: максимальная толщина обрабатываемого металла обычно не превышает 16 мм.
- Необходимость специальной оснастки: без «плавающего» патрона или направляющей рамки использовать сверло Уаттса в бытовой дрели невозможно.
Альтернативные способы получения квадратных отверстий
Давайте честно, зачастую (а точнее почти всегда) сверла Уаттса под рукой нет. Ну или оно не подходит по параметрам. В этом случае можно использовать другие, альтернативные, методы:
- Если речь идет о массовом производстве деталей, то хорошим выбором будет штамповка или литье.
- Если требуется высокая точность, то поможет лазерная или электроэрозионная резка. Правда, оборудование будет довольно дорогостоящим.
- Ну а если хочется максимального вызова (ну мало ли), то можно использовать старый «дедовский» способ — сначала высверлить круглое отверстие, а потом доработать его напильником, чтобы получить квадрат. Процесс трудоемкий и малопроизводительный, но вполне доступный.
Заключение
Сверло Уаттса — это блестящий пример того, как фундаментальная геометрия (треугольник Рело) находит неожиданное и изящное применение в инженерии. Этот инструмент позволяет эффективно решать сложную задачу — сверление квадратных отверстий — с высокой точностью и производительностью.
Однако это все же решение не для всех. Его использование требует не только самого сверла, но и специальной оснастки, а также понимания кинематики процесса и его ограничений (скругленные углы, ограниченная толщина материала). Тем не менее, там, где это оправдано, сверло Уаттса действительно полезно и удобно.
Кстати, в магазине GEON теперь доступны подарочные карты номиналом от 5 000 до 25 000 ₽.
Это отличный способ порадовать себя или сделать приятный сюрприз другу, коллеге или близкому человеку.
Картой можно оплатить любой товар из ассортимента магазина. Все просто: после оплаты на указанную почту придет письмо с PDF-файлом и промокодом. Добавьте товар в корзину и примените промокод на этапе оформления заказа.
Неиспользованный остаток не сгорает — вы можете перевести его на бонусный счет.
Полезный подарок, который точно не будет пылиться на полке.
А по промокоду DZEN вы получите дополнительную скидку в 3% на товары!
Теги: #сверло Уаттса #треугольник Рело #сверло для квадратных отверстий #как сделать квадратное отверстие в металле #сверление квадратных отверстий #приспособление для сверления квадратных отверстий