Сверление — это процесс резки , при котором сверло вращается для вырезания отверстия круглого сечения в твердых материалах. Сверло обычно представляет собой вращающийся режущий инструмент , часто многоточечный. Сверло прижимается к заготовке и вращается со скоростью от сотен до тысяч оборотов в минуту . Это прижимает режущую кромку к заготовке, срезая стружку (стружку) из отверстия по мере его сверления.
При бурении горных пород отверстие обычно не делается с помощью кругового режущего движения, хотя долото обычно вращается. Вместо этого отверстие обычно делается путем забивания бурового долота в отверстие быстро повторяющимися короткими движениями. Ударное действие может выполняться снаружи отверстия (бурение с верхним ударником) или внутри отверстия ( бурение с погружным ударником , DTH). Буры, используемые для горизонтального бурения, называются буровыми перфораторами .
В редких случаях для вырезания отверстий некруглого сечения применяются сверла специальной формы; возможно квадратное сечение. [1]
Просверленные отверстия характеризуются острым краем на входной стороне и наличием заусенцев на выходной стороне (если они не были удалены). Кроме того, внутренняя часть отверстия обычно имеет следы винтовой подачи. [2]
Сверление может повлиять на механические свойства заготовки, создавая низкие остаточные напряжения вокруг отверстия и очень тонкий слой сильно напряженного и нарушенного материала на вновь образованной поверхности. Это делает заготовку более восприимчивой к коррозии и распространению трещин на напряженной поверхности. Чтобы избежать этих пагубных условий, можно выполнить финишную операцию.
Для рифленых сверл любая стружка удаляется через канавки. Стружка может образовывать длинные спирали или небольшие хлопья, в зависимости от материала и параметров процесса. [2] Тип образующейся стружки может быть индикатором обрабатываемости материала , при этом длинная стружка предполагает хорошую обрабатываемость материала.
По возможности просверленные отверстия должны располагаться перпендикулярно поверхности заготовки. Это минимизирует тенденцию сверла к «ходьбе», то есть к отклонению от предполагаемой центральной линии отверстия, что приводит к смещению отверстия. Чем выше отношение длины к диаметру сверла, тем больше тенденция к ходьбе. Тенденция к ходьбе также упреждается различными другими способами, которые включают:
Чистота поверхности , получаемая при сверлении, может варьироваться от 32 до 500 микродюймов. Чистовая обработка создаст поверхности около 32 микродюймов, а черновая обработка — около 500 микродюймов.
Смазочно-охлаждающая жидкость обычно используется для охлаждения сверла, увеличения срока службы инструмента, увеличения скорости и подачи , улучшения качества поверхности и облегчения удаления стружки. Применение этих жидкостей обычно осуществляется путем заливки заготовки охлаждающей жидкостью и смазкой или путем распыления тумана. [2]
Принимая решение о том, какое сверло использовать, важно учитывать задачу и оценивать, какое сверло лучше всего справится с ней. Существует множество стилей сверл, каждое из которых служит разным целям. Сверло Subland способно сверлить более одного диаметра. Сверло Spade используется для сверления отверстий большего размера. Сверло со сменными пластинами полезно для удаления стружки. [2]
Целью точечного сверления является сверление отверстия, которое будет служить направляющей для сверления окончательного отверстия. Отверстие сверлится только частично в заготовке, поскольку оно используется только для направления начала следующего процесса сверления.
Центровочное сверло — это двухканавочный инструмент, состоящий из спирального сверла с зенковкой под углом 60°; используется для сверления центральных отверстий с зенковкой в заготовке, устанавливаемой между центрами для токарной обработки или шлифования.
Сверление глубоких отверстий определяется как сверление отверстия глубиной, превышающей диаметр отверстия более чем в десять раз. [3] Для таких типов отверстий требуется специальное оборудование для поддержания прямолинейности и допусков. Другими соображениями являются округлость и чистота поверхности.
Сверление глубоких отверстий обычно достигается несколькими методами оснастки, обычно сверлением ружьем или сверлением BTA. Они различаются по методу ввода охлаждающей жидкости (внутренний или внешний) и методу удаления стружки (внутренний или внешний). Использование таких методов, как вращающийся инструмент и вращающаяся в противоположных направлениях заготовка, является распространенными методами для достижения требуемых допусков прямолинейности. [4] Вторичные методы оснастки включают трепанирование, скашивание и полирование, расточку вытягиванием или бутылочную расточку. Наконец, для решения этой проблемы доступен новый вид технологии сверления: вибрационное сверление. Эта технология разбивает стружку с помощью небольшой контролируемой осевой вибрации сверла. Мелкая стружка легко удаляется канавками сверла.
Высокотехнологичная система мониторинга используется для контроля силы , крутящего момента , вибраций и акустической эмиссии. Вибрация считается основным дефектом при глубоком сверлении, который часто может привести к поломке сверла. Для помощи в этом типе сверления обычно используется специальная охлаждающая жидкость.
Сверление ружейным сверлом изначально было разработано для рассверливания стволов ружей и обычно используется для сверления глубоких отверстий меньшего диаметра. Соотношение глубины к диаметру может быть даже больше 300:1. Ключевой особенностью сверления ружейным сверлом является то, что сверла являются самоцентрирующимися; это то, что позволяет делать такие глубокие и точные отверстия. Сверла используют вращательное движение, похожее на спиральное сверло; однако сверла спроектированы с опорными площадками, которые скользят по поверхности отверстия, удерживая сверло в центре. Сверление ружейным сверлом обычно выполняется на высоких скоростях и низких скоростях подачи.
Трепанирование обычно используется для создания отверстий большего диаметра (до 915 мм (36,0 дюймов)), где стандартное сверло нецелесообразно или экономически невыгодно. Трепанирование удаляет желаемый диаметр путем вырезания сплошного диска, аналогичного работе циркуля . Трепанирование выполняется на плоских изделиях, таких как листовой металл, гранит ( камень для керлинга ), пластины или элементы конструкций, такие как двутавровые балки . Трепанирование также может быть полезным для создания канавок для вставки уплотнений , таких как уплотнительные кольца .
Микросверление относится к сверлению отверстий диаметром менее 0,5 мм (0,020 дюйма). Сверление отверстий такого малого диаметра представляет собой более сложную задачу, поскольку нельзя использовать сверла с подачей охлаждающей жидкости, а также требуются высокие скорости вращения шпинделя. Высокие скорости вращения шпинделя, превышающие 10 000 об/мин, также требуют использования сбалансированных держателей инструмента.
Первые исследования вибрационного сверления начались в 50-х годах (проф. В. Н. Подураев, МГУ им. Н. Э. Баумана). Основной принцип заключается в создании осевых вибраций или колебаний в дополнение к движению подачи сверла, что приводит к дроблению стружки и ее последующему легкому удалению из зоны резания.
Существует две основные технологии вибрационного сверления: самоподдерживающиеся вибрационные системы и системы принудительной вибрации. Большинство технологий вибрационного сверления все еще находятся на стадии исследования. В случае самоподдерживающегося вибрационного сверления собственная частота инструмента используется для того, чтобы заставить его естественно вибрировать во время резки; вибрации самоподдерживаются системой масса-пружина, включенной в держатель инструмента. [5] В других работах используется пьезоэлектрическая система для генерации и управления вибрациями. Эти системы допускают высокие частоты вибрации (до 2 кГц) для небольшой величины (около нескольких микрометров); они особенно подходят для сверления небольших отверстий. Наконец, вибрации могут генерироваться механическими системами: [6] частота задается комбинацией скорости вращения и числа колебаний за оборот (несколько колебаний за оборот), с величиной около 0,1 мм.
Последняя технология является полностью промышленной (пример: технология SineHoling® компании MITIS). Вибрационное сверление является предпочтительным решением в таких ситуациях, как глубокое сверление, сверление штабелей из нескольких материалов (авиация) и сухое сверление (без смазки). В целом, оно обеспечивает повышенную надежность и лучший контроль над процессом сверления.
Интерполяция окружности , также известная как орбитальное сверление , представляет собой процесс создания отверстий с помощью фрезерных станков.
Орбитальное сверление основано на вращении режущего инструмента вокруг собственной оси и одновременно вокруг центральной оси, которая смещена относительно оси режущего инструмента. Затем режущий инструмент может одновременно перемещаться в осевом направлении для сверления или обработки отверстия – и/или в сочетании с произвольным боковым движением для обработки отверстия или полости.
Регулируя смещение, режущий инструмент определенного диаметра может использоваться для сверления отверстий разных диаметров, как показано на рисунке. Это означает, что инвентарь режущего инструмента может быть существенно сокращен.
Термин орбитальное сверление происходит от того, что режущий инструмент «вращается» вокруг центра отверстия. Механически принудительное динамическое смещение при орбитальном сверлении имеет несколько преимуществ по сравнению с обычным сверлением, что значительно повышает точность отверстия. Более низкое усилие осевой нагрузки приводит к отверстию без заусенцев при сверлении металлов. При сверлении композитных материалов проблема с расслоением устраняется. [7]
При нормальном использовании стружка поднимается и отводится от кончика сверла канавкой сверла. Режущие кромки производят больше стружки, которая продолжает движение стружки наружу из отверстия. Это успешно до тех пор, пока стружка не сбивается слишком плотно, либо из-за более глубоких, чем обычно, отверстий, либо из-за недостаточного отвода (небольшое или полное извлечение сверла из отверстия во время сверления). Иногда для решения этой проблемы и продления срока службы инструмента путем охлаждения и смазки кончика и потока стружки используется смазочно-охлаждающая жидкость . Смазочно-охлаждающая жидкость может подаваться через отверстия в хвостовике сверла, что обычно происходит при использовании ружейного сверла. При резке алюминия, в частности, смазочно-охлаждающая жидкость помогает обеспечить ровное и точное отверстие, предотвращая захват металлом сверла в процессе сверления отверстия. При резке латуни и других мягких металлов, которые могут захватить сверло и вызвать «вибрацию», на режущей кромке можно отшлифовать поверхность приблизительно 1-2 миллиметра, чтобы создать тупой угол от 91 до 93 градусов. Это предотвращает "вибрацию", при которой сверло рвет, а не режет металл. Однако при такой форме режущей кромки сверла сверло отталкивает металл, а не захватывает его. Это создает сильное трение и очень горячую стружку.
Для больших подач и сравнительно глубоких отверстий в сверле используются сверла с масляным отверстием, при этом смазка подается в головку сверла через небольшое отверстие в сверле и вытекает по канавке. При сверлении масляных отверстий можно использовать обычную конструкцию сверлильного станка , но она чаще встречается в автоматических сверлильных станках, в которых вращается заготовка, а не сверло.
В станках с числовым программным управлением (ЧПУ) процесс, называемыйСверление с кулачком илипрерывистое сверлениеиспользуется для предотвращения образования стружки при сверлении глубоких отверстий (примерно, когда глубина отверстия в три раза больше диаметра сверла). Сверление с кулачком подразумевает частичное погружение сверла в заготовку, не более чем на пять диаметров сверла, а затем его извлечение на поверхность. Это повторяется до тех пор, пока отверстие не будет закончено. Модифицированная форма этого процесса, называемаявысокоскоростным сверлением с кулачкомилистружкодроблением, лишь немного извлекает сверло. Этот процесс быстрее, но используется только в отверстиях средней длины, в противном случае он перегреет сверло. Он также используется при сверлении волокнистого материала для извлечения стружки.[8][9][ самостоятельно опубликованный источник? ][10]
Когда нет возможности подвести материал к станку с ЧПУ, можно использовать сверлильный станок с магнитным основанием. Основание позволяет сверлить в горизонтальном положении и даже на потолке. Обычно для этих станков лучше использовать фрезы, поскольку они могут сверлить гораздо быстрее с меньшей скоростью. Размеры фрез варьируются от 12 мм до 200 мм DIA и от 30 мм до 200 мм DOC (глубина резания). Эти станки широко используются в строительстве, производстве, судостроении и нефтегазовой промышленности. В нефтегазовой промышленности используются пневматические магнитные сверлильные станки для предотвращения искр, а также специальные трубные магнитные сверлильные станки, которые можно закреплять на трубах разных размеров, даже внутри. Тяжелые пластинчатые сверлильные станки обеспечивают высококачественные решения в производстве стальных конструкций, строительстве мостов, на верфях и в различных областях строительного сектора.
Древесина мягче большинства металлов, поэтому сверление древесины происходит значительно легче и быстрее, чем сверление металла. Смазочно-охлаждающие жидкости не используются и не нужны. Основная проблема при сверлении древесины — обеспечение чистоты входных и выходных отверстий и предотвращение возгорания. Избежать возгорания можно с помощью использования острых сверл и соответствующей скорости резания . Сверла могут вырывать стружку древесины вокруг верхней и нижней части отверстия, а это нежелательно при тонкой деревообработке .
Вездесущие спиральные сверла, используемые в металлообработке, также хорошо работают в древесине, но они имеют тенденцию выкалывать древесину на входе и выходе из отверстия. В некоторых случаях, как в отверстиях для грубой плотницкой работы, качество отверстия не имеет значения, и существует ряд сверл для быстрой резки дерева, включая лопаточные сверла и самозатачивающиеся шнековые сверла. Было разработано много типов специализированных сверл для сверления чистых отверстий в древесине, включая сверла с точечным наконечником, сверла Форстнера и кольцевые пилы . Выкрашивание на выходе можно свести к минимуму, используя кусок дерева в качестве подложки позади обрабатываемой детали, и эта же техника иногда используется для поддержания чистоты входа в отверстие.
Отверстия легче делать в дереве, поскольку сверло можно точно позиционировать, вдавливая его в дерево и создавая углубление. Таким образом, сверло будет иметь меньшую тенденцию к блужданию.
Некоторые материалы, такие как пластик, а также другие неметаллы и некоторые металлы, имеют тенденцию нагреваться настолько, что расширяются, делая отверстие меньше желаемого.
Ниже приведены некоторые сопутствующие процессы, которые часто сопровождают бурение:
