Сверление: процесс создания отверстий в твердых материалах.

Введение

Процесс резки, при котором сверло используется для прорезания круглого отверстия в заготовке.

Сверление – это процесс резки, при котором сверло вращается для создания отверстия с круглым поперечным сечением в твердых материалах. Сверло обычно является вращающимся режущим инструментом, часто многолезвийным. Сверло прижимается к заготовке и вращается со скоростью от сотен до тысяч оборотов в минуту. Это заставляет режущую кромку воздействовать на заготовку, срезая стружку (сва́рку) при сверлении отверстия. При бурении горных пород отверстие обычно не создается круговым движением, хотя сверло обычно вращается. Вместо этого отверстие обычно формируется путем ударного воздействия сверла с быстрыми, повторяющимися короткими движениями. Ударное воздействие может осуществляться снаружи отверстия (ударное бурение сверху) или внутри отверстия (ударное бурение снизу, DTH). Буровые установки, используемые для горизонтального бурения, называются дрифтерными установками. В редких случаях для создания отверстий некруглой формы используются сверла специальной формы; возможно создание отверстия с квадратным поперечным сечением.

Процесс

Для просверленных отверстий характерны острые кромки со стороны входа и наличие заусенцев со стороны выхода (если они не удалены). Также, внутренняя поверхность отверстия обычно имеет спиральные следы подачи. Бурение может влиять на механические свойства заготовки, создавая низкие остаточные напряжения вокруг отверстия и тонкий слой сильно деформированного и напряженного материала на новой поверхности. Это повышает восприимчивость заготовки к коррозии и развитию трещин в зоне напряжения. Для устранения этих неблагоприятных условий может быть выполнена отделочная обработка. В сверлах с канавками чипы удаляются по канавкам. В зависимости от материала и параметров процесса, чипы могут образовывать длинные спирали или мелкую стружку. Для изготовления таких отверстий требуется специальное оборудование для обеспечения прямолинейности и соблюдения допусков. Важными параметрами также являются округлость и шероховатость поверхности. Глубокие отверстия обычно сверлят методами глубокого сверления с пушкой или BTA-сверления. Они различаются способом подачи охлаждающей жидкости (внутренним или внешним) и способом удаления чипов (внутренним или внешним). Распространенными методами достижения требуемой прямолинейности являются использование вращающегося инструмента и встречно вращающейся заготовки. К дополнительным методам обработки относятся трепанирование, скоблирование и полирование, расточка с вытяжкой или сверление "бутылочным" сверлом. Для решения этой задачи разработана новая технология сверления – вибрационное сверление. Она разрушает чипы посредством небольшой контролируемой осевой вибрации сверла. Мелкая стружка легко удаляется по канавкам сверла. Высокотехнологичная система мониторинга контролирует силу, крутящий момент, вибрацию и акустическую эмиссию. Вибрация считается серьезным дефектом при глубоком сверлении, часто приводящим к поломке сверла. Для этого типа сверления обычно используется специальная охлаждающая жидкость.

Стрелковое бурение

Стрелковое сверление первоначально было разработано для просверливания стволов огнестрельного оружия и обычно используется для сверления глубоких отверстий малого диаметра. Отношение глубины к диаметру может достигать и более 300:1. Ключевой особенностью стрелкового сверления является самоцентрирование сверл; это позволяет получать такие глубокие и точные отверстия. Сверла используют вращательное движение, аналогичное спиральному сверлу; однако, они оснащены опорными колодками, которые скользят по стенкам отверстия, центрируя сверло. Стрелковое сверление обычно выполняется на высоких скоростях и с низкой подачей.

Трепания

Трепанирование обычно используется для создания отверстий большого диаметра (до указанного размера), когда применение стандартного сверла не представляется возможным или экономически целесообразным. Трепанирование удаляет материал в пределах заданного диаметра, вырезая сплошной диск по принципу работы циркуля. Трепанирование применяется к плоским заготовкам, таким как листовой металл, гранит (камни для кёрлинга), плиты или конструкционные элементы, например, двутавры. Трепанирование также может быть полезно для создания пазов для установки уплотнительных колец, таких как O-ring.

Микробурение

Микросверление относится к сверлению отверстий диаметром менее [укажите диаметр, если он известен из контекста]. Сверление отверстий такого малого диаметра представляет собой более сложную задачу, поскольку нельзя использовать сверла с подачей охлаждающей жидкости и требуются высокие скорости вращения шпинделя. Высокие скорости вращения шпинделя, превышающие 10 000 об/мин, также требуют применения сбалансированных патронов для инструмента.

Вибрационное бурение

Первые исследования вибрационного бурения начались в 1950-х годах (проф. В. Н. Подураев, Московский Бауманский университет). Основной принцип заключается в создании осевых вибраций или колебаний в дополнение к поступательному движению бура, чтобы стружка разрушалась и затем легко удалялась из зоны резания. Существует две основные технологии вибрационного бурения: системы с автоколебаниями и системы принудительных колебаний. Большинство технологий вибрационного бурения все еще находятся на стадии исследований. В случае бурения с автоколебаниями используется собственная частота инструмента для обеспечения его естественной вибрации в процессе резания; колебания поддерживаются за счет системы, включающей массу и пружину, встроенную в держатель инструмента. В других разработках используется пьезоэлектрическая система для генерации и управления вибрациями. Эти системы обеспечивают высокие частоты вибраций (до 2 кГц) при небольшой амплитуде (около нескольких микрометров); они особенно подходят для сверления малых отверстий. Наконец, вибрации могут генерироваться механическими системами: частота определяется комбинацией скорости вращения и числа колебаний за оборот (несколько колебаний за оборот), а амплитуда составляет около 0,1 мм. Эта последняя технология является полностью промышленной (например, технология SineHoling® компании MITIS). Вибрационное бурение является предпочтительным решением в таких случаях, как бурение глубоких отверстий, бурение многослойных материалов (авиастроение) и сухое бурение (без смазочной жидкости). В целом, оно обеспечивает повышенную надежность и улучшенный контроль процесса бурения.

Интерполяция круга

Интерполяция круга, также известная как орбитальное сверление, — это процесс создания отверстий с использованием режущего инструмента. Орбитальное сверление основано на вращении режущего инструмента вокруг своей оси и одновременно вокруг центральной оси, смещенной относительно оси режущего инструмента. Затем режущий инструмент может перемещаться одновременно в осевом направлении для сверления или обработки отверстия, и/или комбинироваться с произвольным боковым движением для обработки отверстия или полости. Путем регулировки смещения режущий инструмент определенного диаметра может использоваться для сверления отверстий разных диаметров, как показано на иллюстрации. Это позволяет существенно сократить номенклатуру режущего инструмента. Термин «орбитальное сверление» происходит от того, что режущий инструмент «вращается» вокруг центра отверстия. Механически заданное динамическое смещение при орбитальном сверлении имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционным сверлением, что значительно повышает точность отверстия. Меньшее усилие подачи приводит к образованию меньшей заусенки при сверлении металлов. При сверлении композитных материалов проблема расслоения устраняется.

Бурение в металле

При нормальном использовании стружка отводится вверх и от острия сверла за счет спиральных канавок сверла. Режущие кромки образуют больше стружки, которая продолжает движение стружки наружу из отверстия. Это успешно до тех пор, пока стружка не начинает слишком плотно сбиваться, либо из-за большей, чем обычно, глубины отверстия, либо из-за недостаточного высвобождения (небольшого или полного извлечения сверла из отверстия во время сверления). Режущая жидкость иногда используется для облегчения этой проблемы и продления срока службы инструмента за счет охлаждения и смазки острия и потока стружки. Охлаждающая жидкость может подаваться через отверстия в хвостовике сверла, что обычно применяется при использовании проходного сверла. Особенно при обработке алюминия режущая жидкость помогает обеспечить гладкое и точное отверстие, предотвращая заклинивание металла в сверле в процессе сверления. При обработке латуни и других мягких металлов, которые могут заклинивать сверло и вызывать "вибрацию", на режущей кромке можно заточить фаску толщиной около 1-2 миллиметров, чтобы создать тупой угол от 91 до 93 градусов. Это предотвращает "вибрацию", при которой сверло не режет, а рвет металл. Однако при такой форме режущей кромки сверло выталкивает металл, а не захватывает его. Это создает высокое трение и очень горячую стружку. Для больших подач и относительно глубоких отверстий в сверле используются сверла с отверстиями для подачи масла, в которые смазочный материал подается к головке сверла через небольшое отверстие в сверле и вытекает вдоль спиральных канавок. Для сверления с подачей масла можно использовать обычную сверлильную установку, но чаще это автоматические сверлильные станки, в которых вращается заготовка, а не сверло. На станках с числовым программным управлением (ЧПУ) используется процесс, называемый периодическим сверлением или прерывистым сверлением, для предотвращения чрезмерного накопления стружки при сверлении глубоких отверстий (примерно, когда глубина отверстия в три раза превышает диаметр сверла). Периодическое сверление включает в себя погружение сверла на часть глубины заготовки, не более чем в пять раз превышающую диаметр сверла, а затем его извлечение на поверхность. Это повторяется до завершения отверстия. Модифицированная форма этого процесса, называемая высокоскоростным периодическим сверлением или разрушением стружки, лишь слегка извлекает сверло. Этот процесс быстрее, но используется только для умеренно длинных отверстий, иначе сверло может перегреться. Он также используется при сверлении волокнистых материалов для разрушения стружки. Если невозможно доставить заготовку к станку ЧПУ, можно использовать бурильную машину с магнитной основой. Основание позволяет сверлить в горизонтальном положении и даже на потолке. Обычно для этих машин лучше использовать резцы, так как они могут сверлить гораздо быстрее при меньших оборотах. Размеры резцов варьируются от 12 мм до 200 мм в диаметре и от 30 мм до 200 мм по глубине реза. Эти машины широко используются в строительстве, производстве, судостроении и нефтегазовой промышленности. В нефтегазовой промышленности для предотвращения искрообразования используются пневматические бурильные машины с магнитной основой, а также специальные трубные бурильные машины с магнитной основой, которые можно крепить к трубам разных размеров, даже внутри них. Мощные станки для сверления плит обеспечивают высококачественные решения при производстве стальных конструкций, мостов, на судостроительных верфях и в различных областях строительного сектора.

Under normal usage, swarf is carried up and away from the tip of the drill bit by the fluting of the drill bit. The cutting edges produce more chips which continue the movement of the chips outwards from the hole. This is successful until the chips pack too tightly, either because of deeper than normal holes or insufficient backing off (removing the drill slightly or totally from the hole while drilling). Cutting fluid is sometimes used to ease this problem and to prolong the tool's life by cooling and lubricating the tip and chip flow. Coolant may be introduced via holes through the drill shank, which is common when using a gun drill. When cutting aluminum in particular, cutting fluid helps ensure a smooth and accurate hole while preventing the metal from grabbing the drill bit in the process of drilling the hole. When cutting brass, and other soft metals that can grab the drill bit and causes "chatter", a face of approx. 1 2 millimeters can be ground on the cutting edge to create an obtuse angle of 91 to 93 degrees. This prevents "chatter" during which the drill tears rather than cuts the metal. However, with that shape of bit cutting edge, the drill is pushing the metal away, rather than grabbing the metal. This creates high friction and very hot swarf. For heavy feeds and comparatively deep holes oil hole drills are used in the drill bit, with a lubricant pumped to the drill head through a small hole in the bit and flowing out along the fluting. A conventional drill press arrangement can be used in oil hole drilling, but it is more commonly seen in automatic drilling machinery in which it is the workpiece that rotates rather than the drill bit. In computer numerical control (CNC) machine tools a process called peck drilling, or interrupted cut drilling, is used to keep swarf from detrimentally building up when drilling deep holes (approximately when the depth of the hole is three times greater than the drill diameter). Peck drilling involves plunging the drill part way through the workpiece, no more than five times the diameter of the drill, and then retracting it to the surface. This is repeated until the hole is finished. A modified form of this process, called high speed peck drilling or chip breaking, only retracts the drill slightly. This process is faster, but is only used in moderately long holes, otherwise it will overheat the drill bit. It is also used when drilling stringy material to break the chips. When it is not possible to bring the material to the СNС machine, a Magnetic Base Drilling Machine may be used. The base allows drilling in a horizontal position and even on a ceiling. Usually, for these machines, it is better to use cutters because they can drill much faster with less speed. Cutter sizes vary from 12mm to 200mm DIA and from 30mm to 200mm DOC(depth of cut). These machines are widely used in construction, fabrication, marine, and oil & gas industries. In the oil and gas industry, pneumatic magnetic drilling machines are used to avoid sparks, as well as special tube magnetic drilling machines that can be fixed on pipes of different sizes, even inside. Heavy duty plate drilling machines provide high quality solutions in the manufacturing of steel construction, bridge construction, shipyards, and various fields of the construction sector.

Бурение в древесине

Так как древесина мягче большинства металлов, сверление в древесине значительно легче и быстрее, чем в металле. Смазочно-охлаждающие жидкости не используются и не требуются. Основная задача при сверлении древесины – обеспечение чистоты входного и выходного отверстий и предотвращение обугливания. Чтобы избежать обугливания, необходимо использовать острые сверла и подходящую скорость резания. Сверла могут скалывать древесину вокруг верхней и нижней части отверстия, что нежелательно при изготовлении тонких деревянных изделий. Распространенные спиральные сверла, используемые для работы с металлом, также хорошо подходят для древесины, но они склонны к сколам на входе и выходе из отверстия. В некоторых случаях, например, при сверлении отверстий для черновой столярной работы, качество отверстия не имеет значения, и существует ряд сверл для быстрой резки древесины, включая перовые и самоподъемные шнековые сверла. Разработано множество специализированных сверл для сверления чистых отверстий в древесине, таких как сверла с центральным острием, сверла Форстнера и корончатые сверла. Сколы при выходе можно минимизировать, подложив под заготовку кусок дерева, и тот же прием иногда используется для аккуратного начала отверстия. Начать сверление в древесине проще, так как сверло можно точно позиционировать, прижимая его к древесине и создавая небольшое углубление. Таким образом, сверло будет меньше отклоняться.

Другие

Некоторые материалы, такие как пластмассы, а также другие неметаллы и некоторые металлы, имеют тенденцию нагреваться настолько, что расширяются, уменьшая отверстие до размеров, меньших желаемых.