Лестницы. Входная группа. Материалы. Двери. Замки. Дизайн

В материале любой плотности по силам каждому. А как быть, если необходимо квадратное отверстие? Многим покажется неправдоподобной возможность высверлить квадрат в мягкой податливой древесине или в детали из прочного металла. Справляется с этой непростой задачей сверло Уаттса.

История с геометрией

Мастера и сегодня для получения квадратного отверстия просверливают круглую дырочку соответствующего диаметра и специальными инструментами продалбливают уголки. Гораздо быстрее и проще выполнить эту операцию можно «квадратным» сверлом Уаттса. Основой его конструкции является треугольник Рёло - фигура, образованная пересечением трёх одинаковых окружностей. Радиусы этих кругов равны стороне правильного треугольника, и его вершины являются центрами окружностей.

Фигура носит имя немецкого учёного Франца Рёло, так как он первым детально исследовал свойства полученного треугольника и применял их в своих изобретениях. Однако геометрия треугольника Рёло использовалась в форме окон при строительстве церкви Богоматери в Брюгге ещё в XIII веке. В начале XVI века Леонардо Да Винчи изобразил «карту мира» на четырёх треугольниках Рёло. Эта фигура встречается в его манускриптах и Мадридском кодексе. В XVIII веке треугольник из равных дуг трёх окружностей продемонстрировал известный математик Леонард Эйлер. В 1916 году английский работающий в США инженер Гарри Уаттс разработал и запатентовал фрезу для квадратных отверстий в «плавающем» патроне.

Особенности сверла Уаттса

Уникальное изобретение позволяет получать отверстия почти правильной формы: углы квадрата скруглены небольшим радиусом. Необработанная площадь квадратного отверстия не превышает 2%. Отличительной чертой треугольного сверла Уаттса является то, что при вращении его центр описывает дугообразные эллипсоидные кривые, а не стоит на месте как у традиционного спирального сверла. Вершины треугольника при таком движении вычерчивают квадрат с параллельными идеально ровными сторонами. Патрон для такой фрезы имеет оригинальную, не препятствующую движению, конструкцию.

Строение сверла для квадратных отверстий

При образуется стружка, и фреза должна иметь канавки для ее отвода. Профиль рабочей части сверла Уаттса представляет собой треугольник Рёло с вырезанными из него тремя половинками эллипсов.

Такая конструкция с канавками для отвода стружек решает одновременно 3 задачи:

1. Снижается инерция сверла.
2. Повышается способность сверла резать.

Обычно квадратные отверстия проделываются на токарных или фрезерных Сверло для квадратных отверстий фиксируется патроном станка специальным переходником. Для бытового использования квадратной фрезы производители предлагают накладные рамки, соединяющиеся с патроном карданной передачи и сообщающие режущему инструменту эксцентрические перемещения. Глубина отверстия соответствует толщине рамки.

Сталь для сверла

Сегодня качественные свёрла, работающие быстро и долго, производятся из высоколегированных марок стали. В своём составе такие сплавы содержат более 10% легирующих добавок, таких как вольфрам, хром, ванадий и молибден. Различное процентное соотношение элементов и разнообразные методы закалки стали образуют сплавы, различающиеся по уровню твёрдости, вязкости, сопротивлению нагрузке при ударе, стоимости и другим характеристикам.

Свёрла по металлу - самый широко используемый расходный материал для электрооборудования по нескольким причинам:

• Изделия из металла чаще всего нуждаются в отверстиях для скрепления: резьбового соединения, клёпок и прочих видов соединения.
• Свёрла по металлу возможно применять и при работе с более мягкими материалами, например, с древесиной.
• Технология производства этого типа изделий аналогична принципам производства свёрл для различных направлений применения.

В России и многих других странах наибольшим спросом пользуются свёрла из быстрорежущей стали марки Р6М5, имеющей в составе вольфрам и молибден. Существенно повышается прочность и цена изделий при добавлении в сплав кобальта или покрытием свёрл охлаждающим титан-нитридным напылением.

для изделий из металла

Свёрла по металлу используются для проделывания отверстий в изделиях из бронзы, чугуна, меди, стали разных марок, металлокерамики и прочих материалов. Для сверления вязкой труднообрабатываемой стали применяются высокопрочные изделия с добавлением кобальта. При работе стружка отводится по двум продольным канавкам. По форме хвостика такие инструменты делятся на три типа:

• шестигранные,
• конические,
• цилиндрические.

Сверло по металлу с коническим хвостовиком при использовании вставляется напрямую в станок. Для шестигранных и цилиндрических хвостовиков необходим специальный патрон.

Определения качества по цвету

Качество сверла по любому материалу определяется прежде всего по его цвету:

• Чёрный цвет имеют инструменты повышенной износостойкости, так как на финишной стадии изготовления они обрабатываются паром.
• Термически обработанные изделия не имеют внутреннего напряжения, отличаются высокой стойкостью к высоким температурам и не деформируются при работе с твердосплавными сталями. Такие свёрла имеют слегка золотистый оттенок.
• Самые качественные и прочные имеют яркий золотистый цвет. Они покрыты уменьшающим трение нитридом титана.
• Обычные необработанные свёрла серого цвета имеют минимальный срок эксплуатации и самую низкую цену.

Размерный ряд

Рабочие размеры свёрл по металлу представлены современными производителями в широком диапазоне. ГОСТом предусматривается разделение таких изделий на типы в соответствии определённым размерам.

Свёрла по металлу разделяются на несколько категорий:

ГОСТы 4010-77, 886-77 и 10902-77 регламентируют классификацию свёрл по длине и диаметру.

Как выбрать сверло для стекла или керамики

Профессиональные мастера в своей коллекции имеют свёрла для каждого материала: кирпича и бетона, металла и пластика, алмазное сверло по стеклу и керамике. Стекло - крайне капризный материал и требует применения качественного и прочного сверла. Стеклянные и керамические поверхности поддаются обработке свёрлами с алмазным напылением на рабочем конце. Качество таких изделий определяется методом их изготовления. Самые тонкие и недорогие свёрла изготавливаются гальваническим методом. Более крепкие инструменты производятся порошковым способом. Их отличает долговечность и стабильность работы. Относительно недорогие высокопрочные свёрла с повышенной абразивностью производятся современным вакуумным методом.

Чтобы просверлить отверстие в стеклянной поверхности, необходимо иметь хорошие навыки. Этот долгий и кропотливый процесс проводится плавно и медленно на максимальных оборотах без нажима только алмазным сверлом, установленным строго вертикально. Отверстие необходимо постоянно смачивать водой для охлаждения. Это действие скорее похоже на выцарапывание дырочки алмазными крупицами.

Если иметь под рукой необходимые инструменты и свёрла нужного размера, любые ремонтные работы пройдут быстро и качественно.

Одним из основных видов механической обработки различных материалов резанием, применяемых в современной технике, является сверление. Оно осуществляется при помощи специального инструмента, называемого сверлом, которому сообщается вращательное движение (в некоторых случаях вращается заготовка). С помощью сверления можно получать отверстия различной глубины и диаметра.

В большинстве случаев отверстия , получаемые методом сверления, имеют цилиндрическую форму. Однако применение специального инструмента и особых методик обработки позволяет придавать им эллипсовидную, квадратную , криволинейную, продолговатую , треугольную и другую форму.

Отверстия продолговатые под крепёж ГОСТ 16030 – 70
D	B		L
	1-й ряд	2-й ряд	3	4	6	8	10	12	14	16	18	20	22	25	28	32	36	40	45	50	55	60	70	80	90	100	110	125
2	2.4	-	×	×	×	×
2.5	2.9	-		×	×	×	×
3	3.4	-		×	×	×	×	×
4	4.5	-			×	×	×	×	×	×
5	5.5	-				×	×	×	×	×	×
6	6.6	7					×	×	×	×	×	×
8	9	10						×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
10	11	12							×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
12	13	14								×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
14	15	16									×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
16	17	18										×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
18	19	20											×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
20	22	24												×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
22	24	26													×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
24	26	28														×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
27	30	32															×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
30	33	35																×	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
36	39	42																	×	×	×	×	×	×	×	×	×	×
42	45	48																		×	×	×	×	×	×	×	×	×
48	52	56																				×	×	×	×	×	×	×

Отверстия квадратные под крепёж ГОСТ 16030 – 70
	Размер квадратных подголовков болтов	B		R
		1-й ряд	2-й ряд
	5	5.5	-	0.5
	6	6.6	7	0.5
	8	9	-	0.8
	10	11	12	0.8
	12	13	14	1.0
	14	15	16	1.0
	16	17	18	1.2
	20	22	24	1.2
	22	24	26	1.6
	24	26	28	1.6

Лазерная обработка

В условиях современного машиностроительного и какого либо другого производства часто возникает необходимость в получении в различных материалах отверстий, имеющих весьма сложную форму. Для этого часто применяется метод, заключающийся в использовании лазерного луча, функционирующего в режиме управляемого термического раскалывания.

На сегодняшний день именно лазерная обработка является одним из наиболее передовых методов формирования и обработки квадратных , продолговатых и иных отверстий в самых различных материалах. Подобная технология позволяет получать качественную обработку, что создаёт условия для её более масштабного применения.

Применение лазерного оборудования с числовым программным управлением, позволяют не только изготавливать или обрабатывать отверстия самых различных форм и конфигураций, но и получать полностью готовые изделия.

В технике под электрической эрозией понимается разрушение поверхности изделия или заготовки, которое происходит под воздействием электрических разрядов.

Этот способ обработки чаще всего используется для того, чтобы в определенных пределах осуществлять изменение размеров и формы отверстий, предварительно проделанных в металлических изделиях и заготовках. Разработчики машиностроительных изделий, которые они проектируют, нередко сталкиваются с необходимостью изготовления отверстий которые могут быть отличными от цилиндрических. Это могут быть квадратные , продолговатые , прямоугольные, криволинейные и прочие отверстия .

Особенно непросто реализовать их обработку тогда, когда сам материал обладает такими характеристиками, как повышенная твердость или высокая вязкость. Именно в этих случаях обычно и используется электроэрозионная обработка.

Как показывает практика, она наиболее эффективна для обработки изделий сложной конфигурации, изготовленных из твердых материалов. Дело в том, что использование для тех же целей распространенных механических способов часто оборачивается повышенным износом режущего инструмента.

В тонком листовом металле достаточно часто приходится проделывать различные отверстия цилиндрической формы. Так, к примеру, происходит тогда, когда требуется произвести электромонтажные работы в стальных коробах, причем сделать это нередко бывает не так уж и просто.

Сверление отверстий в тонком листовом металле с помощью обычных спиральных сверл - дело непростое, поскольку инструмент начинает, что называется, «подхватывать». Это может привести (и нередко приводит) к его поломкам, а также к тому, что отверстия получаются неправильной, искривленной формы. Конусные сверла и сверла ступенчатые с этой задачей справляются намного лучше.

Дело в том, что благодаря их специфической форме слой обрабатываемого материала срезается равномерно, без так называемых «подхватываний» и рывков. Поэтому просверливаемые отверстия имеют идеально цилиндрическую форму.

В зависимости от того, какие именно геометрические характеристики имеет режущий инструмент, применение сверл с конической режущей кромкой позволяет получить результирующие диаметры различной величины. Если условия сверления особенно сложны, то опытные мастера применяют не конусные, а ступенчатые сверла. Этот режущий инструмент позволяет обеспечить очень точные размеры результирующих отверстий.

Одной из наиболее распространенных технологий листовой штамповки металлов является пробивка. К примеру, при таком высокоточном производстве, как приборостроение, очень значительное количество деталей изготавливается именно с использованием этого метода. Для пробивки квадратных и продолговатых отверстий используется специальная оснастка, изготавливаемая из высокопрочных материалов, устойчивая к длительным и постоянным механическим нагрузкам и не требующая частого и тщательного обслуживания.

Пробивка отверстий может производиться как на сложном механизированном оборудовании, так и на простых ручных прессах. Ее процедура заключается в том, что между пуансоном и матрицей помещается заготовка, в которой необходимо пробить отверстие.

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.

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.

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.

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

Думаю каждый из вас делал корпус для своей электронной поделки. И при изготовлении корпуса часто возникает одна мерзкая проблема — проделать дырку формой отличной от окружности. Например, квадратную, под LED индикатор.

Я раньше долго мучался, высверливал по контуру, затем шлифовал эти зубчики, матерился по поводу того, что сошлифовал лишнее или запорол параллельность. В общем, на все что касается механообработки материала у меня руки из задницы. И с этим ничего не поделать. Но там где не могут руки должна работать голова. И придумалось простое и эффективное решение.

Итак. Надо профигачить в пластиковом корпусе квадратную дырку.

Для начала разметим отверстие. Делать это лучше по бумажному шаблону — надо как можно четче накернить углы. Делаем это на наружней, лицевой, стороне! Затем углы сверлятся насквозь тонким сверлышком. Тут важно взять сверло потоньше. Чем тоньше тем точнее будет наше отверстие.

Берем линейку и острый скальпель. Можно канцелярский нож или что под рукой. Главное требование — он должен быть очень острым, жестким и чтобы не болтался. Я делаю такие вещи с помощью резака .

По линейке от дырочки до дырочки, точно по размерам нашего отверстия (ни больше ни меньше, точно так!) делаем прорезы. Чем глубже тем лучше, но можно без фанатизма. Т.к. чем глубже режешь тем больше шанс что сорвется лезвие и мы покоцаем наружную поверхность, а это уже не то — некрасиво. Дырочки тут рулят еще тем, что в них заваливается острие скальпеля и край реза дальше дырки не идет. Разметка тут самый важный этап . От него зависит получится ли все с первого раза идеально или придется подравнивать.

Все, получили внутри четыре кусочка. Теперь надо подцепить их от центра и выломать внутрь !

Прорез который мы сделали даст нам слабую точку по которой пластик лопнет и выломается. А отверстия с краев не дадут трещине уйти дальше чем надо.

На проковыривание этой дырки у меня ушло не более 10 минут. Это с уборкой мусора и отвлеканием на фотографирование и поиск то скальпеля, то сверлышка.

Про-стей-шая фигу-ра по-сто-ян-ной ши-ри-ны - по-мо-жет нам в свер-ле-нии квад-рат-ных от-вер-стий. Ес-ли дви-гать центр это-го «тре-уголь-ни-ка» по некой тра-ек-то-рии , то его вер-ши-ны вы-чер-тят по-чти квад-рат, а сам он за-ме-тёт всю пло-щадь внут-ри по-лу-чен-ной фигу-ры.

Гра-ни-цы по-лу-чен-ной фигу-ры, за ис-клю-че-ни-ем неболь-ших ку-соч-ков по уг-лам, бу-дут стро-го пря-мы-ми ! И ес-ли про-дол-жить от-рез-ки, тем са-мым до-ба-вив уго-лоч-ки, то по-лу-чит-ся в точ-но-сти квад-рат .

Для то-го, чтобы по-лу-чи-лось опи-сан-ное вы-ше, центр тре-уголь-ни-ка Ре-ло нуж-но дви-гать по тра-ек-то-рии, яв-ля-ю-щей-ся склей-кой из че-ты-рех оди-на-ко-вых дуг эл-лип-сов . Цен-тры эл-лип-сов рас-по-ло-же-ны в вер-ши-нах квад-ра-та, а по-лу-оси, по-вёр-ну-тые на угол $45^\circ$ от-но-си-тель-но сто-рон квад-ра-та, рав-ны $k\cdot(1+1/\sqrt3)/2$ и $k\cdot(1-1/\sqrt3)/2$, где $k$ - дли-на сто-ро-ны вы-чер-чи-ва-е-мо-го квад-ра-та.

Кри-вые, скруг-ля-ю-щие уг-лы, так-же яв-ля-ют-ся ду-га-ми эл-лип-сов с цен-тра-ми в уг-лах квад-ра-та, их по-лу-оси по-вёр-ну-ты на угол $45^\circ$ от-но-си-тель-но сто-рон квад-ра-та и рав-ны $k\cdot(\sqrt3+1)/2$ и $k\cdot(1/\sqrt3-1)/2$.

Пло-щадь неза-ме-тён-ных уго-лоч-ков со-став-ля-ет все-го око-ло 2% от пло-ща-ди все-го квад-ра-та!

Те-перь, ес-ли сде-лать свер-ло в ви-де тре-уголь-ни-ка Ре-ло, то мож-но бу-дет свер-лить квад-рат-ные от-вер-стия с немно-го скруг-лен-ны-ми угол-ка-ми, но аб-со-лют-но пря-мы-ми сто-ро-на-ми!

Оста-лось сде-лать та-кое свер-ло… Вер-нее, са-мо-то свер-ло сде-лать неслож-но, нуж-но толь-ко чтобы оно на-по-ми-на-ло в се-че-нии тре-уголь-ник Ре-ло, а ре-жу-щие кром-ки сов-па-да-ли с его вер-ши-на-ми.

Труд-ность за-клю-ча-ет-ся в том, что, как уже бы-ло от-ме-че-но вы-ше, тра-ек-то-рия цен-тра свер-ла долж-на со-сто-ять из че-ты-рёх дуг эл-лип-сов. Ви-зу-аль-но эта кри-вая очень по-хо-жа на окруж-ность и да-же ма-те-ма-ти-че-ски близ-ка к ней, но всё же это не есть окруж-ность. А все экс-цен-три-ки (круг, по-са-жен-ный на круг дру-го-го ра-ди-у-са со сме-щён-ным цен-тром), ис-поль-зу-е-мые в тех-ни-ке, да-ют дви-же-ние стро-го по окруж-но-сти.

В 1914 го-ду ан-глий-ский ин-же-нер Гар-ри Джеймс Уаттс при-ду-мы-ва-ет, как устро-ить та-кое свер-ле-ние. На по-верх-ность он на-кла-ды-ва-ет на-прав-ля-ю-щий шаб-лон с про-ре-зью в ви-де квад-ра-та, в ко-то-ром хо-дит свер-ло, встав-лен-ное в па-трон со «сво-бод-но пла-ва-ю-щим в нём свер-лом». Па-тент на та-кой па-трон был вы-дан фир-ме, на-чав-ший из-го-тов-ле-ние свёрл Уатт-са в 1916 го-ду.

Дже-ро-ла-мо КАРДАНО (1501 - 1576). Ко-гда в 1541 го-ду им-пе-ра-тор Карл V три-ум-фаль-но во-шёл в за-во-ё-ван-ный Ми-лан, рек-тор кол-ле-гии вра-чей Кар-да-но шёл ря-дом с бал-да-хи-ном. В от-вет на ока-зан-ную честь он пред-ло-жил снаб-дить ко-ролев-ский эки-паж под-вес-кой из двух ва-лов, ка-че-ние ко-то-рых не вы-ве-дет ка-ре-ту из го-ри-зон-таль-но-го по-ло-же-ния […]. Спра-вед-ли-вость тре-бу-ет от-ме-тить, что идея та-кой си-сте-мы вос-хо-дит к ан-тич-но-сти и что по край-ней ме-ре в «Ат-лан-ти-че-ском ко-дек-се» Лео-нар-до да Вин-чи име-ет-ся ри-су-нок су-до-во-го ком-па-са с кар-дан-ным под-ве-сом. Та-кие ком-па-сы по-лу-чи-ли рас-про-стра-не-ние в пер-вой по-ло-вине XVI ве-ка, по-ви-ди-мо-му, без вли-я-ния Кар-да-но.

С. Г. Гин-ди-кин. Рас-ска-зы о физи-ках и ма-те-ма-ти-ках.

Мы же вос-поль-зу-ем-ся дру-гой из-вест-ной кон-струк-ци-ей. При-кре-пим свер-ло жёст-ко к тре-уголь-ни-ку Ре-ло, по-ме-щён-но-му в квад-рат-ную на-прав-ля-ю-щую рам-ку. Са-ма рам-ка фик-си-ру-ет-ся на дре-ли . Оста-лось те-перь пе-ре-дать вра-ще-ние па-тро-на дре-ли тре-уголь-ни-ку Ре-ло.