Сверло Уаттса для сверления квадратных отверстий: описание, размеры. Сверление квадратных отверстий — сверло Уаттса и принцип треугольника Рёло Сверло сверлит квадратные отверстия

– это четырехугольный прямоугольник, который является фигурой с равными по значению углами и сторонами, между собой. Слово «квадрат » произошло от греческого слова «quadratus », что в переводе означает – «четырехугольный ».

В технических чертежах не редко можно увидеть детали или их части, имеющие квадратное сечение. Для уменьшения общего количества размерных линий на чертеже, в данном случае, применяется специальный знак « », который означает, что данный размер является одной из сторон квадрата, при этом размер указывается только здесь. Высота знака выбирается по высоте размерных чисел.

Обозначение квадратного участка изделия

Участки деталей , имеющие квадратное сечение довольно часто можно встретить на элементах крепления вспомогательного и режущего инструмента. Установочные болты , используемые в данном случае, принимают на себя значительные механические воздействия с периодичностью обусловленной технологическим процессом.

Машинные тиски , предназначенные для установки на металлорежущих станках, укомплектованы силовым винтом, на одном из концов которого имеется квадратное сечение. Сделано это для того, чтобы накидную ручку, которая соответственно имеет отверстие с квадратным сечением, можно было свободно снимать и надевать, при этом появляется возможность менять её угловое положение. Нагрузка, прикладываемая на механизмы тисков, тоже весьма значительная.

Как известно значительная часть деталей вращения изготавливается на станках токарной группы. Для того чтобы зажать деталь или заготовку для последующей механической обработки используются специальные самоцентрирующиеся патроны. Самые распространённые из них трёх кулачковые, но имеются так же четырёх кулачковые патроны, в которых, кстати, можно зажимать квадратные детали или заготовки из соответствующего проката. Квадрат можно зажать и в двух кулачковые патроны, при этом, как и в четырёх кулачковых патронах, перемещение кулачков, в зависимости от типа, может осуществляться независимо или с использованием специального механизма, в основе которого лежит «Архимедова спираль », что позволяет перемещать зажимающие элементы синхронно. Есть даже шести кулачковые патроны, всех их объединяет то, что для зажатия детали, используется ключ с квадратной головкой.

В конструкцию водопроводного смесителя традиционного типа, входит элемент управления подачей воды, такой как шток. На одном конце штока имеется квадратное сечение, на которое устанавливается ручка с квадратным отверстием. Усилия здесь не сказать, чтоб уж большие но, тем не менее, применение шестигранника здесь не уместно (в ходе эксплуатации углы между гранями могут просто разрушиться).

Отверстия квадратного сечения, в отличие от круглых отверстий, являются наиболее трудоёмкими в изготовлении. Обычно их фрезеруют, протягивают, применяют специальные прошивки, разгоняют на долбёжном станке и т.д. Такие технологии как – лазерная резка или электроэрозионная обработка , позволяют более или менее быстро подвергать обработки полые элементы данного типа.

Есть, правда, еще один, экзотический способ. Речь идет о сверлении, с использованием специального инструмента. Этот метод основан на траектории движения «треугольника Рело », названного в честь немецкого изобретателя – инженера-механика Франца Рело, жившего в девятнадцатом и начале двадцатого веков, долгое время являвшегося лектором Берлинской Королевской Технической академии и в конце концов ставшего ее президентом. В сечение сверло подобно так называемому «треугольнику Рело », стороны которого представляют собой не прямые отрезки, как у обычного, а дуги одинакового размера и радиуса. Если в процессе сверления с помощью специального приспособления перемещать ось этого инструмента по специальной траектории, то в итоге получится квадратное отверстие с немного скругленными углами.

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.

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.

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

Проблем с образованием круглых отверстий в металле, как правило, не возникает. Сегодня в продаже можно встретить просто огромное количество сверл, некоторые могут применяться для образования квадрата или прямоугольника. Для решения подобной задачи также используются специальные приспособления.

Cверло или фреза

Часто квадратные отверстия получают при применении фрез. Подобный инструмент получил крайне широкое распространение, однако в некоторых случаях квадратные отверстия в металле проще получить при использовании сверл. Примером назовем следующие моменты:

1. Работа проводится редко, поэтому нужно снизить затраты на приобретении специального инструмента. Фрезы обходятся намного дороже.
2. Небольшая площадь обработки. Геометрическая форма распространенных фрез определяет ограничения по их минимальному размеру.
3. Нужно получить сквозное отверстие в металле с большой толщиной.

Кроме этого, фрезы устанавливаются в станках, которые обходятся дорого, но и для сверления обычное оборудование не подойдет. Это связано с тем, что сверло должно передвигаться по определенной траектории.

Устройство и принцип работы

Сверло для квадратных отверстий Уаттса создано на основе формы треугольника Рело. Среди особенностей можно отметить:

1. Рабочая часть сверла образуются при формировании области пересечения трех равных кругов особой формы.
2. Если расположить у треугольников рабочей части сверла несколько параллельных опорных прямых, то расстояние между ними будет одинаковым.
3. Во время работы ось сверла должна перемещаться по определенной траектории, за счет чего и получается квадрат или прямоугольник.

Стоит учитывать, что получаемый прямоугольник или квадрат имеет немного закругленные углы. Устройства для сверления квадратных отверстий Уаттса не должно ограничивать передвижение патрона со сверлом, иначе получить рассматриваемую форму не получится. Принципы действия и конструкция рекомендуемого оборудования позволяют создать его своими руками при использовании подручных материалов.

Альтернативные способы получения квадратных отверстий

Получение радиусных дуг приводит к существенному снижению качества получаемого изделия. Именно поэтому часто рассматривается возможность использования других методов получения квадратного отверстия:

1. Лазерные установки сегодня получили широкое распространение. Они могут применяться для обработки по заданной траектории, при фокусировании луча происходит нагрев металла, за счет чего образуется требуемая поверхность.
2. Метод штамповки применяется на протяжении длительного периода. Он предусматривает использование специального оборудования, которое способно оказывать высокое давление на листовые и другие заготовки. Недостаток метода заключается в высокой стоимости оборудования, а также в возможности получения только неглубоких выемок.
3. При применении газовой сварки также можно образовать прямоугольную форму. Однако подобная технология характеризуется невысокой практичностью в применении, получаемые изделия низкокачественные.

В продаже встречаются специальные комплекты пробойников, которые также могут применяться в рассматриваемом случае. Комплект представлен сочетанием следующих элементов:

1. Втулка для направления пробойника.
2. Специальный держатель.
3. Кольцевой ограничитель хода.
4. Матрица.

Для того чтобы оказать высокую нагрузку на рабочий инструмент применяется гидравлический домкрат. Подобная технология характеризуется тем, что получаемая фигура имеет чистые и ровные грани, то есть дополнительная механическая обработка для повышения качества поверхностей не требуется.