Что такое сверла? История, типы, использование и выбор правильного бита

Что такое Сверла ? Определение и основная функция

Сверло — это режущий инструмент, предназначенный для удаления материала с заготовки путем вращения под осевым давлением, образуя цилиндрическое отверстие определенного диаметра. Сверло удерживается и приводится в движение дрелью — с ручным, электрическим, пневматическим или гидравлическим приводом — и прорезает целевой материал с помощью одной или нескольких заостренных режущих кромок на кончике. Стружка или стружка, образующиеся в результате резания, удаляются из отверстия через винтовые канавки, выполненные вдоль корпуса долота, что предотвращает повторное резание удаленного материала и позволяет долоту продвигаться вперед без засорения.

Сверла являются одними из самых основных режущих инструментов в производстве, строительстве и обслуживании. Каждая отрасль, работающая с твердыми материалами — металлообработка, деревообработка, строительство, горнодобывающая промышленность, нефть и газ, производство электроники, медицина — использует сверла в качестве основного метода создания отверстий. Типичный современный механический цех может иметь на складе несколько сотен бит различных типов, размеров и покрытий; В домашнем ящике для инструментов содержится как минимум универсальный набор, включающий наиболее распространенные размеры для дерева и легкого металла.

Определяющими характеристиками любого сверла являются его диаметр (который определяет размер отверстия), его материал и твердость (который определяет, что он может разрезать), его точечная геометрия (который определяет, как он входит в материал и управляет ходьбой), и его дизайн флейты (который регулирует эвакуацию стружки и скорость резания). Изменение любого из этих параметров приводит к созданию принципиально другого инструмента с другим оптимальным применением.

История сверл: от лучковых сверл до прецизионных инструментов с твердосплавными напайками

История сверла насчитывает не менее 35 000 лет, что делает проделывание отверстий одним из древнейших видов преднамеренной обработки материалов в истории человечества. Археологические данные из верхнего палеолита показывают, что кремневые наконечники использовались для просверливания отверстий в раковинах и костях — это самые ранние примеры ротационной резки с помощью инструмента. Это не были сверла в механическом смысле, но они представляют собой первое преднамеренное применение вращательного истирания для проникновения в твердый материал.

Древнее и доиндустриальное бурение

Сверло для лука — заостренный стержень из твердой древесины или кремня, который вращали, наматывая на него тетиву и растягивая лук вперед и назад, — появляется на египетских настенных росписях примерно 3000 г. до н. э. и использовалось как для обработки дерева, так и для разжигания огня. Дрель-насос, в которой использовался утяжеленный маховик и рукоятка насоса для поддержания непрерывного вращения, появилась в ранних мезоамериканских и азиатских культурах. Римские мастера использовали для работы по дереву ложки и центральные насадки с железными наконечниками, формы которых узнаваемы в современных конструкциях шнеков и центральных насадок. На протяжении всего средневекового периода наборы скоб и насадок, в которых использовалась изогнутая деревянная или железная скоба для привода ложек и шнеков, были основными инструментами для проделывания отверстий в столярных, бондарных и судостроительных работах.

Спиральное сверло: важнейшая инновация

Современное спиральное сверло — конструкция со спиральными канавками, которая остается доминирующей формой сверл сегодня — было изобретено американским инженером Стивеном Морсом в 1861 году и запатентовано в 1863 году. Идея Морса заключалась в обработке непрерывных винтовых канавок по длине стального стержня, создавая как режущие кромки на кончике, так и автоматический канал эвакуации стружки в единой интегрированной геометрии. До появления спирального сверла проделывание отверстий в металле требовало кропотливой подачи, пробивания или использования плоских «лопастных» сверл, которые быстро забивались и требовали частого извлечения для очистки стружки. Конструкция Морса, первоначально созданная путем скручивания нагретого плоского стержня в спираль, позволяла сверлить непрерывно без извлечения и производить более чистые отверстия более точного размера на гораздо более высокой скорости. Хвостовик с конусом Морзе — самоудерживающийся конический интерфейс между более крупными сверлами и шпинделями станков — также является изобретением Морса и по сей день остается международным стандартом для интерфейсов сверлильных станков и токарных патронов.

XX век: быстрорежущая сталь, карбид и покрытия

Индустриализация металлообработки в конце 19 - начале 20 веков привела к быстрому материальному прогрессу. Биты из углеродистой стали, ставшие стандартом в 1890-х годах, размягчались при повышенных температурах, возникающих при высокоскоростной обработке, что ограничивало скорость резания и срок службы инструмента. Быстрорежущая сталь (HSS), разработанная примерно в 1900 году Фредериком Тейлором и Маунселем Уайтом в компании Bethlehem Steel, сохраняла свою твердость при температурах до 600°C, что позволяло работать на высоких скоростях. В 2–4 раза быстрее, чем углеродистая сталь без притупления. HSS стал универсальным материалом для сверл на протяжении большей части 20-го века и сегодня остается доминирующим для сверл общего назначения.

Цементированный карбид — частицы карбида вольфрама, спеченные в кобальтовой связке — был разработан в Германии в 1920-х годах и постепенно стал применяться в буровых долотах в середине века. Твердость карбида (приблизительно 9,5 по шкале Мооса по сравнению с твердостью HSS около 7,5) и термостойкость (сохранение режущей способности выше 900°C) сделали его незаменимым для сверления закаленной стали, чугуна, абразивных композитов и керамических материалов, которые разрушают сверла из быстрорежущей стали за секунды. Технология физического осаждения из паровой фазы (PVD) в 1970-х и 1980-х годах представила нитрид титана (TiN), нитрид титана-алюминия (TiAlN) и другие твердые покрытия, которые еще больше продлили срок службы долот за счет снижения трения и окисления на режущей кромке, что заложило основу для высокопроизводительных твердосплавных долот с покрытием, являющихся стандартом сегодня в обрабатывающих центрах с ЧПУ.

Что такое Drill Bits Used For? Applications by Material and Industry

Сверла используются везде, где необходимо создать цилиндрическое отверстие в твердом материале, что охватывает практически неограниченный спектр отраслей и применений. Конкретное использование определяет требуемый тип, материал, геометрию и размер бита. Использование подходящего сверла для конкретного материала – это не просто вопрос эффективности; неподходящие биты повреждают детали, преждевременно изнашиваются, перегреваются, а при работе с твердыми материалами могут опасно расколоться.

Изготовление и обработка металлов

Сверление — одна из наиболее распространенных операций в металлообработке: создание зазоров для крепежа, резьбовых отверстий, отверстий для проводки и прецизионных отверстий для подшипников и валов. Спиральные сверла из быстрорежущей стали подходят для большинства работ по сверлению стали, алюминия, латуни и меди. Кобальт HSS (марка M35 или M42, содержащая 5–8% кобальта) используется для нержавеющей стали, инконеля и других упрочняемых сплавов, где стандартная HSS быстро тускнеет. Цельнотвердосплавные сверла доминируют в обработке на станках с ЧПУ закаленной стали, титана и композитов из углеродного волокна, где скорости резания 80–200 м/мин и допуски отверстий обычно достигаются ±0,01 мм.

Строительство и каменная кладка

Сверление бетона, кирпича, камня и блоков требует ударного действия в сочетании с вращением — сверло должно одновременно резать и разрушать хрупкую кристаллическую структуру материала. В сверлах по камню используется твердосплавный наконечник, припаянный или запрессованный в стальной корпус, и они приводятся в движение ударными дрелями или перфораторами, которые при вращении наносят ударные удары со скоростью 1000–4500 ударов в минуту. Системы хвостовиков SDS-Plus и SDS-Max, разработанные Bosch в 1975 году, позволяют сверлу скользить в осевом направлении внутри патрона во время удара, передавая энергию удара на рабочую поверхность более эффективно, чем в обычном патроне, предотвращая при этом потерю долота. Для отверстий большего диаметра в бетоне (коронковое сверление для трубопроводов, водопровода или систем отопления, вентиляции и кондиционирования) алмазные коронки — стальные трубы с сегментами промышленного алмаза, прикрепленными к режущей поверхности — являются единственным практическим решением, часто используемым с водяным охлаждением для предотвращения повреждения сегментов.

Деревообработка и столярные изделия

Сверление древесины включает в себя широчайшее разнообразие специализированных типов свёрл для любой категории материалов, поскольку структура волокон древесины, изменение плотности и поведение торцевых волокон требуют различной геометрии резания для разных применений. В сверлах с Брэд-пойнтом используется центральная точка, чтобы предотвратить ходьбу по деревянным поверхностям, и две шпоры, чтобы надрезать текстуру до того, как основные режущие кромки удалят сердцевину, создавая чистые отверстия без вырывов для дюбелей, полочных штифтов и шкафов. В сверлах Форстнера используются кольцевые фрезы полного диаметра и радиальные долбежные кромки для сверления плоских, перекрывающихся или наклонных отверстий, которые не могут быть выполнены спиральными сверлами, что необходимо для установки скрытых петель и столярных изделий для мебели. Лопастные сверла недороги и быстры для обработки грубых отверстий в каркасе (проходы труб и проводов), где качество поверхности не имеет решающего значения. Сверла с агрессивным винтовым наконечником и грубой канавкой используются в деревянных каркасах и бревенчатых конструкциях для глубоких отверстий в зеленой или плотной твердой древесине.

Производство печатных плат и электроники

Для сверления печатных плат используются твердосплавные микросверла (часто диаметром всего 0,1 мм), работающие со скоростью шпинделя 100 000–300 000 об/мин на сверлильных станках с ЧПУ для изготовления сквозных отверстий для выводов компонентов и металлизированных переходных отверстий. Ламинаты печатных плат (стекловолокно FR-4, ПТФЭ, композиты с керамическим наполнителем) обладают высокой абразивностью и могут разрушить биты из быстрорежущей стали в нескольких отверстиях; только карбид выдерживает истирание при больших объемах производства. Срок службы инструмента измеряется количеством попаданий: твердосплавное сверло диаметром 0,3 мм стандартного FR-4 обычно выходит из эксплуатации после 3000–5000 отверстий, чтобы сохранить качество стенок отверстий и надежную адгезию покрытия.

Бурение нефти и газа

В широком смысле долота для нефтяных и газовых скважин сами по себе являются инженерными системами. В трехшарошечных шарошочных долотах используются три взаимосвязанных зубчатых конуса — со стальными зубьями или вставками из карбида вольфрама — которые дробят и разрушают горную породу при вращении узла на нижней части бурильной колонны. В долотах из поликристаллического алмаза (PDC) используются синтетические алмазные резцы, прикрепленные к стальному или твердосплавному корпусу в фиксированной конфигурации, которые разрезают горную породу, а не дробят ее, достигая Срок службы бит в 3–10 раз больше и более высокие скорости проникновения в пласты средней твердости, которые преобладают в большинстве залежей нефти и газа. Одно долото PDC может стоить 50 000–100 000 долларов и должно бурить сотни метров твердых пород на глубинах, превышающих 5 000 метров, в условиях экстремальных температур, давления и истирания.

Типы сверл: геометрия, материал и покрытие

Разнообразие сверл отражает разнообразие материалов, геометрии отверстий и условий эксплуатации, встречающихся в разных отраслях. Ниже описаны наиболее широко используемые типы с их отличительными характеристиками и правильным контекстом применения.

Битовые покрытия и что они делают

Покрытия на насадках из быстрорежущей стали и твердосплавных насадках не являются декоративными — каждое из них предназначено для определенного вида отказа. Нитрид титана (TiN, цвет золота) снижает трение на режущей кромке и повышает твердость поверхности, продлевая срок службы долота в 3–5 раз по сравнению с HSS без покрытия при обработке мягкой стали. Нитрид титана-алюминия (TiAlN, темно-фиолетовый) при высоких температурах образует слой оксида алюминия, который действует как тепловой барьер — покрытие работает тем лучше, чем сильнее оно становится, что делает его идеальным для сухой обработки закаленной стали и нержавеющей стали на высоких скоростях. Черный оксид — это мягкая обработка поверхности, которая незначительно снижает трение и повышает устойчивость к коррозии. Она незначительно продлевает срок службы долот и часто используется в экономичных наборах общего назначения. Покрытия из алмазоподобного углерода (DLC) обеспечивают очень низкое трение и используются для сверления цветных металлов и композитов из углепластика, где наросты (приваривание материала к режущей кромке) являются основным видом разрушения.

Более длинные сверла: когда и почему важна увеличенная длина

Стандартные спиральные сверла стандартной длины — длина по умолчанию в большинстве наборов сверл — имеют длину канавок примерно в 9–14 раз больше диаметра сверла и предназначены для большинства операций со сквозными и неглубокими глухими отверстиями. Более длинные сверла становятся необходимыми, когда глубина отверстия превышает ту, которую может достичь сверло, когда геометрия заготовки не позволяет расположить сверло непосредственно над точкой входа или когда необходимо просверлить несколько компонентов, совмещенных через собранный пакет.

Классификация длины

Длина сверл классифицируется по сериям, соответствующим отраслевым стандартам. Наиболее распространены сверла длиной Jobber — они подходят для отверстий диаметром примерно до 10× в большинстве материалов. Конические биты на 20–30% длиннее, чем джоббер, и перекрывают более глубокие скважины без риска отклонения, свойственного более длинным сериям. Удлинители для самолетов (также называемые сверлами сверхдлинной или удлиненной длины) достигают общей длины 6, 12 или 18 дюймов - используются в авиационно-космической сборке для сверления обшивок крыльев и элементов конструкции на расстоянии, в сантехнических и черновых работах с электропроводкой для прохождения через несколько шпилек или балок за один проход, а также в приспособлениях для сборки мебели, где доступ к сверлению ограничен заготовкой. Сверла для глубоких отверстий представляют собой полностью специализированную категорию: инструменты с одной канавкой и внутренними каналами подачи охлаждающей жидкости, используемые в сверлильных станках с ЧПУ для изготовления отверстий глубиной 50–300× диаметра - все корпуса гидравлических клапанов, каналы охлаждения для литья под давлением и стволы винтовок просверливаются.

Проблемы длинных сверл

Увеличенная длина создает механические проблемы, которых нет у джобберских длин. Отклонение — тенденция длинного тонкого инструмента изгибаться под действием сил резания — вызывает ошибки прямолинейности отверстия, которые усугубляются с глубиной. Коронка диаметром 12 дюймов и 1/4 дюйма имеет соотношение длины к диаметру 48:1, и в этот момент даже небольшие боковые силы вызывают измеримое отклонение скважины. Управление этим требует снижения скорости подачи (осевое продвижение на оборот), уменьшения скорости резания, более частых циклов сверления (частичного втягивания сверла для разрушения и удаления стружки), а в прецизионных приложениях - использования втулки сверла в точке входа для ограничения сверла во время критических первых нескольких диаметров зацепления. Эвакуация стружки становится основной проблемой на глубине более 5 диаметров. — стружка, которая не может выйти из пакета канавок, ударяется о режущую кромку, выделяя тепло, увеличивая крутящий момент и вызывая поломку долота. Применение смазочно-охлаждающей жидкости в точке входа и использование процедур сверления с ударом (повторяющиеся подачи и отводы на неполную глубину) решают эту проблему как при ручном сверлении, так и при сверлении с ЧПУ.

Выбор правильной длины для применения

Правильный подход – использовать кратчайший бит, который физически выполняет задачу . Более длинная коронка, чем необходимо, увеличивает риск отклонения и снижает жесткость без какой-либо компенсирующей выгоды. Для отверстия в стали глубиной 3 дюйма подойдет сверло конической длины; удлинитель самолета приведет к ненужной гибкости. Для сверления 14-дюймовой древесины по геометрии требуется длинное авиационное сверло или корабельный шнек. В производственных условиях обычно используются сверла нестандартной длины, отшлифованные до точной глубины применения, что позволяет исключить лишнюю длину и максимизировать жесткость в точке резания. Для черновой обработки конструкции, когда стандартное длинное сверло должно просверлить несколько элементов каркаса, гибкие удлинители вала (со стандартным патроном на конце) позволяют полностью расположить буровой двигатель вдали от рабочей оси, что полезно в чрезвычайно ограниченных пространствах, где даже сверло длиной с самолетостроение не может быть выровнено по требуемой траектории отверстия.