Сверлить всегда, сверлить везде
СВЕРЛИТЬ ВСЕГДА, СВЕРЛИТЬ ВЕЗДЕ
Много тысяч лет назад одетый в шкуры безвестный изобретатель впервые просверлил дырку в оббитом булыжнике, чтобы вставить в нее палку. Получившийся в результате самый первый каменный топор существенно повысил шансы своего владельца на эволюционный успех. Мы не знаем имени этого умельца, но можно не сомневаться, что талант инструментальщика был благополучно унаследован потомками. С тех пор топоры из каменных стали бронзовыми, а затем железными, и хотя дырок в них уже много веков не сверлят, но сверла так и остаются в числе разнообразных человеческих инструментов. О них и поговорим, сосредоточившись для начала на самых распространенных и известных — сверлах по металлу.
КЛАССИКА ЖАНРА
Вероятно, каждый человек (а уж наш читатель – с гарантией) не раз держал в руках спиральное сверло – без сомнения, наиболее распространенное из всех известных. Его прототипы были известны человечеству с незапамятных времен, но в современном виде оно было запатентовано американцем Стивеном Морзе (не путать с Сэмюэлем Морзе: художником и изобретателем телеграфа) только в 1861 году. Спиральные канавки, обвивающие длинный стальной цилиндр и формирующие две режущие кромки, дали название этому нехитрому инструменту. Морзе делал свои сверла путем скручивания заготовки, сегодня спираль протачивают фрезой, перемещая заготовку вдоль нее и равномерно проворачивая. Все, казалось бы, очень несложно, но нехитрый сей инструмент не так прост, как кажется.
Традиционный (и самый распространенный) вариант спирального сверла по металлу – монолитное, из быстрорежущей стали. В последние десятилетия появились многочисленные варианты с использованием различных твердых сплавов и их комбинаций. Сегодня, при некотором желании, несложно найти в продаже монолитные твердосплавные сверла, сверла с режущими элементами – напайными и сменными, и т. п. Интересен «составной» вариант: внутри – центральный стержень из материала повышенной прочности, чтоб не гнулся и не ломался, а снаружи – оболочка из сплава, стойкого к истиранию. Впрочем, основная сфера применения твердосплавников все же бетон и кирпич.
Обычное сверло состоит из трех частей – режущей, рабочей и хвостовика. С хвостовиком все относительно просто – он нужен, чтобы зажать инструмент в патроне. Впрочем, заметим, что уже упоминавшийся выше Стивен Морзе, помимо собственно спирального сверла, запатентовал также и хвостовик специальной формы, так называемый «конус Морзе». Слабо сужающийся хвостовик обеспечивает лучшую центровку инструмента, поэтому сверла больших диаметров (более полудюйма) почти всегда делаются с коническим хвостовиком. Разумеется, гнездо в шпинделе должно соответствовать форме используемого конуса. Рабочая часть занимает большую часть длины сверла и выглядит самой заметной. Это те самые спиральные канавки, служащие для формирования режущих кромок, вывода стружки из отверстия и подвода охлаждающей жидкости – там, где он применяется. Они имеют определенный угол наклона, рассчитанный в соответствии с планируемым режимом работы.
Режущая часть – «верхушка» инструмента – имеет сложную геоометрию, формируемую тремя составляющими. Во-первых, это коническая обточка всего сверла по кругу – в результате сверло выглядит заостренным. Угол при вершине конуса обычно в литературе обозначается как 2ф. Его величина для данного сверла выбирается в зависимости от того материала, для которого сверло предназначено – чем тверже, тем угол больше; визуально оконечность инструмента выглядит тупее. При сверлении прочных сталей угол при 80–90°, а для пластмасс значение 2ф может достигать 40–50 градусов – ненамного
больше, чем у гвоздя.
Наклон канавок к оси сверла может составлять от 10 до 45 градусов, впрочем, в большинстве случаев диапазон уже – 20–30 градусов. Режущая кромка формируется при пересечении канавки с образующей поверхностью конуса. Угол пересечения, как правило, называется передним углом режущей кромки. Сама кромка при этом получается криволинейной – обратим внимание! Наконец, получившаяся поверхность дополнительно стачивается (этот угол заточки называется задним), чтобы режущая часть, вращаясь, соприкасалась с дном отверстия не всей плоскостью,
а только режущей кромкой, «забирая» материал. Задний угол не должен быть слишком острым, иначе режущая часть уйдет в глубину слишком быстро, а снимать толстую стружку и сложно, и чревато тем, что наш инструмент может не выдержать усилий и сломаться. У сверл, предназначенных для обработки металла, задний угол обычно находится в пределах 5–10 градусов. Вся эта совокупность углов и кромок при сверлении ведет себя довольно сложно. Подробное описание слишком насыщено уравнениями, чтобы приводить его здесь (читатель, не боящийся высшей математики, может найти неплохое описание положения вещей, например, на http://www.info.instrumentmr.ru/instrum-otverst4.shtml), но отметим главное. Из-за кривизны режущих кромок, их реальные параметры оказываются неодинаковыми в разных местах – так, например, передний угол вполне может изменяться от минус до плюс тридцати градусов. Других металлорежущих инструментов со столь заковыристой геометрией нет. А уж из этого следует печальный факт: какой бы режим работы мы ни выбрали, для изрядной части сверла он окажется неоптимальным. Кроме того, как
и у любого вращающегося тела, у нашего сверла есть общая для всех точек угловая скорость, но вот линейная возрастает по мере удаления от центра вращения, а раз так, то чем дальше от центра – тем больший путь проходит режущая кромка и быстрее истирается. В центре же скорость резания практически близка к нулю – сверло не столько режет, сколько «продавливает» металл, что также не способствует ни производительности, ни долговечности.
Разными способами заточки – их несколько десятков – эти проблемы удается в той или иной степени уменьшить, но не избавиться от них совсем.
Конечно, если мы сверлим для бытовых нужд и нечасто, то все эти недостатки не обидны. Но в промышленных масштабах (да хоть бы и с дрелью, если работать с ней постоянно) это означает как минимум ускоренный износ сверл. Разумеется, это не единственное последствие, к нему прибавляются лишние затраты энергии, времени и, в конечном итоге, денег.
У спиральных сверл есть и другие недостатки, но о них мы поговорим ниже. Достоинств у спирального сверла в общем-то немного – оно дешево, просто устроено и его несложно заточить, даже в домашних условиях (впрочем, делать это на специальном станке все равно удобнее). По этой причине «классика жанра» остается самым распространенным типом сегодня и будет таким еще очень долго. Однако на переднем крае инженерной мысли давно уже находятся совсем иные концепции.
КОЛЕЧКО, КОЛЕЧКО, КОЛЬЦО. . .
У спирального сверла есть характерная особенность – оно разрушает и выбирает весь материал по всей площади своего сечения (и даже чуть-чуть шире). Между тем, чтобы сделать отверстие, это совсем не обязательно. Чуть ли не со времен палеолита люди применяли для сверления нехитрое устройство – трубку из подручного материала в сочетании с абразивным материалом. Обитатели южных широт использовали бамбук, северяне – трубчатые кости животных, а с появлением металлургии сверла стали медными или бронзовыми. Применение трубки вместо сплошного стержня при одинаковом диаметре давало существенный выигрыш – надо было перемолоть в порошок не весь диаметр дырки, но в несколько раз меньше, а излишки оставались в виде стерженька посередине отверстия и потом просто извлекались. Известны находки как каменных орудий со следами сверления, так и «отходов производства» – странных на первый взгляд каменных цилиндриков. Конечно, мы и в этом случае
не знаем, кто был автором, но если случится брать интервью у кроманьонца – спросим. В принципе этот способ применим (и реально применяется) по сию пору, но считать данный велосипед свежим изобретением не стоит.
Современное кольцевое сверло (оно же корончатое, оно же кольцевая фреза) представляет собой трубку с хвостовиком и режущими зубьями внизу и по наружной поверхности трубы. Последние ответственны за обработку внутренней поверхности отверстия, а также – как и в случае спирального сверла – за удаление стружки и опилок.
Главная идеологема кольцевых сверл не изменилась с древности. При диаметре отверстия 30 мм кольцевое сверло извлекает из отверстия на 80% меньше отходов, чем спиральное. А при 100 мм – почти на 650%. Как легко догадаться, чем больше диаметр отверстия, тем больше выигрыш. Выигрыш в объеме – это либо меньшие требования к мощности, либо большая скорость. Большее количество режущих кромок – сколько захотим – позволяет оптимизировать режим резания. Поскольку сами кромки прямые, а их линейные скорости различаются не сильно, то изнашиваются они гораздо равномернее. Корончатое сверло устойчивее, точнее позиционируется и практически не уводится в стороны. Увы, своя ложка дегтя есть и тут. Кольцевое сверление пригодно только для сквозных отверстий, иначе как мы извлечем оставшийся посередке столбик? Оно медленнее изнашивается, но если уж затупилось, то для качественной заточки потребуется специальная машинка. Ну и, конечно, этот инструмент подороже, хотя по нынешним временам разница с традиционными сверлами уже не очень велика.
ПРОБЛЕМА ПРОГИБА
Проблема, знакомая всем, кто хоть иногда держал в руках дрель: сверло сложно поставить точно в нужное место, а потом еще сложнее там удержать. Особенно ярко это проявляется при сверлении тонких металлических листов – прогиб материала уводит сверло в сторону. Из положения выходят разными способами, самый известный, конечно же, наметить центр отверстия сверлом меньшего диаметра. Ну а раз это меньшее сверло уже вошло в металл в месте будущего отверстия, то так ли уж надо его оттуда вынимать? На этой несложной идее основаны широко представленные на рынке ступенчатые и конические сверла, иногда называемые еще шарошками. Конструкция и принцип действия обоих агрегатов очевидны из названия – ступенчатое сверло представляет собой «пирамидку», каждая ступенька которой оснащена собственными режущими элементами. Ну а конус, он и есть конус – равномерно расширяющийся. Оба инструмента делают в принципе одно и то же – углубляясь в металл, формируют постепенно расширяющееся отверстие. Понятно и то, что их сфера применения ограничена именно сверлением тонких деталей, зато здесь они успешно решают практически все проблемы: увод сверла в сторону, перегрев, повышенные вибрации, заклинивание при выходе сверла насквозь. Самое же главное – что искомое отверстие создается за один раз, без волокиты со сменой сверл с меньших на большие.
Наконец, в последние годы все более широкое распространение получает технология пластического (бесстружечного) сверления. Суть ее в том, что сверло, специальное, конечно, раскручивается до такой скорости, что при соприкосновении с ним металл от трения нагревается и плавится. Ну а если подать сверло вниз, то через несколько секунд мы получим аккуратно проплавленную дырочку. Способ, разумеется, применим только для листовых деталей, толщиной до нескольких миллиметров, но полученные результаты откровенно радуют – ни уводов, ни вибраций. Стружки, конечно, тоже нет. Более того, образующийся вокруг отверстия «бортик» буквально сам просит нарезать в нем резьбу – если это нам не нужно, то убрать лишнее тоже несложно. Таким образом можно сверлить даже каленую сталь, что во многих иных случаях является серьезной проблемой. Здесь же произойдет аккуратный местный отпуск – и все в ажуре.
Увы, бесстружечное сверло – штука пока недешевая. Цена может доходить до двух-трех сотен евро за штуку, особенно для больших диаметров. Да и вставлять его в ручную электродрель как минимум нерационально, даже если удастся найти подходящую. Промышленные технологии раскрывают свои достоинства лишь в соответствующем обрамлении. История и современность сверления при всей внешней простоте – что может быть проще дырки – тема трудноисчерпаемая в рамках небольшой статьи. Можно констатировать, что со времен палеолита в той или иной степени изменились едва ли не все технологические приемы, применяемые для создания отверстий в различных предметах.
Неприкосновенным осталось только значение этой незатейливой процедуры в нашей жизни – оно громадно. А раз так, то и сверло в разных своих ипостасях останется спутником человека еще много веков.
УГОЛ ПРИ ВЕРШИНЕ КОНУСА (2ф)
СПИРАЛЬНЫХ СВЁРЛ В ЗАВИСИМОСТИ
ОТ ОБРАБАТЫВАЕМОГО МАТЕРИАЛА
<!--[if !supportLineBreakNewLine]-->
<!--[endif]-->
Материал Угол 2ф
Сталь конструкционная 118
Сталь инструментальная 118–150
Коррозиционно-стойкая сталь и сплавы 127
Медные и алюминиевые сплавы 90–150
Титановые сплавы 135–140
Чугун 90–150
Пластмассы порошковые 30–35
Пластмассы волокнистые 45–50
Пластмассы слоистые 70–80