Как сделать квадратное отверстие в дереве

Сверление квадратных отверстий — сверло Уаттса и принцип треугольника Рёло

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.

Свойство треугольника Рёло

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.

Чертеж деталей приспособления для сверления квадратного отверстия

Таблица 1. Размеры направляющих втулок

Таблица 2. Размеры сверл (нажмите для увеличения)

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

Сверло для квадратных отверстий. открытия рело и уаттса — Инструмент Мастер

Ещё в XV веке легендарный Леонардо да Винчи, изучая свойства геометрических фигур, обратил внимание на так называемые геометрические объекты с равной толщиной.

Таких фигур имеется бесконечное множество, но простейшей – помимо окружности — является скруглённый треугольник, который может быть образован следующим образом. Вычерчивается равносторонний треугольник, каждый из углов которого соединяется дугой окружности, проведённой из центра противоположной стороны.

Особенностью такого треугольника будет то, что все его стороны будут иметь постоянную ширину, которая равна длине стороны исходного равностороннего треугольника.

Практическую пользу из этого факта извлёк Л. Эйлер, который три века спустя продемонстрировал вращение такого скруглённого треугольника: вначале вокруг собственной оси, а затем – с некоторым эксцентриситетом, благо карданный механизм науке и технике того времени был уже известен.

Ещё дальше в практическом использовании данной фигуры пошёл немецкий инженер Ф. Рело, который обратил внимание на то, что траектория углов движущегося треугольника при определённых способах его вращения весьма близка к квадрату.

 Лишь непосредственно в углах квадрата внешняя поверхность описывает дугу, впрочем, небольшого радиуса.

В современной технической литературе подобный треугольник называют треугольником Рело, хотя никаких углов у данной фигуры фактически уже нет.

http://proinstrumentinfo.ru/wp-content/uploads/2017/01/figura-relo-300×1… 300w” style=”margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; outline: 0px; font-size: 13.52px; vertical-align: baseline; background: transparent;” width=”700″ />

Пройдёт ещё несколько десятков лет, и англичанин Г. Уаттс придумает приспособление, которым можно обеспечить гарантированную квадратную траекторию для металлорежущего инструмента. Техническое решение для сверла Уаттса было запатентовано в 1916 году, а через год началось серийное производство таких инструментов.

http://proinstrumentinfo.ru/wp-content/uploads/2017/01/sverlo-uattsa-300… 300w” style=”margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; outline: 0px; font-size: 13.52px; vertical-align: baseline; background: transparent;” width=”700″ />

Сверло или фреза?

Большинство технической общественности считает, что всё-таки фреза. Тем не менее, производители упорно продолжают называть данный инструмент сверлом для квадратных отверстий, сверлом Уаттса или сверлом, профиль которого соответствует треугольнику Рело.

Что правильнее? Если обратиться к кинематике перемещения такого режущего инструмента (для наглядности можно воспользоваться схемой, приведённой на рис. 1, то можно обнаружить, что съём металла будет производиться только боковой поверхностью, причём плоскостей резания будет не одна, как у обычного сверла, а четыре, что более свойственно фрезам.

Однако одного вращающего движения для получения квадратного отверстия будет недостаточно.

Простые математические вычисления (в данной статье не приводятся) показывают: для того, чтобы «сверло» для квадратного отверстия выполняло свою функцию, оно должно при работе описывать не только основное движение вращения режущей кромки, но и качательное движение сверла/фрезы вокруг некоторой оси. Оба движения должны производиться во взаимно противоположных направлениях.

http://proinstrumentinfo.ru/wp-content/uploads/2017/01/treugolnik-relo-3… 300w” style=”margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; outline: 0px; font-size: 13.52px; vertical-align: baseline; background: transparent;” width=”700″ />

Рисунок 1 – Треугольник Рело: а) – построение; б) последовательность вращения для получения отверстия квадратной формы.

Угловая скорость обоих вращений определяется довольно просто.

В этом случае ось шпинделя как бы зажимается между рабочим валом и приводным колесом, заставляя сверло/фрезу колебаться в зажимном приспособлении с остаточной скоростью

(1 – 0,625)f = 0,375f.

Более точно результирующую скорость вращения фрезы можно установить, пользуясь техническими характеристиками дрели/перфоратора, но ясно, что она будет намного ниже той, на которую изначально рассчитан инструмент. Поэтому получение квадратного отверстия будет происходить с меньшей производительностью.

Устройство и принцип работы

Непосредственно применить фрезу/сверло для квадратных отверстий с профилем треугольника Рело нельзя – необходимы канавки для отвода образующейся стружки.

Поэтому (см. рис. 2) профиль рабочей части инструмента представляет собой вышеописанную фигуру, из которой вырезано три полуэллипса. При этом реализуются три цели: снижаются момент инерции сверла, нагрузки на шпиндель, а также повышается режущая способность фрезы.

Конструкция инструмента такова. Собственно, рабочая часть включает в себя рабочую поверхность, которой производится съём металла и отводящие стружку канавки.

 Изготавливается фреза-сверло для квадратных отверстий из стали У8 и закаливается до твёрдости HRC 52…56. При особо тяжёлых условиях эксплуатации используются изделия из легированной стали Х12 с твёрдостью HRC 56…60.

 При нормальной подаче СОЖ и из-за сравнительно небольших температур в зоне обработки стойкость инструмента – высокая.

Более сложную конструкцию имеет шпиндель-переходник. Он включает в себя:

1. Корпус.
2. Зубчатый венец.
3. Посадочное место под основной шпиндель (если инструмент устанавливается в инструментальной головке металлорежущего станка, то переходник имеет вид конуса Морзе).
4. Приводной шестерни.
5. Основного шпинделя.
6. Шестерни зацепления с зубчатым венцом.
7. Качающейся втулки.

http://proinstrumentinfo.ru/wp-content/uploads/2017/01/ustrojstvo-sverla… 300w” style=”margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; outline: 0px; font-size: 13.52px; vertical-align: baseline; background: transparent;” width=”700″ />

Для бытовых приспособлений производители фрез/свёрл для квадратных отверстий предлагают накладные рамки, которые соединяются карданной передачей с патроном, и сообщают эксцентрические перемещения режущему инструменту. Толщина такой рамки определяет глубину получаемого отверстия.

Для соединения приспособления с патроном станка необходим ещё специальный переходник. Он состоит из:

1. Корпуса.
2. Плавающего хвостовика.
3. Качающегося кольца.
4. Сменной втулки под патроны разных металлообрабатывающих станков.
5. Крепёжных винтов.
6. Опорных шариков.

Для практического применения рассматриваемого инструмента достаточно придать шпинделю основного оборудования подачу в необходимом направлении. Для изготовления квадратных отверстий с применением такой оснастки пригодны фрезерные протяжные и токарные станки.

Альтернативные способы получения квадратных отверстий

Недостатком свёрл Уаттса считается наличие радиусных дуг в углах квадрата, что не всегда приемлемо.

Кроме того, свёрла для квадратных отверстий, изготовленные с использованием треугольника Рело, не могут вести обработку заготовок большой толщины.

 В таких случаях можно использовать электроэрозионные/лазерные технологии, а также – что проще – применить сварку или штамповку.

Комплекты пробойников для квадратных отверстий выпускаются в ассортименте поперечных размеров до 70×70 мм в металле толщиной до 12…16 мм. В комплект входят:

• Пуансонодержатель под пробойник.
• Направляющая втулка.
• Кольцевой ограничитель хода.
• Матрица.

Для силового воздействия на пробойник можно использовать гидравлический домкрат. Пробитое отверстие выгодно отличается чистотой полученных кромок, а также отсутствием заусенцев. Подобный инструмент производится, в частности, торговой маркой Veritas (Канада).

При наличии в домашнем хозяйстве сварочного инвертора квадратное отверстие в стальной детали можно прожечь.

С этой целью в заготовке предварительно сверлится (с запасом) круглое отверстие, затем туда вставляется требуемых размеров квадрат из графита марок ЭЭГ или МПГ, после чего обваривается по контуру.

ист.

Сверло Уаттса для сверления квадратных отверстий: описание, размеры

Просверлить круглое отверстие 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.

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.

Как сделать квадратное отверстие в дереве

Просверлить круглое отверстие 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.

Строение сверла для квадратных отверстий

При сверлении отверстий 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. Уменьшается нагрузка на шпиндель.
3. Повышается способность сверла резать.

Обычно квадратные отверстия проделываются на токарных или фрезерных протяжных станках. 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.

Виды сверл 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 спиральными свёрлами стружка отводится по двум продольным канавкам.

По форме хвостика такие инструменты делятся на три типа:

• шестигранные,
• конические,
• цилиндрические.

Разновидности сверл по дереву

В зависимости от конструктивных особенностей виды сверл по дереву делят на несколько категорий. Классификация выглядит следующим образом:

• спиральные;
• винтовые;
• перьевые;
• сверла Форстнера;
• коронки;
• фрезерные;
• пробочные;
• комбинированные;
• зенкера.

Подбор их ведется в зависимости от толщины обрабатываемого материала, диаметра и глубины отверстия, типа хвостовика в инструменте.

Обращается внимание на цвет бура, который меняется при разных технологиях термической обработки:

• Черный. В целях повышения прочности, применялась обработка паром.
• Желто-золотой. Проводилась обработка в целях снятия с металла поверхностных напряжений.
• Ярко-золотой. При помощи термической обработки произошло насыщение поверхностного слоя нитридом титана.
• Серый. Напыление поверхности не проводилось.

Спиральные приспособления

Спиральные сверла чаще других видов используются в домашних условиях. Инструмент характеризуется низкой ценой и широким спектром диаметров — от 3 до 16 мм.

На конце располагается острие.

В процессе работы оно придает ему устойчивость, исключает возможность соскальзывания и намечает точку в момент начала сверления.

Подрезатели передают значительное напряжение на инструмент, но отверстия получаются с высокой степенью точности, в то время как коническая головка обеспечивает хороший вход бура в дерево, без ухода сверла в сторону.

Винтовые (шнековые)

Другое название этого типа — шнековое сверло. Благодаря тому, что рабочий участок напоминает шнек, идет хорошее удаление отходов. Достоинства:

• Сверло по дереву длинное. Максимальный размер составляет 600 мм, хотя наиболее применяемый — 450 мм. Обеспечивается сверление отверстий в толстых материалах с высоким качеством работы. Устанавливаются длинные буры на электрические дрели и включается режим малых оборотов. Важно помнить, что чем меньше у сверла диаметр, тем оно должно быть короче. Зная, какой будет установлен бур, выбирается соответствующий режим работы.
• Диапазон размерного ряда диаметров составляет от 3 мм до 52 мм.

В процессе работы нельзя допускать изгибов бура.

Перьевые приспособления

У перового центральная часть сделана в виде пера. В обе стороны расходятся 2 резца. С другой стороны находится шестигранный наконечник. Правила эксплуатации следующие:

• Перед началом работы с помощью керна намечается место сверления.
• В качестве оборудования используется электродрель. Количество оборотов выставляется в зависимости от диаметра сверла. Чем он больше, тем обороты меньше.
• При сверлении глубокого отверстия применяется удлинитель, который замком крепится к буру.
• На первой стадии идет очерчивание контура отверстия. Для этого перовая часть выставляется перпендикулярно к поверхности и идет надавливание с небольшой силой.
• Стружка из паза самостоятельно не удаляется, поэтому временами работу нужно останавливать для ее уборки.

Инструмент наиболее легкий в обслуживании. Заточка его проводится по образцу. Главное — точно в оси заточить центральную часть. Небольшое смещение приведет к уводу сверла в сторону.

Сверла Форстнера

Преимуществом такого сверления является чистота среза. Достигается это тем, что до начала работы идет подрезание волокон по окружности. В дальнейшем на обрабатываемой поверхности не образуется сколов и задиров.

Инструмент четко держит заданное направление.

Вообще, как правило, все сверла фиксируют точку сверления центральным острием.

Сверло Форстнера — через цилиндрическую плоскость. Благодаря большой поверхности бур не может уйти в сторону.

Разновидностью сверла Фостнера является балеринка. Она состоит из центрирующего элемента и боковых резцов. Благодаря регулируемому устройству задается необходимый диаметр. Отпадает необходимость в покупке нового инструмента.

Коронки

Коронки (способ кольцевого отверстия) является наиболее бесшумным методом.

Применяется тогда, когда нужно изготовить большое отверстие в заготовке малой толщины.

Диаметр может варьироваться от 19 до 127 мм. Продаются насадки комплектами.

Специфика работы позволяет сверлить отверстия в гипсокартоне, ДВП, ДСП и пластике. К недостатку относится ненадежность конструкции.

Коронка изготавливается из металла толщиной 2 мм. Это позволяет сверлить не более 2−3 отверстий.

После этого она для работы больше не годится.

Фрезерные буры

Используя фрезерные буры, можно сверлить не только отверстия, но и изготавливать пазы.

Поэтому они применяются при сложной обработке деталей.

Конструкция бура состоит из хвостовика и рабочей части, которая сразу же затачивается под необходимую операцию.

Хвостовая часть бывает разной конфигурации:

• Треугольная. Подходит для трехкулачкового патрона. Хвостовик не проворачивается даже при больших крутящих моментах.
• Шестигранная. Установка ведется как в трехкулачковый патрон, так и стандартный. Существует риск проворачивания.
• Коническая. Используется только на производстве.
• Четырехгранная. Находят редкое применение, хотя эффект проворачивания в патроне отсутствует.

Сверло для квадратных отверстий. Открытия Рело и Уаттса

В некоторых случаях необходимо получить отверстия в форме квадрата. Обычные способы малопроизводительны и тяжелы.

Самый примитивный из них сводится к предварительному высверливанию отверстия диаметром, равным вписанной в квадрат окружности, и постепенному его продалбливанию.

Потребуется инструмент, который сможет работать без вращения инструментальной головки, а также специальный переходник. Проще воспользоваться так называемым «квадратным» сверлом (сверлом Уаттса), или, точнее, фрезой.

Немного истории с геометрией

Ещё в XV веке легендарный Леонардо да Винчи, изучая свойства геометрических фигур, обратил внимание на так называемые геометрические объекты с равной толщиной.

Таких фигур имеется бесконечное множество, но простейшей – помимо окружности — является скруглённый треугольник, который может быть образован следующим образом. Вычерчивается равносторонний треугольник, каждый из углов которого соединяется дугой окружности, проведённой из центра противоположной стороны.

Особенностью такого треугольника будет то, что все его стороны будут иметь постоянную ширину, которая равна длине стороны исходного равностороннего треугольника.

Практическую пользу из этого факта извлёк Л. Эйлер, который три века спустя продемонстрировал вращение такого скруглённого треугольника: вначале вокруг собственной оси, а затем – с некоторым эксцентриситетом, благо карданный механизм науке и технике того времени был уже известен.

Ещё дальше в практическом использовании данной фигуры пошёл немецкий инженер Ф. Рело, который обратил внимание на то, что траектория углов движущегося треугольника при определённых способах его вращения весьма близка к квадрату.

Лишь непосредственно в углах квадрата внешняя поверхность описывает дугу, впрочем, небольшого радиуса.

В современной технической литературе подобный треугольник называют треугольником Рело, хотя никаких углов у данной фигуры фактически уже нет.

Пройдёт ещё несколько десятков лет, и англичанин Г. Уаттс придумает приспособление, которым можно обеспечить гарантированную квадратную траекторию для металлорежущего инструмента. Техническое решение для сверла Уаттса было запатентовано в 1916 году, а через год началось серийное производство таких инструментов.