что делают с отверстием

Сверление глубоких отверстий

Глубокие отверстия — это углубления в детали более 10 см. Их высверливают в:

Уровень сложности сверления отверстий пропорционален увеличению их глубины. Ее определяют по соотношению L/Dо, где L — длина, Do — диаметр отверстия. При помощи стандартных инструментов и обычных способов становится возможным сверление неглубоких отверстий — до L/Dо = 5. В случае превышения этого показателя речь идет о создании глубокого отверстия. Для реализации этой задачи используется специализированное оборудование и способы сверления глубоких отверстий:

Независимо от выбранного способа сверления важно организовать подачу смазочных жидкостей для охлаждения детали и сверла. Также это позволяет уменьшить силу трения, обеспечить естественный отвод излишков тепла, в результате чего отмечается эффективное устранение стружки. Чтобы глубокое сверление происходило максимально качественно, следует правильно определиться со скоростью резанья и вращения сверлильной части.

Разновидности сверления глубоких отверстий

Сверление отверстий классифицируется по нескольким параметрам. С учетом схемы высверливаемой стружки этот процесс подразделяют на:

Можно создавать различные глубокие отверстия несколькими способами резания:

Кроме перечисленных разновидностей, также выделяют сверление глубоких отверстий в зависимости от уровня автоматизации процесса — один или несколько параметров режима могут изменяться автоматически (к примеру, регулировка скорости вращения или подача смазочного материала во время сверления).

Особенности сверления глубоких отверстий

Глубокое сверление окажется эффективным, если следовать основным принципам:

Для подачи масла используют устройства, перекачивающие вязкие вещества. При выборе мощности системы для глубокого сверления учитывают предстоящий расход жидкости и необходимую величину давления для эффективной подачи смазывающего средства.

Разновидности инструментов, используемых для глубокого сверления

Сверление чистых, точных и прямолинейных отверстий происходит с использованием специальных инструментов, которые подразделяются на несколько видов.

Пушечные

Режущая часть, стебель и хвостик таких изделий производятся из нескольких видов металла. Такие сверла оснащены полукруглым стержнем, на торце которого создается перпендикулярно оси режущая кромка. Пушечные инструменты используют, когда нужно создать отверстия в металле, тяжело поддающемся обработке.

Ружейные

Представляют собой однорезцовые режущие инструменты для создания глубоких отверстий малого/большого диаметра. За счет ружейной установки удается лучше направить режущую часть. В отличие от предыдущего типа сверл эта модель оснащена внутренним каналом для подвода СОЖ и прямой канавкой, позволяющей удобно выводить стружку с жидкостью.

Перовые

Материалом изготовления служит пруток, который путем ковки или фрезерования преобразуют в пластину. Ее затачивают, образуя пару главных и пару вспомогательных кромок. Перовые сверла отличаются простой конструкцией. Их можно легко изготовить нужного диаметра, длины. Такие инструменты применяют для шпиндельного глубокого сверления. Их главным недостатком считают сложное выведение стружки, а также склонность к вибрациям во время сверления, что связано с недостаточной жесткостью режущей части.

Спиральные с подводом СОЖ

Стандартные инструменты с удлиненной рабочей частью, оснащенной круглыми отверстиями. Изготовленные на базе проката с винтовыми отверстиями или заготовок, подготовленных путем радикальной ковки. Они подходят для сверления больших партий изделий, характеризуются высоким расходом твердого сплава и максимальной производительностью (в 8 раз больше в сравнении с ружейными).

Заказать сверление глубоких отверстий предлагает завод «ЧЗМК». Мы выполним любой объем работы в сжатые сроки. У нас всегда в наличии популярные марки металла для обработки.

Источник

Обработка отверстий: виды операций и используемый инструмент

Обработка отверстий – это целый ряд технологических операций, целью которых является доведение геометрических параметров, а также степени шероховатости внутренней поверхности предварительно выполненных отверстий до требуемых значений. Отверстия, которые обрабатываются при помощи таких технологических операций, могут быть предварительно получены в сплошном материале не только при помощи сверления, но также методом литья, продавливания и другими способами.

Обработка высверленного отверстия цилиндрическим зенкером

Конкретный способ и инструмент для обработки отверстий выбираются в соответствии с характеристиками необходимого результата. Различают три способа обработки отверстий – сверление, развертывание и зенкерование. В свою очередь эти методы подразделяются на дополнительные технологические операции, к которым относятся рассверливание, цекование и зенкование.

Чтобы понять особенности каждого из вышеперечисленных способов, стоит рассмотреть их подробнее.

Сверление

Чтобы обрабатывать отверстия, их необходимо предварительно получить, для чего можно использовать различные технологии. Наиболее распространенной из таких технологий является сверление, выполняемое с использованием режущего инструмента, который называется сверлом.

Основные части спирального сверла

При помощи сверл, устанавливаемых в специальных приспособлениях или оборудовании, в сплошном материале можно получать как сквозные, так и глухие отверстия. В зависимости от используемых приспособлений и оборудования сверление может быть:

Физика сверления отверстий

Использование ручных сверлильных устройств является целесообразным в тех случаях, когда отверстия, диаметр которых не превышает 12 мм, необходимо получить в заготовках из материалов небольшой и средней твердости. К таким материалам, в частности, относятся:

Если в обрабатываемой детали необходимо выполнить отверстие большего диаметра, а также добиться высокой производительности данного процесса, лучше всего использовать специальные сверлильные станки, которые могут быть настольными и стационарными. Последние в свою очередь подразделяются на вертикально- и радиально-сверлильные.

Рассверливание – тип сверлильной операции – выполняется для того, чтобы увеличить диаметр отверстия, сделанного в обрабатываемой детали ранее. Рассверливание также выполняется при помощи сверл, диаметр которых соответствует требуемым характеристикам готового отверстия.

Физика рассверливания отверстий

Такой способ обработки отверстий нежелательно применять для тех из них, которые были созданы методом литья или посредством пластической деформации материала. Связано это с тем, что участки их внутренней поверхности характеризуются различной твердостью, что является причиной неравномерного распределения нагрузок на ось сверла и, соответственно, приводит к его смещению. Формирование слоя окалины на внутренней поверхности отверстия, созданного с помощью литья, а также концентрация внутренних напряжений в структуре детали, изготовленной методом ковки или штамповки, может стать причиной того, что при рассверливании таких заготовок сверло не только сместится с требуемой траектории, но и сломается.

При выполнении сверления и рассверливания можно получить поверхности, шероховатость которых будет доходить до показателя Rz 80, при этом точность параметров формируемого отверстия будет соответствовать десятому квалитету.

Зенкерование

При помощи зенкерования, выполняемого с использованием специального режущего инструмента, решаются следующие задачи, связанные с обработкой отверстий, полученных методом литья, штамповки, ковки или посредством других технологических операций:

При зенкеровании прикладывается меньшая сила реза, чем при сверлении, и отверстие получается более точное по форме и размерам

Если такой обработке необходимо подвергнуть отверстие небольшого диаметра, то ее можно выполнить на настольных сверлильных станках. Зенкерование отверстий большого диаметра, а также обработка глубоких отверстий выполняются на стационарном оборудовании, устанавливаемом на специальном фундаменте.

Ручное сверлильное оборудование для зенкерования не используется, так как его технические характеристики не позволяют обеспечить требуемую точность и шероховатость поверхности обрабатываемого отверстия. Разновидностями зенкерования являются такие технологические операции, как цекование и зенкование, при выполнении которых используются различные инструменты для обработки отверстий.

Зенкеры конусные по металлу

Специалисты дают следующие рекомендации для тех, кто планирует выполнить зенкерование.

Зенкование и цекование

При выполнении зенкования используется специальный инструмент – зенковка. При этом обработке подвергается только верхняя часть отверстия. Применяют такую технологическую операцию в тех случаях, когда в данной части отверстия необходимо сформировать углубление для головок крепежных элементов или просто снять с нее фаску.

Чем различаются зенкование и цекование

При выполнении зенкования также придерживаются определенных правил.

Целью такого вида обработки, как цекование, является зачистка поверхностей детали, которые будут соприкасаться с гайками, головками болтов, шайбами и стопорными кольцами. Выполняется данная операция также на станках и при помощи цековки, для установки которой на оборудование применяются оправки.

Развертывание

Процедуре развертывания подвергаются отверстия, которые предварительно были получены в детали при помощи сверления. Обработанный с использованием такой технологической операции элемент может иметь точность, степень которой доходит до шестого квалитета, а также невысокую шероховатость – до Ra 0,63. Развертки делятся на черновые и чистовые, также они могут быть ручными или машинными.

Цилиндрические ручные развертки 24Н8 0150

Рекомендации, которых следует придерживаться при выполнении данного вида обработки, заключаются в следующем.

Источник

Сверлим отверстия в дереве правильно, часть 1: для чего нужны трехточечные сверла и где в перьевых — перья?

Дерево, в наших краях, один и самых часто встречающихся и популярных материалов с которым имеет дело домашний мастер. Из него можно построить дачный домик, поставить забор, сделать мебель и многое другое. В этой статье хотел бы рассказать о различных типах сверл для выполнения отверстий в дереве и поделится собственным опытом по их выбору и применению, а также дать несколько советов, которые возможно будут полезны читателю.

Вообще, по своему сугубо личному мнению, практически любое дерево обладает крайне положительной энергетикой и работа с ним позволяет успокоить нервы и привести в равновесие душевное состояние не хуже медитации или таблеток. Возможно именно поэтому, большинство столяров и плотников, которые мне встречались, были людьми крайне уравновешенными и добродушными 🙂

Самая простая и наиболее частая операция выполняемая с деревом это сверление отверстий, давайте посмотрим когда и чем их лучше делать. Конечно, разные виды древесины отличаются друг от друга и мягкая сосна или липа, требуют гораздо меньшего усилия при обработке чем, например, бук или дуб. Однако, общие принципы применения тех или иных типов сверл одинаковые для всех видов.

Трехточечные сверла

Применение: сверление отверстий небольшого диаметра в дереве, фанере, ДСП и тд.

Сверла предназначенные для сверления именно дерева и содержащих его материалов (типа ДСП). По конструкции такие сверла имеют в передней части, по оси сверла, заостренный шип, для точного позиционирования на месте сверления. Кроме этого, режущие элементы имеют небольшой наклон в сторону поверхности сверления и вся конструкция напоминает трезубец. Спиральные канавки-шнеки, через которые происходит отвод высверленного дерева имеют большую глубину и дополнительно заточенную кромку для получения более гладкого отверстия.

Главной особенностью при сверлении такими сверлами, является приложение усилия строго перпендикулярно оси сверла, иначе оно, при перекосе, либо погнется (если плохое), либо сломается (если хорошее), особенно это актуально для малых диаметров сверл (до 5мм). При выполнении сквозного сверления желательно подкладывать под заготовку черновой брусок, чтобы с обратной стороны целевой заготовки не происходило вырывание волокон при выходе трезубца. Впрочем, этот совет актуален для любых типов сверл.

Сверла отлично подходят для засверловки отверстий перед вкручиванием саморезов, чтобы предотвратить растрескивание деревянной заготовки вдоль волокон. Продаются как поштучно, так и в наборах, обычно, от 3 до 10мм в диаметре.
Достоинства: лучший вариант для сверления отверстий в дереве диаметром до 10мм. Достаточно дешевы.
Недостатки: Малые диаметры достаточно легко сломать при перекосе в процессе сверления.

Универсальные спиральные сверла

Применение: сверление разных типов материалов, в том числе дерева.

Это самые распространенный тип сверл, используемый для сверления не только дерева, но и других материалов: пластика, металла, пенобетона и др. Их удобно применять когда отверстие сверлится сразу в нескольких, сложенных в «пирог», заготовках.

Такие сверла имеют две режущие кромки на коническом наконечнике и закручены спиралью. Глубина спиральных канавок меньше чем у сверл по дереву и их кромка не такая острая. Изготавливаются как с гладким цилиндрическим хвостовиком, так и с шестигранником, если покупаете набор второго типа, проверяйте чтобы на нем было упоминание или значок, что подходят для работы импактами.

В основном универсальные сверла изготавливаются из углеродистой или быстрорежущей стали HSS/Р6М5 — первый вариант более дешевый, хрупкий и выдерживает меньшие боковые нагрузки на излом, чем вторые, в которых присутствует небольшой процент молибдена и вольфрама.

Подобные сверла имеют строго определенный угол заточки для тех или иных видов материала, хотя, для сверления дерева этот параметр не очень важен, тут главное, чтобы кромка была просто хорошо заточена. Также отмечу, различие данного типа сверл по цвету:

Однако, по личному опыту отмечу, что оценивать качество ориентируясь по цвету не стоит, у меня были и черные и «золотые» сверла разных производителей и ломаются они ничуть не хуже обычных 🙂 Особенно преуспели в такой покраске китайские производители, покрытие которых стирается после первых двух просверленных отверстий. Главное материал изготовления самих сверл, брендовые ходят дольше, да и покрытие выдерживает десятки отверстий даже в твердых материалах (при соблюдении правил сверления).

При должной сноровке отверстия в дереве получаются ровными, однако, но скорость сверления отверстий ниже, чем у сверл из предыдущего пункта, а широкий конус режущей кромки увеличивает время точного позиционирования центра сверления. Сверлить нужно также как и сверлами для дерева, прилагая усилие строго перпендикулярно оси сверла, особенно если сверлим малым диаметром.

Диаметр универсальных сверл обычно не превышает 10мм (редко попадаются 12мм), часто продаются в наборах по несколько штук с диаметром от 3 до 10мм. Советую всегда иметь в наличии один такой набор с сверлами разного диаметра + несколько отдельных дублей диаметром 3-4 мм.

Достоинства: Универсальность. Вариант для сверления отверстий не только в дереве.
Недостатки: Малые диаметры. Достаточно хрупкие (особенно китайские :). При высоких оборотах сверления есть риск перегреть сверло (больше относится к плотным материалам).

Перовые (перьевые) сверла

Применение: сверление в дереве больших и глубоких отверстий диаметром от 10 до 60мм.

Хвостовик — шестигранный, может быть с проточкой или без — предназначенный для кулачковый патронов. Форма зажимной части (хвостовика) обусловлена бОльшей нагрузкой, которая воздействует на данный тип сверл при сверлении, особенно глубоких отверстий больших диаметров и гладкий хвостовик просто будет проскальзывать в патроне, как его не затягивай. Соответственно, для работы такими сверлами требуется более мощный инструмент. Толщина плоской части пера, обычно, пропорциональна диаметру отверстия, которое им можно проделать и чем он больше, тем толще и режущая часть.

Качество получаемых отверстий не очень высокое, причем оно получается тем грубее, чем глубже отверстие, т.к. достаточно сложно выдержать строго вертикальное усилие по оси сверла и даже при небольшом перекосе стенки отверстия повреждаются не заточенной плоской частью «пера». Подобный сверла изготовлены из более мягкого металла, а дешевые варианты, при сверлении глубоких отверстий, подвержены скручиванию и изгибу, бывает что даже новые «перья» изначально имеют плохую центровку, что вызывает биение и плохое качество получаемого отверстия. Начинать сверление нужно на низких оборотах, далее продолжать сверление не превышая показатель 450 об/мин (причем, чем больше диаметр, тем медленнее сверлим), периодически вытаскивая вращающееся сверло, чтобы обеспечить выход опилок.

Продаются как отдельно, так и в наборах. Для бытовых работ ходовые размеры диаметров получаемых отверстий от 10 до 25мм.
Достоинства: Дешевизна. Можно получать достаточно большие отверстия. Простота конструкции позволяет делать заточку режущих кромок самостоятельно.
Недостатки: Невысокое качество получаемого отверстия. Склонность к скручиванию и изгибу. Для сверления глубоких отверстий требуется мощный инструмент. Достаточно высокий центральный шип ограничивает возможность делать глухие отверстия в досках и брусках.

Сверла Форстнера

Применение: сверление качественных отверстий большого диаметра, в том числе глухих.

Сверло изобретено в 1874 году Бенджамином Форстнером и с тех пор притерпело большое количество модификаций. Является лучшим вариантом, чтобы получить красивое ровное отверстие в дереве, ДСП, МДФ и других подобных материалах: сквозное или глухое с нужной глубиной. Подобные сверла используются для выполнения посадочных отверстий для петель мебели и другой фурнитуры, когда важен именно аккуратный результат. Конструкция сверла достаточно сложная, что дает разным производителям реализовать свой полет фантазии в конструкции данной расходки. По сути сверло Форстнера — это небольшая фреза с несколькими режущими элементами: центральное острие служит для точного позиционирования центра будущего отверстия, шип может быть в виде конуса, призмы или даже конусного винта. Острая перемычка с лезвиями, проходящая перпендикулярно оси сверла, в процессе вращения обеспечивает послойное срезание дерева и отвод опилок и стружки, а режущая кромка по кругу позволяет получить очень ровный размер круга отверстия с гладкими стенками.

Кромка может быть выполнена в виде только двух твердосплавных резцов или же в виде венца-коронки с несколькими зубьями (обычно для сверл с большим диаметром). Базовые диаметры подобных сверл продающихся как отдельно, так и комплектами от 10 до 35мм. Однако, существуют варианты для выполнения больших отверстий, например, на 68, 80 или даже 117мм.

Производятся подобные сверла из качественной быстрорежущей стали. Могут быть сборными (более дешевые варианты), состоящими из нескольких частей или выточенными из единого куска стали (дорогие). Хвостовик обычно представляет из себя круглый гладкий цилиндр: для небольших диаметров — 8мм, для крупных — 10мм. При сверлении нужно начинать с малых оборотов, затем сверлить на средних (до 1600-1800об/мин) не перегревая, чтобы не повело металл. Инструмент должен быть мощным, чтобы обеспечить достаточный крутящий момент для выполнения больших отверстий. В продаже есть варианты в комплекте с ограничителем сверления, что крайне удобно для изготовления сверления отверстий со строго заданной глубиной под мебельные петли.

Достоинства: Высокое качество получаемых отверстий. Отличный вариант для сверления глухих и достаточно глубоких отверстий заданной глубины.
Недостатки: Из-за сложности конструкции и качественной стали, достаточно дороги, особенно для больших диаметров. Подвержены перегреву на высоких оборотах.

Коронки

Применение: Сверление отверстий большого диаметра в доске, фанере, пластике итд.

Оптимальны в использовании, если нужно просверлить большое отверстие, например, для подрозетника в не толстых материалах типа фанеры, доски, ДСП, ОСБ, гипсокартоне итд. Для дерева лучше покупать составные наборы в которые входит центральная часть (державка) и сменные коронки разных диаметров. В качестве центровочного сверла можно использовать, либо универсальное, либо, что еще лучше — сверло по дереву, желательно с боковой проточкой хвостовика, чтобы не проскальзывало при сверлении. Сверло фиксируется в державке при помощи винта под шестигранник, поэтому легко меняется в случае поломки. Коронок в наборах может быть много — 10-12 штук, от 19 до 127мм в диаметре. Каждая коронка имеет большое количество зубьев и работает как пила.

Кроме этого, есть варианты наборных коронок, когда режущая часть представляет из себя пильное полотно в виде неполного круга, фиксируемое в специальном диске с центральным сверлом.

Металл изготовления может быть HCS (высокоуглеродистая сталь) подходит только для мягких материалов типа дерева или пластика, HSS — быстрорежущая сталь, подходит еще и для листового металла.

Качество отверстия сделанного таким сверлом сильно зависит от умения пользователя, при должной сноровке и качественных коронках можно получить вполне гладкие кромки и стенки. Работать нужно на средних оборотах, т.к. конструкция не предполагает хорошего отвода образующихся опилок и на больших оборотах мелкий зуб коронок быстро забивается деревом, перестает резать и начинает нагреваться от трения, легко получить дымок от дерева и перегрев металла. Глубина ограничена глубиной самой коронки и не превышает 2-3см.

С большими диаметрами коронок нужно работать весьма аккуратно, лучше использовать мощный инструмент с автотормозом, хорошо удерживая и фиксируя его в обеих руках, т.к. при заклинивании такой коронки, можно получить вывих запястья или пальцев от проворота дрели или шуруповерта при резкой остановке коронки. А еще достаточно непросто вытащить из коронки получившийся кружок. Существуют варианты таких сверл с выталкивающими пружинами, вокруг центрального сверла, но это скорее маркетинг, работает такой механизм не очень хорошо.

Достоинства: Быстрое получение отверстий большого диаметра. Большой выбор размеров. Невысокая цена наборов.
Недостатки: Склонность к забиванию полотна коронок древесной пылью и опилками. Небольшая глубина.

Если интересны недорогие варианты сверл, можете посмотреть эту подборку.

В этой части я рассказал про базовые типы сверл для дерева. В следующей расскажу о других, более интересных вариантах. Продолжение следует.

Источник

Что делают с отверстием

Отверстия малого диаметра используются во многих деталях современных машин и их агрегатов. Например лопатках газовых турбин, кольцевых деталях турбины и камеры сгорания, в форсунках и фильтрах, экранах, деталях гидро- и пневмоагрегатов (золотники, плунжеры, дроссели, гильзы и т.д.), для контровки деталей крепежа и арматуры. Их получают различными способами: резанием (сверление сверлами малого диаметра), лазерным и электронным лучом, электроэрозионной обработкой, электрохимической и ультразвуковой обработкой, струйно-абразивной обработкой и др. Каждый из перечисленных методов имеет свои достоинства и недостатки.

Сверление на металлорежущих станках

Электронно-лучевой способ получения отверстий малого диаметра

В производстве авиационных двигателей и их агрегатов ЭЛО используют для получения отверстий и узких пазов в различных материалах (сталях, никелевых и титановых сплавах и др.). Диаметр прошиваемых отверстий зависит от толщины обрабатываемого материала.

Электронно-лучевое сверление отверстий имеет следующие основные преимущества:
— высокая скорость обработки;
— выполнение процесса в вакууме обеспечивает отсутствие окисления;
— малая зона термического влияния и отсутствие микротрещин;
— малая конусность отверстий;
— широкая номенклатура обрабатываемых материалов;
— электронный пучок (в отличие от лазерного) практически полностью поглощается мишенью, что обеспечивает возможность обработки материалов с высокой прозрачностью и большой отражательной способностью.

Технологические возможности электронно-лучевого сверления по данным фирмы Acceleron Inc. приведены в табл. 1.

Таблица 1

Толщина материала	0,05…5 мм
Диаметр отверстия	0,75…1,0 мм, угол наклона 20…90°
Точность обработки	± 0,025 мм, погрешность расположения ± 0,01 мм
Время обработки одного отверстия	0,1…5,0 мс
Форма отверстия	Коническое, цилиндрическое, колоколообразное
Производительность	1…2000 отв/с
Достигаемое отношение глубины к диаметру	25:1
Материалы	Металлы и сплавы, неметаллы, включая керамику, кварц,сапфир и др.

На рис. 1, 2 и 3 приведены примеры, иллюстрирующие технологические возможности, а на рис. 4 — установка для электронно-лучевого сверления отверстий малого диаметра.

Рис. 1. Перфорированные пазы в фольге из нержавеющей стали толщиной 0,05…0,08 мм

Рис. 2. Типичные отверстия диаметром 0,2 мм, полученные электронно-лучевым сверлением

Рис. 3. Отверстия, полученные электронно-лучевым способом

Рис. 4. Установка для перфорирования электронным лучом фирмы Steigerwald с многокоординатным ЧПУ (высокоскоростной электронно-лучевой перфоратор)

Данные, иллюстрирующие технологические возможности ЭЛО по обработке отверстий и узких щелей, приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2

Обрабатываемый материал	Толщина детали, мм	Ширина реза, мкм	Скорость резки, мм/мин	Ускоряющее напряжение, кВ	Ток луча, мкА
Вольфрам	0,25	25	Таблица 3
Обрабатываемый материал	Толщина детали, мм	Ширина реза, мкм	Скорость резки, мм/мин	Ускоряющее напряжение, кВ	Ток луча, мкА
Вольфрам	0,05	25	125	150	30
Нержавеющая сталь	0,175	100	50	130	50
Бронза	0,25	100	50	130	50
Алюминий	0,75	100	600	130	200

Для получения отверстий в фильтре (рис. 5), заготовка которого представляет собой цилиндр из листового материала, последняя устанавливается в специальное приспособление в вакуумной камере и приводится во вращение. Каждое отверстие может обрабатываться за один или несколько импульсов. В процессе непрерывного вращения заготовки с частотой 1…2000 импульсов в секунду на нее воздействуют электронные пучки из электронной пушки. В течении каждого импульса луч отклоняется и фокусируется в требуемую точку поверхности (рис. 6). Энергия, длительность, размер фокального пятна и другие параметры каждого импульса назначаются в зависимости от конкретных условий обработки и диаметра получаемого отверстия.

Рис. 5. Фильтр из нержавеющей стали толщиной 1,5 мм с 350000 отверстиями диаметром 0,1 мм, полученными электронно-лучевым сверлением

Рис. 6. Формирование отверстия при движении заготовки: 1 — электронный луч; 2 — отклоняющая система; 3 — заготовка; 4 — технологическая подложка

Применение ЭЛО ограничивают необходимость выполнения процесса в вакууме (большие энергетические потери на работу насосов, создающих вакуум) и высокая стоимость технологического оборудования.

Лазерная прошивка отверстий

Лазеры начинают широко использовать для получения отверстий малого диаметра. Это обусловлено возможностью получения отверстий диаметром от десятков микрометров до нескольких миллиметров значительной глубины (до 50 диаметров) с высокой производительностью и точностью в любых металлах, сплавах и керамиках. Лазерная перфорация отверстий нашла широкое применение при изготовлении деталей газотурбинных двигателей.

Основные показатели лазерного сверления зависят от применяемого оборудования и обрабатываемого материала и могут изменяться в широких пределах.
При лазерном сверлении материал удаляется в виде смеси расплавленных и испаренных частиц, соотношение которых зависит от свойств материала и интенсивности лазерного излучения. Наиболее часто обработка выполняется «пачкой» лазерных импульсов.

Лазерное сверление позволяет получать различные по форме отверстия в разных материалах, включая труднообрабатываемые суперсплавы, используемые в аэрокосмической технике. Возможно сверление отверстий под малыми углами к поверхности. Высокая производительность этого метода обеспечивает получение сотен и тысяч отверстий в одной детали. Для лазерного сверления в металлах и сплавах обычно используют импульсные Nd:YAG-лазеры, а в неметаллических материалах — CO₂–лазеры.

Рис. 7. Схемы лазерного сверления: а — прошивка единичным импульсом; б — импульсная прошивка; в — трепанация; г — винтовое «сверление»

В зависимости от размеров и формы отверстий, а также типа применяемого оборудования, используют различные технологические приемы (рис. 7):
— прошивка единичным импульсом;
— импульсная прошивка;
— трепанация (контурная вырезка);
— винтовое «сверление»;
— прошивка по маске.

Прошивка производится одним или множеством импульсов лазера, при этом необходимо обеспечить высокую плотность мощности. Размеры фокусного пятна в зависимости от диаметра отверстия составляют d_f = 0,05…0,75 мм.

Для лазерной прошивки используют лазеры мощностью 100…400 Вт. Длительность импульсов выбирается исходя из требуемого качества отверстия. Следует иметь в виду, что уменьшение продолжительности импульса снижает его энергию. Типичные значения длительности импульса, используемые для лазерного сверления, находятся в диапазоне 0,5…2 мкс, однако имеются установки, работающие с длительностями импульсов в несколько десятков наносекунд. Следует иметь в виду, что уменьшение длительности импульса иногда позволяет улучшить качество получаемых отверстий (рис. 8). Выбираемая частота импульсов должна обеспечивать оптимальный баланс между производительностью и качеством обработки. При прошивке ее назначают в пределах 5…20 Гц от (Nd:YAG-лазеры) до 1000 Гц (CO₂-лазеры). Энергия импульса зависит от диаметра обрабатываемого отверстия, толщины и вида материала. С ее ростом увеличивается производительность, но снижаются качественные характеристики отверстия.

Рис. 8. Особенности формирования отверстия при обработке импульсами различной длительности

Размер фокального пятна определяет диаметр обрабатываемого отверстия. При прошивке тонких материалов (до 1 мм) он назначается равным диаметру получаемого отверстия. Чем толще прошиваемый лист, тем больше требуемое фокусное расстояние линзы. Обычно оно составляет 100…250 мм. Фокальная точка может располагаться на поверхности обрабатываемой детали, выше или ниже ее в зависимости от того какие эффекты требуется обеспечить. Наиболее часто фокальную точку устанавливают ниже поверхности на расстоянии, соответствующем 5…15% толщины материала. Наилучшее положение точки фокуса обычно определяют экспериментально, исходя из лучшего качества получаемого отверстия. Точность обработки снижается с увеличением длины волны лазерного излучения. Последняя влияет и на производительность обработки (рис. 9).

Рис. 9. Влияние длины волны лазерного излучения на объемную скорость удаления материала

При оценке качества обработки отверстия учитываются его точность, шероховатость поверхностей, форма, конусность, наличие микротрещин и грата, величина зоны термического влияния.
Как и в процессах лазерной резки, часто используют вспомогательный газ, способствующий удалению расплавленного материала из обрабатываемого отверстия. Количество импульсов, необходимое для прошивки, зависит от глубины обрабатываемого отверстия, требуемой точности и качества его поверхностей.

Характерными дефектами отверстий, получаемых прошивкой, являются следы разбрызгивания металла у входа в отверстие, конусность и другие искажения формы, наличие зон оплавления и термического влияния, микротрещин и других дефектов, обусловленных кристаллизацией материала, термическими напряжениями и взаимодействием со средой.

Для борьбы с разбрызгиванием металла используют специальные покрытия. Конусность, возникающую при лазерной прошивке, устранить достаточно сложно. Для этих целей используют приемы, при которых в процессе прошивки отверстия изменяют параметры импульсов (метод SPDPC), например, постепенно увеличивают их энергию. Эффективность этих мероприятий иллюстрирует рис. 10.

Рис. 10. Типичные микрофотографии отверстий после лазерной прошивки по традиционной технологии (а) и с использованием защитного покрытия и метода SPDPC (б)

На рис. 11 приведены типичные зависимости глубины отверстия, получаемой за единичный импульс, и его диаметра от интенсивности лазерного излучения.

Рис. 11. Влияние плотности мощности лазерного излучения на глубину отверстия, прошиваемого единичным импульсом (а), и диаметр отверстия (б). Обработка меди лазером с длиной волны 355 нм, длительностью импульса 50 нс при диаметре фокального пятна d_f = 4,5 мкм

При обработке множества отверстий иногда используют прием, называемый Fire-On-The Fly, при котором импульсы от стационарно расположенного лазера воздействуют на деталь в процессе вращения или другого перемещения, причем подача импульсов синхронизируется с перемещением детали, чтобы обеспечить точное попадание луча в места расположения отверстий. Программным изменением положения фокуса, мощности числа и формы импульсов можно обеспечить управление размером, конусностью и качеством получаемых отверстий. Достоинством такой технологии является снижение величины зоны термического влияния и вероятности возникновения микротрещин. На рис. 12 приведена деталь с множеством отверстий, полученных по технологии Fire-On-The Fly. Скорость прошивки в деталях толщиной

1 мм составляет до 50 отверстий в секунду.
Второй прием — трепанация обычно выполняется перемещением лазерного луча по заданному контуру. Обработка проводится аналогично лазерной резке с предварительным получением стартового отверстия в центре с дальнейшим выходом луча за заданный контур и перемещением по нему. Термин «сверление» вместо «резки» используют в тех случаях, когда диаметр обрабатываемого отверстия меньше его глубины (толщины детали). Изменяя наклон луча и траекторию его перемещения, можно управлять формой и размерами отверстия как в сечении, перпендикулярном оси, так и осевом. Следует отметить, что точность, достигаемая приемами трепанации, выше, чем при прошивке. Трепанация обычно используется для получения отверстий диаметром более 0,5 мм.

Рис. 12. Отверстия, полученные лазерным сверлением по технологии Fire-On-The Fly

Винтовое сверление является сравнительно новой технологией лазерной обработки отверстий, позволяющей существенно повысить их качество. В отличие от трепанации, отверстие получают за несколько проходов лазерного луча. Винтовое сверление по сравнению с прошивкой позволяет получать отверстия более правильной формы (рис. 13), а при использовании наносекундных лазеров — значительно уменьшить величину оплавленного слоя. По этой технологии получают отверстия диаметром от 100 мкм. Кроме того, можно обрабатывать отверстия не только круглой формы. Винтовая обработка особенно эффективна в тех случаях, когда диаметр обрабатываемого отверстия близок к диаметру фокального пятна.

Рис. 13. Отверстие в стали толщиной 1 мм, полученное методом винтового сверления Nd:YAG-лазером с длительностью импульсов 10 нс (Friedrich Dausinger)

Прошивкой с фокусировкой по маске прошивают отверстия любой формы (рис. 14).

Рис. 14. Отверстия, полученные прошивкой с фокусировкой по маске в пластине из нержавеющей стали толщиной 0,3 мм

Рис. 15. Лазерная прошивка фасонных отверстий по маске: 1 — лазер; 2, 4 — элементы проекционной оптики; 3 — маска; 5 — поворотное зеркало; 6 — фокусирующая линза; 7 — деталь

Схема такой прошивки показана на рис. 15. В данном случае на пути несфокусированного луча устанавливается маска с отверстием требуемой формы. После фокусировки на обрабатываемую поверхность фокальное пятно имеет форму отверстия в маске, уменьшенную в D раз. Масштабирование луча определяется выражениями:

где и — расстояние от маски до фокусирующей линзы; s — расстояние от фокусирующей линзы до поверхности детали; f — фокусное расстояние фокусирующей линзы.

Для выполнения операций лазерного сверления выпускаются специальные станки, отличающиеся назначением и мощностью используемого лазера. Например, установка JK704 мощностью 400 Вт имеет систему автофокуса и обрабатывает отверстия с точностью ±0,025 мм. Отверстие ø0,5 мм в стали толщиной 24,5 мм она прошивает за 90 секунд, а такое же отверстие в никелевом сплаве толщиной 1 мм — за одну секунду.

Имеются установки для получения очень мелких отверстий на деталях толщиной до 1 мм. На них возможно получение отверстий с минимальным диаметром 15 мкм. Максимальный диаметр отверстия не ограничен, если его получают вырезкой.

Для нужд аэрокосмической промышленности разработаны лазерные установки с многокоординатными устройствами ЧПУ, например, установка HD-205 фирмы Huffman имеет пятикоординатное устройство ЧПУ (три линейные координаты (X, Y и Z) и две вращательные (B и C). Она оснащена Nd:YAG-лазером P50L мощностью 500 Вт и предназначена для обработки отверстий в охлаждаемых лопатках турбин и других деталях.

В настоящее время для прошивания отверстий в лопатках турбины используют шестикоординатные станки с ЧПУ. Для получения выходного луча со средней мощностью 400 Вт и максимальной энергией импульса 35, 70 и 75 Дж с частотой повторения импульса 55, 45 и 30 Гц при номинальной длительности импульса 0,5; 1,0 и 1,5 мс используют два импульсных Nd:YAG-лазера мощностью 200 Вт, расположенных в конфигурации генератор–усилитель. Отверстия, размеры которых превышают 0,75 мм, получают методом трепанации при толщине обрабатываемых деталей до 19 мм. Время обработки отверстия 0,5 мм при глубине 3,2 мм составляет 0,25 с.

Электрохимическая прошивка отверстий малого диаметра

Электрохимическим способом, используя схемы, показанные на рис. 16, получают отверстия малого диаметра.

Рис. 16. Схемы электрохимической прошивки отверстий малого диаметра: а — трубчатым электродом; б — струйная с электродом, размещенным в непроводящей (кварцевой) трубке; в — струйная с кварцевой трубкой, имеющей капиллярный конец; г — струйная для системы отверстий; 1 — катод-инструмент; 2 — заготовка; 3 — изоляционное покрытие; 4 — стеклянная трубка

Достоинствами электрохимической прошивки являются отсутствие механических и термических воздействий, что дает возможность получить хорошее качество поверхности и практически избежать износа ЭИ, заусенцев и острых кромок.

К недостаткам относится наводораживание поверхностного слоя отверстия, низкая скорость обработки (0,5…4,0 мм/мин) и нестабильность протекания процесса вследствие неблагоприятных условий эвакуации продуктов электрохимической реакции. Требуется применение качественных кислостойких покрытий, обладающих хорошей адгезией к поверхности электрода инструмента. Последнее является наиболее существенным техническим ограничением в использовании электрохимической прошивки для получения отверстий диаметром менее 0,5 мм.

К основным недостаткам электрохимической струйной прошивки следует отнести: низкую скорость подачи ЭИ (не более 4 мм/мин); необходимость применения высоких рабочих напряжений (400–1200 В) и давления прокачки (до 10 МПа); использование агрессивных кислотных электролитов (15…30% водные растворы HСl, H₂SO₄, HNO₃); хрупкость и засорение капиллярных частей кварцевых трубок.

Системы отверстий малого диаметра могут быть получены по схеме, показанной на рис. 16г. Обработка выполняется ламинарными струями электролита, формируемыми при подаче электролита под давлением через титановый катод-инструмент.

Технические показатели рассмотренных способов прошивки отверстий приведены в табл. 4.

Таблица 4

Параметр	Прошивка трубчатым электродом	Струйная с электродом в кварцевой трубке	Струйная с электродом в кварцевой трубке	Прошивка струей электролита
Минимальный диаметр отверстия, мм	0,5	0,2	0,125	0,125
Максимальное отношение длина/диаметр	300	100	40	30
Точность обработки, ± мм	0,03	0,03	0,03	0,05
Скорость прошивки, мм/мин	1…3,5	1…3,5	1…3,5	1…3,5

Известен способ электрохимической перфорации тонкостенных деталей по трафарету. В основном им получают отверстия в фольгах, тонкостенных трубах и т. п. Электрохимическое перфорирование позволяет получать сетки толщиной 5…200 мкм с шагом отверстий не менее 0,2 мм при минимальном диаметре отверстий 0,05 мм.

Ультразвуковое сверление отверстий

Ультразвуковой способ эффективен для обработки отверстий в хрупких материалах (стекло, керамика и др.) и имеет сравнительно малую производительность.
Принцип процесса заключается в «выкалывании» частиц обрабатываемого материала абразивными зернами, которые испытывают ударное воздействие вибрирующего с ультразвуковой частотой инструмента. Особенностью технологической схемы ультразвуковой обработки на прошивочных операциях является необходимость принудительного подвода абразивной суспензии в зону обработки. Для исключения сколов на выходе инструмента из заготовки ее целесообразно приклеивать к стеклянным прокладкам. Ультразвуковой обработкой можно получать отверстия диаметром от 0,2 мм, а также отверстия сложной формы.

Электроэрозионная прошивка отверстий

Электроэрозионная обработка является одним из наиболее эффективных способов получения отверстий малого диаметра (от 0,05 мм), в том числе глубоких. Она может выполняться проволочными или стержневыми электродами-инструментами — одиночными при обработке одного отверстия или групповыми, собранными и установленными в определенном порядке, для одновременной прошивки группы отверстий. Проволочные элементы групповых электродов-инструментов подаются через кондуктор, при этом отклонения в расположении отверстий на детали напрямую зависят от качества кондуктора.

Следует учитывать, что все дефекты электродаинструмента (форма сечения, неравномерность диаметра по длине) будут сказываться на качестве получаемых отверстий. На точности обработки отверстий сказывается и жесткость электрода-инструмента.

При прошивке отверстий затруднена эвакуация продуктов разрушения, что снижает производительность, ведет к увеличению размера отверстия и конусности. Применение менее вязких рабочих сред облегчает процесс удаления продуктов эрозии. По описанным схемам прошивают отверстия сравнительно небольшой глубины (до 10 d).

Производительность электроэрозионного сверления может быть увеличена применением орбитального движения электрода инструмента относительно оси обрабатываемого отверстия. Это способствует также снижению конусности и дает возможность регулировать размер отверстия изменением радиуса орбитального движения.

В последние годы разработано и получает широкое применение специализированное электроэрозионное оборудование с ручным управлением и ЧПУ для обработки отверстий 0,2…6 мм. Обработка выполняется полыми электродами (рис. 17), подаваемыми через кондукторные втулки, изготавливаемые из алмаза, сапфира и других сверхтвердых материалов. Для того чтобы избежать образования при прошивке центрального стержня, отверстия в электродах выполняют смещенными от оси или используют несколько отверстий, разделенных перемычками.

Рис. 17. Электроды, используемые для прошивки отверстий

Электроду придается вращательное движение с частотой до 3000 об/мин, которое устраняет овальность получаемого отверстия, вызванную искажением профиля проволоки, а через его тело под высоким (до 10 МПа) давлением прокачивается диэлектрическая жидкость.

Станки, специализированные на такую обработку, способны производительно прошивать отверстия в твердых металлах с отношением глубины к диаметру до 200:1, минимальной конусностью (1,5° на 100 мм) и шероховатостью R_max = 15 мкм. В качестве рабочих жидкостей используются дистилированная вода и специальные составы на водной основе, например «Vitol-KS». Скорость прошивки достигает 20 мм/мин. На рис. 18 приведены примеры, иллюстрирующие технологические возможности такой обработки.

Рис. 18. Детали с отверстиями малого диаметра, полученными электроэрозионной прошивкой

Отверстия с различными углами наклона на деталях сложной формы обрабатывают на оборудовании с ЧПУ. Например, на станках серии FH фирмы Beaumont используются 6- и 7-координатные системы ЧПУ. Некоторые из станков оснащаются механизмами автоматической смены электродов инструментов и кондукторных втулок, встроенными координатно-измерительными устройствами, системами правки электродов. На рис. 19 показан один из станков фирмы CURRENT.

Рис. 19. Специализированный станок для обработки отверстий фирмы CURRENT с устройством автоматической смены электрода-инструмента

С применением такого оборудования появилась возможность получения в охлаждаемых лопатках турбины (рис. 20) отверстий с минимальным диаметром 0,2…0,3 мм на глубину до 10 мм. Изготовление таких отверстий традиционными методами сопряжено с большими трудностями либо практически невозможно.

Рис. 20. Прошивка отверстий малого диаметра в охлаждаемых лопатках

Для повышения точности при сквозном прошивании отверстий с соотношением длины и диаметра 20 и выше применяют черновой и чистовой проход. При врезании и в конце обработки (при выходе электрода из пластины) снижают среднее значение рабочего тока (на 20…50%) для стабилизации электроэрозионного процесса врезания и получения входных и выходных кромок отверстия правильной формы.

Исходя из изложенного, можно отметить, что в настоящее время разработаны технологии и оборудование, изменившие представления о низкой технологичности и ограниченной производительности операций получения отверстий малого диаметра, в том числе глубоких, расширить возможности по созданию изделий различного назначения, содержащих большое количество малоразмерных глухих и сквозных элементов различной формы.

Источник журнал «РИТМ машиностроения» » 5-2020

Источник