Ce sunt burghiele? Istoric, tipuri, utilizări și alegerea bitului potrivit

Ce Sunt Burghie ? Definiție și funcție de bază

Un burghiu este o unealtă de tăiere concepută pentru a îndepărta materialul dintr-o piesă de prelucrat prin rotire sub presiune axială, producând o gaură cilindrică cu diametru definit. Bitul este ținut și antrenat de un burghiu - acţionat manual, electric, pneumatic sau hidraulic - și taie materialul țintă prin una sau mai multe muchii tăietoare ascuțite la vârf. Așchiile sau așchiile generate de acțiunea de tăiere sunt evacuate din orificiu prin caneluri elicoidale prelucrate de-a lungul corpului burghiei, prevenind re-tăierea materialului îndepărtat și permițând burghiului să avanseze fără înfundare.

Burghiile sunt printre cele mai fundamentale instrumente de tăiere în producție, construcție și întreținere. Fiecare industrie care lucrează cu materiale solide - fabricarea metalelor, prelucrarea lemnului, construcții, minerit, petrol și gaze, producție de electronice, medicină - folosește burghie ca metodă principală de generare a găurilor. Un atelier de mașini modern tipic poate stoca câteva sute de tipuri, dimensiuni și acoperiri distincte de biți; o cutie de instrumente rezidențială conține cel puțin un set de uz general care acoperă cele mai comune dimensiuni pentru lemn și metal ușor.

Specificațiile definitorii ale oricărui burghiu sunt acestea diametrul (care determină dimensiunea găurii), sa material si duritate (care determină ce poate tăia), ei geometria punctului (care determină modul în care intră în material și controlează mersul) și ea design flaut (care guvernează evacuarea așchiilor și viteza de tăiere). Modificarea oricăruia dintre acești parametri produce un instrument fundamental diferit, cu o aplicație optimă diferită.

Istoricul burghiului: de la burghie cu arc până la unelte de precizie cu vârf din carbură

Istoria burghiului se întinde pe cel puțin 35.000 de ani, făcând ca găurile să fie una dintre cele mai vechi activități de prelucrare deliberată a materialelor din istoria omenirii. Dovezile arheologice din paleoliticul superior arată puncte de silex folosite pentru a forța găuri în scoici și oase - cele mai vechi exemple de tăiere rotativă cu o unealtă ținută. Acestea nu au fost burghie în sensul mecanic, dar reprezintă prima aplicare intenționată a abraziunii rotative pentru a pătrunde materialul solid.

Foraj antic și preindustrial

Burghiul cu arc - o tijă ascuțită din lemn de esență tare sau silex rotită prin înfășurarea unei sfori de arc în jurul ei și tragerea arcului înainte și înapoi - apare în picturile murale egiptene din jurul anului 3000 î.Hr. și a fost folosită atât pentru prelucrarea lemnului, cât și pentru aprinderea focului. Burghiul cu pompă, care folosea un volant ponderat și un mâner de pompă pentru a menține rotația continuă, a urmat în culturile mezoamericane și asiatice timpurii. Meșterii romani au folosit biți de linguri cu vârf de fier și biți de centru pentru prelucrarea lemnului, forme recunoscute în modelele moderne de melc și burghie centrale. De-a lungul perioadei medievale, seturile de bretele și biți - folosind o manivelă de lemn sau de fier pentru a antrena linguri și melci - au fost principalele instrumente de realizare a găurilor pentru tâmplărie, cooperare și construcții navale.

Burghiul elicoidal: inovația esențială

Burghiul elicoidal modern - designul canelat elicoidal care rămâne forma dominantă a burghiului astăzi - a fost inventat de inginerul american Steven Morse în 1861 și brevetat în 1863. Perspectiva lui Morse a fost să prelucreze caneluri elicoidale continue pe lungimea unei tije de oțel, creând atât muchiile tăietoare la vârf, cât și un canal de evacuare automat integrat a așchiilor într-un singur canal geometrie. Înainte de burghiu elicoidal, realizarea găurilor în metal a necesitat pilire laborioasă, perforare sau folosirea unor bucăți plate care se înfundau rapid și necesitau retragere frecventă pentru a curăța așchiile. Designul lui Morse, produs inițial prin răsucirea barei plate încălzite într-o spirală, putea găuri continuu fără retragere și a produs găuri mai curate, de dimensiuni mai precise, la viteză mult mai mare. Tija conică Morse — interfața conică auto-prinzătoare dintre burghiele mai mari și arborele mașinii — este, de asemenea, o invenție a lui Morse și rămâne standardul internațional pentru interfețele presei de foraj și mandrinei de strung până în prezent.

Secolul 20: Oțel de mare viteză, carbură și acoperiri

Industrializarea prelucrării metalelor la sfârșitul secolului al XIX-lea și începutul secolului al XX-lea a condus la progrese materiale rapide. Biți din oțel carbon, standard până în anii 1890, s-au înmuiat la temperaturile ridicate generate de prelucrarea de mare viteză - limitând vitezele de așchiere și durata de viață a sculei. Oțelul de mare viteză (HSS), dezvoltat în jurul anului 1900 de Frederick Taylor și Maunsel White la Bethlehem Steel, și-a păstrat duritatea la temperaturi de până la 600°C, permițând viteze de tăiere 2–4 ori mai rapid decât oțelul carbon fără a toci. HSS a devenit materialul universal pentru burghie în cea mai mare parte a secolului al XX-lea și rămâne astăzi dominant pentru burghiele de uz general.

Carbura cimentată - particule de carbură de tungsten sinterizate într-un liant de cobalt - a fost dezvoltată în Germania în anii 1920 și a intrat treptat în aplicații de burghie până la mijlocul secolului. Duritatea carburii (aproximativ 9,5 pe scara Mohs, comparativ cu HSS la aproximativ 7,5) și rezistența la căldură (reținerea capacității de tăiere peste 900 ° C) l-au făcut esențială pentru găurirea oțelului călit, fontei, compozitelor abrazive și materialelor ceramice care distrug biți HSS în câteva secunde. Tehnologia de acoperire prin depunere fizică de vapori (PVD) în anii 1970 și 1980 a introdus nitrură de titan (TiN), nitrură de titan aluminiu (TiAlN) și alte acoperiri dure care au prelungit și mai mult durata de viață a biților prin reducerea frecării și oxidării la marginea de tăiere - creând scena pentru standardele de înaltă performanță pentru centrele de prelucrare CNC acoperite astăzi.

Ce Sunt Drill Bits Used For? Applications by Material and Industry

Burghiile sunt folosite oriunde trebuie creată o gaură cilindrică într-un material solid - care cuprinde o gamă aproape nelimitată de industrii și aplicații. Utilizarea specifică determină tipul de bit necesar, materialul, geometria și dimensiunea. Utilizarea bitului corect pentru un anumit material nu este doar o chestiune de eficiență; biți nepotriviți deteriorează piesele de prelucrat, se uzează prematur, se supraîncălzi și în materiale dure se pot sparge periculos.

Fabricarea și prelucrarea metalelor

Găurirea este una dintre cele mai comune operațiuni în fabricarea metalelor - producerea de găuri de degajare pentru elemente de fixare, găuri de filetare pentru filete, găuri de acces pentru cablaje și găuri de precizie pentru rulmenți și arbori. Burghiile elicoidale HSS acoperă majoritatea forajelor din oțel, aluminiu, alamă și cupru. Cobaltul HSS (clasa M35 sau M42, care conține 5–8% cobalt) este utilizat pentru oțel inoxidabil, Inconel și alte aliaje de întărire prin prelucrare, unde HSS standard se tocește rapid. Burghiile din carbură solidă domină prelucrarea CNC a compozitelor din oțel călit, titan și fibră de carbon, unde vitezele de tăiere de 80–200 m/min iar toleranțe de găuri de ±0,01 mm sunt atinse în mod obișnuit.

Constructii si zidarie

Găurirea în beton, cărămidă, piatră și bloc necesită o acțiune de percuție combinată cu rotație - bitul trebuie să taie și să rupă structura cristalină fragilă a materialului. Burghiile pentru zidărie folosesc un vârf de carbură lipit sau presat într-un corp de oțel și sunt antrenate de burghie cu percuție sau ciocane rotative care oferă lovituri de impact la 1.000-4.500 de bătăi pe minut în paralel cu rotația. Sistemele cu tije SDS-Plus și SDS-Max, dezvoltate de Bosch în 1975, permit ca burghiul să alunece axial în mandrina în timpul ciocanului - transmitând energia de impact pe suprafața de lucru mai eficient decât o mandră convențională, prevenind în același timp pierderea bitului. Pentru găurile cu diametru mai mare în beton (foraj cu miez pentru conducte, instalații sanitare sau HVAC), carotele de diamant - tuburi de oțel cu segmente de diamant industriale legate de suprafața de tăiere - sunt singura soluție practică, adesea folosită cu răcirea cu apă pentru a preveni deteriorarea segmentului.

Prelucrarea lemnului si tamplarie

Găurirea lemnului cuprinde cea mai mare varietate de tipuri de bure specializate din orice categorie de materiale, deoarece structura lemnului, variația densității și comportamentul granulelor de capăt necesită geometrii de tăiere diferite pentru diferite aplicații. Frezele cu vârf folosesc un punct central pentru a preveni mersul pe suprafețele din lemn și doi pinteni pentru a marca boabele înainte ca muchiile principale de tăiere să îndepărteze miezul - producând găuri curate, fără rupere pentru dibluri, știfturi și dulapuri. Bițile Forstner folosesc un tăietor de jantă cu diametru complet și margini de daltuire radială pentru a forța găuri cu fund plat, suprapuse sau în unghi pe care burghiile elicoidale nu le pot produce - esențiale pentru instalarea balamalei ascunse și tâmplăria de mobilier. Bițile cu lățișoare sunt ieftine și rapide pentru găurile de încadrare brute (pase de țevi și sârmă) unde calitatea suprafeței nu este critică. Biți de șnec, cu vârful lor elicoidal agresiv și canelura grosieră, sunt utilizați în structurile din lemn și în construcția de bușteni pentru găuri adânci în lemn de esență tare verde sau dens.

Producție de PCB și electronice

Găurirea plăcilor de circuit imprimat folosește microforghii din carbură solidă – adesea chiar de 0,1 mm diametru – care funcționează la viteze ale axului de 100.000–300.000 RPM pe mașini de găurit CNC pentru a produce găuri de trecere pentru cablurile componente și traversele placate. Laminatele PCB (fibră de sticlă FR-4, PTFE, compozite umplute cu ceramică) sunt foarte abrazive și ar distruge biți HSS în câteva găuri; numai carbura supraviețuiește abraziunii la volumele de producție. Durata de viață a sculei este măsurată în număr de loviri - un burghiu din carbură de 0,3 mm în FR-4 standard este de obicei retras după 3.000-5.000 de găuri pentru a menține calitatea peretelui găurii pentru o aderență fiabilă a placajului.

Foraj de petrol și gaze

La cea mai mare scară, burghiile pentru sondele de petrol și gaze sunt sisteme de inginerie în sine. Biții de con de rulou tricone utilizează trei conuri dintate care se interconectează - dinți de oțel sau inserție din carbură de tungsten - care zdrobesc și rup roca pe măsură ce ansamblul se rotește pe partea de jos a garniturii de foraj. Biți compacti de diamant policristalin (PDC) folosesc freze de diamant sintetice legate de un corp de oțel sau carbură într-o configurație fixă, forfecând roca în loc să o zdrobească - obținând Durată de viață a biților de 3–10 ori mai mare și rate mai mari de penetrare în formațiunile de duritate medie care domină majoritatea rezervoarelor de petrol și gaze. Un singur bit PDC poate costa 50.000-100.000 USD și trebuie să foreze sute de metri de rocă tare la adâncimi care depășesc 5.000 de metri sub căldură, presiune și abraziune extremă.

Tipuri de burghie: geometrie, material și acoperire

Varietatea burghiului reflectă diversitatea materialelor, geometriilor găurilor și condițiilor de operare întâlnite în industrii. Următoarele acoperă tipurile cele mai utilizate pe scară largă, cu caracteristicile lor distinctive și contexte de aplicare corecte.

Acoperiri de biți și ceea ce fac

Acoperirile de pe HSS și biți de carbură nu sunt decorative - fiecare se adresează unui anumit mod de defecțiune. Nitrura de titan (TiN, culoare aurie) reduce frecarea la marginea de tăiere și mărește duritatea suprafeței, prelungind durata de viață a bitului cu 3-5x față de HSS neacoperit din oțel moale. Nitrura de aluminiu de titan (TiAlN, violet închis) formează un strat de oxid de aluminiu la temperaturi ridicate care acționează ca o barieră termică - acoperirea funcționează mai bine cu cât devine mai fierbinte, făcându-l ideal pentru prelucrarea uscată a oțelului călit și a inoxului la viteze mari. Oxidul negru este un tratament ușor de suprafață care reduce frecarea marginal și îmbunătățește rezistența la coroziune - prelungește puțin durata de viață a bitului și este comun la seturile economice de uz general. Acoperirile din carbon asemănător cu diamant (DLC) asigură o frecare foarte scăzută și sunt utilizate pentru găurirea metalelor neferoase și compozitelor CFRP, unde marginea formată (sudarea materialului la muchia de tăiere) este modul principal de defecțiune.

Burghie mai lungi: când și de ce contează lungimea extinsă

Burghiile elicoidale standard cu lungimea mașinii — lungimea implicită în majoritatea seturilor de burghie — au lungimi de caneluri de aproximativ 9–14 × diametrul burghiei și sunt proiectate pentru majoritatea aplicațiilor cu găuri traversante și cu găuri oarbe de mică adâncime. Burghii mai lungi devin necesare atunci când adâncimea găurii depășește ceea ce poate atinge un burghiu, când geometria piesei de prelucrat împiedică poziționarea burghiului direct peste punctul de intrare sau când mai multe componente trebuie să fie găurite aliniate printr-un stivă asamblată.

Clasificări de lungime

Lungimea burghiului este clasificată pe serii standard din industrie. Biți de lungime de jobber sunt cei mai comune - potrivite pentru găuri de până la aproximativ 10 × diametru în majoritatea materialelor. Biți cu lungime conică sunt cu 20–30% mai lungi decât mașina de lucru, acoperind găurile mai adânci fără riscul de deviere al unor serii mai lungi. Biți de extensie pentru aeronave (numiți și bucăți extra-lungi sau cu lungime extinsă) ajung la 6, 12 sau 18 inci în lungime totală - utilizate în asamblarea aerospațială pentru a găuri prin învelișurile aripilor și elementele structurale de la distanță, în instalații sanitare și electrice pentru a trece prin mai multe știfturi sau grinzi într-o singură trecere și în dispozitivele de acces pentru ansamblul mobilierului, unde piesa de lucru este restricționată de piesă de lucru. Găuri adânci cu pistol sunt în întregime o categorie specializată: unelte cu un singur canelut cu canale interne de răcire utilizate la mașinile de găurit cu pistol CNC pentru a produce găuri cu diametrul de 50–300 × în adâncime - corpuri de supape hidraulice, canale de răcire prin turnare prin injecție și țevi de pușcă sunt toate forate cu pistol.

Provocările burghiilor lungi

Lungimea extinsă introduce provocări mecanice care nu există la lungimea lucrătorului. Deformarea - tendința unei scule lungi și subțiri de a se îndoi sub forțele de tăiere - provoacă erori de dreptate a găurii care se agravează cu adâncimea. Un bit de 12 inchi, cu diametrul de 1/4 inch are un raport lungime-diametru de 48:1, moment în care chiar și forțele laterale modeste produc o abatere măsurabilă a găurii. Gestionarea acestui lucru necesită viteze de avans reduse (avansul axial pe rotație), viteză de tăiere redusă, cicluri de ciupire mai frecvente (retragerea parțială a burghiului pentru a sparge și evacua așchii) și, în aplicațiile de precizie, utilizarea unei bucșe de foraj la punctul de intrare pentru a constrânge burghiul în primele diametre critice de cuplare. Evacuarea așchiilor devine preocuparea dominantă la adâncimi de peste 5× diametru — așchii care nu pot ieși din pachetul de caneluri împotriva muchiei de tăiere, generând căldură, crescând cuplul și provocând ruperea bitului. Aplicarea fluidului de tăiere la punctul de intrare și utilizarea rutinelor de găurire cu ciocănit (avansări și retrageri repetate în adâncime parțială) abordează acest lucru atât în ​​găurirea manuală, cât și în cea CNC.

Selectarea lungimii potrivite pentru aplicație

Abordarea corectă este utilizarea cel mai scurt bit care realizează fizic sarcina . Un bit mai lung decât este necesar adaugă riscul de deformare și reduce rigiditatea fără niciun beneficiu compensator. Pentru o gaură de 3 inci adâncime în oțel, este potrivită o freză cu lungime conică; un bit de extensie a aeronavei ar introduce flex inutil. Pentru găurirea unei cherestea de 14 inchi, geometrie necesită un burghiu lung de avion sau un melc de navă. În mediile de producție, bucățile cu lungime personalizată șlefuită până la adâncimea exactă de aplicare sunt obișnuite - eliminând lungimea în exces și maximizând rigiditatea la punctul de tăiere. Pentru lucrări brute în construcții în care un burghiu lung standard trebuie să găurize prin mai multe elemente ale cadrului, extensiile flexibile ale arborelui (cu o mandră standard la capăt) permit ca motorul de foraj să fie poziționat complet departe de axa de lucru - util în spații extrem de restrânse în care nici măcar un burit de lungimea unui avion nu poate fi aliniat cu traseul găurii necesar.