Wiercenie otworu prostopadle do osi wałka

Łut szczęścia zdarza się osobom przygotowanym

Darrel Royal

Przewiercenie stalowego wałka dokładnie w środku prostopadle do jego osi jest bardzo często wykonywaną operacją. Wymagają tego wszelkie pokrętła z przetyczką w kluczach nasadowych, imadłach, ściągaczach itd. Również zawleczki ustalające podłużnie wałek lub, jako element zabezpieczający, nakrętkę koronkową przed odkręceniem, wymagają takiej operacji. Parę przykładów takich rozwiązań pokazano na rysunkach 1-3. W produkcji seryjnej i masowej takie operacje wiercenia są realizowane na obrabiarkach CNC lub w przyrządach wiertarskich gwarantujących właściwe położenie otworu. Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w operacjach jednostkowych na obrabiarkach konwencjonalnych. Problem ten bardzo dobrze znają pracownicy prototypowni i majsterkowicze. Metoda wykonania otworu zależy oczywiście od posiadanego wyposażenia warsztatu. W niniejszym opracowaniu zostaną omówione metody, od najprostszych do bardziej wyszukanych, stosownie do posiadanych warunków technicznych i wyposażenia.

Metody obróbki:

1. Z użyciem pryzmy (ZTS¹)

Wymagane wyposażenie: wiertarka stołowa (lub wiertarka ręczna zamocowana w statywie) lub inna stacjonarna i pryzma.

Pryzmę traserską lub frezarską można oczywiście kupić. Można ją również wykonać we własnym zakresie z dwóch kawałków kątownika i kawałka blachy. Takie proste wyposażenie wydatnie ułatwia wywiercenie otworu na środku wałka. Jest ono mocowane do stołu wiertarki za pomocą śrub zamkowych i nakrętek motylkowych. Przed wierceniem należy pryzmę docisnąć do stołu za pomocą dowolnego stożkowego trzpienia, zamocowanego w uchwycie wiertarki, do powierzchni stołu. Pokazano to na rysunku 4.

W ten sposób zapewniamy położenie pryzmy w osi wiertła. W tym położeniu wrzeciona należy dokręcić nakrętki motylkowe. Na rysunku 5 pokazano otwór ɸ5 w stalowej rurce, wywiercony w takim prostym przyrządzie.

Główną wadą tej metody jest brak otworu w pryzmie do wiercenia otworu przelotowego. Zatem obserwując głębokość wierconego otworu należy przerwać wiercenie przed przewierceniem wałka na wylot. Wiercenie możemy dokończyć po zamocowaniu wałka w imadle. Jest to dość proste, ponieważ wiertło wprowadzone do otworu pozwoli nam ustawić wałek we właściwym położeniu. Z powyższego powodu metoda ta jest dogodna przy wierceniu jednostronnych pojedynczych otworów w rurkach. Metoda nie jest zbyt dokładna, ale jest prosta w realizacji.

2. Z poziomowaniem listwy (ZTS)

Wymagane wyposażenie: wiertarka stołowa lub inna stacjonarna, krótka listwa stalowa i dowolny stożek, mocowany w uchwycie wiertarki. Pożądane jest użycie stołu lub imadła krzyżowego. Nie ukrywam, że jest to moja ulubiona metoda, ponieważ jest szybka, prosta i dokładna. Jest ona przedstawiona na rysunku 6. Metoda bywa również nazywana metodą „na brzeszczot”, ponieważ również brzeszczot, jeśli jest prosty, może służyć do wyznaczenia położenia środka wałka. Ja stosuję szlifowaną płytkę, widoczną na zdjęciu.

Wałek, w którym mamy wywiercić otwór, jest zamocowany w imadle (jak na zdjęciu) lub w pryzmach. W uchwycie wiertarskim jest zamocowany trzpień ze stożkową końcówką. Dociska on płytkę, umieszczoną pomiędzy wałkiem a stożkiem. Przy założeniu, że oś wałka jest równoległa do osi OX, która reprezentuje kierunek posuwu wzdłużnego, należy tak przesuwać stołem posuwem poprzecznym (OY), aby płytka znalazła się w położeniu poziomym, równolegle do szczęk imadła lub poziomych powierzchni pryzm. Po znalezieniu takiego położenia należy zablokować oba posuwy, wymienić stożek – ustawiak na wiertło i można wiercić. Zwracam uwagę, że dla otworów przelotowych przewiercana końcówka wałka wystaje poza pryzmę lub szczęki imadła.

3. Z tulejką prowadzącą (ZTS)

Wymagane wyposażenie: wiertarka stołowa lub inna stacjonarna i tokarka.

Ta metoda jest prosta i dokładna, ale wymaga posiadania tokarki. Jest zalecana w przypadku konieczności wywiercenia większej liczby otworów, eliminuje bowiem każdorazowe poszukiwanie środka. Metoda polega na wykonaniu tulejki o średnicy zewnętrznej takiej jak nawiercany wałek i o otworze takim jak wiercony w wałku otwór. Po zamocowaniu tulejki wraz z wałkiem w imadle możemy przystąpić do wiercenia. Metodę pokazano na rysunku 7.

Najczęściej tulejkę wykonuje się odcinając kawałek czoła wałka, w którym zamierzamy wiercić boczny otwór. Wiercąc otwór przelotowy należy tak ustawić wałek w imadle, aby wybieg wiertła nie trafiał w imadło. W imadłach wiertarskich nie jest to problem. Jeżeli stosujemy imadło frezarskie, wówczas należy umieścić pod wałkiem listwę z drewna lub tworzywa sztucznego. Wyraźnie odczuwalne na dźwigni przejście ze stali w miękki materiał umożliwi nam zaprzestanie nacisku i ochronę imadła przed uszkodzeniem.

4. Ze wskaźnikiem środka – centrownikiem² (ZTS)

Wymagane wyposażenie: wiertarka stołowa lub inna stacjonarna i centrownik.

Metoda jest średnio dokładna, ale szybka i prosta. Centrownik jest to proste urządzenie mocowane w uchwycie wiertarskim. Ma postać blaszanej pryzmy ze wskaźnikiem, zamocowanej wahliwie do trzpienia, na jego sfrezowanej powierzchni. Urządzenie przedstawione jest na rysunku 8. Pryzma zostaje dosunięta do wałka.

Należy tak ustawić wałek względem ustawiaka, aby strzałka wskazywała pionową rysę. Cechą szczególną tego pożytecznego urządzenia jest możliwość wykorzystania go do wiercenia otworów w środku profili prostokątnych, co pokazano na rysunku 9.

Wspomniane urządzenie jest popularne w zagranicznych sklepach internetowych, ale w Polsce nie cieszy się, nie wiem dlaczego, uznaniem handlowców. Myślę, że znalazłoby wielu nabywców. Prostota urządzenia zachęca, jak wspomniałem, do jego samodzielnego wykonania.

5. Z czujnikiem krawędzi i dokładnym pomiarem przesuwu

Wymagane wyposażenie: wiertarka stołowa lub inna stacjonarna, czujnik krawędzi i stół krzyżowy, najlepiej z liniałami cyfrowymi. Metoda jest dokładna, wymaga jednak najbardziej zaawansowanego wyposażenia. Polega ona na zlokalizowaniu krawędzi, tj. tworzącej walca, jakim jest wałek lub rurka, zamocowana w imadle lub pryzmach, za pomocą obrotowego mechanicznego czujnika krawędzi (zwanego w pewnych kręgach „balerinką”). Proces lokalizacji pokazano na rysunku 10. Czujnik, przedstawiony na rysunku, ma dwie średnice robocze ɸ4 i ɸ10. Na zdjęciu wykorzystano średnicę ɸ10.

W położeniu ustabilizowania pracy czujnika należy wyzerować pomiar przesuwu poprzecznego. Po zdemontowaniu czujnika należy przemieścić stół o sumę połowy średnicy końcówki czujnika krawędzi (najczęściej 10 mm) i połowę średnicy wierconego wałka lub rurki. Przykład dla wałka o średnicy ɸ20 mm pokazano na rysunku 11.

Wówczas wrzeciono znajdzie się dokładnie nad osią wałka. Po zamocowaniu wiertła lub nawiertaka i zablokowaniu posuwów można przystąpić do wiercenia. Opisana metoda może być również stosowana do wyznaczania środka profili prostokątnych. Na jednym z portali internetowych widziałem filmik pokazujący sprytne zastąpienie „balerinki” trzpieniem, na którym osadzono niewielkie łożysko toczne. Trzpień był umieszczony w uchwycie wiertarskim. W chwili gdy wirujący trzpień dotykał łożyskiem do wałka umieszczonego w imadle, łożysko przestawało się kręcić. Gdybym nie miał „balerinki” pewnie zrobiłbym sobie taki przyrząd.

Parametry obróbki

Dobór właściwych parametrów wiercenia jest kluczowy dla szybkiego i bezpiecznego wykonania otworów. W wielu publikacjach podane są szczegółowe dane dotyczące obrotów wrzeciona i posuwu. W wiertarkach stołowych posuw jest wymuszany ręcznie, dlatego dla operatora najistotniejsza jest wartość właściwych obrotów. Na tę wielkość wpływ mają: średnica wiertła, jego materiał i rodzaj wierconego materiału. Ponieważ posługiwanie się tabelami i książkami jest na warsztacie utrudnione, pozostają dwa wyjścia: wydrukowanie i umieszczenie w pobliżu wiertarki tabeli z właściwymi parametrami wiercenia lub posługiwanie się kalkulatorem. Ponieważ w moim warsztacie nie ma już wolnego miejsca na ścianach, a wiertarko-frezarka stoi prawie na środku pomieszczenia, zastosowałem drugie rozwiązanie. Opracowałem uproszczony program do wyznaczania parametrów wiercenia na kalkulator graficzny Casio. Program jest zaprezentowany na rysunku 12. Należy go traktować jako pierwsze przybliżenie wartości obrotów wiertła HSS w zależności od jego średnicy i rodzaju wierconego materiału.

Stosuję ten program od dwóch lat i jestem zadowolony.

Uwagi końcowe

• Sporadyczne wiercenie otworów na wiertarkach stołowych i kolumnowych utrudnia stosowanie chłodziwa zgromadzonego w zbiorniku i podawanego przez pompę. Głównym problemem jest trwałość emulsji. Ja stosuję w czasie wiercenia punktowe podawanie preparatu do wiercenia w sprayu lub oleju z oliwiarki. Pomimo tych uciążliwości należy mieć na uwadze, że preparaty smarujące podobnie jak chłodziwo obniżają temperaturę pracy narzędzia i wydłużają znacząco trwałość wiertła. W przypadku dobrze dobranego chłodziwa jest ona pięć razy większa niż przy wierceniu na sucho.
• Czasem zdarza się w praktyce warsztatowej wiercić otwory większej średnicy. Jeżeli operacja ta jest realizowana zwykłym wiertłem do metalu, to zasadą jest stosowanie w otworach od ɸ20 do ɸ60 wiercenia wstępnego średnicą około ½ otworu nominalnego. Osobiście nawet przy mniejszych średnicach stosuję wiercenie wstępne. Od czasu kiedy zmodernizowałem wiertarkę i zastosowałem falownik, zmiana obrotów wiertła stała się szybka i wygodna. Wiadomo, że 60% oporu wiercenia stawia ścin, czyli wierzchołek wiertła. Zatem im jest on mniejszy, tym mniejsze są opory. Jeżeli wiertło wstępne ma średnicę większą niż ścin wiertła właściwego, wiercenie jest znacznie łatwiejsze i istnieje mniejsze niebezpieczeństwo przegrzania i zatarcia wiertła.
• Fazowanie krawędzi otworów jest uzupełnieniem większości operacji wiercenia. Ma ono na celu usunięcie zadziorów lub pogłębienie otworu, najczęściej pod łeb wkrętu z łbem stożkowym. Operację tę realizuje się za pomocą stożkowych fazowników-pogłębiaczy. Występują one pojedynczo i w zestawach obejmujących pewien zakres średnic. Kąt wierzchołkowy fazownika może wynosić 60°, 90° i 120°. Najczęściej stosowane są te z kątem 90°. Co się tyczy ilości ostrzy, to spotyka się fazowniki trójostrzowe (Rys. 13) i wieloostrzowe (Rys. 14), w których liczba ostrzy zależy od średnicy narzędzia (mniejsza liczba ostrzy zmniejsza ich skłonność do drgań).

Do narzędzi ręcznych stosuje się fazowniki z sześciokątnym trzpieniem. Taki fazownik, zamontowany w uchwycie wiertarko-frezarki, pokazano na rysunku 15.

Istotnym aspektem jest dobór właściwych obrotów fazowania. Większość fazowników ma ostrza rozmieszczone równomiernie, ze stałą podziałką. Upraszcza to wykonanie, ale powoduje skłonność do drgań i skutkuje w uskokach na obrabianej powierzchni. Wiedzą o tej właściwości narzędzi wieloostrzowych producenci rozwiertaków stałych i stosują zmienną podziałkę ostrzy. Radykalnym sposobem na uniknięcie drgań fazowników jest znaczące zmniejszenie prędkości obrotów narzędzia. Ja stosuję zmniejszenie obrotów o połowę. Zatem, jeśli dla wiercenia danej średnicy jest zalecane 700 obr/min, to do fazowania i pogłębiania stosuję 350 obr/min. Do fazowania krawędzi dużej ilości otworów w warunkach przemysłowych stosuje się również fazowniki składane z wymiennymi płytkami skrawającymi.

• Coraz częściej stosuje się do budowy maszyn i urządzeń pręty stalowe chromowane, sprzedawane w wielu średnicach na metry. Nadają się one doskonale na prowadnice, a czasem, ze względu na walory estetyczne, również na elementy konstrukcyjne maszyn i urządzeń. Jeśli zaistnieje konieczność wywiercenia otworu w bocznej powierzchni w takim pręcie, to operacja ta musi być poprzedzona usunięciem powłoki chromu w miejscu planowanego wiercenia. Można to zrobić przez szlifowanie szlifierką kątową lub inną.
• Kolejnym zagadnieniem jest nawiercanie przed wierceniem. Jeżeli już mamy ustalony środek wałka, to czasem korzystne jest przed wierceniem wykonanie nawiercenia nawiertakiem, takim jakim wykonuje się nakiełki w czołach wałków na tokarce. Nawiertak w uchwycie jest pokazany na rysunku 16. Podobnym zagadnieniem jest wykonanie niewielkiej płaszczyzny w miejscu wiercenia. Jeżeli wymagana dokładność wykonania otworu jest bardzo duża, to na pewno warto wybrać wykonanie płaszczyzny, a następnie wykonać wstępne nawiercenie. To pierwsze ma oczywiście sens jedynie, jeżeli płaszczyzna będzie wykonana w jednym mocowaniu z wierceniem, np. za pomocą freza palcowego. Im mniejsza jest średnica wierconego wałka i twardszy materiał, tym większe prawdopodobieństwo niedokładności położenia otworu.

W miękkich materiałach, takich jak np. stopy aluminium, zastosowanie właściwych tj. wysokich obrotów powoduje, że wiertło szybko zagłębia się w materiał bez skłonności do bocznego przemieszczenia. Częstą przyczyną skłonności wiertła do zbaczania jest nieprawidłowe, niesymetryczne zaostrzenie wiertła.

Jerzy Mydlarz

1. ZTS: Zrób To Sam – odpowiednik angielskiego DIY: Do It Yourself ↩︎
2. Centrownik jest dość prosty do samodzielnego wykonania, szczególnie
   jeśli zlecimy wykonanie wskaźnika technologią wypalania laserem ↩︎

artykuł pochodzi z wydania 3/4 (186/187) Marzec/Kwiecień 2023