Rozwiercanie otworów - precyzyjna obróbka otworów

Wiertło jest szybkie, ale niedokładne: zostawia otwór o tolerancji IT11-IT13, z rysami i lekko bijący. Dla śruby to wystarczy, dla pasowania tulei czy kołka ustalającego - już nie. Rozwiercanie to metoda obróbki otworów, która zamienia wywiercony otwór w otwór dokładny: o tolerancji IT7-IT9 i gładkiej ściance. W tym poradniku wyjaśniamy, czym różni się rozwiercanie od zwykłego powiększania otworu wiertłem, jak dobrać narzędzie i parametry jego pracy - a przy okazji, co naprawdę oznacza "rozwiercanie wkładki" u ślusarza.

Na czym polega rozwiercanie i powiercanie otworów

Rozwiercanie to obróbka wiórowa otworów wykonana narzędziem wieloostrzowym - rozwiertakiem - która usuwa niewielki naddatek materiału ze ścianek otworu. Celem nie jest usuwanie dużej objętości materiału, tylko poprawa trzech rzeczy naraz: średnicy, kształtu i gładkości. Dobrze poprowadzony proces rozwiercania daje dokładność wymiarowo-kształtową w klasach IT7-IT9 (rozwiercanie dokładne nawet IT6) i chropowatość powierzchni Ra 0,32-1,25 um - czyli wartości, których samo wiercenie nigdy nie osiągnie.

Powiercanie to z kolei powiększenie średnicy otworu wywierconego wcześniej - wiertłem o większej średnicy albo pogłębiaczem walcowym. W klasycznym procesie technologicznym te operacje obróbki otworów układają się w drabinkę: wiercenie, powiercanie, rozwiercanie zgrubne i rozwiercanie wykańczające. Im wyżej wchodzimy po tej drabince, tym mniejszy naddatek i tym lepsza jakość otworu.

Warto uporządkować terminy, bo w warsztatowym języku wszystkie trzy operacje bywają nazywane "rozwiercaniem":

• Powiercanie - powiększenie średnicy otworu wiertłem lub pogłębiaczem; poprawia położenie osi, ale dokładność zostaje w klasach IT10-IT12.
• Rozwiercanie zgrubne - zdzierakiem; przygotowuje otwór pod operację dokładną, klasy IT8-IT10.
• Rozwiercanie dokładne (wykańczające) - wykańczakiem; ostateczny wymiar i gładkość, klasy IT6-IT8.

Rozwiercanie jest więc typową obróbką wykończeniową otworów: domyka to, co zaczęło wiertło. W procesie technologicznym całej części ten etap opisaliśmy szerzej w poradniku o obróbce wykańczającej - tutaj skupiamy się wyłącznie na otworach.

Rozwiertak - budowa, rodzaje i geometria

Rozwiertak wygląda jak wiertło, które poszło na kompromis: ma więcej ostrzy (zwykle 4-12), mniejsze kąty przystawienia i bardzo płytko skrawa. Składa się z części roboczej (skrawającej i kalibrującej), szyjki i chwytu. Część skrawająca, ścięta pod kątem, usuwa naddatek; część kalibrująca prowadzi narzędzie w otworze, wygładza ścianki i utrzymuje wymiar. To właśnie długa część kalibrująca odpowiada za stabilizację ścian otworu i za to, że narzędzie nie "nurkuje" w materiał jak wiertło.

Typów narzędzi jest wiele i porządkuje je kilka podziałów:

• Ręczne i maszynowe - ręczne mają długą część skrawającą i chwyt kwadratowy pod pokrętkę; maszynowe są krótsze i pracują na wiertarkach, tokarkach i centrach obróbkowych.
• Stałe i nastawne - nastawne pozwalają regulować średnicę w małym zakresie, co jest przydatne przy pasowaniach naprawczych.
• Walcowe i stożkowe - stożkowe służą m.in. do otworów pod kołki stożkowe i gniazd narzędziowych.
• Z ostrzami prostymi i śrubowymi - śrubowe lepiej znoszą rowki i przerwy w otworze.

Dwa detale konstrukcyjne mają nieoczywiste uzasadnienie. Po pierwsze, ostrza rozmieszczone są na obwodzie z nierównomierną podziałką: gdyby ostrza były rozmieszczone idealnie równo, drgania odciskałyby się w ściance jako regularne prążki. Po drugie, w obróbce głębokich otworów o wysokich wymaganiach stosuje się rozwiertaki jednoostrzowe z listwami prowadzącymi z węglika: listwy dogniatają ściankę tuż za ostrzem, a stabilizacja ścian otworu odbywa się na świeżo obrobionej powierzchni. To rozwiązanie znane z technologii cylindrów hydraulicznych.

Zużyte narzędzie traci najpierw gładkość, potem wymiar. Regeneracja rozwiertaka polega na przeszlifowaniu części skrawającej - części kalibrującej zwykle się nie rusza, bo to ona "trzyma" średnicę. Gdy zużycie sięgnie części kalibrującej, narzędzie nadaje się już tylko do wymiaru o klasę niżej.

Rozwiercanie zgrubne i rozwiercanie dokładne

Podział procesu rozwiercania na przejście zgrubne i dokładne nie jest biurokracją - wynika z fizyki skrawania. Narzędzie to skrawa płytko, więc źle znosi duże i nierówne naddatki: zamiast ciąć, zaczyna zgniatać materiał, a otwór robi się stożkowy lub trójgraniasty. Dlatego naddatek materiału dzieli się na dwa przejścia:

Naddatek materiału pod rozwiercanie wykańczające musi być mały, ale nie zerowy: poniżej ok. 0,05 mm ostrza przestają skrawać i tylko trą, co niszczy gładkość zamiast ją poprawiać. Głębokość skrawania pojedynczego ostrza to połowa naddatku na średnicy - przy naddatku 0,2 mm ostrze zbiera zaledwie 0,1 mm materiału. Tak mała głębokość skrawania oznacza też małe siły - dlatego smukłe narzędzie w ogóle jest w stanie utrzymać prostą oś.

Tolerancja wykonania otworu decyduje o doborze łańcucha operacji. Dla klasy IT9 wystarczy wiercenie i jedno rozwiercanie; dla IT7 potrzebne są już oba przejścia; a tam, gdzie wymagana jest klasa IT6 i lustrzana ścianka, po rozwiercaniu następuje jeszcze honowanie lub dogładzanie. Uzyskanie dokładnych otworów to zawsze sekwencja, nie jedna operacja - i dlatego dokładne wykonanie otworów kosztuje nieproporcjonalnie więcej niż samo wiercenie.

Warto pamiętać, że rozwiertak poprawia średnicę i kształt, ale nie poprawia położenia osi otworu - podąża za istniejącym otworem. Jeśli oś jest krzywa po wierceniu, prostuje ją wytaczanie, nie rozwiercanie. To klasyczne zalecenie z podręczników technologii: najpierw ustal położenie, potem wymiar, na końcu wykończenie powierzchni otworu.

Parametry pracy rozwiertaków

Parametry pracy rozwiertaków rządzą się inną logiką niż parametry wiercenia: prędkość skrawania jest niska, a posuw duży. Niska prędkość (dla HSS w stali zwykle 4-12 m/min, dla węglika 10-30 m/min) ogranicza drgania i narost na ostrzach, które natychmiast psują gładkość. Duża prędkość posuwu (0,2-1 mm/obr, wielokrotnie więcej niż przy wierceniu) brzmi nieintuicyjnie, ale ma uzasadnienie: każde ostrze skrawa cienką warstwę, a zbyt mały posuw sprawia, że ostrza ślizgają się po materiale, a powierzchnia obrabianego otworu utwardza się zgniotem.

Typowe wartości katalogowe dotyczące rozwiercania otworów w stali konstrukcyjnej narzędziem HSS to vc = 6-10 m/min i f = 0,3-0,8 mm/obr; w żeliwie posuwy bywają jeszcze większe. Obroty wrzeciona wylicza się z tych wartości dokładnie tak samo jak dla każdego innego narzędzia - wzory i przykłady zebraliśmy w artykule o tym, jak działa kalkulator parametrów skrawania. Od siebie dodamy tylko regułę praktyczną: gdy otwór po rozwiercaniu jest zbyt gładki "w prążki", winne są zwykle drgania - i pomaga obniżenie obrotów, nie posuwu.

W procesie rozwiercania ogromną rolę gra chłodzenie. Emulsja spłukuje drobne wióry, które inaczej rysowałyby ścianki, i stabilizuje temperaturę, od której zależy wymiar - a w efekcie całe wykończenie powierzchni otworu. Ciśnienie roztworu chłodziwa ma znaczenie szczególnie w otworach nieprzelotowych: zbyt niskie ciśnienie roztworu chłodziwa nie wypłucze wiórów z dna i narzędzie zacznie je wciskać w ściankę. W obróbce otworów przelotowych chłodziwo podaje się tak, by płynęło zgodnie z kierunkiem odprowadzania wiórów.

Materiał obrabiany a dobór wartości

Każdy materiał rozwierca się inaczej. Aluminium jest wdzięczne, ale lepkie: bez ostrych krawędzi i emulsji tworzy narost, który zawyża średnicę - za to znosi prędkości dwukrotnie wyższe niż stal. Stal nierdzewna umacnia się zgniotem, więc wymaga zdecydowanego, ciągłego posuwu; każde zawahanie zostawia twardą, błyszczącą strefę, po której następne ostrze się ślizga. Żeliwo szare rozwierca się często na sucho albo z przedmuchem - grafit w strukturze sam smaruje ostrza, a emulsja tworzyłaby ścierną pastę. Mosiądz i brązy to materiały wręcz stworzone do tej operacji: krótki wiór, niskie siły, wymiar stabilny od pierwszej sztuki.

Różni się też sprężynowanie: ta sama średnica narzędzia daje w aluminium wynik minimalnie większy, a w tytanie mniejszy niż w stali. Dlatego przy zmianie materiału pierwszą sztukę zawsze traktuje się jako próbną.

Zalecenia producentów dotyczące rozwiercania otworów warto traktować jako punkt startu: parametry pracy koryguje się po pierwszych sztukach na podstawie pomiaru średnicy i jakości powierzchni. O tym, jak opisuje się gładkość liczbami, przeczytasz w poradniku o chropowatości powierzchni Ra i Rz.

Photo from Unsplash

Rozwiercanie CNC - precyzja w praktyce

Na obrabiarkach sterowanych numerycznie rozwiercanie przestaje być rzemiosłem, a staje się powtarzalnym cyklem. Maszyny CNC prowadzą rozwiertak sztywno po osi wywierconego otworu, a cykl stały (np. G85: wejście na posuwie roboczym, wyjście również na posuwie, bez przerywania obrotów) zapewnia, że ścianka nie zostanie zarysowana przy wycofaniu. Obróbka wykańczająca otworów odbywa się przy tym w tym samym zamocowaniu co wiercenie, więc znika błąd ponownego bazowania. Wykonywanie precyzyjnych otworów zaczyna się na długo przed ostatnim narzędziem - proces obróbki CNC otworów dokładnych wygląda zwykle tak: nakiełek, precyzyjne wiercenie otworu pilotażowego, wiercenie na wymiar pod rozwiercanie, ewentualnie wytaczanie, na końcu przejście wykańczające.

Precyzyjne wiercenie otworu przed rozwiercaniem nie jest przesadą - narzędzie powiela błędy położenia. Dlatego w obróbce CNC otworów o wysokich wymaganiach oś ustala się nakiełkiem i krótkim, sztywnym wiertłem, zanim do pracy wejdzie właściwe wiertło. Cały proces obróbki CNC jest wtedy dłuższy o kilkanaście sekund, ale oszczędza braki.

Zalety rozwiercania CNC

Największą zaletą jest powtarzalność: setny otwór ma tę samą średnicę co pierwszy, bo o wyniku decyduje geometria narzędzia, a nie ręka operatora. Dokładne wykonanie otworów przestaje zależeć od wprawy operatora, a wykończenie powierzchni otworu wychodzi wprost z geometrii ostrzy. Do tego dochodzi przewidywalna jakość otworu - wysoka jakość powierzchni bez polerowania - oraz krótki czas: samo przejście wykańczające trwa sekundy. W porównaniu z wytaczaniem rozwiercanie jest szybsze i prostsze w programowaniu; w porównaniu ze szlifowaniem otworów - tańsze i dostępne na zwykłym centrum frezarskim. Granicą jest średnica: powyżej ok. 40-50 mm takie narzędzia stają się drogie i ustępują wytaczaniu.

Zastosowania rozwiercania CNC

Rozwiercanie CNC to standard wszędzie tam, gdzie liczy się wykonywanie precyzyjnych otworów pod pasowania: otwory pod kołki ustalające w korpusach i formach, tuleje ślizgowe i prowadzące, gniazda łożysk małych średnic, otwory pod sworznie tłokowe, prowadnice zaworów, otwory w dźwigniach i cięgnach. Wykonywanie precyzyjnych otworów tą metodą opłaca się szczególnie w produkcji seryjnej: tam, gdzie wytaczanie wymagałoby korekcji co kilka sztuk, rozwiertak trzyma wymiar setkami sztuk.

Dobrym przykładem jest obróbka otworów dokładnych pod kołki w płytach form wtryskowych: dziesiątki otworów H7 w jednym detalu, wszystkie wykonywane tym samym cyklem na jednej maszynie CNC. Wykonywanie otworów dokładnych innym sposobem - np. wytaczaniem każdego z osobna - wydłużyłoby proces kilkukrotnie.

Usługi rozwiercania CNC a obróbka CNC otworów

Dla warsztatów CNC wykonywanie precyzyjnych otworów to codzienność, dlatego usługi rozwiercania CNC rzadko kupuje się osobno - to element większej całości, jaką jest obróbka CNC otworów w gotowym detalu. Dokładne wykonanie otworów pod pasowania trzeba przy tym zamówić świadomie. Dla zamawiającego liczy się jedno: żeby na rysunku technicznym jasno oznaczyć, które otwory mają tolerancję pasowania (H7, H8), a które są "zwykłe". Każdy otwór z tolerancją to dodatkowa operacja i narzędzie, więc wprost przekłada się na cenę. W MetronQ tę zależność widać natychmiast: wgraj model i rysunek do natychmiastowej wyceny CNC, a system pokaże, jak tolerancje otworów zmieniają koszt detalu.

Sam proces obróbki otworów u podwykonawcy wygląda zawsze podobnie: wiercenie wszystkich otworów, potem operacje dokładne w kolejności od największych wymagań. Dobrze zaplanowany proces obróbki otworów zaczyna się więc od najciaśniejszej tolerancji na rysunku. Metoda obróbki otworów jest dobierana do tolerancji, ilości sztuk i dostępnych narzędzi - rozwiercanie konkuruje tu z wytaczaniem dokładnym i honowaniem, a obróbka wykańczająca otworów wielkich średnic odbywa się głowicami wytaczarskimi.

Otwory przelotowe, nieprzelotowe i głębokie otwory

Otwory przelotowe są dla rozwiercania najwdzięczniejsze: wióry i chłodziwo mają którędy uciec, a część kalibrująca może wyjść z materiału. Obróbka otworów przelotowych pozwala też stosować narzędzia z długim wejściem stożkowym, które pracują spokojniej. Otwory nieprzelotowe wymagają narzędzi z krótkim wejściem i starannego płukania dna - to tutaj ciśnienie i kierunek podania chłodziwa robią największą różnicę.

Osobną ligą są głębokie otwory. Umownie mówi się o nich, gdy głębokość przekracza 5 średnic - i mogą to być zarówno otwory przelotowe, jak i nieprzelotowe; obróbka otworów, głębokość których przekracza 10xD, wymaga już specjalnych technik. Wiercenie głębokich otworów wywodzi się z technologii luf i z wiertnictwa - stąd żargon, w którym otwór wiertniczy oznaczał pierwotnie otwór w skale, a dziś bywa używany na określenie każdego głębokiego otworu walcowego. Formalnie otwór wiertniczy to wciąż pojęcie z górnictwa, ale techniki są wspólne: prowadzenie narzędzia i wysokociśnieniowe chłodzenie. W praktyce warsztatowej wiercenie otworów walcowych o dużej głębokości realizuje się wiertłami działowymi (lufowymi) z wewnętrznym podaniem chłodziwa, a rozwiercanie takich otworów - narzędziami jednoostrzowymi z listwami prowadzącymi.

Skala ma znaczenie w obie strony. W ogóle wiercenie otworów walcowych pod rozwiercanie zawsze zostawia naddatek pod kolejne narzędzie. Wiercenie małych otworów (poniżej 3 mm) pod rozwiercanie wymaga ostrożności, bo smukłe narzędzie łatwo złamać - posuwy spada się o połowę. Z kolei wiercenie większych otworów pod rozwiercanie robi się stopniami: najpierw mniejsze wiertło, potem większe wiertło na wymiar z naddatkiem, żeby żadne pojedyncze narzędzie nie zbierało zbyt dużego przekroju wióra. Wywiercony otwór o dużej średnicy prawie nigdy nie idzie prosto spod jednego wiertła - a dokładne wykonanie otworów zaczyna się właśnie od prostej osi.

I jeszcze jedna praktyczna uwaga: otwory przelotowe małych średnic w cienkich ściankach potrafią po rozwiercaniu "oddychać" - materiał sprężynuje i średnica wychodzi mniejsza niż narzędzie. Doświadczony technolog daje wtedy narzędzie o 0,005-0,01 mm większe albo zmienia mocowanie tak, by nie ściskać detalu wokół otworu.

Photo from Unsplash

Jak rozwiercić wkładkę zamka

Fraza "rozwiercanie" żyje też drugim życiem - w ślusarstwie awaryjnym. Gdy klucz się złamał albo zgubił, a wkładki nie da się otworzyć, ślusarz "rozwierca zamek". Technicznie to nie jest rozwiercanie w sensie obróbkowym, tylko niszczące wiercenie: celem jest przewiercenie linii pinów (zastawek), żeby bębenek dał się obrócić wkrętakiem. Piszemy o tym, bo pytanie "jak rozwiercić wkładkę zamka" pojawia się bardzo często - a odpowiedź ma sporo wspólnego z technologią otworów.

Uwaga prawna i praktyczna: rozwiercaj wyłącznie własny zamek, a jeśli drzwi mają certyfikowaną wkładkę antywłamaniową (klasa C / 6), odpuść - hartowane pręty i piny z węglika zatrzymają zwykłe wiertła. Wezwanie ślusarza jest wtedy tańsze niż zniszczone okucia.

Rozwiercanie wkładki zamka krok po kroku

1. Napunktuj punkt wiercenia na linii podziału bębenka, ok. 2-3 mm nad krawędzią - tam siedzą piny.
2. Zacznij od małego wiertła (3 mm) do metalu; wiertarka na niskich obrotach, z olejem. Precyzja jest ważniejsza niż siła - to w gruncie rzeczy precyzyjne wiercenie otworu w hartowanej stali.
3. Przejdź całą linię pinów - poczujesz charakterystyczne "przeskoki", gdy wiertło łamie kolejne sprężynki i piny.
4. Powiększ otwór wiertłem 4,5-6 mm. Bezpieczne wykonanie otworu w dwóch przejściach chroni wiertło przed złamaniem w wąskiej wkładce.
5. Obróć bębenek wkrętakiem płaskim i otwórz drzwi. Wkładka jest zniszczona - wymień ją na nową.

Bezpieczne wykonanie otworu w zamku wymaga okularów ochronnych: wióry ze sprężynek strzelają z wkładki jak z procy. I nie ma tu nic wspólnego z klasami IT - rozwiercanie wkładki to chirurgia polowa, nie obróbka precyzyjna.

Wiedza o rozwiercaniu w pigułce

Na koniec esencja - rzeczy, które trzeba zapamiętać, zanim ten rodzaj obróbki trafi do Twojego procesu:

• Proces rozwiercania poprawia średnicę, kształt i gładkość; nie poprawia położenia osi.
• Typowy efekt: klasy IT7-IT9, przy rozwiercaniu dokładnym IT6; Ra 0,32-1,25 um.
• Za mały naddatek jest równie szkodliwy jak za duży: ostrza trą zamiast skrawać.
• Zasada parametrów: niskie obroty, duży posuw - odwrotnie niż podpowiada intuicja.
• Prędkość posuwu i obroty wylicza się jak dla każdego narzędzia, ale wartości bierze się z tabel dla rozwiertaków, nie dla wierteł.
• W otworach nieprzelotowych o wyniku decyduje płukanie dna; w głębokich - prowadzenie narzędzia.
• Obróbka wykańczająca otworów zawsze idzie po ustaleniu położenia osi, nigdy przed nim.
• Uzyskanie dokładnych otworów to sekwencja operacji: każda klasa IT wyżej to dodatkowe przejście i dodatkowy koszt.

Rozwiercanie to dobry przykład szerszej zasady obróbki skrawaniem: dokładność buduje się etapami, a każdy etap ma swoje narzędzie, naddatek i parametry. Kto to rozumie, ten czyta rysunek techniczny jak kosztorys.

Najczęstsze pytania o rozwiercanie

Czym jest rozwiercanie w obróbce CNC? To wykańczająca obróbka wiórowa otworu: wieloostrzowe narzędzie usuwa naddatek 0,05-0,5 mm ze ścianek wywierconego otworu, nadając mu ostateczną średnicę w klasie IT6-IT9 i niską chropowatość powierzchni. W obróbce CNC wykonuje się je cyklem stałym (np. G85) bezpośrednio po wierceniu, w tym samym zamocowaniu.

Na czym polega rozwiercanie CNC i kiedy się opłaca? Rozwiercanie CNC polega na prowadzeniu narzędzia po osi otworu na posuwie roboczym, z wycofaniem również na posuwie. Opłaca się przy otworach z tolerancją pasowania (H7, H8) o średnicach do ok. 40 mm, zwłaszcza w seriach - jest szybsze od wytaczania i nie wymaga korekcji wymiaru między sztukami.

Jaką dokładność uzyskuje się przy rozwiercaniu dokładnym? Przy rozwiercaniu dokładnym standardem są klasy IT6-IT8 i chropowatość powierzchni Ra 0,32-1,25 um. Warunki: naddatek 0,05-0,25 mm na średnicy, niska prędkość skrawania, obfite chłodzenie i sztywne, współosiowe zamocowanie narzędzia.

Jak rozwiercić wkładkę zamka? Napunktuj bębenek 2-3 mm nad linią podziału, wierć wiertłem 3 mm wzdłuż linii pinów na niskich obrotach z olejem, potem powiększ otwór wiertłem 4,5-6 mm i obróć bębenek wkrętakiem. Działa tylko na zwykłych wkładkach - antywłamaniowe mają elementy z hartowanej stali i węglika. Rozwiercaj wyłącznie własny zamek.

Czy rozwiercanie wkładki niszczy zamek? Tak, zawsze. Przewiercenie linii pinów nieodwracalnie niszczy mechanizm - po otwarciu drzwi wkładkę trzeba wymienić na nową. Sam zamek (mechanizm zasuwki w drzwiach) zwykle przeżywa, o ile wiertło nie weszło za głęboko.