Mũi khoan là gì? Lịch sử, loại, cách sử dụng và chọn đúng loại bit

là gì Mũi khoan ? Định nghĩa và chức năng cốt lõi

Mũi khoan là một dụng cụ cắt được thiết kế để loại bỏ vật liệu khỏi phôi bằng cách quay dưới áp lực dọc trục, tạo ra một lỗ hình trụ có đường kính xác định. Mũi khoan được giữ và điều khiển bằng máy khoan - chạy bằng tay, điện, khí nén hoặc thủy lực - và cắt xuyên qua vật liệu mục tiêu thông qua một hoặc nhiều cạnh cắt được mài sắc ở đầu mũi khoan. Các phoi hoặc phoi được tạo ra do thao tác cắt được sơ tán khỏi lỗ thông qua các rãnh xoắn ốc được gia công dọc theo thân mũi khoan, ngăn việc cắt lại vật liệu đã loại bỏ và cho phép mũi khoan tiến lên mà không bị tắc.

Mũi khoan là một trong những công cụ cắt cơ bản nhất trong sản xuất, xây dựng và bảo trì. Mọi ngành công nghiệp làm việc với vật liệu rắn - chế tạo kim loại, chế biến gỗ, xây dựng, khai thác mỏ, dầu khí, sản xuất điện tử, y học - đều sử dụng mũi khoan làm phương pháp tạo lỗ chính. Một cửa hàng máy móc hiện đại điển hình có thể dự trữ hàng trăm loại mũi khoan, kích cỡ và lớp phủ khác nhau; hộp dụng cụ dân dụng chứa ít nhất một bộ đa năng bao gồm các kích thước phổ biến nhất dành cho gỗ và kim loại nhẹ.

Các thông số kỹ thuật xác định của bất kỳ mũi khoan nào đều đường kính (xác định kích thước lỗ), nó chất liệu và độ cứng (xác định những gì nó có thể cắt), nó hình học điểm (xác định cách nó đi vào vật liệu và điều khiển việc đi lại) và thiết kế sáo (điều chỉnh việc thoát phoi và tốc độ cắt). Việc thay đổi bất kỳ tham số nào trong số này sẽ tạo ra một công cụ khác về cơ bản với ứng dụng tối ưu khác.

Lịch sử mũi khoan: Từ mũi khoan hình cung đến dụng cụ chính xác có đầu bằng cacbua

Lịch sử của mũi khoan kéo dài ít nhất 35.000 năm, khiến việc tạo lỗ trở thành một trong những hoạt động gia công vật liệu có chủ ý lâu đời nhất trong lịch sử loài người. Bằng chứng khảo cổ học từ thời kỳ đồ đá cũ cho thấy các mũi đá lửa được sử dụng để khoan lỗ trên vỏ sò và xương - những ví dụ sớm nhất về việc cắt quay bằng dụng cụ cầm tay. Đây không phải là mũi khoan theo nghĩa cơ học, nhưng chúng thể hiện ứng dụng có chủ ý đầu tiên của mài mòn quay để xuyên qua vật liệu rắn.

Khoan cổ xưa và tiền công nghiệp

Mũi khoan hình cung - một thanh gỗ cứng hoặc đá lửa nhọn được quay bằng cách quấn dây cung xung quanh nó và kéo cung qua lại - xuất hiện trong các bức tranh tường của Ai Cập từ khoảng năm 3000 trước Công nguyên và được sử dụng cho cả chế biến gỗ và tạo lửa. Máy khoan bơm, sử dụng bánh đà có trọng lượng và tay cầm bơm để duy trì chuyển động quay liên tục, đã xuất hiện trong các nền văn hóa Trung Mỹ và Châu Á thời kỳ đầu. Các thợ thủ công La Mã đã sử dụng mũi thìa có đầu bằng sắt và mũi nhọn trung tâm để chế biến gỗ, những hình thức dễ nhận biết trong các thiết kế mũi khoan và mũi khoan trung tâm hiện đại. Trong suốt thời kỳ trung cổ, các bộ nẹp và bit - sử dụng nẹp bằng gỗ hoặc sắt có tay quay để đóng các mũi thìa và mũi khoan - là những công cụ tạo lỗ chính cho nghề mộc, xưởng đóng tàu và đóng tàu.

Máy khoan xoắn: Sự đổi mới quan trọng

Mũi khoan xoắn hiện đại — thiết kế rãnh xoắn ốc vẫn là dạng mũi khoan phổ biến ngày nay — được phát minh bởi kỹ sư người Mỹ Steven Morse vào năm 1861 và được cấp bằng sáng chế vào năm 1863. Ý tưởng sâu sắc của Morse là gia công các rãnh xoắn ốc liên tục dọc theo chiều dài của một thanh thép, tạo ra cả các lưỡi cắt ở đầu và kênh thoát phoi tự động trong một hình học tích hợp duy nhất. Trước khi có máy khoan xoắn, việc tạo lỗ trên kim loại đòi hỏi phải giũa, đục lỗ hoặc sử dụng mũi "thuổng" phẳng, bị tắc nhanh chóng và cần phải rút thường xuyên để loại bỏ phoi. Thiết kế của Morse, ban đầu được tạo ra bằng cách xoắn thanh phôi phẳng được gia nhiệt thành một đường xoắn ốc, có thể khoan liên tục mà không cần rút ra và tạo ra các lỗ sạch hơn, có kích thước chính xác hơn ở tốc độ cao hơn nhiều. Chuôi côn Morse — giao diện côn tự giữ giữa mũi khoan lớn hơn và trục máy - cũng là phát minh của Morse và vẫn là tiêu chuẩn quốc tế cho giao diện mâm cặp máy khoan và máy tiện cho đến ngày nay.

Thế kỷ 20: Thép tốc độ cao, cacbua và lớp phủ

Quá trình công nghiệp hóa gia công kim loại vào cuối thế kỷ 19 và đầu thế kỷ 20 đã thúc đẩy những tiến bộ vật chất nhanh chóng. Các mũi khoan bằng thép carbon, tiêu chuẩn từ những năm 1890, bị mềm ở nhiệt độ cao do gia công tốc độ cao - hạn chế tốc độ cắt và tuổi thọ dụng cụ. Thép tốc độ cao (HSS), được phát triển vào khoảng năm 1900 bởi Frederick Taylor và Maunsel White tại Bethlehem Steel, vẫn giữ được độ cứng ở nhiệt độ lên tới 600°C, cho phép tốc độ cắt Nhanh hơn 2–4× so với thép carbon mà không bị xỉn màu. HSS đã trở thành vật liệu mũi khoan phổ biến trong hầu hết thế kỷ 20 và vẫn chiếm ưu thế đối với các loại mũi khoan đa năng ngày nay.

Cacbua xi măng - các hạt cacbua vonfram thiêu kết trong chất kết dính coban - được phát triển ở Đức vào những năm 1920 và dần dần được đưa vào ứng dụng mũi khoan vào giữa thế kỷ này. Độ cứng của cacbua (khoảng 9,5 trên thang Mohs, so với HSS ở khoảng 7,5) và khả năng chịu nhiệt (giữ khả năng cắt trên 900°C) khiến nó trở nên cần thiết để khoan thép cứng, gang, vật liệu tổng hợp mài mòn và vật liệu gốm phá hủy các bit HSS trong vài giây. Công nghệ phủ lắng đọng hơi vật lý (PVD) trong những năm 1970 và 1980 đã giới thiệu titan nitride (TiN), titan nhôm nitride (TiAlN) và các lớp phủ cứng khác giúp kéo dài tuổi thọ bit hơn nữa bằng cách giảm ma sát và oxy hóa ở lưỡi cắt - tạo tiền đề cho tiêu chuẩn bit cacbua được phủ hiệu suất cao trong các trung tâm gia công CNC ngày nay.

là gì Drill Bits Used For? Applications by Material and Industry

Mũi khoan được sử dụng ở bất cứ nơi nào cần tạo lỗ hình trụ bằng vật liệu rắn - bao gồm phạm vi gần như không giới hạn của các ngành công nghiệp và ứng dụng. Việc sử dụng cụ thể xác định loại bit, vật liệu, hình học và kích thước cần thiết. Sử dụng bit chính xác cho một vật liệu nhất định không chỉ đơn thuần là vấn đề hiệu quả; các mũi khoan không khớp sẽ làm hỏng phôi, bị mòn sớm, quá nóng và ở vật liệu cứng có thể vỡ ra một cách nguy hiểm.

Chế tạo và gia công kim loại

Khoan là một trong những hoạt động phổ biến nhất trong chế tạo kim loại - tạo ra các lỗ hở cho ốc vít, lỗ ren cho ren, lỗ tiếp cận cho hệ thống dây điện và lỗ khoan chính xác cho vòng bi và trục. Mũi khoan xoắn HSS sử dụng được cho phần lớn các loại khoan thép, nhôm, đồng thau và đồng. Cobalt HSS (loại M35 hoặc M42, chứa 5–8% coban) được sử dụng cho thép không gỉ, Inconel và các hợp kim gia công cứng khác mà HSS tiêu chuẩn bị xỉn màu nhanh chóng. Mũi khoan cacbit nguyên khối chiếm ưu thế trong gia công CNC trên thép cứng, titan và composite sợi cacbon, nơi tốc độ cắt đạt tới 80–200 m/phút và dung sai lỗ ±0,01 mm thường xuyên đạt được.

Xây dựng và xây dựng

Khoan vào bê tông, gạch, đá và khối đòi hỏi tác động gõ kết hợp với xoay - mũi khoan vừa phải cắt vừa làm gãy cấu trúc tinh thể giòn của vật liệu. Mũi khoan xây sử dụng đầu cacbua được hàn đồng hoặc ép vào thân thép và được điều khiển bằng máy khoan búa hoặc búa quay tạo ra các cú va chạm ở tốc độ 1.000–4.500 nhịp mỗi phút cùng với chuyển động quay. Hệ thống cán SDS-Plus và SDS-Max do Bosch phát triển vào năm 1975, cho phép mũi khoan trượt dọc trục bên trong mâm cặp trong quá trình đóng búa — truyền năng lượng va đập tới bề mặt làm việc hiệu quả hơn so với mâm cặp thông thường đồng thời ngăn ngừa mất mũi khoan. Đối với các lỗ có đường kính lớn hơn trong bê tông (khoan lõi cho ống dẫn, hệ thống ống nước hoặc HVAC), các bit lõi kim cương - ống thép có các đoạn kim cương công nghiệp được liên kết với mặt cắt - là giải pháp thiết thực duy nhất, thường được sử dụng cùng với nước làm mát để ngăn ngừa hư hỏng các đoạn.

Chế biến gỗ và nghề mộc

Khoan gỗ bao gồm nhiều loại mũi khoan chuyên dụng nhất trong bất kỳ loại vật liệu nào, bởi vì cấu trúc thớ gỗ, sự thay đổi mật độ và hành vi của thớ cuối đòi hỏi các hình dạng cắt khác nhau cho các ứng dụng khác nhau. Mũi khoan điểm Brad sử dụng một điểm ở giữa để tránh đi trên bề mặt gỗ và hai mũi nhọn để ghi thớ trước khi các cạnh cắt chính loại bỏ lõi - tạo ra các lỗ sạch, không bị rách cho chốt, chốt kệ và tủ. Mũi khoan Forstner sử dụng dao cắt vành có đường kính đầy đủ và các cạnh đục xuyên tâm để khoan các lỗ đáy phẳng, chồng chéo hoặc góc mà máy khoan xoắn không thể tạo ra - cần thiết cho việc lắp đặt bản lề ẩn và đồ mộc nội thất. Mũi thuổng không tốn kém và nhanh chóng đối với các lỗ tạo khung thô (đường ống và dây dẫn) nơi chất lượng bề mặt không quan trọng. Mũi khoan, với đầu vít xoắn mạnh và rãnh thô, được sử dụng trong đóng khung gỗ và xây dựng bằng gỗ để tạo các lỗ sâu trên gỗ cứng màu xanh lá cây hoặc dày đặc.

Sản xuất PCB và Điện tử

Khoan bảng mạch in sử dụng các mũi khoan siêu nhỏ bằng cacbua rắn — thường có đường kính nhỏ tới 0,1 mm — chạy ở tốc độ trục chính khoảng 100.000–300.000 vòng/phút trên máy khoan CNC để tạo lỗ xuyên cho các dây dẫn linh kiện và các lỗ mạ. Các tấm PCB (sợi thủy tinh FR-4, PTFE, vật liệu tổng hợp chứa đầy gốm) có độ mài mòn cao và sẽ phá hủy các bit HSS ở một số lỗ; chỉ cacbua sống sót sau sự mài mòn ở khối lượng sản xuất. Tuổi thọ của dụng cụ được đo bằng số lần nhấn - mũi khoan cacbua 0,3 mm trong FR-4 tiêu chuẩn thường được ngừng sử dụng sau 3.000–5.000 lỗ để duy trì chất lượng thành lỗ nhằm đảm bảo độ bám dính lớp mạ đáng tin cậy.

Khoan dầu khí

Ở quy mô lớn nhất, mũi khoan dành cho giếng dầu và khí đốt là hệ thống kỹ thuật riêng. Các mũi khoan hình nón tricon sử dụng ba hình nón có răng lồng vào nhau - răng thép hoặc cacbua vonfram - có tác dụng nghiền nát và làm gãy đá khi cụm quay ở dưới cùng của dây khoan. Các bit nhỏ gọn kim cương đa tinh thể (PDC) sử dụng máy cắt kim cương tổng hợp được liên kết với thân thép hoặc cacbua trong một cấu hình cố định, cắt đá thay vì nghiền nát nó - đạt được Tuổi thọ bit dài hơn 3–10× và tỷ lệ thâm nhập cao hơn ở các thành hệ có độ cứng trung bình chiếm ưu thế ở hầu hết các bể chứa dầu khí. Một bit PDC có thể có giá từ 50.000 đến 100.000 USD và phải khoan hàng trăm mét đá cứng ở độ sâu vượt quá 5.000 mét dưới nhiệt độ, áp suất và mài mòn cực cao.

Các loại mũi khoan: Hình học, vật liệu và lớp phủ

Sự đa dạng của mũi khoan phản ánh sự đa dạng của vật liệu, hình dạng lỗ và điều kiện vận hành gặp phải trong các ngành công nghiệp. Phần sau đây bao gồm các loại được sử dụng rộng rãi nhất với các đặc điểm phân biệt và bối cảnh ứng dụng chính xác của chúng.

Lớp phủ bit và tác dụng của chúng

Lớp phủ trên các bit HSS và cacbua không mang tính chất trang trí - mỗi lớp phủ giải quyết một chế độ hư hỏng cụ thể. Titanium nitride (TiN, màu vàng) làm giảm ma sát ở lưỡi cắt và tăng độ cứng bề mặt, kéo dài tuổi thọ mũi khoan thêm 3–5× so với HSS không tráng phủ ở thép nhẹ. Titan nhôm nitrit (TiAlN, màu tím đậm) tạo thành một lớp oxit nhôm ở nhiệt độ cao hoạt động như một rào cản nhiệt - lớp phủ hoạt động tốt hơn khi trời nóng hơn, khiến nó trở nên lý tưởng để gia công khô thép cứng và không gỉ ở tốc độ cao. Oxit đen là chất xử lý bề mặt nhẹ giúp giảm ma sát một chút và cải thiện khả năng chống ăn mòn - nó kéo dài tuổi thọ bit một cách khiêm tốn và phổ biến trên các bộ đa năng tiết kiệm. Lớp phủ carbon giống kim cương (DLC) cung cấp ma sát rất thấp và được sử dụng để khoan kim loại màu và vật liệu tổng hợp CFRP trong đó cạnh tích hợp (hàn vật liệu với lưỡi cắt) là dạng hư hỏng chính.

Mũi khoan dài hơn: Khi nào và tại sao Độ dài kéo dài lại quan trọng

Mũi khoan xoắn có chiều dài bằng thợ làm tiêu chuẩn — chiều dài mặc định trong hầu hết các bộ mũi khoan — có chiều dài rãnh khoảng 9–14× đường kính mũi khoan và được thiết kế cho phần lớn các ứng dụng lỗ xuyên lỗ và lỗ mù nông. Mũi khoan dài hơn trở nên cần thiết khi độ sâu lỗ vượt quá mức mà người thợ có thể đạt tới, khi hình dạng phôi ngăn cản việc định vị mũi khoan trực tiếp qua điểm vào hoặc khi nhiều bộ phận phải được khoan thẳng hàng thông qua một ngăn xếp đã lắp ráp.

Phân loại chiều dài

Chiều dài mũi khoan được phân loại theo dòng tiêu chuẩn ngành. Các bit có chiều dài công việc là phổ biến nhất - thích hợp cho các lỗ có đường kính lên tới khoảng 10 × trong hầu hết các vật liệu. Bit có chiều dài côn dài hơn 20–30% so với thợ làm việc, che các lỗ sâu hơn mà không có nguy cơ bị lệch khi sử dụng chuỗi dài hơn. Bit mở rộng máy bay (còn được gọi là các bit cực dài hoặc có chiều dài mở rộng) đạt tổng chiều dài 6, 12 hoặc 18 inch - được sử dụng trong lắp ráp hàng không vũ trụ để khoan xuyên qua vỏ cánh và các bộ phận kết cấu từ xa, trong hệ thống ống nước và điện thô để đi qua nhiều đinh tán hoặc dầm trong một đường chuyền duy nhất và trong các đồ gá lắp ráp đồ nội thất nơi phôi gia công hạn chế khả năng tiếp cận máy khoan. Cuộc tập trận súng hố sâu hoàn toàn là một danh mục chuyên biệt: dụng cụ me đơn có kênh làm mát bên trong được sử dụng trong máy khoan súng CNC để tạo ra các lỗ có đường kính sâu 50–300× — thân van thủy lực, kênh làm mát khuôn ép phun và nòng súng trường đều được khoan bằng súng.

Những thách thức của mũi khoan dài

Chiều dài kéo dài tạo ra những thách thức cơ học không tồn tại ở chiều dài của người làm việc. Độ lệch - xu hướng của một dụng cụ dài, mỏng bị uốn cong dưới lực cắt - gây ra lỗi độ thẳng của lỗ kết hợp với độ sâu. Một mũi khoan có đường kính 12 inch, 1/4 inch có tỷ lệ chiều dài trên đường kính là 48:1, tại thời điểm đó, ngay cả các lực ngang khiêm tốn cũng tạo ra độ lệch lỗ có thể đo được. Việc quản lý điều này đòi hỏi phải giảm tốc độ tiến dao (độ tiến dọc trục trên mỗi vòng quay), giảm tốc độ cắt, chu kỳ mổ thường xuyên hơn (rút mũi khoan một phần để làm gãy và loại bỏ phoi) và trong các ứng dụng chính xác, việc sử dụng ống lót khoan tại điểm vào để hạn chế mũi khoan trong một số đường kính tiếp xúc quan trọng đầu tiên. Việc thoát phoi trở thành mối quan tâm chủ yếu ở độ sâu vượt quá đường kính 5× — các phoi không thể thoát ra khỏi bó me so với lưỡi cắt, tạo ra nhiệt, tăng mô-men xoắn và gây gãy mũi khoan. Việc áp dụng chất lỏng cắt tại điểm vào và sử dụng quy trình khoan peck (lặp đi lặp lại các bước tiến và rút chiều sâu một phần) sẽ giải quyết vấn đề này trong cả khoan thủ công và khoan CNC.

Chọn độ dài phù hợp cho ứng dụng

Cách tiếp cận đúng là sử dụng bit ngắn nhất có thể hoàn thành nhiệm vụ . Dài hơn một chút so với mức cần thiết sẽ làm tăng thêm nguy cơ lệch và giảm độ cứng mà không có bất kỳ lợi ích bù đắp nào. Đối với lỗ sâu 3 inch bằng thép, mũi khoan có chiều dài côn là phù hợp; một bit mở rộng máy bay sẽ gây ra sự linh hoạt không cần thiết. Để khoan xuyên qua gỗ 14 inch, hình học cần có mũi máy bay dài hoặc mũi khoan tàu. Trong môi trường sản xuất, các mũi khoan có độ dài tùy chỉnh được mài đến độ sâu ứng dụng chính xác là điều phổ biến — loại bỏ độ dài dư thừa và tối đa hóa độ cứng tại điểm cắt. Đối với kết cấu thô trong đó mũi khoan dài tiêu chuẩn phải khoan xuyên qua nhiều bộ phận khung, phần mở rộng trục linh hoạt (có mâm cặp mũi khoan tiêu chuẩn ở cuối) cho phép động cơ máy khoan được đặt hoàn toàn cách xa trục làm việc — hữu ích trong những không gian cực kỳ hạn chế, nơi ngay cả một mũi khoan có chiều dài bằng máy bay cũng không thể căn chỉnh theo đường dẫn lỗ yêu cầu.