Analysis of methods for making holes in metal with a thickness of more than 10 mm

Abstract

EN: Purpose. The aim of this study is to review and comparatively analyze modern methods for creating holes in metal workpieces with a thickness of over 10 mm, evaluate their efficiency, and investigate the influence of processing parameters on the quality of the resulting holes. Attention is given to conventional methods, such as drilling and punching with specialized tools, as well as non-traditional methods, including waterjet abrasive cutting, laser cutting, and electrical discharge machining (EDM). Research methods. The study employed a literature review and experimental investigations. Experimental methods included step drilling, reaming, milling, hydro-abrasive cutting, laser cutting, EDM drilling, and cold stamping. Hole quality was assessed using geometric measurements, surface roughness analysis, and examination of deformation zones. Experimental setups included variable punch and die designs to study the influence of tool geometry, punch-die clearance, and cutting forces on hole quality. Results. It was determined that each method has distinct advantages and limitations. Punching is most effective for high-speed, mass production with consistent geometry but requires precise tooling and rigid press equipment. Drilling and laser cutting are suitable for single or small-series production, offering high accuracy but slower speed. Hydro-abrasive cutting provides smooth edges and minimal thermal impact, though it is expensive and slower for small holes. EDM ensures exceptional precision for hard or high-alloy materials but has low productivity. Comparative analysis highlighted the influence of process parameters, such as punch-die clearance, cutting force, feed rate, and tool design, on the quality and accuracy of holes. Scientific novelty. The study provides a systematic comparison of multiple hole-making methods for thick metal workpieces, integrating experimental results with process parameter analysis. The novelty lies in identifying optimal parameters and tool designs that minimize edge defects and deformation, offering guidance for high-precision hole formation in thick metals, which has not been comprehensively addressed in previous research. Practical value. The findings can guide the selection of appropriate hole-making technologies in industrial metalworking, optimize productivity, improve surface quality and dimensional accuracy, reduce material waste, and inform the design of tooling and press equipment for mass and small-series production. UK: Мета роботи. Метою цього дослідження є огляд та порівняльний аналіз сучасних методів створення отворів у металевих заготовках товщиною понад 10 мм, оцінка їхньої ефективності та дослідження впливу параметрів обробки на якість отриманих отворів. Увага приділяється традиційним методам, таким як свердління та штампування спеціалізованими інструментами, а також нетрадиційним методам, включаючи гідроабразивне різання, лазерне різання та електроерозійну обробку (EDM). Методи дослідження. У дослідженні використовувався огляд літератури та експериментальні дослідження. Експериментальні методи включали ступінчасте свердління, розсвердлювання, фрезерування, гідроабразивне різання, лазерне різання, електроерозійне свердління та холодне штампування. Якість отворів оцінювалася за допомогою геометричних вимірювань, аналізу шорсткості поверхні та дослідження зон деформації. Експериментальні установки включали змінні конструкції пуансона та штампу для вивчення впливу геометрії інструменту, зазору між пуансоном та штампом, а також сил різання на якість отвору. Отримані результати. Було визначено, що кожен метод має різні переваги та обмеження. Штампування є найефективнішим для високошвидкісного масового виробництва з послідовною геометрією, але вимагає точного оснащення та жорсткого пресового обладнання. Свердління та лазерне різання підходять для одиничного або дрібносерійного виробництва, пропонуючи високу точність, але меншу швидкість. Гідроабразивне різання забезпечує гладкі краї та мінімальний термічний вплив, хоча воно є дорогим та повільнішим для невеликих отворів. Електроерозійне різання забезпечує виняткову точність для твердих або високолегованих матеріалів, але має низьку продуктивність. Порівняльний аналіз підкреслив вплив параметрів процесу, таких як зазор штампа, сила різання, швидкість подачі та конструкція інструменту, на якість та точність отворів. Наукова новизна. Дослідження забезпечує систематичне порівняння кількох методів виготовлення отворів для товстих металевих заготовок, інтегруючи експериментальні результати з аналізом параметрів процесу. Новизна полягає у визначенні оптимальних параметрів та конструкцій інструментів, які мінімізують дефекти крайок та деформацію, пропонуючи рекомендації щодо високоточного формування отворів у товстих металах, що не було всебічно розглянуто в попередніх дослідженнях. Практична цінність. Результати можуть допомогти у виборі відповідних технологій виготовлення отворів у промисловій металообробці, оптимізувати продуктивність, покращити якість поверхні та точність розмірів, зменшити відходи матеріалу та врахувати проектування інструментів та пресового обладнання для масового та дрібносерійного виробництва.