Сверлильные станки: типы, комплектующие и руководство по выбору.

Сверлильные станки: полное руководство по типам, выбору и техническому обслуживанию

Сегодня сверлильный станок остается одним из самых популярных металлообрабатывающих инструментов в производственных, строительных и ремонтных цехах по всему миру. Независимо от того, нужно ли просверлить стальной кронштейн или выточить тысячи одинаковых отверстий в головке блока цилиндров, выбор подходящей категории сверлильного станка гарантирует точность, производительность и разумную стоимость обработки одного отверстия. Следующая информация охватывает все категории сверлильных станков, находящихся в активном производстве, объясняет, как выбрать подходящий вариант, и описывает процедуры технического обслуживания, которые позволяют значительно продлить срок службы подшипников шпинделя.

Что такое сверлильный станок?

Сверлильный станок — это обрабатывающий центр, который одновременно (а) приводится в движение для вращения режущего инструмента, обычно спирального сверла, и (б) достаточно жёсткий, чтобы контролируемо перемещать этот инструмент относительно неподвижной заготовки для фрезерования цилиндрических отверстий определённого поперечного сечения и глубины. Это определение подразумевает, что он может обеспечить три условия, которые ручные сверла просто не могут: постоянную скорость вращения шпинделя, контролируемое осевое перемещение и надёжное выравнивание между канавкой сверла и поверхностью заготовки. Только эти три параметра определяют качество обработанного отверстия с точки зрения перпендикулярности к поверхности заготовки, точности размеров отверстия и качества внутренней поверхности.

Помимо сверления отверстий, сверлильный станок используется для развертывания, зенкования, нарезания резьбы, обработки торцов и потайного сверления. С точки зрения времени работы, это один из наиболее используемых станков в цеху; сверлильный станок быстро переходит от одной операции к другой.

Сверлильный станок ведет свою родословную от расточного станка Джона Уилкинсона, впервые созданного в 1770-х годах для производства стволов пушек. Эта модель была модифицирована для производства цилиндров нужных размеров для поршневых двигателей Джеймса Уатта, положив начало использованию сверлильных станков в современных механических цехах. Радиально-рычажные конфигурации появились около 1861 года, их авторство приписывается Джеймсу Нэсмиту, что позволило шпинделю получить доступ ко всем частям неподвижно установленной заготовки для выполнения ряда операций без повторного закрепления самой детали.

По оценкам исследовательских компаний, рынок сверлильных станков к 2024 году составит от 26 до 31 миллиарда долларов, а прогнозируемый ежегодный темп роста до 2032 года — от 4.9 до 6 процентов. Частично этот рост обусловлен инфраструктурными проектами в Азиатско-Тихоокеанском регионе, а также инициативами по переносу производства на шельф Северной Америки в сочетании с продолжающейся прогрессивной автоматизацией с помощью станков с ЧПУ. Строительная отрасль занимает львиную долю выручки, но производство аэрокосмической продукции и медицинских изделий обеспечивает значительную часть прибыли.

Классификационные стандарты для буровых станков опубликованы в соответствии с ISO 73.100.30 (оборудование для горнодобывающей и карьерной промышленности: буровые инструменты) и ISO 20770-1 (безопасность станков: буровые станки). Данная спецификация охватывает конусность шпинделя, уровень шума и показатели электромагнитной совместимости, которым должны соответствовать все вращающиеся станки, прежде чем попасть в порты-потребители.

Типы сверлильных машин

Конструкция сверлильного станка зависит от положения его шпинделя, размера обрабатываемой детали и степени автоматизации, заложенной в конструкцию. Настольные сверлильные станки, колонные (или столбчатые) сверлильные станки и радиально-сверлильные станки — это лишь некоторые из распространенных названий, встречающихся в цехах, но существует полная система наименований с классификацией, основанной на этих переменных.

Ниже представлена ​​сравнительная таблица для десяти типов оборудования, находящихся в настоящее время в активном производстве/продаже. Диапазоны цен основаны на данных рынка за 2024 год по новому оборудованию от производителей среднего ценового сегмента и должны рассматриваться как ориентировочные, а не как окончательные цены.

Скромный настольный сверлильный станок. Надежный рабочий инструмент небольших производственных цехов. Крепится к верстаку, обрабатывает отверстия диаметром до 16 мм. Модели с ременным приводом имеют систему ступенчатых шкивов, где ремень перемещается с одного шкива на другой для изменения скорости — это довольно неудобно, если вы часто меняете скорость, но обеспечит бесперебойную механическую работу на протяжении многих десятилетий. Электронные версии с регулировкой скорости полностью исключают необходимость в ремне, но стоят на 30–40% дороже.

Напольный сверлильный станок с редукторной головкой и фиксированной скоростью вращения. По размерам он напоминает жимовую стойку на более высокой колонне и крепится болтами к полу мастерской. Дополнительная высота позволяет обрабатывать заготовки большего, чем обычно, диаметра, не превышая стандартного, благодаря возможности установки станка между столом и шпинделем. Редукторные головки обеспечивают постоянный крутящий момент независимо от выбранной скорости вращения шпинделя — это важно при сверлении отверстий большого диаметра в стали. Эта модель является типичным сверлильным станком, используемым для демонстрации возможностей станка в промышленных условиях. В обычных каталогах слова «сверлильный станок» и «сверлильный станок», означающие станок для сверления отверстий, взаимозаменяемы, но первый является термином таксономии, описывающим одну из подкатегорий второго.

Мощный радиально-сверлильный станок. Стрела может вращаться вокруг вертикальной колонны на 180 градусов и перемещаться вперед и назад. Это означает, что центральная линия шпинделя может достигать любой точки в значительном радиусе без необходимости перемещения заготовки. Монтажники металлоконструкций, котельщикам и судостроителям используют этот тип станка для обработки заготовок, слишком больших или неудобных для перемещения в цех. Для обеспечения точности сверления отверстий и соответствия технологическому процессу крайне важно плотно прижать стрелу к подшипнику колонны после ее установки.

Многошпиндельный сверлильный станок. Этот узел имеет несколько сверлильных шпинделей, установленных на общем столе. Заготовки перемещаются между шпинделями для выполнения множества операций (сверление, развертывание, нарезание резьбы, зенковка и т. д.) без смены инструмента. Благодаря значительной экономии производственного времени, многошпиндельные станки позволяют сократить время цикла на 40–60% по сравнению с одношпиндельными сверлильными станками при сверлении деталей, изготавливаемых по очень повторяющимся схемам.

Многошпиндельный сверлильный станок. В этом станке все шпиндели подаются одновременно. Это означает, что можно сверлить несколько отверстий — обычно отверстия для болтов на одной окружности расположения болтов — за один раз. Настройка занимает много времени, поэтому такие станки экономически выгодны только при партиях около 200 деталей и более. Предпочтительно, чтобы детали были зафиксированы зажимами, поскольку любой зазор в приводном механизме шпинделей приведет к ошибкам в точности позиционирования.

Сверлильный станок с магнитным приводом. Использует встроенную зажимную поверхность на основе электромагнита, чтобы перемещать станок к заготовке, а не наоборот — полезно для боеприпасов, конструкционных стальных элементов и тому подобного, когда заготовку нельзя переместить. Использует кольцевой резец (также называемый корончатым сверлом), полое спиральное сверло, которое позволяет получать отверстия большого диаметра с относительно небольшим подготовительным молотком. Для тех, кто занимается металлообработкой, стоит изучить небольшой ручной лазерный гравировальный станок для металла, предназначенный для разметки положения отверстий перед сверлением.

Сверлильный станок с ЧПУ. Компьютерное числовое управление заменяет руку оператора на рычаге подачи и позиционировании стола. Каждый станок работает по программе G-кода, которая быстро перемещается к каждому положению отверстия, входит с запрограммированной скоростью подачи и скоростью вращения, отводится и повторяет сотни или тысячи положений без участия человека.

Одной из последних особенностей станков с ЧПУ является внедрение устройств смены инструмента, измерительных систем и системы охлаждения шпинделя для работы в автоматическом режиме.

Станок для глубокого сверления / сверления отверстий под пулемёты. В таких станках используются однолезвийные сверла с внутренним потоком охлаждающей жидкости, направленным вперёд, которая отводит стружку от режущей поверхности к выходному отверстию. Хотя ранее сверление отверстий под пулемёты ограничивалось изготовлением стволов для винтовок, сейчас оно также используется для создания каналов гидравлических цилиндров, контуров охлаждения пресс-форм или топливных систем в аэрокосмической отрасли.

Этот процесс позволяет получать соотношения более 10:1.

Переносной сверлильный станок. Легкий портативный станок с магнитным основанием, предназначен для полевых работ, таких как изготовление фланцев для труб, конструкционные соединения, модернизация, если перемещение оборудования в цех невозможно. Меньшая производительность по сравнению со стационарными станками, поэтому незаменим на объекте.

Центр сверления и нарезания резьбы. Станок с ЧПУ, разработанный в первую очередь для высокоскоростного сверления и нарезания резьбы, где достигаются скорости 40-60 метров в минуту и ​​время обработки менее 2 секунд. По сути, эти станки представляют собой компромисс между специализированным сверлильным станком и обрабатывающим центром с точки зрения стоимости и размеров.

Основные компоненты и принцип их работы

Все сверлильные станки — будь то настольные, электрические или напольные радиально-сверлильные — используют идентичный набор функциональных подсистем. Опытный пользователь может определить, какой компонент требует обслуживания, отчасти по тому, как он отличается от стандартной конфигурации, при условии, что он досконально понимает функцию каждой подсистемы в станке. Различия между настольным сверлильным станком за 400 долларов и напольной моделью за 4,000 долларов редко обусловлены какими-либо дополнительными функциями, а скорее относительной жесткостью каждой подсистемы.

Приводная система

Электродвигатели. Для работы большинства настольных и напольных сверлильных станков используются однофазные асинхронные двигатели (0.25–1.5 кВт, ¾–2 л.с.). В более крупных станках (1.5–7.5 кВт, 2–10 л.с.) используются трехфазные двигатели, управление которыми может осуществляться с помощью частотно-регулируемых приводов (ЧРП).

Двигатели установлены в верхней задней части головного узла.

Трансмиссия. Ременные и шкивные системы со ступенчатыми блоками обеспечивают от 4 до 12 ступеней скорости. Редукторные трансмиссии обеспечивают плавно регулируемую скорость под нагрузкой – это важно при буровых работах, где скорость поверхности должна оставаться постоянной.

В сверлильных станках с ЧПУ серводвигатель напрямую соединен со шпинделем с помощью зубчатого ремня или редуктора.

Шпиндель и патрон в сборе

Шпиндель представляет собой закаленный, шлифованный стальной вал, вращающийся внутри пары прецизионных подшипников (чаще всего радиально-упорных шариковых подшипников или конических роликовых подшипников). На каждом рабочем конце устанавливается шпоночный или быстрозажимной сверлильный патрон (до 16 мм на настольных моделях) или конусная втулка Морзе для крепления более крупных инструментов. Биение шпинделя — колебание на конце — должно быть менее 0.02 мм при надлежащем техническом обслуживании станка. При превышении этого уровня колебания точность диаметра отверстия снижается, а сверла изнашиваются от усталости.

Шпиндель. Полая втулка, в которой установлен шпиндель, может перемещаться вертикально внутри передней бабки. Реечная передача с ограничителями глубины преобразует осевое усилие оператора на рукоятке подачи в контролируемое вертикальное перемещение. Пружинный возврат возвращает шпиндель в исходное положение, когда рукоятка не отжата. Ход шпинделя может составлять всего 50 мм на настольных станках и более 300 мм на радиально-сверлильных станках.

Зажим для заготовки и стол

Стол. Чугунный, с ребристой поверхностью снизу для прочности. Напольные модели оснащены регулировочной рейкой на колонне, позволяющей адаптировать дрель к различной высоте рабочей зоны. Модели среднего ценового диапазона имеют возможность наклона головки до 45 градусов для сверления под углом.

Тиски. Зажимают заготовку на столе. Должны крепиться болтами через Т-образные пазы — попытка удерживать тиски вручную приведет к самым серьезным травмам. Для деталей неправильной формы в качестве альтернативы можно использовать ступенчатые блоки, V-образные блоки и струбцины.

Дополнительные компоненты для станков с ЧПУ

В состав сверлильных станков с ЧПУ дополнительно входят сервоприводной стол (работающий по осям XY), программируемая подача шпинделя (ось Z), автоматическая смена инструмента и контроллер (наиболее распространены Fanuc, Siemens, Mitsubishi или Haas). Контроллер принимает G-код, может также принимать программы в режиме диалога и управляет шпинделем, подачей охлаждающей жидкости, скоростью подачи и инструментом. Энкодеры на осях обеспечивают обратную связь по положению, так что при надлежащем обслуживании оборудования точность позиционирования может достигать 0.005 мм.

Как выбрать подходящий сверлильный станок

Выбор сверлильного станка сводится к соотношению производительности и потребностей — размер заготовки, характеристики отверстия, объем производства и доступная площадь. Вместо того чтобы гнаться за самым большим станком в каталоге, выберите тот, который соответствует фактической рабочей нагрузке цеха и не простаивает большую часть дня.

Логика принятия решений на практике

ЕСЛИ максимальный диаметр отверстия ≤ 16 мм И размер партии < 50 деталей → настольный сверлильный станок.
Если диаметр отверстия ≤ 32 мм И заготовка помещается на столе размером 300 × 300 мм → напольный сверлильный станок.
Если масса заготовки превышает 200 кг ИЛИ необходимо обеспечить доступ к нескольким точкам сверления без повторного зажима → используйте радиально-сверлильный станок.
Если размер партии > 100 одинаковых деталей И допуск ≤ ±0.05 мм → Сверлильный станок с ЧПУ.
Если заготовку невозможно переместить в цех, используйте магнитосверлильный станок или портативный сверлильный станок.

Ситуация: Небольшая мастерская производит стальные кронштейны на заказ партиями по 10-30 штук. Внутренний диаметр отверстий 8-12 мм, возможно, серия отверстий диаметром 20 мм. Годовой объем производства: 3,000 кронштейнов. Используется сверлильный станок с редукторной головкой и поперечным суппортом для зажима деталей. Редукторные головки поддерживают крутящий момент для отверстий диаметром 20 мм, а поперечный суппорт экономит время на позиционировании. (Мастерская никак не может оправдать инвестиции в станок с ЧПУ для такого объема производства.) На этом уровне стоимость сверлильного станка превышает 1,500-3,000 долларов — это начальная цена внедрения станков с ЧПУ.

Перед покупкой: контрольный список из 7 пунктов

1. Определите размер самой крупной стандартной детали, затем проверьте размер стола и глубину зева, учитывая пространство для зажима.
2. Во-вторых… нужно знать, из какого материала изготовлен ваш материал – нержавеющая сталь или титан требуют использования редукторных головок с высоким крутящим моментом и низкими оборотами.
3. В-третьих… посчитайте изменения скорости вращения шпинделя за смену -> 10 изменений в день — это похоже на частотно-регулируемый привод.
4. В-четвертых… проверьте электроснабжение – однофазное: максимальная мощность 2.2 кВт, трехфазное: 20+ кВт.
5. В-пятых… вам понадобятся не только станок, но и держатели заготовок. Экономичные сверлильные станки не отличаются излишествами – специальные Т-образные пазы, которые вы покупаете, стоят на 20-30% дороже.
6. Наконец, обратите внимание на размер конуса шпинделя (MT2 распространен для жимовых станков, MT3 — для всего цеха, MT4 или MT5 — для радиально-сверлильного станка). Вам понадобится соответствующий инструмент, если вы хотите приобрести станок.
7. Проверьте ход пиноли – одна из проблем при сверлении глубоких отверстий заключается в том, чтобы отверстие было достаточно глубоким для подачи пиноли. Поэтому, если глубина самого глубокого отверстия превышает ход пиноли, вам придется опустить стол на полпути резания, что значительно снижает точность при сверлении сквозных отверстий.

Применение в различных отраслях

Сверлильные станки — наиболее распространенный тип сверлильного оборудования, используемый во всех отраслях обрабатывающей промышленности и строительства по всему миру. Области применения сверления, инструменты и время рабочего цикла существенно различаются для производителей металлоконструкций и производителей печатных плат. Пять отраслей, перечисленных ниже, имеют самые большие в мире объемы установленного сверлильного оборудования.

Металлообработка

В мире больше всего сверлильных станков используют производители металлоконструкций. Большинство универсальных цехов имеют от двух до пяти сверлильных станков: небольшой настольный станок для деталей легкого и среднего размера, более крупный напольный станок для некоторых деталей среднего размера и, возможно, радиально-сверлильный станок для тяжелых и крупных конструкций и листового металла. Эти компании работают по простой схеме: разметка, кернение, сверление, снятие заусенцев, но огромное количество деталей приводит к значительному количеству отверстий. В загруженном универсальном цехе ежедневно сверлят от 500 до 2,000 отверстий всеми своими сверлильными станками. Многие цеха предпочитают добавлять в свои производственные мощности обрабатывающие центры с ЧПУ , чтобы дополнить трудоемкие ручные сверлильные станки для обработки больших объемов деталей с высокими допусками.

Строительная и конструкционная сталь

В строительстве на стройплощадке преимущественно используется магнитный сверлильный станок. Рабочие-сталелитейщики закрепляют станок на стальной балке или ригеле, сверлят отверстие и переходят к следующему. Вырезать отверстия кольцевыми фрезами экономичнее, чем спиральными сверлами, поскольку кольцевая фреза удаляет наименьшее количество материала за один проход, выделяет наименьшее количество тепла и создает наименьшее усилие. Одной кольцевой фрезы достаточно, чтобы просверлить 50–80 отверстий в конструкционной стали, прежде чем потребуется заточка, что сопоставимо с показателями спирального сверла из быстрорежущей стали, но меньше.

Магнитные сверлильные станки и кольцевые фрезы превосходят обычные корончатые сверла в сложных условиях, например, при сверлении труб из высокопрочного чугуна, в среднем на 60-70 процентов. Если их прижимать к стальной поверхности, а не перемещать в ручном инструменте, магнитные сверлильные станки не будут смещаться, а магнитное основание обеспечивает необходимую жесткость для быстрого и точного сверления.

Деревообрабатывающий

В производстве мебели столяры используют настольные сверлильные станки для соединения деталей на штифтах, врезки петель и сверления сквозных отверстий. Сверла Форстнера позволяют получать отверстия с плоским дном, необходимые для скрытых петель европейского типа, а сверла с центрирующим наконечником обеспечивают чистое проникновение в торцы древесины твердых пород без смещения. Скорость вращения для древесины значительно выше, чем для металла — обычно от 1,500 до 3,000 об/мин для твердых пород древесины по сравнению с 300–800 об/мин для стали. Ювелиры и ремесленники также используют небольшие настольные прессы для сверления отверстий в деликатных материалах, таких как раковины, кость и полудрагоценные камни.

Производство электроники и печатных плат

Сверлильные станки для печатных плат — это системы микросверления с ЧПУ, способные создавать сквозные отверстия диаметром от 0.1 мм до 25 мм при скорости вращения шпинделя 80 000–150 000 об/мин. Твердосплавные микросверла являются расходным материалом — одним сверлом можно просверлить от 3,000 до 5,000 отверстий до замены. Безусловно, это не та отрасль, где можно экономить на автоматизации; количество отверстий, превышающее 10 000 на многослойной печатной плате, является обычным явлением, как и требования к точности позиционирования на микронном уровне.

Автомобильная

В автомобильной промышленности используется весь спектр сверлильного оборудования. Для сверления отверстий в блоках цилиндров требуется глубокое сверление (соотношение длины к диаметру 20:1 или выше), многошпиндельное сверление для расположения болтов и расточка на станках с ЧПУ для обработки цилиндров. В отрасли высока потребность в автоматизации обработки таких деталей, как корпуса трансмиссий, тормозные суппорты и компоненты подвески. Электромобили сместили часть спроса с традиционного сверления блоков цилиндров на сверление лотков для батарей и корпусов двигателей, но общее количество отверстий по-прежнему составляет несколько тысяч на автомобиль. Поставщики автомобильных комплектующих используют лазерные маркировочные станки на автомобильных деталях одновременно со сверлильными станциями. К смежным производственным процессам относятся машины холодной и горячей экструзии для изготовления алюминиевых профилей и оборудование для обработки пластмасс для внутренних компонентов автомобилей.

«Средние по размеру предприятия ускорили переход к сверлению с ЧПУ после 2020 года. Предприятия, отложившие автоматизацию, столкнулись с ростом объемов невыполненных заказов и увеличением сроков поставки. Доступность рабочей силы для ручного сверления стала постоянным узким местом — ЧПУ решило обе проблемы одновременно».

— Адаптировано из отчета Global Market Insights, Анализ рынка буровых станков, 2024 год.

Станки для сверления с ЧПУ: точность и автоматизация.

Сверлильные станки с ЧПУ исключают необходимость ручного позиционирования, настройки скорости и управления подачей. Операторы загружают заготовку, выбирают программу и нажимают кнопку запуска цикла. После этого контроллер управляет сменой инструмента, изменением скорости вращения шпинделя, циклами прерывистого вращения для глубоких отверстий и подачей охлаждающей жидкости. При серийном производстве, превышающем 100 одинаковых отверстий в день, повышение производительности является существенным. Однако капиталовложения требуют тщательного анализа — не каждый цех получит выгоду от использования станков с ЧПУ.

Ситуация: Среднее предприятие по обработке металла, 30–50 индивидуальных заказов в месяц, 8–20 отверстий на стальную пластину (толщиной 6–25 мм), 5–200 деталей в заказе. Руководство сравнивает сверлильный станок с ЧПУ с существующим ручным сверлильным станком. Анализ: при 50 заказах; в среднем 14 отверстий, в среднем 100 деталей = 70 000 отверстий в месяц, станок с ЧПУ окупается за 8–14 месяцев, экономя время оператора и уменьшая количество брака за счет предотвращения неправильного расположения отверстий. Небольшие партии; менее 20 деталей; добавление времени на настройку станка с ЧПУ к каждому заказу нивелирует преимущества сравнения; ручной сверлильный станок с цифровым индикатором может быть лучшим выбором до тех пор, пока объем производства не окупится.

Лучшие практики обслуживания и безопасности

Сверлильный станок, которому проводится плановое еженедельное/ежедневное техническое обслуживание, прослужит дольше, обойдется дешевле в эксплуатации и обеспечит более точные результаты. Однако, насколько дороже это может быть, может удивить. Например, один комплект новых подшипников шпинделя для напольного сверлильного станка стоит 80–200 долларов, в то время как количество часов, затраченных на замену/разборку, демонтаж старых, установку новых, перенастройку шпинделя, выравнивание, может составить большую часть этих денег… Производительность, безопасность и долговечность достигаются за счет своевременного проведения технического обслуживания. Рекомендации по безопасности и конструкции защитных ограждений не имеют исключений; часть безопасности цеха заключается в предотвращении неприятных ситуаций.

Стандарт ISO 20770-1 «подчеркивает важность защитных ограждений в местах работы» и «барьерных ограждений» как передовой практики OSHA и дополнительно требует использования устройств управления двумя руками и/или срабатывающих барьерных ограждений; стандарт также охватывает дистанционное управление, аварийные остановки, ограничения по уровню шума (обычно < 85 дБА в местах работы) и требования электробезопасности в установках с ЧПУ.

Распространенные проблемы при бурении и способы их решения.

Ситуация: В ремонтной мастерской обнаружили, что средний срок службы сверл составляет всего 2-3 дня вместо 2 недель. Расследование показало, что более 6 месяцев не проводилась очистка или удаление масла из поддона системы охлаждения; бактериальное загрязнение резко снизило стабильность эмульсии смазки на 40-50%. После слива и очистки поддона, заправки свежей охлаждающей жидкостью с 7% концентрацией и замены затупившихся сверл срок службы инструмента вернулся к норме. Стоимость решения: 120 долларов за охлаждающую жидкость, 2 человеко-часа. Стоимость игнорирования: 800 долларов в месяц из-за вышедших из строя сверл. Если вы рассматриваете процесс очистки поверхности после сверления, обратите внимание на использование лазерной очистки для удаления смазочно-охлаждающей жидкости и мусора с поверхности без химических остатков.

Часто задаваемые вопросы о сверлильных станках

Проверка проведена командой инженеров UDTECH, обладающих обширным опытом во всех аспектах производства станков с ЧПУ и прецизионного обрабатывающего оборудования.