Технологии сверления

По направлению оси отверстия относительно волокон древесины различают сверление поперечное (в пласть детали с подачей перпендикулярно к волокнам) и продольное (в торец детали с подачей вдоль волокон). При поперечном сверлении древесины и глухих отверстий в плитных материалах главные лезвия лучше располагать в плоскости, перпендикулярной оси вращения: они будут выполнять преимущественно поперечно-продольное резание. Однако при поперечном сверлении почти половину пути за оборот сверла боковое лезвие будет осуществлять продольно-торцовое резание против волокон, при прочих равных условиях с самым низким качеством обработки. Кроме того, при сверлении древесины в пласть или боковую кромку заготовки ось сверла может отклониться от заданного направления подачи, что снижает точность формирования отверстия.

Таким образом, условия резания определяют требования к конструкции сверла: его необходимо снабдить элементами для центрирования и повышения качества обработки. Такое сверло по ГОСТ 22053 имеет главные режущие лезвия, расположенные в плоскости, перпендикулярной оси вращения, направляющий центр и два подрезателя. Главное лезвие срезает слой, предварительно отделенный от боковой поверхности отверстия подрезателем. Направляющий центр, ось которого совпадает с осью сверла, обеспечивает дополнительное (к ленточкам) центрирование сверла. В итоге в сложных условиях поперечного сверления получаются точные по форме и размерам отверстия с минимальными неровностями поверхности.

При продольном сверлении нежелательно расположение главных лезвий по торцу инструмента в плоскости, перпендикулярной оси вращения. Лучше использовать сверла с конической заточкой режущей части, у которых лезвия наклонены к оси вращения. Для продольного сверления применяют коническую заточку с углом 60–85° (ГОСТ 22057). В этом случае режущие кромки осуществляют поперечно-торцовое резание. Стенки отверстия формируются боковыми лезвиями-ленточками при резании поперек волокон, поэтому подрезатели не нужны. В центре режущей части находится перемычка, которая работает с углом резания больше 90°, что приводит к значительному увеличению усилия осевой подачи. Если ширину перемычки уменьшить, углубив канавки, то при постоянном значении усилия подачи можно увеличить скорость осевой подачи.

Шероховатость поверхности просверленного отверстия составляет 60–320 мкм для осевой подачи сверла на одно лезвие Sz = 0,3–1,1 мм/зуб при сверлении мягкой древесины и 0,05–0,25 мм/зуб при сверлении твердой древесины. При сверлении древесно-стружечных плит используется инструмент с резцами из твердого сплава, и рекомендуются следующие режимы резания: S z = 0,15–0,5 мм/зуб для плит плотностью менее 700 кг/м3 с содержанием связующего менее 8% и Sz = 0,25–0,75 мм/зуб для плит плотностью более 700 кг/м3 с содержанием связующего более 8%. При сверлении глухих отверстий под шканты в плитах плотностью 650–750 кг/м3 Sz = 0,7–0,8 мм/зуб. Для сверления древесно-волокнистых плит и MDF применяют твердосплавные сверла с конической заточкой режущей части с углом при вершине 2ϕ = 170°. Частота вращения сверла составляет 3000–4000 об/мин. Для сквозного сверления цементно-стружечных плит целесообразно применять сверла с двойной конусностью (2ϕ1 = 50–60° и 2ϕ2 = 110–130°) и направляющим центром.

По конструкции и назначению сверла в деревообработке делятся на три основные группы: спиральные стальные, чашечные и шнековые. Спиральные стальные сверла с конической заточкой, с центром и подрезателями применяют для сверления натуральной древесины. Сверла для обработки древесных композиционных материалов, более плотных по структуре, оснащаются пластинами твердого сплава или твердосплавной коронкой. Для сверления сквозных отверстий в плитных материалах применяют сверла с конической заточкой, для глухих отверстий – с направляющим центром и подрезателями. Чашечные сверла (Форстнера) могут быть с твердосплавными пластинами и стальные. Они выпускаются с коротким и длинным хвостовиком, правого и левого вращения. Чашечные сверла применяются для обработки неглубоких отверстий в древесине и древесных материалов под мебельную фурнитуру.

Шнековые сверла используют в основном в деревянном домостроении для сверления глубоких сквозных и глухих отверстий в бревнах и брусьях под установку межвенцовых шкантов или стяжек. В цилиндрическом корпусе такого сверла выполнена одна глубокая канавка для вывода большого объема стружки из зоны резания.

Боковая (цилиндрическая) поверхность сверла представляет собой одну широкую ленточку, выполненную по спирали Левиса, базирующую сверло по сформированной внутренней поверхности отверстия, что исключает увод оси сверла в сторону. Режущая часть сверла включает направляющий центр с конической резьбой в виде штопора, подрезатель и одну режущую кромку. Частота вращения таких сверл составляет порядка 100 об/мин.

Сверла для выработки пробок – цилиндрические пустотелые с выталкивателем, сверла для кольцевого сверления пробок к станкам для заделки сучков. Наибольшее распространение получили спиральные сверла. Сверло имеет хвостовик, служащий для закрепления инструмента в рабочем шпинделе станка, и рабочую часть, несущую по торцу режущие лезвия, и по боковой поверхности направляющие винтовые канавки, предназначенные для вывода стружки из зоны резания. Боковые поверхности сверла прошлифованы на небольшую глубину относительно узких ленточек, которыми сверло базируется на сформированную поверхность отверстия.

Сверла изготавливают из легированной стали Х6ВФ твердостью 52–56 НRСэ или 9ХС. Также применяют быстрорежущую сталь Р6М5 твердостью 57–60 НRСэ. Твердосплавные сверла для сверления малых отверстий диаметром до 5 мм изготавливают методом вышлифовки из цилиндрических твердосплавных стержней сплава ВК6, ВК8. Сверла больших диаметров делают из твердого сплава ВК8 или ВК15 и оснащают пластинами или коронками длиной 1–2 диаметра. Сверла диаметром более 12 мм с рабочей частью из быстрорежущей стали имеют хвостовик из стали марки 45 или 40Х. Сверлами из инструментальных легированных сталей обрабатывают древесину, а оснащенными твердым сплавом – древесные композиционные материалы.

Кроме сверления, для осевой обработки отверстий применяют зенкование с целью получения конических или цилиндрических углублений под головки винтов и снятия фасок в отверстиях зенковкой соответствующей формы. Для одновременного сверления и зенкования лучше использовать комбинированный инструмент – сверло с закрепленной на нем цилиндрической или конической зенковкой, либо выполненный заедино.

Сверлильные станки делятся на универсальные, специализированные и специальные. Универсальные сверлильные станки используются для обработки отверстий в деревянных деталях различной формы и размеров. Специализированные станки менее универсальны, но более производительны и предназначены для многооперационной обработки определенной группы деталей различных размеров. К этой группе относится основная часть современных сверлильных станков, в том числе выполняющих сопутствующие операции, например установку фурнитуры.

Специальные станки служат для выполнения только одной технологической операции, например для высверливания сучков в древесине под заделку пробками. Универсальные сверлильные станки по количеству шпинделей делятся на одношпиндельные и многошпиндельные. Одношпиндельные станки сверлят отверстия как в горизонтальных поверхностях детали (с вертикально ориентированным сверлом модели СВП-2), так и в ее боковых кромках (с горизонтальным расположением сверлильного шпинделя). Наиболее распространены вертикальные станки, поскольку такая компоновка эргономична, удобна в эксплуатации, упрощает конструкцию станка и сокращает занимаемую им площадь.

Станки бывают с ручной и механизированной подачей режущего инструмента на заготовку. У первых перемещение сверлильного шпинделя по высоте осуществляется рукояткой или педалью по направляющим с помощью пары «шестерня – зубчатая рейка» через систему рычагов. Станки второй группы обычно оснащены пневматическим приводом, что позволяет механизировать рабочий и холостой ход и прижимать заготовку к столу. Шпиндель таких станков может приводиться во вращение от электродвигателя или через ременную передачу, либо сверлильный патрон устанавливается непосредственно на валу электродвигателя.

В современном производстве одношпиндельные станки используются редко. Многошпиндельные станки подразделяются на универсальные и присадочные. Универсальные многошпиндельные станки предназначены для сверления отверстий различного диаметра и произвольного расположения в плоскости. Они могут быть с приводом от одного электродвигателя группы шпинделей через гибкие валы, зубчатые или ременные передачи либо с индивидуальным приводом каждого из шпинделей. Станки с групповым приводом могут иметь набор шпинделей, ориентированных по вертикали, а с индивидуальным приводом – в различных плоскостях.

Присадочные станки предназначены для сверления большого числа отверстий одного диаметра, расположенных чаще всего по прямой линии. В основном они применяются для высверливания отверстий под установку круглых деревянных или пластиковых шкантов для сборки щитовых деталей, а также мебельной фурнитуры – петель, полкодержателей, стяжек и других комплектующих. Также это оборудование используется в столярно-строительном производстве при сборке на шканты рамочных конструкций окон и дверей. Сверление отверстий осуществляется станками с помощью многошпиндельных сверлильных головок. Эти станки относятся к группе оборудования повышенной и высокой точности, поскольку должны обеспечивать точность взаимного расположения отверстий и баз по квалитетам IT11–IT13. Такая точность сверления определяется требованиями к точности сборки изделия, к ее удобству и стабильности, прочности шиповых соединений и готового изделия в целом.

В соответствии с европейскими стандартами расстояние между двумя смежными осями сверл и формируемых отверстий, расположенных на одной оси, принимается равным 32 мм. В США стандарт отличается от европейского и составляет 1,5 дюйма (≈38 мм). Поэтому при проектировании изделий конструктор должен задавать расстояние между двумя смежными отверстиями, соответствующее 32 мм или кратное ему.

В качестве режущего инструмента используются специальные спиральные сверла диаметром до 20 мм либо чашечные сверла диаметром до 50 мм, которые устанавливаются в сверлильную головку с помощью переходников – быстросменных оправок. На хвостовике сверла выполнена лыска, позволяющая закрепить его в оправке с помощью винта, а на оправке выфрезерован горизонтальный угловой паз, в который входит шариковый фиксатор, расположенный внутри посадочного отверстия шпинделя. На торце хвостовика такого сверла есть осевое резьбовое отверстие, в которое ввертывается установочный винт для индивидуальной регулировки глубины формируемого отверстия. Частота вращения сверла в большинстве случаев составляет 2800–2900 об/мин.

Многошпиндельные позиционные станки с поворотным сверлильным суппортом позволяют формировать группы отверстий, центры которых расположены на одной оси, последовательно либо в пласть щита, либо в его кромку. Это возможно за счет регулирования по величине угла разворота сверлильного суппорта из горизонтального положения в вертикальное и наоборот. На этих станках выполняются угловые соединения щитовых деталей как под прямым углом, так и в виде эркера. Их лучше использовать на небольших предприятиях с малой номенклатурой выпускаемой продукции, поскольку переналадка станка на другое изделие требует времени, что снижает его производительность. Другой недостаток универсальных станков с поворотным суппортом – низкая точность взаимного расположения отверстий относительно технологической базы, поскольку сверление осуществляется по регулируемым упорам за ряд установок, а базы при этом могут быть различными.

Для расширения технологических возможностей и удобства сверления станки оснащаются приспособлениями для сверления отверстий под углом к кромке детали, револьверной головкой для установки глубины отверстия, дополнительными продольными и поперечными регулируемыми направляющими с откидными базирующими упорами. Многошпиндельные сверлильно-присадочные станки, работающие по позиционно-проходной схеме, более производительны и обеспечивают высокую точность взаимного расположения отверстий на разных плоскостях детали. Эти станки делят на одно- и двухсторонние.

Односторонние станки позволяют на позиции обрабатывать одну кромку и нижнюю пласть щита. Для этого они оснащаются одним горизонтальным (расположенным слева по подаче щита) неподвижным суппортом и двумя-тремя вертикальными подвижными суппортами, располагаемыми в нижней части станины под щитом. Установка вертикальных суппортов снизу способствует лучшему очищению винтовых канавок сверл от стружки, падающей вниз под собственным весом. Односторонние станки обрабатывают щитовые детали за одну установку по одной кромке и одной пласти. У них сверлильные головки могут разворачиваться вокруг вертикальной оси на 90°, что позволяет сверлить отверстия как в продольном, поперечном направлениях, так и под углом. Это расширяет технологические возможности станка, повышая его универсальность.

Однако в силу конструктивных особенностей станков этой группы число сверлильных шпинделей для сверления отверстий в целом ряде деталей оказывается недостаточным, что вызывает необходимость сверления за две установки. Для этого детали нужно перебазировать, из-за чего снижается точность расположения отверстий, особенно по противоположным торцевым кромкам щитовой детали.

Для исключения перебазирования деталей используются двух-сторонние станки, на которых сверление происходит одновременно по двум, чаще торцевым кромкам щита и его пласти за счет установки на станине справа дополнительного горизонтального подвижного суппорта, настраиваемого на длину щита. Такой станок может работать как на проход и обслуживаться двумя рабочими либо возвращать обработанный щит в зону загрузки, тогда станок обслуживает один оператор. Для выполнения отверстий одновременно в двух противоположных пластях детали эти станки оснащаются дополнительными верхними вертикальными суппортами, смонтированными на верхней портальной балке. Время обработки отверстий на сверлильно-присадочных станках составляет несколько секунд, а потому их целесообразно применять в серийном и массовом производстве. Основным недостатком станков проходного типа, наряду с заметной стоимостью, являются значительные затраты времени по переналадке на новую карту присадки, которые порой могут достигать и часа.

Для сверления большого числа присадочных отверстий различного диаметра как под шканты, так и фурнитуру, как в пласти, так и кромки мебельных щитовых деталей, а в некоторых случаях и пропиливание несквозных пазов под установку заднего полика мебели используют специализированные сверлильно-присадочные станки с ЧПУ. Основная масса этих центров работает по позиционно-проходной схеме. Обрабатываемая деталь подается механизмом подачи на позицию обработки, базируется по упорам и закрепляется прижимами. Затем в детали выполняется ряд отверстий несколькими сверлильными суппортами. Как правило, сверление осуществляется в направлении, нормальном вектору подачи заготовки. Вызов сверл, их подача при сверлении осуществляются по командам системы ЧПУ. При этом в зависимости от компоновки станка обрабатываемый щит на станке может базироваться в пространстве как по пласти (горизонтально), так и по кромке (вертикально).

По конструктивному исполнению различают в основном два вида центров: с неподвижным суппортом (суппортами), когда деталь базируется на позиции по продольным утапливающимся упорам; с подвижным суппортом, обеспечивающим все рабочие перемещения по обработке детали, когда сама деталь закрепляется на базовом столе. Такие станки обеспечивают выпуск готовых деталей с высокой точностью взаимного расположения отверстий без переналадки, но уступают по производительности станкам с поперечной подачей. Применение этого оборудования целесообразно как на небольших, так и достаточно крупных мебельных предприятиях. В зависимости от конструктивной компоновки станка щит на станке может базироваться в пространстве либо, как у большинства рассмотренных станков, по пласти (горизонтально), либо по кромке (вертикально). Во втором случае станок более компактен, занимает значительно меньше производственной площади, а следовательно, его эксплуатация обходится дешевле. В этих станках обрабатываемый щит укладывается боковой кромкой на основании жесткой решетчатой рамы, установленной вертикально или под углом около 15° к вертикали, и под собственным весом прижимается к реечному полю с опорными роликами. Для загрузки щита и его перемещения в основании рамы установлены приводные транспортные ролики или подающий конвейер. Перед обработкой плита сверху или снизу жестко фиксируется специальными захватами.

Гамма вертикальных сверлильно-присадочных станков весьма широка – от сравнительно небольших станков для малых производств до высокопроизводительных обрабатывающих центров с ЧПУ с расширенными технологическими возможностями: пилением и фрезерованием пазов и полостей, установкой шкантов, петель, эксцентриков, конфирматов и другой фурнитуры для предприятий с крупносерийным выпуском продукции.