Budowa i parametry pracy wiertarek

W konstrukcji wiertarek i wkrętarek możemy wyróżnić kilka podstawowych elementów. Jednak wielu producentów już na etapie projektowania narzędzi dba o to, aby nie zabrakło w urządzeniu elementu, który wyróżni jego maszynę spośród dostępnych na rynku ofert.

Warto jednak wybierając wiertarkę przyjrzeć się dokładnie temu, co widać na zewnątrz. Oczywiście sam korpus nawet w rękach najbardziej doświadczonego fachowca na niewiele się przyda bez mechanizmów znajdujących się w środku, to jednak jakość wykonania części zewnętrznych może dużo powiedzieć o jakości wykonania pozostałych komponentów maszyny.

Urządzenia z linii MultiVolt marki Hikoki można zasilić jednym akumulatorem o zmiennym napięciu 18 lub 36 V.

Budowa wewnętrzna

Sercem maszyny jest silnik elektryczny, który pobiera energię z sieci poprzez kabel zasilający bądź też, w wypadku urządzeń bateryjnych, czerpie ją z akumulatora. To w nim powstaje energia, która za pośrednictwem przekładni przenoszona jest na wrzeciono urządzenia i wprawia je w ruch obrotowy. Tradycyjnie w narzędziach o napędzie elektrycznym sieciowym stosowane są silniki komutatorowe prądu stałego, wyposażone w szczotki węglowe, których zadaniem jest zasilenie uzwojenia wirnika. Na skutek przepływu prądu przez uzwojenie powstaje siła elektrodynamiczna, która powoduje obrót wirnika. Szczotki oraz komutator stanowią połączenie mechaniczne wirnika oraz stojana. Dokładniej rzecz ujmując, silnik taki zbudowany jest z dwóch magnesów zwróconych do siebie biegunami różnoimiennymi, tak, aby pomiędzy nimi znajdowało się pole magnetyczne. Pomiędzy magnesami znajduje się przewodnik w kształcie ramki, podłączony do źródła prądu poprzez komutator i ślizgające się po nim szczotki. Przewodnik zawieszony jest na osi, aby mógł się swobodnie obracać. Na ramkę, w której płynie prąd elektryczny, działa para sił elektrodynamicznych z powodu obecności pola magnetycznego. Siły te powodują powstanie momentu obrotowego. Ramka wychyla się z położenia poziomego i obraca się wokół osi. W wyniku swojej bezwładności mija położenie pionowe (w którym moment obrotowy jest równy zeru, a szczotki nie zasilają ramki). Po przejściu położenia pionowego ramki, szczotki znów dotykają styków na komutatorze, ale odwrotnie, prąd płynie w przeciwnym kierunku, dzięki czemu ramka w dalszym ciągu jest obracana w tym samym kierunku. Ponieważ szczotki węglowe zużywają się, bardzo istotnym elementem dbałości o sprawne działanie narzędzia jest systematyczna ich wymiana (bardzo ważne jest, aby stosować tylko oryginalne szczotki węglowe, stosowanie zamienników jest zazwyczaj jedynie pozorną oszczędnością). Niestety, powoduje to przestoje w pracy takim narzędziem, a także zwiększa koszty eksploatacji. Dlatego rynek zdobywają narzędzia akumulatorowe, w których producenci stosują silniki bezszczotkowe. Silnik bezszczotkowy to rodzaj silnika elektrycznego zasilanego przez prąd stały, w którym zamiast szczotek zastosowano elektrycznie sterowany komutator, cewki są nieruchome wewnątrz obudowy, a magnesy znajdują się na wirniku. Główną zaletą silników bezszczotkowych są trwałość oraz niezawodność wynikająca z wyeliminowania z konstrukcji szczotek, będących najczęstszą przyczyną awarii oraz najszybciej zużywającym się elementem mechanicznym silnika. Silniki bezszczotkowe zaczęto stosować w elektronarzędziach stosunkowo niedawno. W urządzeniach akumulatorowych za pioniera w stosowaniu takich rozwiązań uważa się koncern Hikoki (dawniej Hitachi), jednak w chwili obecnej właściwie wszyscy ceniący się producenci elektronarzędzi mają w ofercie narzędzia zasilane silnikami bezszczotkowymi. Zastosowanie silników elektrycznych, w których nie stosuje się szczotek, poprawia komfort i ekonomikę pracy, gdyż silniki bezszczotkowe pracują ciszej oraz wydajniej. Jednocześnie silniki te są mniejsze i lżejsze od tradycyjnych, co przekłada się na masę oraz wymiary narzędzia. Poprawa efektywności pracy w porównaniu do tradycyjnych silników jest wynosi ok. 40 proc. na jednym ładowaniu akumulatora. Kluczowym elementem dla pracy tego silnika jest mikroprocesor.

Wracając jednak do wędrówki prądu poprzez urządzenie… Na „drodze” prądu pomiędzy siecią zasilającą, a silnikiem znajduje się kondensator, którego zadaniem jest zapobieganie zakłóceniom. Elementem przenoszącym napęd z silnika na wrzeciono jest przekładnia zębata. Podobnie jak silniki, również przekładnie mogą być różnej jakości. W najprostszych (i zazwyczaj najtańszych) urządzeniach stosowane są frezowane przekładnie o prostych zębach, łożyskowane na tulejach z brązu. Ich wadą jest mała odporność na długotrwałą pracę. Znacznie lepiej sprawdzają się przekładnie łożyskowane tocznie. Wiertarki udarowe wyposażone są dodatkowo w nich mechanizm udarowy – mechaniczny lub elektropneumatyczny. Udar mechaniczny generowany jest przez niespasowane ze sobą zębatki. Wiertarki amatorskie wyposażone w udar mechaniczny pozwalają na wiercenie otworów w materiałach twardych, ale należy zaznaczyć, że ich moc jest mocno ograniczona i wynosi około 700 W. Wystarczy to na wywiercenie w betonie otworów o średnicy nie większej niż 16 mm. Wiertarki udarowe profesjonalne mają moc od 600 do ponad 1000 W. Mechanizm elektropneumatyczny, w którym wiertło popychane jest przez sprężone powietrze, ma wiele zalet w porównaniu z mechanicznym. Przede wszystkim zwiększa on prawie trzykrotnie wydajność pracy, nie wymaga wywierania tak silnego nacisku na wiertarkę jak w wypadku udaru mechanicznego, a drgania przenoszone na ciało człowieka są zredukowane. Ma jednak swoje minusy – urządzenia tego typu są znacznie droższe i nie radzą sobie najlepiej z wierceniem w miękkich materiałach, takich jak stal czy drewno.

Marka Dedra w wiertarkowkrętarce akumulatorowej DED7885 zastosowała innowacyjny silnik bezszczotkowy.

Parametry pracy

Ręczne wiertarki elektryczne, tak jak każde elektronarzędzie, cechują pewne specyficzne parametry, na które warto zwrócić uwagę, wybierając model dla siebie. Kupując wiertarkę sieciową, należy zwrócić uwagę na moc silnika, maksymalną prędkość obrotową, maksymalną średnicę części chwytowej wiertła, typ zacisku wiertarskiego. Warto też sprawdzić, czy wiertarka ma mechanizm udarowy oraz jakie spełnia dodatkowe funkcje.

• Moc – od niej zależy, do jakich prac będzie można wykorzystać dane urządzenie. Małe wkrętarki mają silniczki o mocy kilkudziesięciu watów. Duże urządzenia z przekładniami i udarem mogą generować moc dochodzącą do 750 W. Nie jest to parametr często podawany w wypadku wkrętarek akumulatorowych Moc wiertarek do użytku domowego wynosi od 400 do 1100 W. Do niedużych otworów (o średnicy 6–15 mm) wystarczą wiertarki o mocy 400– 650 W. Do otworów o dużej średnicy (robionych np. za pomocą otwornic) oraz do mieszania farb lub zapraw będzie potrzebna wiertarka o mocy minimum 700 W. Przykładowo wiertarką o mocy 400 W możemy wiercić w betonie otwory o średnicy do 20 mm, w stali do ok. 13 mm, a w drewnie do 30 mm. Jeśli zdecydujemy się na urządzenie o mocy 1100 W, wartości te wzrosną odpowiednio do 20 mm, 16 mm i 50 mm. Oczywiście, podane wartości są orientacyjne, warto zatem sprawdzić opis producenta.
• Moment obrotowy – to parametr istotny przy wyborze wkrętarek, podawany w Nm (niutonometrach). Określa, z jaką siłą będą wkręcane śruby, a tym samym jak głęboko mogą zostać osadzone. Niektóre modele mają specjalne ustawienie momentu obrotowego umożliwiające wiercenie. Producenci mogą podać dwie różne wartości dla:
• wkręcenia miękkiego – dotyczy materiałów miękkich. Moment obrotowy rośnie równomiernie wraz z głębokością wkręcanego wkrętu;
• wkręcania twardego – dotyczy materiałów twardych. Moment obrotowy rośnie bardzo wolno, by w końcowej fazie gwałtownie zwiększyć się.

Im większa wartość maksymalnego momentu obrotowego, tym większe wkręty można wkręcać i wiercić szersze otwory. Najmniejsze modele wkrętarek osiągają moment obrotowy rzędu 5–10 Nm. To wartość wystarczająca do szybkiego przykręcenia śrubki w meblu. Wiercenie czy wkręcanie wkrętów samowiercących wymaga większego momentu, powyżej 10 Nm. Popularne wiertarkowkrętarki akumulatorowe klasy 18 V dysponują momentem w okolicach 40 Nm. Najmocniejsze klucze udarowe generują potężny moment obrotowy, dochodzący do wartości 650 Nm.

• Liczba biegów – wiertarkowkrętarki mogą być wyposażone w co najmniej dwa biegi. Pierwszy ustawia mniejszą szybkość i wyższy moment obrotowy, dzięki czemu urządzenie bardzo dobrze radzi sobie z wkręcaniem wkrętów. Drugi bieg jest przygotowany z myślą o wierceniu, przez co narzędzie ma ustawione szybkie ruchy obrotowe. Wiertarki mają zazwyczaj od jednego do czterech biegów.
• Prędkość obrotowa – im większa wartość tego parametru, tym większa wydajność narzędzia. Im więcej biegów ma przekładnia, tym większe zakresy prędkości obrotowej można uzyskać. Na najniższym biegu uzyskuje się najwyższy moment obrotowy. Najwyższy bieg służy do wiercenia w bardzo twardych materiałach.
• Maksymalna średnica wiercenia – uzależniona jest m.in. od mocy silnika. Ta wartość nominalna określa, jak duże otwory można wywiercić w danym materiale. Producenci zazwyczaj określają maksymalną średnicę wiercenia w trzech podstawowych materiałach: drewnie, metalu i betonie, jeśli wiertarka wyposażona jest w mechanizm udarowy. „
• Regulacja obrotów – popularne modele wiertarek wyposażane są w proste układy regulacji obrotów (w zasadzie ograniczniki obrotów), które nie zapewniają precyzyjnego utrzymania nastawionej prędkości. Niektóre modele wyposażone są w układ stabilizacji obrotów niezależny od obciążenia, co jest szczególnie przydatne, gdy przy małej prędkości obrotowej występują duże opory. Urządzenia takie mają najczęściej również wyłącznik przeciążeniowy, który zapobiega przegrzaniu silnika pod dużym obciążeniem.
• Sprzęgło antyprzeciążeniowe – mechanizm ten zapobiega wykręceniu ręwiertarki ki w wypadku gwałtownego zablokowania wiertła. Układ taki montowany jest głównie w wiertarkach i młotowiertarkach o dużej mocy i momencie obrotowym i znacząco zwiększa bezpieczeństwo pracy takim elektronarzędziem.
• Częstotliwość i energia udaru – im większe ich wartości, tym elektronarzędzie jest wydajniejsze. Pierwszy z paramentów oznacza liczbę udarów w ciągu minuty, drugi natomiast podawany jest w jednostce J (dżul).
• Typ zacisku wiertarskiego – zwykle występują dwa typy zacisków: tradycyjny trójszczękowy oraz specjalny do wierteł SDS-plus. Wiertarki i wiertarki udarowe wyposażane są w uchwyty trójszczękowe (popularnie nazywane futerkiem), o średnicy mocowania wynoszącej od 1,5 do 13 mm. Mogą być one tzw. samozaciskające (inaczej bezkluczykowe) lub dokręcane za pomocą klucza. Uchwyt samozaciskający jest wygodniejszy przy częstych wymianach wiertła, ale przy pracy z udarem dość często samoczynnie luzuje mocowanie wiertła. W młotowiertarkach o dużej mocy udaru montowane są uchwyty samozatrzaskowe przystosowane do wierteł wyłącznie z końcówką mocującą typu SDS-plus. Średnica części chwytnej wiertła jest zawsze taka sama niezależnie od jego wielkości, a mocowanie odbywa się przez wciśniecie w otwór uchwytu. Na rynku dostępne są też urządzenia z uchwytem uniwersalnym (UBS), który pozwala mocować zarówno wiertła o chwycie walcowym, jak i SDS.

Makita pozwala na wykorzystanie dwóch akumulatorów o napięciu 18 V do zasilania elektronarzędzi 36 V.

Sieciowo czy akumulatorowo?

Jeszcze do niedawna na rynku dostępne były tylko wiertarki zasilane sieciowo, więc ten parametr nie był istotny podczas wyboru maszyny. Jednak od kilku lat producenci elektronarzędzi wprowadzają do swoich ofert wiertarki zasilane akumulatorowo. Ma to oczywiście związek z tym, że technika akumulatorowa idzie bardzo szybko do przodu, regularnie wprowadzane są coraz lepsze, innowacyjne akumulatory, które są w stanie sprostać nowym wyzwaniom. Akumulatorowe elektronarzędzia sukcesywnie wypierają klasyczne, przewodowe konstrukcje. Ma to przede wszystkim znaczenie praktyczne. Zasilana akumulatorem maszyna działa wszędzie, niezależnie od tego, gdzie pracujemy. Wprowadzenie elektronarzędzi tego typu było wręcz rewolucją na rynku profesjonalnym. Wreszcie nie trzeba było rozkładać kabli czy agregatu prądotwórczego. Wraz z rozwojem techniki i upowszechnianiem się elektronarzędzia akumulatorowe zaczęły zdobywać rynek segmentu konsumenckiego. Dziś bez problemu kupić można niedrogie urządzenie, które parametrami roboczymi nie będzie odbiegać od wersji z kablem. Producenci oferują całe „rodziny” elektronarzędzi, obejmujące po kilkanaście czy nawet kilkadziesiąt urządzeń, które mogą być zasilane z jednego akumulatora. Mechanika bateryjnych i przewodowych narzędzi jest w zasadzie ta sama. Różnice w zasilaniu determinują jednak przydatność danego urządzenia podczas pracy, a konkretnie jej długości.

Marka Yato proponuje wydajny system akumulatorowy 18 V. Oferowane elektronarzędzia radzą sobie także z wierceniem w twardszych materiałach.

Cechy akumulatorów

Każde elektronarzędzie zasilane akumulatorem ma określony czas pracy na jednym naładowaniu. Czas ten różnić może się w zależności od intensywności pracy i temperatury zewnętrznej oraz rodzaju akumulatora, jaki zastosowano w danym narzędziu. W wiertarkach zazwyczaj stosuje się akumulatory litowo- jonowe. Akumulatory litowo-jonowe są bardzo pojemne – gęstość znajdującej się w nich energii wynosi nawet do 100– 200 Wh/kg, dzięki czemu działają przez bardzo długi czas, a zakres temperatury, w którym mogą sprawnie pracować, wynosi od -20 °C do +50 °C. Za największe zalety tych akumulatorów uważa się brak efektu pamięciowego (można, a nawet trzeba je doładowywać często, dzięki czemu dłużej utrzymują swe właściwości), niewielkie wymiary oraz masę. Należy jednak szczególnie uważać, by akumulatorów litowo-jonowych nie narażać na długie działanie wysokich temperatur, gdyż w skrajnych przypadkach może dojść do wycieku zawartości akumulatora. Mają też inne wady. Problemem jest elektrolit, czyli rozpuszczone w organicznych rozpuszczalnikach jonowe sole litu. Jak wiadomo, lit jest bardzo niestabilnym pierwiastkiem. Akumulatory z domieszką litu mają skłonność do znacznego nagrzewania się podczas pracy. By zapobiec tego typu wypadkom, stosuje się układy chłodzące wnętrze baterii i zaawansowaną elektronikę, która ma uniemożliwić przeciążenie ogniw. Natomiast by umożliwić ciągłą pracę elektronarzędziem, producenci często dołączają do sprzedawanego urządzenia co najmniej dwa akumulatory. Podczas gdy jedna bateria pracuje, druga jest ładowana. Odpowiednio skonstruowany system łączenia pozwala szybko zmienić źródło prądu. Baterie mają też wbudowane wskaźniki poziomu naładowania, przez co można stale kontrolować ilość energii w ogniwach. Stałą tendencją jest zwiększanie pojemności akumulatorów. Można to zrobić na dwa sposoby – powiększając fizycznie akumulator bądź stosując bardziej pojemne ogniwa, z których zbudowana jest bateria. Pierwsza metoda niesie ze sobą poważne ograniczenia. Zaletą elektronarzędzi jest ich kompaktowa budowa. Wraz ze wzrostem rozmiarów narzędzie traci tę cechę. Zostaje więc droga powiększania zdolności ogniw do magazynowania energii. z tym producenci elektronarzędzi coraz lepiej sobie radzą. Jeszcze całkiem niedawno rewolucją na rynku były wprowadzane przez kolejne marki akumulatory 4 Ah, które dziś już są standardem. Producenci prześcigają się w przekraczaniu i tych granic, teraz nie dziwią akumulatory o pojemności nawet 8 Ah. W połączeniu z dużym napięciem zasilającym np. 36 V sprawia to, że na rynku pojawia się coraz więcej urządzeń akumulatorowych, które wydajnością konkurują z modelami sieciowymi. W swoim nowym systemie MultiVolt firma Hikoki pozwala na uzyskanie mocy ponad 1000 W co jest wystarczające nawet do ciężkich prac. Na rynku coraz więcej pojawia się także młotowiertarek akumulatorowych.

Hikoki oferuje bogatą gamę urządzeń do wiercenia i wkręcania, które dodatkowo można doposażyć wyposażyć w akcesoria uzupełniające.

Zasilanie wkrętarek

Wkrętarki czy też wiertarkowkrętarki zasilane prądem elektrycznym czerpać mogą energię z dwu źródeł: bezpośrednio z sieci elektrycznej lub akumulatorów mocowanych w obudowie. Wkrętarki sieciowe są znacznie mniej popularne niż odpowiedniki zasilane bateryjnie. Wpływa na to mniejsza uniwersalność i poręczność. Miejsce pracy uzależnione jest od dostępu do gniazda elektrycznego. Z drugiej jednak strony, pozbawienie wkrętarki akumulatora zmniejsza jej masę, cenę i eliminuje potrzebę ładowania baterii. Wkrętarka sieciowa jest zawsze gotowa do pracy, o ile jest możliwość jej podłączenia.

Pomimo rozbudowanej oferty urządzeń akumulatorowych Makita proponuje także elektronarzędzia sieciowe w tym przeznaczone do najcięższych prac.