Режущий инструмент для ЧПУ станков и электроинструмента в металлообработке и деревообработке

Классификация режущего инструмента по типу обработки

В металлообработке и деревообработке режущий инструмент систематизируют по характеру кинематики и виду формообразования. Базовая классификация выделяет группы инструментов, соответствующих основным технологическим операциям: фрезерованию, точению, сверлению, пилению и шлифованию. Каждая группа имеет конструктивные особенности, которые определяются скоростью движения, типом стружки и свойствами обрабатываемого материала.

На ЧПУ-станках при обработке металлов и древесных материалов используются стандартизированные серии инструментов, обозначаемые по ISO или DIN. Для каждой группы регламентированы отклонения по посадочным диаметрам (например, h6 для хвостовиков концевых фрез) и классы точности режущей части. Выбор конкретного типа зависит от формы поверхности, требуемой шероховатости и жесткости системы шпиндель—инструмент—заготовка. Игнорирование этого соответствия приводит к вибрациям и снижению ресурса. Подобрать подходящий инструмент можно на сайте www.olmitool.ru.

Инструмент для фрезерования, точения и сверления

Фрезерование выполняется лезвийным инструментом с вращательным главным движением. Концевые фрезы, торцовые фрезы, граверы и отрезные фрезы различаются по форме режущей части и расположению зубьев. На ЧПУ-станках для металлообработки применяют фрезы с углом подъема винтовой канавки 30°—45°; для обработки алюминиевых сплавов используют фрезы с полированными канавками и углом наклона 45°, что улучшает отвод стружки. Токарные резцы разделяют на проходные, расточные, отрезные и резьбовые. Для ЧПУ-токарных станков характерно применение державок по стандарту ISO 5608 с квадратным сечением (например, 20×20 мм, 25×25 мм) и фиксацией пластин винтом или рычажным зажимом.

Сверление на ЧПУ выполняется спиральными сверлами, центровочными сверлами и зенкерами. Сверла из быстрорежущей стали (HSS) с добавлением кобальта (HSS-Co) сохраняют режущие свойства при температурах до 600 °C. Для глубоких отверстий (отношение длины к диаметру больше 10) используют сверла с внутренним подводом СОЖ — через два отверстия в теле сверла, что обеспечивает давление охлаждающей жидкости до 50 бар.

Инструмент для пиления и шлифования в металло- и деревообработке

Пиление на станках ЧПУ реализуется дисковыми пилами, ленточными пилами и пильными цепями. Дисковые пилы для металла оснащаются зубьями из твердого сплава (WC-Co) с углом заточки 60°—70° и разводкой зуба от 0,2 до 0,5 мм на сторону. Для деревообработки используются пилы с чередованием плоского и трапециевидного зуба (ATB или TCG), что снижает сколы на ламинате и МДФ. Частота вращения таких пил достигает 6000—8000 об/мин при скорости резания до 90 м/с.

Шлифование относится к абразивной обработке. На ЧПУ-станках применяются шлифовальные круги на керамической или бакелитовой связке с зернистостью от F36 (крупное зерно 425—500 мкм) до F220 (мелкое зерно 53—63 мкм). Для зачистки сварных швов и обдирки металла используют круги из электрокорунда, а для финишной обработки — из карбида кремния. В деревообработке шлифовальные ленты с зерном P80—P240 применяют для калибрования и шлифования щитов на широколенточных станках.

Влияние материала режущей части и покрытий на стойкость

Стойкость инструмента — время работы до достижения критического износа по задней поверхности (обычно 0,3—0,5 мм). Основные факторы, определяющие стойкость, — состав режущей части и наличие функционального покрытия. При обработке легированных сталей и жаропрочных сплавов скорость износа может увеличиваться в 3—5 раз, если материал режущей части не соответствует группе обрабатываемости материала заготовки.

Твердосплав, быстрорежущая сталь, керамика и алмаз

Твердые сплавы (WC-Co) — основной материал для современного металлорежущего инструмента. Твердосплав марок ISO P (для стали), M (для нержавейки), K (для чугуна) и N (для алюминия) содержит карбиды вольфрама, титана, тантала и кобальтовую связку. Содержание кобальта варьируется от 6 % (для высоких твердостей) до 12 % (для повышенной вязкости). Твердость по Виккерсу составляет 1300—1800 HV. Быстрорежущая сталь (HSS, HSS-Co, HSS-E) применяется для инструментов малого диаметра (сверла, метчики, фрезы до 3 мм) и при ударных нагрузках, где твердосплав может выкрашиваться. Твердость HSS — 63—67 HRC, красностойкость — до 620 °C.

Керамика на основе оксида алюминия (Al₂O₃) или смеси Al₂O₃ + TiC используется при чистовом точении закаленных сталей (HRC 45—65) со скоростями резания 300—800 м/мин. Керамический инструмент хрупок, его прочность на изгиб составляет 400—800 МПа, поэтому он не рекомендуется для прерывистого резания. Алмазные пластины (PCD — поликристаллический алмаз) применяют для обработки алюминиевых сплавов с высоким содержанием кремния (более 12 % Si), а также цветных металлов и композитов. Стойкость алмазного инструмента в 50—100 раз выше, чем твердосплавного, при условии стабильной геометрии и отсутствия вибраций.

Функциональные покрытия TiN, TiAlN и DLC для снижения трения

Покрытие наносится методом PVD (физическое осаждение из газовой фазы) при температуре 450—500 °C. Толщина слоя обычно составляет 2—6 мкм. Покрытие TiN (нитрид титана) имеет коэффициент трения около 0,4—0,5 и снижает налипание обрабатываемого материала (нарост). Применяется для общего машиностроения при обработке углеродистых и низколегированных сталей. Покрытие TiAlN (нитрид титана-алюминия) содержит алюминий в соотношении Ti:Al = 50:50. При нагреве до 800—900 °C на поверхности образуется оксид алюминия, который дополнительно защищает подложку. TiAlN используют для обработки нержавеющих сталей и титановых сплавов.

Покрытие DLC (алмазоподобный углерод) сочетает низкий коэффициент трения (0,05—0,15) и высокую твердость (15—40 ГПа). DLC наносится на твердосплавные фрезы и сверла для обработки алюминия, меди и пластиков, где требуется исключить налипание материала на кромку. Ограничением является нестабильность DLC при температурах выше 350 °C — покрытие графитизируется и теряет защитные свойства.

При одинаковом материале базового твердого сплава стойкость инструмента с покрытием TiAlN в 1,5—2 раза выше, чем без покрытия, при точении нержавеющей стали AISI 304 (скорость резания 150 м/мин, подача 0,15 мм/об).

Геометрия режущей кромки и её роль в обработке разных материалов

Геометрия режущего клина включает передний угол γ, задний угол α, угол заострения β и радиус скругления кромки r. Эти параметры непосредственно влияют на температуру в зоне контакта, усилия резания и шероховатость обработанной поверхности. Для каждого диапазона обрабатываемости материалов существуют рекомендуемые значения геометрии, зафиксированные в отраслевых стандартах (например, ISO 3002).

Углы заточки и число зубьев для металла и дерева

Для обработки стали твердостью до 350 HB передний угол γ фрезы составляет 12°—15°, задний α — 6°—8°. При увеличении твердости стали до 45—55 HRC передний угол уменьшают до 0°—5°, а радиус скругления кромки увеличивают до 0,02—0,05 мм — это предотвращает микросколы. Для алюминиевых сплавов передний угол γ достигает 20°—30°, что обеспечивает легкое стружкообразование и снижает силу резания. Число зубьев концевых фрез для черновой обработки стали — 3—4, для чистовой — 5—6, причем для нержавеющей стали используют фрезы с неравномерным шагом для подавления вибраций.

В деревообработке геометрия фрезы иная. Передний угол γ для резания массива сосны составляет 20°—25°, для ДСП и МДФ — 15°—18°. Задний угол α — 12°—15°. Число зубьев на концевых фрезах для дерева — 2 для черновой обработки (крупная стружка, высокая производительность) и 4 для чистовой (мелкая стружка, гладкая поверхность). Угол заточки зуба пилы для продольного распила — 15°—20°, для поперечного — 35°—45°.

Различия в конструкции концевой фрезы и резца

Концевая фреза — осесимметричный инструмент с режущими кромками на торце и периферии. Её конструкция включает хвостовик (цилиндрический или конический, часто с лыской Weldon), рабочую часть с винтовыми канавками и шейку. Диаметр рабочей части — от 2 до 32 мм (по стандарту DIN 844). Для обработки пазов и карманов фреза должна иметь центр с перемычкой — так называемый тип N (центровое сверление) или тип W (с режущей вершиной). Концевые фрезы с радиусным переходом между торцом и периферией снижают концентрацию напряжений и увеличивают стойкость в 1,3—1,5 раза при обработке закаленной стали.

Режущая часть токарного резца (державка + сменная пластина) не имеет вращательного движения. Геометрия резца задается углами в плане: главный угол в плане φ (45°—95°) определяет толщину срезаемого слоя. Универсальный угол φ = 90° используется для прохода уступа или торцевания; угол φ = 45° — для продольного точения с большой глубиной реза. Радиус вершины пластины rε (от 0,2 до 2,4 мм) влияет на шероховатость: при увеличении rε с 0,4 до 1,6 мм параметр шероховатости Ra снижается примерно с 3,2 мкм до 0,8 мкм при одинаковой подаче.

Выбор режимов резания и подготовка инструмента к работе

Режимы резания — совокупность числовых значений скорости, подачи и глубины, при которых инструмент выполняет обработку с заданной производительностью и качеством. Выбор режимов осуществляется по справочным таблицам (например, ISO 513 или рекомендации Sandvik, Kennametal), учитывающим марку твердого сплава, материал заготовки и жесткость станка. Для ЧПУ-станков режимы задаются параметрами G-кодов, и их оптимизация требует учета динамики системы.

Скорость, подача на зуб и глубина реза в зависимости от заготовки

Скорость резания Vc (м/мин) для твердосплавных фрез при обработке стали средней твердости (250—300 HB) составляет 100—180 м/мин, для нержавеющей стали — 50—100 м/мин, для алюминия — 300—600 м/мин. Подача на зуб fz (мм/зуб) для фрез диаметром 10 мм: для стали 0,02—0,05 мм/зуб, для алюминия 0,05—0,15 мм/зуб. Глубина резания ap при фрезеровании стали обычно 0,5—2 мм за проход; для черновой обработки ap может достигать 4—6 мм при условии жесткого закрепления заготовки и достаточной мощности шпинделя (более 7 кВт).

При обработке на токарных станках режимы зависят от материала режущей части. Для резца с твердосплавной пластиной P25 по стали Vc = 150—250 м/мин, подача f = 0,1—0,4 мм/об, глубина до 4 мм. Для алюминия Vc = 500—800 м/мин, подача f = 0,05—0,3 мм/об. Превышение скорости более чем на 30 % от рекомендованной приводит к ускоренному износу по задней поверхности — до 0,2 мм за 5 минут. Занижение скорости вызывает нарост на кромке, ухудшающий шероховатость до Ra 6,3 мкм.

Балансировка, вылет и контроль биения на ЧПУ станках

Перед установкой в шпиндель инструмент должен быть сбалансирован. Для скоростей свыше 6000 об/мин требуется балансировка класса G 6,3 по ISO 1940. Дисбаланс более 2,5 г·мм вызывает вибрации, которые снижают точность позиционирования и стойкость инструмента на 20—40 %. Вылет инструмента — расстояние от шпинделя до режущей кромки — минимизируют, оставляя запас 5—10 мм для отвода стружки. Для концевых фрез длиной 70 мм рекомендуется вылет 35—50 мм; избыточный вылет (более 70 мм) увеличивает прогиб и вероятность визга.

Контроль биения производится индикатором с ценой деления 0,001 мм. Допустимое радиальное биение для твердосплавных фрез по металлу — не более 0,005—0,01 мм. Для деревообрабатывающих фрез допуск шире — 0,02—0,04 мм. Превышение биения приводит к неравномерной нагрузке на отдельные зубья и локальному перегреву, что проявляется в виде ожогов на заготовке и быстрого затупления кромки.

Признаки износа и способы продления ресурса

Периодическая оценка состояния режущей кромки позволяет своевременно заменять инструмент до наступления катастрофического износа, который может разрушить заготовку или повредить шпиндель. Контроль ведут визуально (с помощью лупы 10×), по изменению силы тока шпинделя (рост на 20—30 %) или по шероховатости поверхности, измеряемой профилометром.

Увеличение силы резания и ухудшение качества поверхности

Основные признаки износа:

1. Рост силы резания на 15—25 % при неизменной подаче и скорости. Оценка производится по показаниям динамометра или амперметра шпинделя.
2. Появление полос и прижогов на обработанной поверхности. Для стали нержавеющей это браковочный признак; для конструкционной стали допускается Ra не более 3,2 мкм.
3. Изменение цвета стружки — от голубого (норма) до синего или фиолетового (перегрев). Синяя стружка указывает на температуру в зоне резания выше 700 °C.
4. Возникновение вибраций амплитудой более 5 мкм на частоте 100—200 Гц, что слышно как свист или дребезг. Это свидетельствует о локальном износе по задней поверхности более 0,3 мм.

При появлении хотя бы одного из признаков инструмент подлежит замене или восстановлению. Продолжение работы приводит к выкрашиванию кромки и возможному зажиму инструмента в заготовке (особенно при сверлении глубоких отверстий).

Преимущества сменных пластин и восстановление режущей кромки

Инструмент со сменными многогранными пластинами (СМП) позволяет заменять только изношенную часть. Корпус державки или фрезы изготавливается из легированной стали (40Х, 40ХН) с твердостью 40—45 HRC и используется многократно — до 100 смен пластин. Точность установки пластины обеспечивается позиционированием по базовым поверхностям: угол поворота 60° или 90°, биение при смене не превышает 0,02 мм. Пластина может быть повернута на следующую вершину (например, квадратная пластина имеет 8 режущих кромок с учетом верхней и нижней стороны).

Цельный твердосплавный инструмент (фрезы, сверла) восстанавливается переточкой на универсально-заточных станках (например, модели 3Д6425). После 3—4 переточек диаметр уменьшается на 0,5—1 мм. Для дереворежущего инструмента (дисковые пилы, строгальные ножи) восстановление возможно до 6—8 раз при условии удаления слоя 0,1—0,3 мм за одну переточку. После переточки обязательна балансировка. Экономическая целесообразность восстановления определяется стоимостью нового инструмента. Как правило, восстановление оправдано, если остаточный диаметр позволяет выполнить операцию с заданной технологией (например, диаметр фрезы уменьшился с 12 мм до 11,5 мм).

Видео