Металлорежущий инструмент: виды и сферы применения

Классификация металлорежущего инструмента

Металлорежущий инструмент предназначен для удаления слоя материала с заготовки с целью получения детали заданной формы, размеров и шероховатости поверхности. Основное различие между видами инструмента лежит в физическом принципе отделения стружки: лезвийная обработка основана на срезании материала клиновидной режущей кромкой, а абразивная — на царапании и микроскалывании зернистым материалом. В зависимости от типа операции применяют резцы, фрезы, свёрла, протяжки, абразивные круги и другие виды оснастки. Согласно данным технической литературы, выбор конкретного инструмента определяется материалом заготовки, требуемой точностью, режимами резания и типом станка. Подробнее о современном инструменте можно узнать на сайте.

Лезвийная и абразивная обработка

При лезвийной обработке режущая кромка инструмента проникает в материал и срезает слой стружки. Инструмент имеет выраженные геометрические углы — передний, задний, угол заострения. К лезвийным относятся резцы, фрезы, свёрла, зенкеры, развёртки, протяжки. Абразивная обработка, напротив, осуществляется множеством твёрдых зёрен (корунд, карбид кремния, алмаз), связанных между собой связкой. Каждое зерно работает как микролезвие, срезая тонкую стружку или вырывая частицы материала. Абразивный инструмент используется для финишной обработки (шлифование, хонингование, суперфиниширование) и для заточки лезвийного инструмента. Различие также в скорости резания: абразивные круги работают на окружных скоростях 30–80 м/с, тогда как лезвийные — обычно 20–300 м/мин в зависимости от материала и типа обработки.

Другим отличием является удаление тепла. При лезвийной обработке бо́льшая часть тепла отводится со стружкой (до 80–90%), при абразивной — значительная доля тепла уходит в заготовку и инструмент, что требует применения обильного охлаждения. Абразивный инструмент менее чувствителен к ударным нагрузкам, чем лезвийный, но быстрее теряет режущие свойства при перегреве связки.

Основные виды по типу операции

Классификация по типу операции включает следующие основные группы инструмента:

• Для точения — токарные резцы (проходные, расточные, отрезные, резьбонарезные).
• Для фрезерования — фрезы (торцевые, концевые, дисковые, угловые, червячные).
• Для сверления — свёрла (спиральные, центровочные, перовые, кольцевые).
• Для растачивания — расточные резцы и зенкеры.
• Для развёртывания — развёртки (вручную и машинные).
• Для протягивания — протяжки (шлицевые, круглые, пазовые).
• Для шлифования — абразивные круги, головки, бруски, шлифовальные ленты.
• Для нарезания резьбы — метчики, плашки, резьбонарезные фрезы.
• Для зубообработки — долбяки, шеверы, зуборезные фрезы (червячные, дисковые).

Каждый тип инструмента имеет конструктивные особенности, которые определяют его применение. Например, свёрла диаметром менее 10 мм часто изготавливают цельными из быстрорежущей стали, а свёрла большего диаметра — с твердосплавными вставками. Фрезы для черновой обработки имеют меньшее число зубьев и большую глубину резания, а для чистовой — большее число зубьев и малый припуск.

Лезвийный инструмент: резцы, фрезы, сверла, протяжки

Лезвийный инструмент составляет основу механической обработки резанием. Он отличается чёткой геометрией режущей части и возможностью многократного восстановления методом заточки. Режущая кромка представляет собой пересечение передней и задней поверхностей. Материал инструмента должен обладать высокой твёрдостью (выше твёрдости обрабатываемого материала), износостойкостью и термостойкостью. Наиболее распространённые материалы — быстрорежущие стали (HSS, HSS-E) и твёрдые сплавы (содержащие карбиды вольфрама, титана, тантала на кобальтовой связке). Для сложных операций применяют керамику, кубический нитрид бора (CBN) и поликристаллический алмаз (PCD).

Токарные резцы и фрезы: конструкция и выбор

Токарный резец состоит из державки и режущей пластины (или цельной головки). Режущая пластина может быть напайной или механически закреплённой сменной. Твёрдосплавные сменные пластины выпускаются стандартных форм (SNUN, CCMT, TCMT и др.) по ISO 1832. Выбор марки твердого сплава зависит от обрабатываемого материала. Для обработки закалённых сталей с твёрдостью HRC 45–65 используют сплавы групп ISO H (например, H10F) или CBN. Для нержавеющих сталей — сплавы группы M (M25), для чугуна — группы K (K20). Передний угол резца может быть положительным (до 12°) для мягких материалов или отрицательным (до –6°) для высокопрочных сталей — это обеспечивает прочность режущей кромки.

Фрезы различаются по способу крепления (насадные, концевые), расположению зубьев (торцевые, цилиндрические, дисковые) и направлению резания (левозаходные, правозаходные). Для чернового фрезерования применяют фрезы с крупным зубом (число зубьев Z = 1..2 на дюйм диаметра) и положительным передним углом. Для чистового — фрезы с мелким зубом (Z = 4..6 на дюйм диаметра) и отрицательным передним углом, обеспечивающим лучшую поверхность. Материал режущей части фрез — бысрорежущая сталь (для универсальных работ) или твёрдый сплав (для высокоскоростной обработки). Для обработки алюминиевых сплавов используют фрезы с полированными стружечными канавками и большим задним углом.

1. Определить тип операции (точение, фрезерование, сверление, протягивание) и габариты заготовки.
2. Выбрать материал инструмента в зависимости от твёрдости и вязкости обрабатываемого материала (например, для стали до 300 HB — быстрорежущая сталь, выше — твёрдый сплав).
3. Учесть режимы резания: при малой глубине (0,2–0,5 мм) возможно использование инструмента с мелким зубом, при большой глубине (2–5 мм) — с крупным.
4. Проверить геометрические параметры: для чистовых фрез — малый подача и высокое число зубьев, для черновых — увеличенный радиус при вершине и малый передний угол.
5. Оценить жёсткость системы (станок, приспособление, инструмент) и выбрать соответствующую длину вылета.

Сверла и протяжки: особенности применения

Спиральные свёрла — наиболее распространённый вид свёрел. Их угол при вершине обычно составляет 118° для обработки стали и чугуна, и 135° для нержавеющих сталей — такой угол снижает осевое усилие. Свёрла с твердосплавными пластинами (сверла с внутренним подводом СОЖ) используются для глубокого сверления на станках с ЧПУ. Перовые свёрла применяются для грубой обработки отверстий большого диаметра (от 20 мм) в толстом листе. Отличие спирального и перового свёрел: первое имеет винтовые канавки для отвода стружки, второе — плоскую режущую часть, что ограничивает глубину резания и качество поверхности. Кольцевые свёрла (фрезы для кольцевого фрезерования) вырезают отверстие по кольцу, оставляя сердечник, что снижает затраты энергии на 50–70%.

Протяжки — инструмент с зубьями, последовательно возрастающими по высоте, которые срезают припуск за один рабочий ход. Они классифицируются по форме обрабатываемой поверхности (круглые, шлицевые, пазовые, гранные) и по схеме резания (прогрессивная, генераторная, профильная). Шаг зубьев протяжки выбирают в зависимости от длины протягивания: при длине до 100 мм шаг составляет 8–12 мм, при длине 100–200 мм — 12–20 мм. Протяжки изготавливают из быстрорежущей стали (P6M5) или из твёрдого сплава для обработки высокопрочных материалов. Направление резания в протяжке — движение вдоль оси отверстия, при этом каждый последующий зуб увеличивается на 0,02–0,10 мм. Критерий затупления протяжки — появление заусенцев на обработанной поверхности или увеличение силы резания на 20%.

Абразивный инструмент и режимы резания

Абразивная обработка применяется для получения высокой точности (до 0,005 мм) и низкой шероховатости (Ra 0,16 мкм и менее). Инструмент работает на высоких окружных скоростях и требует строгого соблюдения режимов резания для предотвращения прижогов и трещин.

Абразивные круги: характеристики и маркировка

Абразивный круг маркируется по ГОСТ 2424 (Россия) или ISO 525. Маркировка включает: форму круга (плоский прямого профиля, чашечный, тарельчатый и т.д.), тип абразивного материала (14A — электрокорунд нормальный, 25A — белый электрокорунд, 63C — карбид кремния зелёный), зернистость (от F4 — грубое до F1200 — микрошершевельное), твёрдость (от H — мягкий до Y — очень твёрдый), связку (V — керамическая, B — бакелитовая, R — вулканитовая) и класс дисбаланса (1 или 2).

Выбор зернистости определяется требуемой шероховатостью: для грубого шлифования (Ra 6,3–1,6) используют F24–F46, для чистового (Ra 0,8–0,2) — F60–F120, для финишного (Ra 0,1–0,05) — F220–F320. Для обработки титановых сплавов чаще применяют круги из зелёного карбида кремния 63C с мягкой связкой H–K, чтобы избежать прижогов.

Параметры резания: скорость, подача, глубина

Режимы резания — это совокупность значений скорости резания, подачи и глубины резания, которые назначаются с учётом материала заготовки, инструмента и требуемого качества. Скорость резания при точении (v) определяется как окружная скорость заготовки или инструмента: v = π·D·n / 1000, где D — наружный диаметр (для сверла диаметр сверла), мм; n — частота вращения, об/мин. Для быстрорежущих резцов скорость составляет 20–60 м/мин (для конструкционной стали), для твердосплавных — 100–300 м/мин. Подача (s) — перемещение инструмента за один оборот заготовки — задаётся в мм/об. При черновой обработке подача может достигать 0,5–1 мм/об, при чистовой — 0,05–0,2 мм/об. Глубина резания (t) — слой металла, срезаемый за один проход: от 0,1 мм при финишной операции до 6 мм при черновой.

На примерное определение режимов: для фрезерования конструкционной стали твердосплавной фрезой с D=50 мм рекомендуемая скорость резания составляет 80–120 м/мин, подача на зуб 0,05–0,15 мм, глубина резания 1–3 мм. Несоблюдение режимов ведёт к недопустимому износу инструмента, появлению прижогов или разрушению режущей кромки.

Для абразивной обработки основным параметром является окружная скорость круга (vкр), которая обычно составляет 30–50 м/с для твёрдых кругов и 20–30 м/с для мягких. Поперечная подача (sпоп) при шлифовании — 0,005–0,03 мм на двойной ход при чистовых режимах. Глубина шлифования — до 0,01–0,05 мм за один проход.

Стойкость и обслуживание режущего инструмента

Стойкость — время работы инструмента до критического износа, после которого требуется заточка или замена. Она зависит от режимов резания, материала инструмента и заготовки, наличия СОЖ и качества предыдущих заточек. Контроль стойкости позволяет прогнозировать момент замены и избежать поломок.

Виды износа и критерии заточки

Основные виды износа лезвийного инструмента:

• Износ по задней поверхности — наиболее характерный для большинства операций, проявляется как площадка износа шириной hз;
• Лунка на передней поверхности — возникает при высоких температурах из-за диффузионного износа;
• Износ по фаске — при работе с твёрдыми сплавами;
• Сколы и выкрашивание — при ударных нагрузках или неправильных режимах;
• Термические трещины — из-за резких перепадов температур;
• Нарост на передней поверхности (налипание обрабатываемого материала) — типично при обработке вязких сталей.

Критерием затупления служит ширина износа по задней поверхности hз. Для черновых резцов hз ≤ 0,6–0,8 мм, для чистовых — ≤ 0,2–0,4 мм. Для фрез hз ≤ 0,3–0,5 мм, для свёрел hз ≤ 0,5–0,8 мм. При достижении этих значений инструмент направляют на заточку. Заточка выполняется на заточных станках с помощью абразивных кругов (электрокорунд для быстрорежущей стали, алмазные или CBN-круги для твердого сплава). После заточки восстанавливаются геометрические углы (передние, задние) и радиус при вершине. Категорически не допускается работа инструментом с трещинами или сколами более 0,5 мм.

Покрытия и охлаждение для увеличения ресурса

Для повышения стойкости инструмента на режущие пластины наносят покрытия из галогенидов, нитридов, карбидов (TiN, TiAlN, AlTiN, TiCN, Al2O3). Покрытие TiN (толщина 2–5 мкм) увеличивает срок службы в 2–3 раза за счёт снижения коэффициента трения и адгезии. Покрытие TiAlN (AlTiN) с содержанием алюминия около 50% эффективно при высоких температурах (до 800 °C) благодаря образованию твёрдой оксидной плёнки Al2O3. Многослойные покрытия (комбинация TiN/TiAlN) обеспечивают баланс твёрдости и термостойкости. Для инструмента из быстрорежущей стали применяют азотирование (γ-N фаз) на глубину 10–30 мкм.

Охлаждение зоны резания смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ) отводит тепло и снижает трение. Эмульсии (концентрация 5–10% на основе минеральных масел) применяют при обычной обработке. Масляные СОЖ (например, с содержанием серы) — при резьбонарезных и шлифовальных операциях. Для сухой обработки (без СОЖ) инструмент должен иметь покрытия, выдерживающие нагрев до 600 °C (TiAlN). Современные методы подачи СОЖ включают внутренний подвод через каналы в инструменте (для свёрел, фрез) и подачу через сопла на станке. Оптимальный расход СОЖ для токарной обработки — 10–30 л/мин, для шлифования — 20–60 л/мин при давлении 0,3–0,6 МПа.

Видео