Narzędzia stosowane na tokarce CNC

​ Toczenie CNC (komputerowe sterowanie numeryczne) to filar nowoczesnej produkcji. Proces ten, w którym narzędzie skrawające usuwa materiał z obracającego się detalu, tworząc kształty walcowe, ma kluczowe znaczenie w wymagających branżach, takich jak lotnictwo, motoryzacja i medycyna. Potencjał maszyn CNC urzeczywistnia się dopiero dzięki właściwemu doborowi i zastosowaniu ich najważniejszego elementu: narzędzie skrawające.

Narzędzie skrawające łączy maszynę z detalem – to w tym miejscu cyfrowe instrukcje stają się fizyczną rzeczywistością. Świadomy wybór materiału narzędzia, jego geometrii i sposobu mocowania bezpośrednio wpływa na wszystkie wskaźniki wydajności:

• Dokładność wymiarową.

• Jakość powierzchni.

• Czas trwania cykli produkcyjnych.

• Rentowność i konkurencyjność produkcji.

Rodzaje narzędzi do tokarek CNC

Aby zrozumieć szeroką gamę dostępnych narzędzi, należy je sklasyfikować według funkcji, budowy i kierunku skrawania.

Podział według operacji obróbczej

Ten podział grupuje narzędzia według konkretnego zadania, do którego zostały zaprojektowane. Główne operacje to:

• Narzędzia do toczenia (wzdłużnego): do zmniejszania średnicy zewnętrznej detalu.

• Narzędzia do planowania: Do obróbki powierzchni czołowej detalu.

• Narzędzia do wytaczania: Do powiększania lub wykańczania średnic wewnętrznych.

• Narzędzia do toczenia rowków: Do wykonywania kanałów lub rowków o określonej szerokości.

• Narzędzia do przecinania: Do odcinania gotowego detalu od surowego materiału.

• Narzędzia do gwintowania: Do wykonywania gwintów wewnętrznych lub zewnętrznych.

• Narzędzia do fazowania: Do wykonywania skośnej krawędzi.

• Narzędzia kształtowe: O określonym profilu, do wykonywania złożonych geometrii w jednym przejściu.

Podział według budowy

Fizyczna konstrukcja narzędzia określa jego sztywność, koszt i modułowość.

• Narzędzia monolityczne: Całe narzędzie wykonane jest z jednego kawałka materiału (np. HSS lub węglika spiekanego). Zapewnia doskonałą sztywność, ale gdy ostrze się zużyje, całe narzędzie trzeba wymienić lub ponownie naostrzyć.

• Narzędzia lutowane: Składają się z ostrza z twardego materiału (np. węglika) przylutowanego do tańszego trzonka stalowego. Było to popularne rozwiązanie przed upowszechnieniem się narzędzi z wymiennymi ostrzami.

• Narzędzia składane (oprawki z płytkami wymiennymi): To dominujący system w nowoczesnej obróbce CNC. Składa się z oprawki narzędziowej wielokrotnego użytku, w której mocuje się wymienną płytkę skrawającą. Gdy ostrze się zużyje, płytkę obraca się lub wymienia szybko i tanio.

Podział według kierunku posuwu

Tzw. „ręczność” narzędzia określa kierunek, w którym może ono skutecznie skrawać.

• Nóż prawy (Right-Hand): To najczęściej stosowany typ, przeznaczony do obróbki z posuwem od konika (z prawej) w stronę wrzeciennika (w lewo).

• Nóż lewy (Left-Hand): Przeznaczony do pracy w przeciwnym kierunku – skrawa od wrzeciennika w stronę konika.

• Nóż neutralny: Nie ma preferowanego kierunku skrawania i może obrabiać w obu kierunkach, co jest przydatne przy toczeniu profili i konturów.

Najczęściej stosowane materiały narzędzi skrawających CNC

Wydajność narzędzia jest nierozerwalnie związana z właściwościami materiału jego ostrza. Idealny materiał powinien mieć optymalne połączenie twardości (odporności na zużycie) i ciągliwości (odporności na pękanie).

• Stale szybkotnące (HSS): To złożone stopy stali o większej ciągliwości niż inne materiały, dzięki czemu wytrzymują uderzenia i skrawanie przerywane. Stosuje się je przy niskich prędkościach, na mniej sztywnych maszynach i do miękkich materiałów, takich jak aluminium czy stale niskowęglowe.

• Węgliki spiekane: To najbardziej wszechstronne i najczęściej stosowane materiały w toczeniu CNC. Składają się z twardych cząstek węglika wolframu (WC) spojonych osnową kobaltową (Co). Zapewniają doskonałą twardość na gorąco i odporność na zużycie, pozwalając na prędkości skrawania znacznie wyższe niż w przypadku HSS.

• Cermetale i ceramika: Cermetale są bardziej odporne na zużycie niż węgliki i zapewniają wyjątkową jakość powierzchni, dlatego są preferowane do obróbki wykańczającej z dużymi prędkościami. Ceramika, jeszcze twardsza i bardziej odporna na wysoką temperaturę, pozwala na bardzo wysokie prędkości skrawania, ale jest bardzo krucha. Stosuje się ją do obróbki żeliwa szarego i stali hartowanych.

• Materiały supertwarde (CBN i PCD):

• Regularny azotek boru (CBN): To drugi najtwardszy znany materiał i najlepszy wybór do „toczenia na twardo” (obróbki stali o twardości powyżej 45 HRC), żeliw i nadstopów.

• Diament polikrystaliczny (PCD): To najtwardszy dostępny materiał narzędziowy. Zapewnia niezrównaną odporność na zużycie. Nie nadaje się do obróbki stali ze względu na reaktywność chemiczną z żelazem. Stosuje się go głównie do materiałów nieżelaznych (aluminium, miedź) i silnie ściernych (kompozyty, tworzywa wzmacniane).

• Powłoki (PVD i CVD): To bardzo cienkie warstwy ceramiczne nanoszone na podłoże (zwykle węglik), aby poprawić jego właściwości powierzchniowe bez pogorszenia ciągliwości rdzenia.

• CVD (chemiczne osadzanie z fazy gazowej): Daje grube powłoki, idealne do obróbki zgrubnej stali i żeliwa z dużymi prędkościami.

• PVD (fizyczne osadzanie z fazy gazowej): Daje cieńsze i gładsze powłoki, preferowane do obróbki wykańczającej oraz do materiałów mających skłonność do przywierania do ostrza, takich jak stale nierdzewne i nadstopy.

Jak dobrać odpowiednie narzędzie do każdej operacji

Dobór optymalnego narzędzia powinien przebiegać w sposób logiczny i systematyczny, aby uwzględnić wszystkie krytyczne zmienne.

1. Analiza detalu i materiału: Punktem wyjścia jest zawsze detal. Należy określić materiał (stale, stale nierdzewne, żeliwa itd.), aby dobrać gatunek (materiał i powłokę) płytki. Trzeba też przeanalizować geometrię, tolerancje i wymagania dotyczące jakości powierzchni.

2. Określenie operacji: Należy określić rodzaj obróbki (toczenie wzdłużne, toczenie rowków itd.) i wyraźnie rozróżnić obróbkę zgrubną (priorytetem jest usuwanie materiału) i obróbkę wykańczającą (priorytetem są dokładność i jakość powierzchni).

3. Dobór geometrii płytki:

• Kąt naroża: Duży kąt (np. 80°) zapewnia wytrzymałe ostrze, idealne do obróbki zgrubnej, natomiast mały kąt (np. 35°) daje lepszy dostęp przy złożonych profilach.

• Wielkość płytki: Powinna być proporcjonalna do głębokości skrawania, aby zapewnić stabilność.

• Promień naroża (RE): Duży promień pozwala na większe posuwy i daje mocniejsze ostrze, ale może powodować drgania. Mały promień ogranicza drgania i pozwala uzyskać lepsze wykończenie, ale ogranicza posuw.

4. Dobór gatunku i łamacza wióra: Na podstawie materiału i operacji dobiera się gatunek węglika i powłokę (CVD do obróbki zgrubnej stali, PVD do stali nierdzewnych i obróbki wykańczającej). Wybiera się łamacz wióra odpowiadający zakresowi posuwu i głębokości skrawania, aby zapewnić odpowiednią kontrolę wióra.

5. Dobór oprawki narzędziowej: Należy wybrać oprawkę zapewniającą maksymalną sztywność (jak najmniejszy wysięg) i swobodny dostęp do strefy obróbki bez ryzyka kolizji.

Wskazówki dotyczące prawidłowego stosowania narzędzi do tokarek CNC

Właściwe użytkowanie i konserwacja mają kluczowe znaczenie dla optymalnej trwałości narzędzia i wydajności procesu.

Diagnozowanie zużycia narzędzia i zarządzanie nim

Zużycie to nieunikniony proces, który dostarcza cennych informacji o obróbce. Monitorowanie zużycia jest kluczowe, aby zapobiec katastrofalnym awariom. Typowe rodzaje zużycia i sposoby zaradzenia im to:

• Zużycie powierzchni przyłożenia: Spowodowane głównie zbyt wysoką prędkością skrawania. Rozwiązaniem jest zmniejszenie prędkości lub wybór gatunku bardziej odpornego na zużycie.

• Zużycie kraterowe: Powstawanie krateru na powierzchni natarcia narzędzia, spowodowane wysoką temperaturą. Rozwiązaniem jest zastosowanie grubszej powłoki (typu CVD) lub zmniejszenie prędkości.

• Narost na ostrzu (BUE): Materiał detalu przywarty do ostrza, typowy przy niskich prędkościach. Rozwiązaniem jest zwiększenie prędkości skrawania lub zastosowanie gładszej powłoki (typu PVD).

• Wykruszenia ostrza: Drobne pęknięcia ostrza, często wynikające ze zbyt małej ciągliwości lub z drgań. Zaradzić temu można, wybierając gatunek o większej ciągliwości lub zmniejszając posuw.

Stosowanie chłodziwa

Ciecz obróbkowa, czyli chłodziwo, pełni wiele funkcji: obniża temperaturę, smaruje, chroni przed korozją i pomaga odprowadzać wiór.

• Chłodzenie zalewowe: To tradycyjna metoda polegająca na podawaniu dużej ilości chłodziwa pod niskim ciśnieniem.

• Chłodzenie wysokociśnieniowe (HPC): Kieruje strumienie chłodziwa pod wysokim ciśnieniem bezpośrednio na ostrze. Jest niezwykle skuteczne w łamaniu i odprowadzaniu wióra, pozwalając znacząco zwiększyć parametry skrawania.

Konserwacja zapobiegawcza maszyny

Źle utrzymana maszyna może powodować drgania lub niedokładności, które prowadzą do przedwczesnego zużycia narzędzia. Program konserwacji prowadzony regularnie, obejmujący czyszczenie, kontrolę środków smarnych, sprawdzanie ustawienia i kalibrację osi, ma kluczowe znaczenie dla zapewnienia stabilnej i precyzyjnej platformy, na której narzędzia będą pracować prawidłowo.