Інструменти, що використовуються на токарному верстаті з ЧПК

​ Токарна обробка з комп’ютерним числовим програмним керуванням (ЧПК) — це основа сучасного виробництва. Цей процес, під час якого різальний інструмент знімає матеріал з деталі, що обертається, щоб створити циліндричні форми, має вирішальне значення в таких вимогливих галузях, як аерокосмічна, автомобільна та медична. Потенціал верстатів з ЧПК реалізується лише за правильного вибору та застосування їхнього найкритичнішого компонента — різального інструменту.

Різальний інструмент — це ланка між верстатом і деталлю, точка, де цифрові інструкції перетворюються на фізичну реальність. Обґрунтований вибір матеріалу інструменту, його геометрії та системи кріплення безпосередньо впливає на всі показники продуктивності:

• Точність розмірів.

• Якість обробки поверхні.

• Тривалість виробничих циклів.

• Рентабельність і конкурентоспроможність операції.

Типи інструментів для токарного верстата з ЧПК

Щоб зрозуміти широкий асортимент доступних інструментів, їх потрібно класифікувати за функцією, конструкцією та напрямком різання.

Класифікація за операцією обробки

Ця класифікація групує інструменти за конкретним завданням, для якого їх розроблено. Основні операції:

• Прохідні різці (обточування): для зменшення зовнішнього діаметра деталі.

• Підрізні різці: Для обробки торцевої поверхні деталі.

• Розточувальні різці: Для збільшення або чистової обробки внутрішніх діаметрів.

• Канавкові різці: Для створення канавок або пазів певної ширини.

• Відрізні різці: Для відрізання готової деталі від заготовки.

• Різьбові різці: Для нарізання внутрішньої чи зовнішньої різьби.

• Різці для зняття фасок: Для створення скошеної кромки.

• Фасонні різці: Мають спеціальний профіль для створення складних геометрій за один прохід.

Класифікація за конструкцією

Фізична конструкція інструменту визначає його жорсткість, вартість і модульність.

• Цільний (монолітний) тип: Увесь інструмент виготовлено з одного шматка матеріалу (напр., HSS або суцільного твердого сплаву). Він має відмінну жорсткість, але щойно кромка зноситься, весь інструмент потрібно замінити чи переточити.

• Напайний тип: Складається з наконечника з твердого матеріалу (напр., твердого сплаву), напаяного на дешевший сталевий держак. Це було популярне рішення до поширення інструментів зі змінними пластинами.

• Збірний тип (державка зі змінними пластинами): Це домінантна система в сучасній обробці на верстатах з ЧПК. Вона складається з багаторазової державки, що утримує змінну різальну пластину. Коли кромка зноситься, пластину швидко й недорого повертають або замінюють.

Класифікація за напрямком подачі

«Праве» чи «ліве» виконання інструменту визначає напрямок, у якому він може ефективно різати.

• Правий інструмент (Right-Hand): Найпоширеніший тип, призначений для обробки з подачею від задньої бабки (праворуч) до передньої бабки (ліворуч).

• Лівий інструмент (Left-Hand): Призначений для зворотної операції — різання від передньої бабки до задньої.

• Нейтральний інструмент: Не має переважного напрямку різання й може обробляти в обох напрямках, що корисно для профілювання та контурної обробки.

Найпоширеніші матеріали різальних інструментів для ЧПК

Продуктивність інструменту нерозривно пов’язана з властивостями матеріалу його ріжучої кромки. Ідеальний матеріал повинен мати оптимальне поєднання твердості (стійкості до зношування) і в’язкості (стійкості до руйнування).

• Швидкорізальні сталі (HSS): Це складні сталеві сплави з вищою в’язкістю, ніж інші матеріали, що дає їм змогу витримувати удари та переривчасте різання. Їх використовують для операцій на низьких швидкостях, на менш жорстких верстатах і для м’яких матеріалів, як-от алюміній чи низьковуглецеві сталі.

• Тверді сплави (спечені карбіди): Найуніверсальніші й найпоширеніші в токарній обробці на верстатах з ЧПК. Складаються з твердих частинок карбіду вольфраму (WC), зцементованих у кобальтовій матриці (Co). Мають відмінну червоностійкість і зносостійкість, що дає змогу працювати на швидкостях різання, значно вищих, ніж для HSS.

• Кермети та кераміка: Кермети мають вищу зносостійкість, ніж тверді сплави, і забезпечують виняткову якість поверхні, тому їм надають перевагу для високошвидкісної чистової обробки. Кераміка, ще твердіша й жаростійкіша, дає змогу працювати на надзвичайно високих швидкостях різання, але дуже крихка. Її використовують для обробки сірого чавуну та загартованих сталей.

• Надтверді матеріали (CBN і PCD):

• Кубічний нітрид бору (CBN): Це другий за твердістю відомий матеріал і найкращий вибір для «твердого точіння» (обробки сталей твердістю понад 45 HRC), чавунів і суперсплавів.

• Полікристалічний алмаз (PCD): Найтвердіший доступний інструментальний матеріал. Має неперевершену зносостійкість. Не підходить для обробки сталей через хімічну взаємодію із залізом. Застосовується для кольорових металів (алюміній, мідь) і дуже абразивних матеріалів (композити, армовані пластики).

• Покриття (PVD і CVD): Це дуже тонкі керамічні шари, які наносять на основу (зазвичай твердий сплав), щоб покращити її поверхневі властивості без шкоди для в’язкості серцевини.

• CVD (хімічне осадження з парової фази): Утворює товсті покриття, ідеальні для високошвидкісної чорнової обробки сталей і чавунів.

• PVD (фізичне осадження з парової фази): Утворює тонші й гладкіші покриття, яким надають перевагу для чистової обробки та для матеріалів, схильних до налипання на кромку, як-от нержавіючі сталі та суперсплави.

Як вибрати відповідний інструмент для кожної операції

Вибір оптимального інструменту має відбуватися за логічним і систематичним процесом, щоб врахувати всі критичні змінні.

1. Аналіз деталі та матеріалу: Відправна точка — завжди деталь. Слід визначити матеріал (сталі, нержавіючі сталі, чавуни тощо), щоб вибрати марку (матеріал і покриття) пластини. Також потрібно проаналізувати геометрію, допуски та вимоги до якості поверхні.

2. Визначення операції: Слід визначити вид обробки (обточування, прорізання канавок тощо) і чітко розрізняти чорнову обробку (пріоритет — зняття матеріалу) і чистову обробку (пріоритет — точність і якість поверхні).

3. Вибір геометрії пластини:

• Кут при вершині: Великий кут (напр., 80°) забезпечує міцну кромку, ідеальну для чорнової обробки, тоді як малий кут (напр., 35°) дає кращий доступ для складних профілів.

• Розмір пластини: Має бути пропорційним глибині різання для забезпечення стабільності.

• Радіус при вершині (RE): Великий радіус дає змогу збільшити подачу й робить кромку міцнішою, але може спричиняти вібрації. Малий радіус зменшує вібрації й забезпечує кращу якість поверхні, але обмежує подачу.

4. Вибір марки та стружколома: Залежно від матеріалу та операції вибирають марку твердого сплаву й покриття (CVD для чорнової обробки сталей, PVD для нержавіючих сталей і чистової обробки). Вибирають стружколом, що відповідає діапазону подачі та глибини різання, щоб забезпечити належний контроль стружки.

5. Вибір державки: Слід вибрати державку, що забезпечує максимальну жорсткість (найменший можливий виліт) і вільний доступ до зони обробки без ризику зіткнення.

Поради щодо правильного використання інструментів для токарного верстата з ЧПК

Правильне використання й обслуговування мають вирішальне значення для оптимізації терміну служби інструменту та ефективності процесу.

Діагностика та контроль зношування інструменту

Зношування — неминучий процес, що дає цінну інформацію про обробку. Контроль зношування — ключ до запобігання катастрофічним поломкам. Поширені види зношування та способи їх усунення:

• Зношування по задній поверхні: Спричиняється переважно надто високою швидкістю різання. Рішення — зменшити швидкість або вибрати зносостійкішу марку.

• Лункове зношування: Утворення лунки на передній поверхні інструменту через високі температури. Рішення — використати товще покриття (типу CVD) або зменшити швидкість.

• Наріст (BUE): Матеріал деталі, приварений до кромки, — типове явище на низьких швидкостях. Рішення — збільшити швидкість різання або використати гладкіше покриття (типу PVD).

• Викришування кромки: Дрібні руйнування кромки, часто через недостатню в’язкість або вібрації. Усувається вибором в’язкішої марки або зменшенням подачі.

Застосування охолоджувальних рідин

Мастильно-охолоджувальна рідина виконує кілька функцій: знижує температуру, змащує, захищає від корозії та допомагає видаляти стружку.

• Охолодження поливом: Традиційний метод, за якого подається великий об’єм охолоджувальної рідини під низьким тиском.

• Охолодження під високим тиском (HPC): Спрямовує струмені охолоджувальної рідини під високим тиском безпосередньо на ріжучу кромку. Це надзвичайно ефективно для подрібнення та видалення стружки й дає змогу суттєво підвищити параметри різання.

Профілактичне обслуговування верстата

Погано обслуговуваний верстат може спричиняти вібрації чи неточності, що призводять до передчасного зношування інструменту. Програма планового обслуговування що включає очищення, перевірку мастил, контроль співвісності та калібрування осей, має вирішальне значення для забезпечення стабільної й точної платформи, на якій інструменти працюватимуть правильно.