Frezy do CNC są to narzędzia skrawające służące do frezowania powierzchni płaskich i kształtowych w materiale obrabianym. Dzielą się ze względu na kształt, na geometrię ostrzy oraz według materiału narzędziowego z jakiego są wykonane. Materiał narzędziowy jak i rodzaj powłoki freza jest szczególnie istotny, ponieważ wpływa na wydajność obróbki oraz tzw. skrawność. Skrawność to inaczej zdolność narzędzia do skrawania danego materiału.
Wpływ materiału narzędziowego na obróbkę skrawaniem
Frezy stosowane do obróbki CNC, w zależności od rodzaju materiału z jakiego są wykonane, różnią się właściwościami fizycznych i chemicznych. Jedną z ich właściwości jest twardość. W celu wykonania optymalnej obróbki, twardość freza musi by znacznie większa od materiału obrabianego. Nadwyżka ta powinna wynosić co najmniej 30 HRC. Poza tym materiał narzędziowy frezów powinien charakteryzować się miedzy innymi odpornością na zużycie ścierne, dużą odpornością na pracę w wysokiej temperaturze oraz jej zmiany występujące podczas obróbki.
Z jakich materiałów wykonane są frezy do CNC?
Obecnie jest bardzo wiele odmian materiałów przeznaczonych na narzędzia skrawające, dodatkowo co roku pojawiają się nowe.
Wyróżnia się następujący podział materiałów narzędziowych
– stale narzędziowe
– spiekane węgliki
– cermetale
– ceramiczne materiały narzędziowe
– materiały supertwarde
Stale narzędziowe
Stale narzędziowe to obszerna grupa materiałów i dzielą się na:
– stale narzędziowe niestopowe do pracy na zimno
– stale narzędziowe stopowe do pracy na zimno
– stale narzędziowe do pracy na gorąco
– stale szybkotnące HSS
Frezy skrawające do obróbki CNC, w przypadku stali narzędziowej, wykonywane są najczęściej ze stali szybkotnącej HSS (ang. High Speed Steel). Szacuje się, że łączny udział narzędzi ze stali HSS w obróbce skrawaniem wynosi 30-40% całkowitej liczby używanych narzędzi skrawających.
Narzędzia te zostały wprowadzone do przemysłu przez F.W. Taylora w 1906 roku i są stale ulepszane. Posiadają duża zawartość pierwiastków stopowych, w tym głównie wolframu (W). Ze względu na wysoką cenę tego pierwiastka często jest zastępowany molibdenem (Mo) i wanadem (V). Występujący w narzędziach HSS kobalt (Co) podnosi wytrzymałość i odporność na zużycie.
Frezy do CNC HSS są przede wszystkim odporne na ścieranie w wysokich temperaturach oraz wytrzymałe na zginanie. Obróbka przy użyciu narzędzi HSS odbywa się jednak z małymi prędkościami skrawania. Dla frezów HSS stosuje się powłoki typu TiN, Ti(Al,N), Ti(C,N), CrN, nanoszone metodą PVD. Pozwala to na uzyskanie większej twardości, przewodności cieplnej, odporności na zużycie ścierne i adhezyjne. Poprzez zastosowanie powłok wzrasta również prędkość skrawania frezów HSS.
Węgliki spiekane
Węgliki spiekane stanowią dziś najważniejszą grupę narzędzi skrawających. Udział zastosowania w obróbce skrawaniem wynosi ok. 50%. Głównym składnikiem spieków jest węglik wolframu (WC) oraz kobalt (Co), który jest materiałem wiążącym. Spieki różnią się miedzy sobą ilością oraz rodzajem domieszek metali trudnotopliwych. Do pierwszego i opatentowanego w 1923 roku węglika wolframu z kobaltem (WC+Co), dodawane są obecnie również inne materiały trudnotopliwe takie jak na przykład tytan, przez co wytwarzanych jest wiele odmian spieków.
Same węgliki spiekane posiadają już dużą twardość, dlatego nie są poddawane obróbce cieplnej. Bardzo często wykonywane są na nich powłoki wielowarstwowe metodą CVD, kształtujące cechy narzędzia w zależności od potrzeb. Nanoszenie powłok powoduje m.in. zmniejszenie współczynnika tarcia, zwiększenie twardości i odporności na wysoką temperaturę, a także zmiejszenie przewodności cieplnej.
Frezy do CNC wykonane z węglików spiekanych są odporne na ścieranie i pracę w wysokich temperaturach, mają małą odporność na zgrzewanie się wiórów przy obróbce stali co wpływa na jakość powierzchni obrobionych. Obróbka, w porównaniu do frezów HSS, odbywa się ze znacznie większymi prędkościami skrawania. Z drugiej strony spieki są mniej odporne na uderzenia, powodujące mikrowykruszenia na powierzchni ostrzy, co świadczy o ich zwiększonej kruchości.
Cermetale
Cermetale pojawiły się wraz z poszukiwaniem sposobu oszczędzania drogiego wolframu, stosowanego w węglikach spiekanych. Pierwszy cermetal wytworzono w 1931 roku na bazie TiC + Mo2C z niklem jako materiałem wiążącym. Skład poszczególnych cermetali jest obecnie chroniony patentami. Głównymi materiałami cermetali to TiC, TiN, WC, Mo2C oraz nikiel(Ni) i kobalt (Co) jako materiały wiążące.. Podobnie jak węgliki mogą być pokrywane warstwami polepszającymi odporność na zużycie. Ich udział w rynku narzędzi skrawających wynosi 5-10 %.
W porównaniu z węglikami spiekanymi posiadają większą wytrzymałość na zginanie, mniejszą przewodność cieplną, większa odporność na zużycie ścierne i są nieco twardsze. Do głównych wad należy jednak mała odporność na szoki cieplne, występujące podczas obróbki, co ogranicza ich zastosowanie. Cermetale charakteryzują się dynamiką rozwoju, ze względu na niższy koszt ich głównych składników, w porównaniu do węglików spiekanych.
Ceramika narzędziowa
Ceramiczne materiały narzędziowe stanowią bardzo zróżnicowaną grupę materiałów narzędziowych. Narzędzia te charakteryzują się dużą twardością i odpornością na ścieranie, małą przewodnością elektryczną i cieplną, dużą wytrzymałością w bardzo wysokich temperaturach.
Do głównych wad tych narzędzi należy jednak kruchość, słaba odporność na zmiany temperatur oraz zmiany obciążenia mechanicznego, stąd ich mała popularność w obróbce CNC. Narzędzia te stanowią około 5% materiałów narzędziowych stosowanych w procesie skrawania.
Jedną z nowości ostatnich lat jest dodanie do ceramiki tlenkowej tzw. whiskerów SiC. Narzędzia te mają zwiększoną twardość, wytrzymałość i odporność na pękanie, jednak ze względu na budowę włókien whiskerów SiC, przypominających włókna azbestu, wpływają negatywnie na organizm ludzki.
Materiały supertwarde
Do materiałów supertwardych zalicza się diament, regularny azotek boru oznaczany symbolem CBN ( z ang. cubic-bor-nitrid ) oraz powłoki diamentowe nanoszone na węgliki spiekane metodą CVD.
Do wytworzenia narzędzi zawierających ostrza diamentowe stosuje się diament polikrystaliczny PKD. PKD w postaci warstwy o grubości 0,5-1mm jest łączony z płytką wykonaną z węglika spiekanego. Narzędzia te charakteryzują się dużą ostrością i trwałością krawędzi skrawających, a także małym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej. Podczas obróbki ostrza PKD zachowują swoje parametry skrawne do temperatury 700°C, pozwala to na zastosowanie wysokich prędkości skrawania. Ostrza z PKD zalecane są do obróbki stopów aluminium oraz m.in. do obróbki metali nieżelaznych takich jak stopy miedzi, magnezu czy cyny.
Regularny azotek boru CBN ustępuje nieznacznie diamentowi pod względem twardości. Szczególnie nadaje się do obróbki wysoko ulepszonych i hartowanych stali, a także trudno skrawalnych stopów niklu i kobaltu.
Przykładem zastosowania frezów z powłoką diamentową jest obróbka wykończeniowa skomplikowanych kształtów elektrod grafitowych, o dużej dokładności, gdzie frez bardzo często wykonuje obróbkę kilka godzin bez przerwy. Dzięki małej rozszerzalności cieplnej, narzędzie nawet po kilkugodzinnej nieprzerwanej pracy nie ulega zniekształceniu, a trwałość ostrzy gwarantuje jakość wykonania powierzchni.
Podsumowanie
Przy wyborze freza do CNC należy uwzględnić parametry skrawności tego narzędzia jak i skrawalność obrabianego materiału. Nie wszystkie frezy są przeznaczone do obróbki każdego rodzaju materiału. Dobór odpowiedniego freza do danego materiału, a także jego zalecane parametry skrawania, można znaleźć w katalogu producenta narzędzi skrawających.
Ważną cechą materiału narzędziowego jest jego cena. Użycie freza wykonanego z drogiego materiału umożliwia wysoką wydajność obróbki, dzięki m.in. zwiększonej prędkości skrawania oraz odporności na zużycie. W efekcie końcowym zastosowanie droższego freza może przyczyni się do uzyskania niższego kosztu wykonania części, niż w przypadku stosowania frezów tańszych, które nie pozwalają na całkowite wykorzystanie możliwości kosztownych obrabiarek CNC.
Zapraszamy do kolejnego artykułu w którym opisujemy
Jakie frezy do drewna, poznaj rodzaje frezów do drewna
Frezy do metalu – rodzaje, jakie kupić?
