Твердосплавный инструмент по металлу

Обновлено: 22.01.2025

Твердые металлокерамические сплавы широко используются для производства специальных инструментов, предназначенных для механической обработки деталей из металлов и композитов методом резания. Главная функция такого инструмента заключается в отделении слоя материала (припуска) от обрабатываемой детали или заготовки с образованием стружки или опилок. Высокой твердостью, прочностью и износостойкостью сплавов определяется эффективность и точность инструмента, его функциональность, производительность, стойкость (время непрерывной работы), а также надежность производственного процесса в целом.

Металлорежущие инструменты

Металлорежущий инструмент классифицируется по конструктивным признакам и производственно-технологическим особенностям. По конструкции условно различают режущий инструмент двух типов: монолитный и со сменными режущими элементами. Монолитный инструмент целиком изготавливается из твердого сплава, быстрорежущей стали (HSS – high-speed steel), или в комбинированном варианте: с твердосплавными вставками в тело из инструментальной стали. Конструкция инструмента со сменными элементами характеризуется наличием двух механически соединяемых частей: тела и концевой режущей пластины из твердосплавного материала.

По производственно-технологическим особенностям металлорежущий инструмент различается количеством рабочих режущих поверхностей (кромок, граней), для изготовления которых, наряду с другими материалами, широко применяются твердые сплавы разных марок. Самым распространенным и наиболее известным металлорежущим инструментом с одной режущей кромкой на твердосплавной напайке или пластине является классический токарный резец. К инструментам с двумя и более режущими гранями относят все типы фрез, сверел и т.п.

Какие режущие инструменты производятся из твердых сплавов

Из твердых сплавов изготавливают режущий инструмент разной конструкции и функциональности, предназначенный для механической обработки металла и композитных материалов.

токарные резцы (для резки, наружного и внутреннего точения, нарезания резьбы и т.д.);
фрезы (торцевые, кукурузные, концевые, фасонные, грибковые, профильные и т.п.);
сверла (центровочные, спиральные, ружейные, микросверла с диаметром менее 3 миллиметров и т.п.);
пилы (ленточные, дисковые и т.д.);
инструмент резьбонарезной (метчики, плашки, резьбонакатные ролики, резьбофрезы и др.);
инструмент для обработки отверстий (зенкеры, зенковки, развертки и т.п.).

Рисунок 1. Сверла из твердых сплавов.

Рисунок 2. Сменные фрезы из твердых сплавов.

Краткое сравнение твердых сплавов с другими инструментальными материалами

В сравнении с другими инструментальными материалами твердые сплавы выигрывают по целому ряду характеристик. Если теплостойкость сплавов марок ВК6 и ВК8 находится в диапазоне 800-1000 °С, обеспечивая инструменту высокую скорость резания, то например, у быстрорежущей стали с умеренной теплостойкостью этот параметр не превышает 630 °С, с повышенной – 650 °С, а с высокой теплостойкостью – 730 °С.

По теплопроводности твердые сплавы (84 Вт/м·°С) уступают только алмазам (142 Вт/м·°С), и значительно превосходят по этому параметру углеродистую сталь (38 Вт/м·°С) и быстрорежущую сталь (25 Вт/м·°С), а как известно, чем выше теплопроводность, тем лучше охлаждается режущая кромка инструмента, тем он эффективнее работает и дольше служит.

По твердости сплавы марок ВК6 и ВК8 сопоставимы с минералокерамикой (у обоих материалов около 2000 кгс/мм), но превосходят максимальные значения этого параметра у быстрорежущих сталей (1400 кгс/мм), углеродистых сталей (800 кгс/мм), уступая только сверхтвердым материалам и алмазам, но зато не оставляют им шансов по пределу прочности на изгиб.

Процесс производства режущего инструмента из твердых сплавов

Режущие инструменты из твердых сплавов изготавливаются методом порошковой металлургии. Суть этого метода заключается в формовании, прессовании и спекании металлических порошков или композиций из металлических порошков с неметаллическими. При производстве металлокерамических пластин для режущего инструмента используется порошковая смесь из микрочастиц карбидов твердых керамик и связующего металла.

В случае с производством режущего инструмента из однокарбидных сплавов вольфрамовой группы в состав смеси входит «рабочий» материал – карбид вольфрама, и так называемая «связка», в качестве которой, как правило, используют кобальт. Смесь сначала дозировано засыпают в пресс-формы (матрицы), затем спрессовывают под большим давлением (до 1000 Па) в плотный прочный «брикет» с геометрией и рельефом готового инструмента. Затем полуфабрикат отправляют в высокотемпературную печь, где спрессованная металлокерамическая смесь спекается в монолитное готовое изделие.

Какие свойства придают твердые сплавы режущему инструменту

Совсем недавно наибольшее применение при производстве режущего инструмента имели инструментальные стали, но сегодня на лидирующие позиции постепенно выходит твердосплавный сплав кобальта (Co) и карбида вольфрама (WC) марок ВК6 и ВК8. Эти марки имеют в своем составе оптимальное количество кобальта: 6% и 8% соответственно. Это делает режущий инструмент не слишком хрупким, как например, из сплава марок ВК3 и ВК4, и достаточно твердым. Благодаря этой особенности, режущий инструмент из сплава марок ВК6 и ВК8 можно использовать как для черновой, так и для чистовой обработки металлов.

Крупнозернистые сплавы вольфрамовой группы (в отличие от мелко- и сверх-мелкозернистых сплавов) отличаются хорошей износостойкостью, позволяющей обрабатывать одним инструментом большее число деталей на одну режущую кромку, а также повышенной производительностью. Долгий срок службы твердосплавного режущего инструмента позволяет сократить его расход, что вкупе с невысокой ценой конечных изделий делает инструмент экономически выгодным. Вышесказанным объясняется широкая область применения твердосплавного режущего инструмента в современной металлообработке.

Благодаря своим уникальным свойствам твердые сплавы являются практически незаменимыми при производстве режущего инструмента. Инструменты, изготовленные из материалов-аналогов, не дают настолько хороших показателей, как инструменты, изготовленные из твердых сплавов. Одним из основных недостатков таких сплавов является их высокая стоимость, но этот факт не влияет на популярность применения данных материалов в указанной области.

телефоны:
8 (800) 200-52-75
(495) 366-00-24
(495) 504-95-54
(495) 642-41-95

Применение твердых сплавов для изготовления режущего инструмента

Виды и секреты выбора твердосплавных сверл

Твердосплавным сверлом можно обрабатывать такие высокопрочные материалы, как, например, чугун, камни – как натуральные, так и искусственные, а также работать по бетону, по печатной плате, кирпичу, цветным металлам, всем видам пластики. Твердосплавными они называются не просто так, а потому, что на их режущие части напаяны пластины, для производства которых использованы твердые сплавы. Когда высокопрочные материалы высверливаются такими твердыми насадками, это делает процесс сверления вдвое эффективнее, чем использование для этого инструментов из обычной стали.

Описание и сфера применения

Твердость режущих пластин, напаянных на насадку, значительно продлевает срок ее службы, однако, это не означает, что такие буравчики можно использовать для работы с любой поверхностью. Например, при обработке стальных пластин твердосплавные насадки могут быстро изнашиваться, даже ломаться. Чтобы этого не произошло, рабочие инструменты должны быть очень жесткими.

В противном случае из-за вибрации в процессе эксплуатации твердосплавные пластины сначала потеряют цвет, а потом просто выломаются с поверхности сверла.

Обзор видов

На сегодняшний день вниманию покупателей предлагается широкий ассортимент буравчиков с пластинками из твердых сплавов, которыми можно обрабатывать металл и другие материалы. Классифицировать эти насадки можно по ряду параметров, например:

по материалу, из которого производят пластинки;
по способу крепления этих пластин к рабочей части насадки;
по форме пластин;
по форме, которую имеют канавки между режущими поверхностями насадки, эти канавки предназначаются для того, чтобы эффективно отводить стружку и иные отходы, возникающие в процессе сверления.

Насадки, оснащенные пластинками из твердых сплавов, имеют некоторые конструктивные особенности, отличающие их от других «собратьев».

Это, в первую очередь, более короткая рабочая часть – по сравнению с другими типами сверл, она меньше на 20-30%. Это связано с процессом переточки сверла – ее можно выполнить только по твердосплавным пластинам. Если же сверло и кондуктор составляют комплект, тогда длина сверла равна длине обычного буравчика.

Диаметр в сердцевине насадки в направлении хвостовика растет через каждые 10 см от 1,4 до 1,8 мм. То, под каким углом вы будете держать насадку, находится в прямой зависимости от глубины отверстия, которое нужно высверлить. Хвостовик в виде конуса необходимо хорошо подгонять под шпиндель в станке, ведь от того, насколько жестким и прочным будет сцепление, зависит, насколько точным и качественным будет процесс сверления.

Кроме того, хорошее закрепление сверла обеспечивает его бесперебойную работу и отсутствие поломок в ее процессе.

По материалу изготовления

Если говорить о материалах, из которых изготавливаются режущие пластины, чаще всего это вольфрамо-карбидные сплавы. Их получают в основном, используя методы порошковой металлургии. Марка ВК8 давно зарекомендовала себя как особенно популярная для того, чтобы штамповать насадки для работы с прочными материалами. Эти буравчики с успехом применяются для высверливания отверстий в легированных сталях, жаропрочных сталях, чугуне, твердых породах древесины. При этом именно такой состав наиболее доступен по цене.

По способу крепления пластин

Фиксация твердосплавных пластинок происходит на режущих частях либо с помощью припаивания, либо винтовым (механическим) соединением, тогда пластины являются сменными. Если используется пайка, то повторная заточка возможна лишь несколько раз, после чего сверло приходит в негодность.

В случае же использования механического способа крепления пластин замена неперетачиваемых пластин производится довольно легко.

По форме

У твердосплавной пластинки может быть несколько различных форм – это и параллелограмм, и прямоугольник, и ромб, и треугольник с шестью режущими кромками. Не следует оставлять без внимания тип формы канавок между режущими кромками. Какую бы форму они ни имели, внутреннюю их поверхность необходимо подвергнуть тщательной полировке, чтобы стружка отводилась из рабочей зоны эффективно и не забивала отверстие, мешая работе инструмента.

Маркировка

Твердосплавные пластины, которые припаивают к цельному сверлу, изготавливаются по ГОСТ 25393-90. Сменные пластины, имеющие некоторое количество граней, изготавливают по другому ГОСТ – 19086-80.

Как выбрать?

При выборе твердосплавных насадок нужно учитывать два основных фактора: какую поверхность вы планируете обрабатывать, и какой глубины и диаметра должно иметь отверстие. Это позволит сразу сузить выбор до небольшой группы сверл. Далее нужно обратить внимание на то, из какого материала изготовлены режущие кромки, насколько прочен твердый сплав.

Не менее важна репутация фирмы-производителя изделия и его качество, ведь, как правило, цена на такие буравчики довольно высока. Поэтому следует внимательно изучить свойства изделия, прежде чем платить за него. Разумеется, чем более известной является марка-производитель сверла, тем выше цена на него, но и качество таких изделий довольно высоко.

Нужно ли платить за инструменты, чей изготовитель неизвестен, а качество вызывает множество сомнений? Каждый покупатель сам отвечает себе на этот вопрос.

Если вы хотите, чтобы изделие прослужило вам долго и работало исправно, лучше выбирать те, что изготовлены фирмами-производителями, обладающими хорошей репутацией и давно работающими на рынке строительных инструментов.

Охлаждение и смазка

Дабы твердосплавный буравчик осуществлял работу эффективнее, он должен охлаждаться изнутри. Обходиться без использования смазочно-охлаждающей жидкости возможно лишь тогда, когда вы высверливаете отверстие, глубина которого будет не больше 1 диаметра насадки (например, при диаметре 3 мм отверстие может быть глубиной тоже 3 мм).

Качество сверления зависит не только от того, сколько смазочно-охлаждающей жидкости (СОЖ) будет двигаться по внутренней полости насадки, но и от того, с каким напором СОЖ будет подаваться. Напор должен составлять не меньше 12 атмосфер. Тогда инструмент будет не только интенсивно охлаждаться, но и отведение стружки пройдет значительно более эффективно.

Заточка

Для придания необходимой твердости сверлу в его рабочей части (ее измерение осуществляется в соответствии со шкалой HRC) его обрабатывают термически, в основном этот процесс совпадает с припаиванием самих пластинок. Если пластины профилированы, то результат высверливания будет значительно более качественным. Съемные пластины на спиральных или монолитных сверлах подойдут не только для того, чтобы высверливать отверстия, но и для растачивания уже готовых углублений и отверстий.

Если сверло оснащено пластинками волновой формы, им можно работать в более тонкой технике – пошаговой врезки. Такая технология стабилизирует положение дрели или перфоратора в начальной стадии врезки, а также делает минимальным риск того, что инструмент «поведет» в процессе работы.

Пошаговая врезка также снижает силу резания, которая формируется во время высверливания.

О том, как точить твердосплавные сверла, показано в следующем видео.

Все о твердосплавных фрезах

Зная всё о твёрдосплавных фрезах, можно исключить множество ошибок в организации производства. Существуют различные виды такого инструмента: по металлу и дереву, концевые и «кукуруза», отрезные с твёрдосплавными пластинами и другие типы. Помимо их заточки и требований ГОСТ, необходимо учесть особенности использования.

Описание и сферы применения

Твёрдосплавные фрезы могут пригодиться даже в самых сложных и тяжёлых случаях.

Обработка на высоких скоростях неизбежно приводит к сильному нагреву инструмента. Традиционные быстрорежущие сплавы в таких случаях резко теряют свои свойства.

Хорошая твёрдосплавная фреза может работать на скоростях в 5-10 раз больше, чем простое стальное изделие. Система отлично работает по металлу, даже если накалится до 700-800 градусов.

Немаловажно, что при этом обеспечивается ещё и очень высокая производительность. Срок службы весьма велик, даже при активном использовании. И наконец, такие модели отлично проявляют себя при работах с особо твёрдыми заготовками. Ни один быстрорежущий инструмент на такое заведомо не способен.

Но стоит отметить, что фреза из твёрдого сплава сильно страдает от вибраций и в зоне их воздействия может быстро выйти из строя; частично проблема решается за счёт напыления карбида титана и других веществ.

Такой инструмент может пригодиться:

для чистовой обработки;
для чистовых и получистовых манипуляций;
под выборку;
под раскрой;
для контурной обработки различных изделий;
для фрезерования металла и пластика на высоких скоростях;
для обработки предварительно термообработанных материалов.

Твёрдосплавные фрезы с пластинами позволяют фрезеровать:

пазы серьёзной глубины;
полностью открытые пазы;
уступы различной сложности.

Дисковые изделия такого рода могут быть отрегулированы по ширине.

Но закрытые пазы обрабатывать нельзя. Отвод стружки серьёзно затруднён.

Твёрдосплавные фрезы могут неплохо использоваться и по дереву. Обычно такие изделия имеют сборное исполнение; стандартная для иностранной продукции маркировка — HSS.

Разумеется, на инструмент из твёрдого сплава разработан специализированный ГОСТ 18372. Он действует с 1973 года, но в целом не потерял своей актуальности. По стандарту предусматривается использование как цельных конструкций, так и изделий со сборным хвостовиком. Различаются праворежущие и леворежущие фрезы такого рода; нормируются и линейные показатели, и общее число зубьев.

Важную роль играет специфика материала. Есть три основные группы:

вольфрам-кобальт;
титан-вольфрам;
вольфрам-титан-тантал.

Сплав вольфрама и кобальта всегда прочен. Однако всё же он имеет самую малую крепость среди всех твёрдосплавных вариантов. Стойкость к нагреву составляет всего лишь 800 градусов.

Чаще всего такие сплавы применяют в обработке хрупких металлов и ряда неметаллических веществ.

Сочетание титана и вольфрама прогревается как минимум до 1000 градусов без потери качества и имеет отличную прочность; его можно применять, чтобы быстро фрезеровать распространённые сорта чугуна и стали.

Есть и ещё более прочные сплавы. Объединение танталового, титанового и вольфрамового карбидов позволяет заметно сократить подверженность крошению. Восприимчивость к вибрациям тоже уменьшается. Подобные модели пригодны для черновых манипуляций:

с отливками;
поковками из стали;
сплавами (в том числе сталями), которые трудно обработать другими методами.

Концевые твёрдосплавные фрезы обычно изготавливаются из сталей категории ВК. Строго нормируется не только степень износа зуба, но и значение конуса инструмента в целом (показатель конусности, как его часто называют в документации и в описаниях). Отвод стружки может иметь верхнее и нижнее направление — оба варианта соответствуют технической норме. Варьируется изначальная величина зуба.

Довольно широко применяется отрезная фреза 2х10х50 и других размеров. Она нужна, чтобы работать именно со сталями средней плотности и с чугунами. Допускается использование как на простом станочном оборудовании, так и на системах ЧПУ. С помощью подобных изделий можно:

нарезать заготовки на части;
дорабатывать их;
прокладывать канавки.

Солидная часть ассортимента представлена всегда цельными (монолитными) фрезами. С их помощью обрабатываются заготовки из разнородных материалов и в самой разной геометрической конфигурации. Но и шпоночная разновидность тоже находит широкое применение. Основная сфера их использования — формирование различных технологических выемок. Можно добиться самых разных режимов резания без лишних проблем.

Шпоночные фрезы активно использует машиностроение во всех своих отраслях. Трудно назвать тот вид специализированной металлообработки, где без них можно обойтись. Но и производство бытовой аппаратуры, коммунальной техники тоже часто подразумевает использование шпоночных инструментов. Их, разумеется, применяют и в частных, домашних мастерских, а не только на крупных заводах.

Обычно частные заказчики выбирают недорогие изделия массового класса, которые служат недолго, но зато вполне доступны.

Корончатая группа инструментов также, безусловно, заслуживает внимания.

К сведению: в ряде источников их ещё называют кольцевыми фрезами.

Достаточно нескольких секунд, чтобы с их помощью получить в металлической заготовке отверстие существенного диаметра и притом большой глубины. Что немаловажно, многократно понижается расход энергии, что сразу положительно отразится на экономических показателях при работе.

Основные достоинства:

прорез отверстия идёт точно по контуру, что и позволяет экономить драгоценную энергию;
можно добиться отличной шероховатости внутреннего объёма в канале;
пригодность для работы на токарном станке;
высокая площадь соприкосновения с обрабатываемым материалом;
отличный уровень производительности;
повышенная точность манипуляций;
сравнительно малая шумность;
сочетаемость со многими другими инструментами в формате многоинструментальной обработки.

Довольно часто продаются фрезы с механическим креплением пластин из твёрдого сплава. Обычно они имеют кольцевое исполнение. Присоединение пластинки через намеченное отверстие производится как винтами, так и штифтами. Но могут встречаться и торцевые варианты инструмента. Весомая разница между ними часто заключается в количестве граней у используемых пластин; альтернативное название — фреза со вставляемыми ножами.

В завершение стоит рассмотреть конусные фрезы формата «кукуруза». Отличие от предыдущего варианта состоит в том, что рабочие пластины ставятся в несколько рядов. Разумеется, это позволяет обрабатывать материал сразу на существенную глубину.

Подобное решение становится идеальным для высокопроизводительных черновых проходов, минимизирующих потребность в чистовой обработке.

Корпусные «кукурузы» находят широкое применение в тяжёлых механических операциях для нужд:

авиа и ракетостроения;
судостроения;
производства локомотивов и вагонов;
получения штампов, пресс-форм.

Сравнение с другими типами

В промышленных работах твёрдые сплавы демонстрируют существенное отличие от других видов, в том числе от быстрорежущих марок. Разумеется, у тех есть свои области применения, но даже в специфических сферах «твёрдосплав» вполне выгоден. Карбид вольфрама, который настолько распространён, что уже стал неформальным синонимом термина «твёрдый сплав», позволяет:

исключить налипание стружки в процессе работы;
выполнять манипуляции достаточно точно;
справляться с самыми грубыми и трудными материалами.

Но совсем вытеснить другие варианты твёрдосплавный инструмент вряд ли сумеет. Все его технологические преимущества изрядно обесцениваются высокой стоимостью. При диаметре 15 мм и выше быстрорежущие соединения оказываются экономически эффективнее.

Стоит отметить, что есть и другие примеры, когда твёрдый сплав проигрывает. Так, для ногтевого сервиса однозначно лучше керамическая фреза.

Особенности эксплуатации

Среди режимов резания очень большое значение имеет его скорость. Термопласты, а также различные виды древесины обрабатываются с темпом от 300 до 500 м за минуту. Для прочих материалов ситуация такая:

бронза – 90-150;
латунь – 130-320;
поливинилхлорид – от 100 до 250;
алюминиевые сплавы – от 200 до 450 м.

Но знать, как быстро работать — это ещё далеко не всё. Крайне нежелательно работать с максимально высокими темпами кручения инструмента и шпинделя (если только это не предписано напрямую технологией). Иначе гарантировать безопасность никак не получится.

Чтобы ослабить потерю 10-15% скорости от максимума, можно иногда ставить фрезу чуть большего по сравнению с расчётным диаметра. Но подобные эксперименты могут проводить лишь профессионалы, изучившие как следует использование конкретного инструмента и станочного парка.

Оптимальные значения подачи на каждый зуб нормируются производителем. Если вынужденно используется инструмент сомнительного происхождения, без документации, то лучше ограничиться значениями от 0,1 до 0,25 мм. В крайнем случае прямо по ходу прореза станет ясно, что нужно скорректировать настройки. Обязательно следует иметь в мастерской или при цехе станок для заточки твёрдосплавных фрез. На нём используют круги с алмазным напылением или на основе зелёного карбида кремния – все прочие варианты не справятся с такой задачей.

Вот ещё несколько рекомендаций:

брать для мягких материалов инструмент с крупнозернистым составом;
по возможности разделять операции черновой и чистовой проходки для лучшего контроля результата;
выбор инструмента диктуется ещё и соображениями максимальной сохранности обрабатываемой поверхности;
положительное направление спирали подходит лишь для заготовок с надёжной фиксацией;
по возможности следует организовывать отвод тепла от применяемого инструмента;
наиболее перспективной технологией охлаждения является так называемый промышленный туман.

Подробнее о других видах твердосплавных фрез вы сможете узнать из видео ниже.

Читайте также: