Narzędzia skrawające: rodzaje, budowa i jak wybrać odpowiednie

Obrabiarka może mieć najlepsze sterowanie i najsztywniejszą konstrukcję, ale całą realną pracę w materiale wykonują narzędzia skrawające: noże tokarskie, frezy, wiertła i piły. W tym przewodniku porządkujemy rodzaje narzędzi, ich budowę i materiały, z których powstają, a na koniec podpowiadamy, jak wygląda rozsądny wybór narzędzi skrawających do konkretnej operacji i co oferuje dzisiejszy rynek.

Obróbka skrawaniem i podstawowe narzędzia skrawające

Obróbka skrawaniem polega na oddzielaniu warstwy materiału ostrzem w postaci wióra, aż przedmiot osiągnie wymagany kształt, wymiar i chropowatość. Każde ostrze, od najprostszego wiertła po wieloostrzowe narzędzia skrawające z wymiennymi płytkami, pracuje na tej samej zasadzie: klin wciskany w materiał z odpowiednią prędkością i posuwem. Różnice zaczynają się w geometrii, liczbie ostrzy i sposobie mocowania, i to one definiują podstawowe narzędzia skrawające używane w warsztatach.

Najprościej podzielić je według operacji. Operacje skrawające na tokarce obsługują noże tokarskie, frezowanie to domena frezów i głowic, obróbka otworu należy do wierteł, rozwiertaków i gwintowników, a cięcie materiału na odcinki wykonują piły. Bardziej wyspecjalizowane operacje skrawające, jak przeciąganie rowków czy frezowanie obwiedniowe kół zębatych, mają własne, dedykowane narzędzia, ale zasada działania pozostaje identyczna. Do tego dochodzi rozróżnienie na narzędzia jednoostrzowe (nóż tokarski) i wieloostrzowe narzędzia skrawające (frezy, wiertła, piły), w których ostrza pracują na zmianę, dzieląc między siebie ciepło i zużycie. W praktyce wszystkie narzędzia skrawające w nowoczesnym warsztacie łączy jedno: coraz częściej są to narzędzia składane z wymiennymi płytkami zamiast ostrzy szlifowanych na stałe.

Z czego są wykonane narzędzia skrawające: HSS, HSS-E i węglik

O możliwościach ostrza decyduje materiał. Najstarszą grupą są narzędzia skrawające wykonane ze stali szybkotnącej HSS: tanie, odporne na wykruszenia i łatwe do przeostrzenia, ale tracące twardość powyżej ok. 600°C, co ogranicza prędkość skrawania. Odmiana HSS-E z dodatkiem kobaltu znosi wyższe temperatury i lepiej sprawdza się w materiałach trudnoobrabialnych, dlatego wiertła i gwintowniki HSS-E to standard w obróbce stali nierdzewnych. Współczesnym koniem roboczym jest jednak węglik spiekany: narzędzia skrawające wykonane z węglika pracują kilkukrotnie szybciej niż HSS i utrzymują ostrość wielokrotnie dłużej, za cenę większej kruchości i ceny. Szczyt stanowią narzędzia skrawające wykonane z materiałów supertwardych: ceramiki, CBN i diamentu polikrystalicznego, stosowane w obróbce żeliw, hartowanych stali i aluminium na wysokich parametrach.

Drugim składnikiem nowoczesnego ostrza są powłoki: cienkie warstwy TiN, TiAlN czy AlCrN nakładane metodą PVD lub CVD podnoszą twardość powierzchni i odporność termiczną. To dlatego narzędzia skrawające wysokiej jakości niemal zawsze są powlekane, a kolor złoty, fioletowy czy grafitowy zdradza rodzaj powłoki. Nie wszystkie narzędzia skrawające wymagają zresztą węglika i powłok: dobra oferta narzędzi skrawających łączy te materiały tak, by koszt ostrza pasował do operacji.

Narzędzia skrawające składane i płytki skrawające

Największą zmianą ostatnich dekad są narzędzia skrawające składane: korpus z gniazdem, w którym śrubą lub dźwignią mocuje się wymienne płytki skrawające z węglika. Gdy ostrze się stępi, nie trzeba niczego szlifować, wystarczy obrócić płytkę na kolejną krawędź albo wymienić ją na nową, a geometria pozostaje idealnie powtarzalna. Narzędzia składane dominują wszędzie tam, gdzie operacje skrawające muszą być powtarzalne i szybkie: od tokarek produkcyjnych po wielkie centra obróbcze.

Płytki wieloostrzowe

Płytki wieloostrzowe mają kilka krawędzi skrawających na jednej sztuce: trójkątna płytka TNMG daje 6 krawędzi (po 3 na stronę), kwadratowa SNMG nawet 8. Oznaczenie płytki według ISO 1832 koduje kształt, kąt przyłożenia, tolerancję i łamacz wióra, dzięki czemu płytka jednego producenta pasuje do gniazda innego. W efekcie wieloostrzowe narzędzia skrawające liczy się dziś kosztem na krawędź, a nie ceną sztuki, i to często przesądza o rachunku ekonomicznym całej operacji.

Designed by Magnific

Noże tokarskie

Nóż tokarski to najprostsze koncepcyjnie narzędzie: jedno ostrze prowadzone wzdłuż obracającego się przedmiotu. Budowa noża tokarskiego obejmuje chwyt (część mocowaną w imaku), część roboczą oraz ostrze z powierzchnią natarcia i przyłożenia; w wersji składanej dochodzi gniazdo i płytka. Pozorna prostota kryje jednak całą rodzinę odmian i własny system określenia noży tokarskich. Poniżej najważniejsze rodzaje noży tokarskich i ich budowa.

Rodzaje noży tokarskich

Podstawowe rodzaje noży tokarskich to noże zdzieraki do obróbki zgrubnej, wykańczaki do ostatnich przejść, noże przecinaki do odcinania, wytaczaki do obróbki otworów od środka oraz noże do gwintów i rowków. Starsze określenia noży tokarskich według PN (NNZa, NNBk itd.) opisują noże ze stali szybkotnącej i lutowanymi płytkami, wciąż spotykane w szkołach i przy pracach jednostkowych; te określenia noży tokarskich nadal funkcjonują w starszych katalogach.

Noże tokarskie składane i noże tokarskie z płytką

Współczesny standard to składane noże tokarskie: budowa noża tokarskiego składanego jest modułowa (korpus, podkładka, płytka i element mocujący), a całość opisuje kod w systemie ISO (np. MCLNR 2525 M12) plus płytka dobrana do materiału i operacji. Noże tokarskie z płytką wieloostrzową łączą sztywność korpusu z ekonomią wymiennych krawędzi, a ten sam korpus obsłuży stal, nierdzewkę i aluminium, wystarczy zmienić gatunek płytki i łamacz wióra. To dlatego składane noże tokarskie wyparły wersje lutowane z produkcji seryjnej niemal całkowicie.

Frezy trzpieniowe i głowice frezarskie

Frezowanie to praca ostrzy rozmieszczonych na obwodzie obracającego się narzędzia; frezy i głowice to wieloostrzowe narzędzia skrawające, w których krawędzie wchodzą w materiał na zmianę. Podstawowe narzędzia skrawające tej grupy dzielą się na monolityczne i składane. Frezy trzpieniowe, czyli monolityczne frezy z chwytem walcowym, to najbardziej uniwersalna grupa: walcowo-czołowe do konturów i kieszeni, promieniowe do zaokrągleń, kuliste do obróbki 3D form i matryc. Węglikowe frezy trzpieniowe o średnicach od ułamka milimetra do ok. 20-25 mm pokrywają większość pracy, jaką wykonuje frezarka CNC w typowym zakładzie.

Do większych powierzchni wkraczają głowice frezarskie: korpusy o średnicach od 40 do kilkuset milimetrów z gniazdami na kilka lub kilkanaście płytek. Głowice frezarskie do planowania zbierają szeroką warstwę w jednym przejściu, głowice narożne frezują pod kątem 90°, a wersje z płytkami okrągłymi radzą sobie z obróbką zgrubną form. Tu ekonomia płytek działa najmocniej: obróbka większych przedmiotów głowicą z ośmiokrawędziowymi płytkami kosztuje narzędziowo ułamek tego, co frez monolityczny o podobnej średnicy.

Wiertła do metalu i obróbka otworu

Obróbka otworu to statystycznie najczęstsza operacja w obróbce skrawaniem, a wiercenie otworów potrafi zajmować większość czasu programu. Podstawowe narzędzia skrawające do otworów to klasyczne wiertła do metalu: kręte, ze stali szybkotnącej lub węglika, to najpowszechniejsze narzędzie skrawające dostępne w każdym warsztacie. Pokrywają zakres od ułamków milimetra do ok. 20 mm; powyżej wchodzą wiertła składane z płytkami i wiertła rurowe (koronowe), które zamiast rozwiercać cały przekrój wycinają pierścień, oszczędzając moc przy dużych średnicach. Wiertła rurowe to standard przy otworach powyżej 30-40 mm w grubych blachach i konstrukcjach stalowych.

Sama obróbka otworu rzadko kończy się na wierceniu: dokładność podnosi rozwiercanie rozwiertakiem, gwint wykonuje gwintownik lub frez do gwintów, a fazowanie i pogłębianie porządkują krawędzie. W programach CNC wiercenie otworów obsługują cykle stałe G81 do G83, które opisaliśmy w artykule o kodzie G; wiercenie otworów głębokich wymaga cyklu z wycofaniem wióra, inaczej wiór zablokuje rowki wiertła.

Piły tarczowe i piły taśmowe

Zanim detal trafi na obrabiarkę, materiał trzeba przyciąć. Piły taśmowe, z zamkniętą taśmą tnącą prowadzoną po kołach, to podstawowe maszyny do cięcia prętów, rur i profili: tną wolno, ale tanio i z małym rzazem. Piły tarczowe, z wieloostrzową tarczą stalową lub z płytkami węglikowymi, dają szybsze i dokładniejsze cięcie, częste w liniach do cięcia aluminium i automatach podających. Obie grupy to też wieloostrzowe narzędzia skrawające w czystej postaci: dziesiątki zębów dzielą między siebie pracę, a stępienie kilku z nich nie zatrzymuje cięcia. Przy obróbce większych przedmiotów przycięcie materiału blisko wymiaru gotowego potrafi zaoszczędzić godziny frezowania.

Narzędzia pomiarowe

Choć nie skrawają, narzędzia pomiarowe są nieodłącznym uzupełnieniem warsztatu: suwmiarki, mikrometry, średnicówki i sprawdziany do gwintów potwierdzają, że ostrze zrobiło swoje. W obróbce CNC dochodzą sondy narzędziowe, mierzące długość i promień narzędzia wprost na maszynie, oraz sondy przedmiotowe do ustawiania zera. Zużyte ostrze najpierw widać właśnie na pomiarach: rosnący wymiar i pogarszająca się chropowatość powierzchni to typowy sygnał do wymiany płytki.

Designed by Magnific

Wybór narzędzi skrawających: markowe czy ekonomiczne

Rynek narzędzi skrawających jest dziś ogromny i mocno rozwarstwiony. Segment premium tworzą globalni producenci, tacy jak Sandvik Coromant, Kennametal, Iscar czy Walter: ich oferta narzędzi skrawających obejmuje dziesiątki tysięcy pozycji, doradztwo technologiczne i gatunki płytek pod konkretne materiały. Środek rynku to solidni producenci, jak turecki Akko, oferujący składane noże tokarskie, korpusy frezowe i głowice w bardzo dobrym stosunku ceny do jakości. Do tego dochodzą krajowi dystrybutorzy, na przykład DARMET, u których narzędzie skrawające dostępne jest od ręki wraz z częściami zamiennymi, oraz zalew tanich narzędzi z importu o loteryjnej jakości.

Rozsądny wybór narzędzi skrawających rzadko oznacza kupowanie wszystkiego w segmencie premium. Porównując oferty narzędzi skrawających, patrz na koszt krawędzi i trwałość, nie na cenę sztuki. Markowe płytki zwracają się tam, gdzie operacje skrawające trwają długo i idą na wysokich parametrach: w produkcji seryjnej różnica trwałości między płytką za 25 i za 60 zł zwraca się wielokrotnie, bo minuta wrzeciona kosztuje więcej niż płytka. Przy pracach jednostkowych i przerywanych cięciach dobre narzędzia ze średniej półki wystarczają w zupełności. Liczy się też dostępność: przestój z powodu braku płytki kosztuje więcej niż cała oszczędność na jej cenie, dlatego warto standaryzować systemy płytek tak, by wszystkie narzędzia skrawające dostępne były z magazynu, własnego lub dostawcy, w 24 godziny.

Z perspektywy zamawiającego obróbkę narzędzia są niewidoczne, ale ich koszt i czas pracy siedzą w każdej wycenie. W wycenie MetronQ parametry obróbki, a więc pośrednio także dobór narzędzi, przekładają się wprost na cenę detalu; jak cały proces wygląda od środka, opisaliśmy w artykule na czym polega obróbka CNC, a orientacyjne stawki znajdziesz w cenniku.

Jak wybrać odpowiednie narzędzia: najczęstsze pytania

Od czego zacząć wybór narzędzi skrawających do nowej operacji? Od materiału obrabianego i rodzaju operacji: oferty narzędzi skrawających u producentów uporządkowane są od gatunku materiału (P - stal, M - nierdzewna, K - żeliwo, N - aluminium, S - superstopy, H - hartowane) przez typ operacji do konkretnej płytki i parametrów startowych. To pewniejsza droga niż dobieranie "na oko".

HSS czy węglik? Narzędzia skrawające wykonane z węglika wygrywają w produkcji: wyższe parametry i trwałość. HSS i HSS-E bronią się przy pracach ręcznych, wierceniu na wiertarkach, przerywanych cięciach na słabszych maszynach i wszędzie tam, gdzie kruchość węglika jest ryzykiem.

Kiedy opłacają się narzędzia składane zamiast monolitycznych? Od średnic ok. 16-20 mm wzwyż i w operacjach zgrubnych: koszt na krawędź płytki jest wielokrotnie niższy niż przeostrzanie monolitu. Poniżej 10-12 mm i przy obróbce dokładnej monolityczne frezy trzpieniowe pozostają bezkonkurencyjne. Na tokarce składane noże tokarskie są dziś domyślnym wyborem niezależnie od wielkości serii.

Czy wszystkie narzędzia skrawające muszą być markowe? Nie. Markowe płytki i frezy zwracają się na operacjach krytycznych i w seriach; przy pracach pomocniczych wystarczy średnia półka. Ważniejsze, by narzędzie skrawające dostępne było wtedy, gdy jest potrzebne, i by trzymać jeden spójny system płytek.

Ile krawędzi ma płytka skrawająca? Zależnie od kształtu: trójkątne zwykle 6 (dwustronne), kwadratowe do 8, okrągłe umownie 4-8 pozycji obrotu. Im więcej krawędzi, tym niższy koszt na krawędź, ale kształt płytki musi pasować do geometrii operacji.

Po czym poznać, że narzędzie jest zużyte? Po pasku zużycia na powierzchni przyłożenia (typowo wymiana przy VB 0,2-0,3 mm), rosnących siłach i głośniejszej pracy, pogorszeniu chropowatości i uciekających wymiarach. W produkcji seryjnej płytki wymienia się planowo, po ustalonej liczbie sztuk, nie czekając na awarię.