Jak dobrać narzędzie skrawające do stali, aluminium i tworzyw sztucznych?

Najczęstszy błąd przy doborze narzędzia skrawającego pojawia się jeszcze przed uruchomieniem wrzeciona: ktoś wybiera frez „do metalu”, ustawia obroty podobne do poprzedniego detalu i zakłada, że resztę załatwi korekcja posuwu. Przy prostym prototypie czasem się uda. Przy seryjnej pracy kończy się to narostem na ostrzu, wykruszeniem krawędzi, stopionym tworzywem albo powierzchnią, której nie da się odebrać jako gotowej.

Stal, aluminium i tworzywa sztuczne wymagają nie tylko innych parametrów, lecz także innej geometrii ostrza, liczby rowków wiórowych, powłoki oraz sposobu odprowadzania ciepła. Co więcej, samo określenie „stal” lub „aluminium” nadal jest zbyt ogólne. C45 zachowuje się inaczej niż 42CrMo4 po ulepszaniu cieplnym, EN AW-6082 inaczej niż odlewniczy stop aluminium z dużą zawartością krzemu, a POM nie powinien być obrabiany tak samo jak PA6-GF30.

Dobór trzeba więc rozpocząć od materiału i warunków pracy, a dopiero później od średnicy freza czy maksymalnych obrotów maszyny.

Najpierw materiał obrabiany – stal, aluminium i tworzywo stawiają ostrzu zupełnie inne wymagania

W przypadku stali konstrukcyjnych i stopowych głównymi problemami są siły skrawania, temperatura oraz zużywanie się krawędzi. Przy frezowaniu typowej stali węglowej lub niskostopowej o twardości mniej więcej 180–300 HB rozsądnym wyborem do CNC jest najczęściej frez pełnowęglikowy VHM. Typowa konstrukcja ma cztery lub pięć ostrzy, stosunkowo mocny rdzeń oraz geometrię mniej agresywną niż narzędzia przeznaczone do aluminium.

Dla frezów VHM obrabiających zwykłe i niskostopowe stale punktem startowym może być prędkość skrawania vc około 140–250 m/min. Nie jest to jednak liczba, którą należy bezmyślnie wpisać do każdego programu. Twardość stali, długość wysunięcia narzędzia, szerokość zaangażowania freza i rodzaj operacji potrafią przesunąć bezpieczny zakres bardzo wyraźnie.

Jeżeli detal wykonano ze stali hartowanej powyżej około 45–50 HRC, zwykły uniwersalny frez do stali przestaje być rozsądnym wyborem. Potrzebny jest drobnoziarnisty węglik, odpowiednia geometria i gatunek przeznaczony do materiałów twardych. Przy jeszcze wyższych twardościach zastosowanie mogą znaleźć specjalizowane węgliki, a w określonych operacjach również narzędzia z CBN.

Osobno trzeba traktować stal nierdzewną. Austenityczne gatunki, takie jak 1.4301 czy 1.4404, mają tendencję do umacniania się podczas obróbki i źle znoszą „głaskanie” materiału zbyt małym posuwem. Frez musi ciąć, a nie długo trzeć po powierzchni. Ustawienia sprawdzające się w C45 nie powinny być automatycznie kopiowane do stali nierdzewnej.

Aluminium stawia odwrotny problem. Jest stosunkowo miękkie, pozwala na znacznie większe prędkości skrawania, ale łatwo przykleja się do źle dobranej krawędzi. Powstaje wtedy narost, który pogarsza powierzchnię, zwiększa średnicę roboczą ostrza i w końcu może doprowadzić do jego uszkodzenia.

Dlatego frez aluminiowy ma zazwyczaj:

• 2 lub 3 ostrza zamiast czterech czy sześciu,

• duże przestrzenie na wiór,

• ostrą, dodatnią geometrię,

• gładkie lub polerowane rowki wiórowe,

• niewielkie opory skrawania.

Dla popularnych stopów do obróbki CNC, np. EN AW-6082 czy EN AW-7075, frez VHM przeznaczony do aluminium może pracować orientacyjnie przy vc 300–800 m/min, a narzędzia i centra przygotowane do wysokowydajnej obróbki pozwalają przekroczyć 1000 m/min. Ograniczeniem często nie jest wtedy sam frez, lecz maksymalna prędkość wrzeciona, moc maszyny, oprawka albo możliwość usunięcia ogromnej ilości wiórów.

Nie każdy stop aluminium pozwala jednak na takie samo traktowanie. Stopy odlewnicze z dużym udziałem krzemu są znacznie bardziej ścierne. Przy długich seriach ekonomicznie zaczynają mieć sens PCD, powłoki diamentowe lub narzędzia specjalizowane do aluminium wysokokrzemowego.

Z tworzywami sytuacja komplikuje się jeszcze bardziej. Pod jedną nazwą kryją się materiały tak różne jak POM, PA6, PE-HD, PMMA, PTFE, PEEK czy tworzywa wzmacniane włóknem szklanym.

Przy POM, PE czy wielu niewzmacnianych termoplastach problemem nie jest zużycie narzędzia, lecz temperatura. Tępe ostrze nie odcina materiału, tylko go ugniata i rozgrzewa. Krawędź zaczyna się mazać, wymiar detalu ucieka, a wiór zamiast być czysty robi się ciągliwy i zaczyna owijać się wokół freza.

Dlatego do tworzyw bardzo dobrze sprawdzają się ostre frezy jedno- lub dwuostrzowe, w tym frezy typu O-flute. Przy cienkich płytach trzeba dodatkowo zdecydować o kierunku spirali. Upcut świetnie wyrzuca wióry, ale potrafi podnosić słabo zamocowany arkusz. Downcut dociska materiał do stołu, za to utrudnia usuwanie wiórów i może zwiększać ilość ciepła w szczelinie.

Tworzywa wzmacniane włóknem szklanym lub węglowym to już inna liga. Są silnie ścierne. Standardowe ostrze może nadal wyglądać poprawnie gołym okiem, ale jakość krawędzi detalu szybko spada. Przy większej liczbie części uzasadnione są frezy diamentowe, PCD albo narzędzia projektowane specjalnie do kompozytów.

Materiał ostrza, liczba rowków i powłoka – co naprawdę wybrać

HSS, HSS-E, VHM i PCD nie są czterema kolejnymi poziomami jakości tego samego narzędzia. Każdy materiał ma konkretne miejsce zastosowania.

Stal szybkotnąca HSS oraz HSS-E z dodatkiem kobaltu nadal mają sens w maszynach o małej sztywności, przy niższych prędkościach skrawania, w prostych operacjach oraz tam, gdzie koszt pojedynczego narzędzia jest ważniejszy od czasu cyklu. HSS jest bardziej ciągliwa niż węglik i lepiej znosi pewne uderzenia czy drgania, ale pracuje przy znacznie mniejszych prędkościach.

Jeżeli obrabiarka CNC pozwala wykorzystać wyższe obroty i ma odpowiednią sztywność, VHM – pełny węglik spiekany – jest najczęściej pierwszym wyborem do profesjonalnego frezowania stali i aluminium. Jest sztywny, odporny na temperaturę i pozwala znacznie zwiększyć wydajność. Ma jednak wadę: źle znosi bicie, drgania i przypadkowe uderzenia. Długi frez fi 6 mm wystawiony kilkadziesiąt milimetrów z oprawki można złamać nawet przy pozornie zachowawczych parametrach.

Z tego powodu przed kupowaniem „lepszego” narzędzia trzeba sprawdzić również oprawkę. Bicie rzędu kilku setnych milimetra może wystarczyć, żeby jedno ostrze pracowało znacznie ciężej od pozostałych. Przy małych średnicach sytuacja staje się jeszcze bardziej krytyczna. Drogiego freza nie uratuje dobra powłoka, jeśli uchwyt ER jest zabrudzony, tulejka zużyta albo narzędzie wysunięto dwa razy bardziej, niż wymaga detal.

Do stali często stosuje się powłoki z rodziny AlTiN, TiAlN czy AlCrN. Ich zadaniem jest ograniczenie zużycia i poprawa pracy ostrza w podwyższonej temperaturze. Nie oznacza to jednak, że powlekany frez automatycznie jest lepszy do każdego materiału.

W aluminium sytuacja jest wręcz odwrotna. Bardzo dobrym wyborem jest często niepowlekany, wysoko polerowany VHM. Stosuje się też powłoki projektowane specjalnie do metali nieżelaznych, np. DLC czy wybrane powłoki ograniczające przywieranie materiału. Klasycznego freza do stali z powłoką AlTiN nie należy kupować do aluminium tylko dlatego, że ma tę samą średnicę i jest opisany jako „profesjonalny”.

Liczba ostrzy także wynika z materiału.

Stal: najczęściej 4–6 ostrzy. Więcej krawędzi umożliwia uzyskanie dużego posuwu przy zachowaniu rozsądnego posuwu na ząb. Jest to szczególnie przydatne przy frezowaniu bocznym i wykańczaniu.

Aluminium: zwykle 2–3 ostrza. Wiór jest duży, więc potrzebuje przestrzeni. Frez sześcioostrzowy w głębokim rowku aluminiowym może zapchać się szybciej, niż operator zdąży zareagować.

Tworzywa: często 1–2 ostrza. Przy frezowaniu płyt POM, PE czy PMMA pojedyncze ostrze nie jest rozwiązaniem „amatorskim”. Przy wrzecionach pracujących z wysokimi obrotami pozwala zachować odpowiednio duży wiór na jeden ząb oraz daje dużo miejsca na jego ewakuację.

Trzeba przy tym odróżnić obróbkę zgrubną od wykańczającej. Przy zgrubnej liczy się objętość usuwanego materiału i stabilność procesu. Przy wykańczającej ważniejsza jest mała deformacja narzędzia oraz powtarzalność krawędzi. Nie ma powodu zmuszać jednego freza do obu zadań, jeżeli detal jest wykonywany seryjnie. Często taniej jest użyć jednego narzędzia do zgrubnego usuwania 90–95% materiału i drugiego, mniej obciążonego, do przejścia wykańczającego.

Obroty, posuw i chłodzenie – narzędzie jest dobre dopiero wtedy, gdy pracuje w odpowiednich warunkach

Sam symbol freza nie ustawia procesu. Po wyborze narzędzia trzeba przeliczyć co najmniej prędkość obrotową n, posuw na ząb fz oraz posuw roboczy vf.

Obroty wynikają z prędkości skrawania:

n = (1000 × vc) / (π × D)

gdzie:

• n – prędkość wrzeciona w obr./min,

• vc – prędkość skrawania w m/min,

• D – średnica narzędzia w mm.

Dla freza fi 10 mm pracującego w stali przy vc = 200 m/min wychodzi:

n ≈ 6366 obr./min.

Jeżeli ten sam frez przeznaczony do aluminium ma pracować przy vc = 500 m/min, potrzebne jest już:

n ≈ 15 915 obr./min.

To pokazuje częsty problem małych frezarek. Jeżeli wrzeciono kończy się na 8000 obr./min, nie da się w pełni wykorzystać narzędzia zaprojektowanego do szybkiego frezowania aluminium. Podnoszenie samego posuwu nie rozwiązuje braku prędkości skrawania.

Posuw roboczy oblicza się ze wzoru:

vf = n × z × fz

gdzie z oznacza liczbę ostrzy.

Jeżeli czteroostrzowy frez pracuje przy 6366 obr./min, a producent podaje punkt startowy fz = 0,04 mm/ząb, otrzymujemy:

vf ≈ 1019 mm/min.

Dla trzyostrzowego freza aluminiowego pracującego przy 15 915 obr./min i fz = 0,06 mm/ząb będzie to około:

vf ≈ 2865 mm/min.

Te obliczenia nie zastępują tabeli producenta narzędzia. Pokazują natomiast zależności, które operator powinien rozumieć. Zmniejszenie obrotów o połowę bez proporcjonalnej korekty posuwu zmienia obciążenie ostrza. Podobnie przejście z freza dwuostrzowego na czteroostrzowy przy pozostawieniu identycznego posuwu zmniejsza posuw przypadający na pojedynczy ząb o połowę.

To jedna z rzeczy, które trzeba opanować, zanim zacznie się samodzielnie poprawiać programy na produkcji. Dobrze prowadzony kurs CNC powinien łączyć programowanie z rozumieniem parametrów skrawania, korekcji narzędzia i zachowania maszyny, bo samo wpisanie G-code’u nie wystarcza do ustabilizowania procesu.

Dla praktycznego startu można przyjąć następujące zakresy dla frezowania VHM, pod warunkiem że narzędzie rzeczywiście jest przeznaczone do danego materiału:

• zwykłe i niskostopowe stale: około 140–250 m/min,

• wysokostopowe i trudniej obrabialne stale: często około 100–180 m/min,

• typowe stopy aluminium do obróbki CNC: około 300–800 m/min,

• wysokowydajne frezowanie odpowiednich stopów aluminium: 800–1000 m/min i więcej,

• typowe termoplasty przy odpowiedniej geometrii: często około 150–400 m/min.

To są zakresy startowe, nie gotowy program. Pierwszeństwo mają dane producenta konkretnego freza dla konkretnej grupy materiałowej.

Przy pierwszym przejściu należy obserwować trzy rzeczy: wiór, dźwięk i temperaturę.

Wiór powinien być regularnie odcinany i opuszczać strefę obróbki. Jeżeli aluminium zaczyna przyklejać się do freza, dalsze zmniejszanie posuwu często pogarsza sytuację, bo ostrze zaczyna bardziej trzeć niż ciąć. Trzeba sprawdzić geometrię freza, smarowanie i ewakuację wióra.

W tworzywach objawem problemu jest miękka, rozmazana krawędź, stopiony wiór lub odkształcenie detalu po odpięciu z imadła. Tutaj więcej chłodziwa nie zawsze oznacza lepiej. Bardzo skuteczny bywa silny nadmuch sprężonego powietrza, ponieważ usuwa wiór bez zalewania materiału. Przy tworzywach technicznych trzeba także sprawdzić zalecenia producenta półwyrobu dotyczące chłodziwa i naprężeń wewnętrznych.

Stal wymaga przede wszystkim kontroli temperatury i stabilności krawędzi. W zależności od narzędzia stosuje się chłodziwo, MQL albo obróbkę na sucho. Nie należy jednak przypadkowo zalewać bardzo gorącego freza przerywanym strumieniem chłodziwa. Cykliczne szoki cieplne mogą przyspieszać pękanie krawędzi węglikowej.

Przy aluminium szczególnie irytującym problemem jest ponowne przecinanie wióra. Jeżeli rowek jest głęboki, a chłodzenie lub nadmuch nie usuwa wiórów wystarczająco szybko, nawet poprawnie dobrany frez zacznie pracować gorzej. Pierwszą reakcją nie powinno być automatyczne obniżanie posuwu. Najpierw trzeba przywrócić skuteczną ewakuację wióra.

FAQ – najczęstsze pytania przy wyborze narzędzia

Czy jednym frezem VHM można obrabiać stal i aluminium?
Technicznie często można wykonać przejazd, ale zwykle nie jest to dobry proces produkcyjny. Frez do stali ma inną geometrię i mniejsze przestrzenie wiórowe. W aluminium szybciej pojawi się narost i problem z odprowadzaniem wióra. Do regularnej pracy należy kupić osobne frezy.

Czy większa liczba ostrzy zawsze oznacza szybszą obróbkę?
Nie. Więcej ostrzy pozwala zwiększyć posuw przy tej samej wartości fz, ale jednocześnie zmniejsza przestrzeń na wiór. W stali pięć lub sześć ostrzy może być zaletą. W głębokim rowku aluminiowym sześć ostrzy potrafi być poważnym problemem.

Jaki frez wybrać do aluminium – powlekany czy niepowlekany?
Do typowych stopów aluminium bardzo dobrym punktem wyjścia jest polerowany, niepowlekany frez VHM dwu- lub trzyostrzowy. Przy produkcji seryjnej warto rozważyć DLC, PCD albo inne rozwiązanie przeznaczone konkretnie do metali nieżelaznych. Powłoka zaprojektowana do stali nie staje się automatycznie dobrym wyborem do aluminium.

Czy HSS ma jeszcze sens przy CNC?
Tak, ale w ograniczonych zastosowaniach. Jest tańsza i bardziej odporna na udary, jednak wymaga znacznie niższych prędkości skrawania niż węglik. Przy seryjnym frezowaniu na sztywnym centrum CNC VHM najczęściej daje zdecydowanie większą produktywność.

Co jest ważniejsze: obroty czy posuw?
Nie należy ich rozdzielać. Obroty wynikają z prędkości skrawania, a posuw powinien zapewniać odpowiednie obciążenie każdego ostrza. Podnoszenie obrotów bez zwiększenia posuwu prowadzi do zmniejszenia grubości wióra i może zmienić skrawanie w tarcie.

Dlaczego tworzywo topi się podczas frezowania mimo małej głębokości skrawania?
Najczęściej problemem jest tępe ostrze, zbyt mały posuw na ząb, brak miejsca na wióry albo ponowne przecinanie gorącego wióra. Zmniejszenie posuwu może jeszcze pogorszyć sytuację. Najpierw trzeba sprawdzić ostrość freza i ewakuację wióra.

Czy sprężone powietrze wystarcza zamiast chłodziwa?
Przy wielu tworzywach i przy części operacji w aluminium jest bardzo użyteczne, ponieważ przede wszystkim usuwa wióry. Przy stali wybór chłodzenia zależy od konkretnego narzędzia i procesu. Nie istnieje jedna zasada „zawsze chłodzić” albo „zawsze obrabiać na sucho”.

Od jakich parametrów zacząć pierwszą próbę nowego freza?
Od wartości producenta dla dokładnie tego narzędzia i materiału. Następnie sprawdzić bicie, wysunięcie, sztywność mocowania, obroty wynikające z vc oraz posuw wynikający z fz. Dopiero później zmieniać ap i ae, czyli głębokość oraz szerokość skrawania.

Jeżeli trzeba dobrać narzędzie do nowego detalu, pierwszym krokiem nie jest wybór średnicy freza ani wpisanie obrotów do programu. Najpierw trzeba ustalić dokładny gatunek materiału, jego twardość lub stan dostawy i charakter operacji: rowek, frezowanie boczne, zgrubne czy wykańczające. Następnie wybiera się geometrię i materiał ostrza, a z danych konkretnego narzędzia wylicza obroty oraz posuw. Jeżeli obecny proces jest niestabilny, w pierwszej kolejności należy usunąć bicie narzędzia i problem z ewakuacją wióra. Korekcja parametrów na źle zamocowanym albo zapychającym się frezie zwykle tylko przesuwa moment awarii.