Металлорежущий инструмент

Металлорежущий инструмент — это технологическая оснастка, предназначенная для снятия слоя материала (припуска) с заготовки с целью получения детали заданной формы, размеров и качества поверхности. Является основным рабочим элементом металлорежущих станков (токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных и других) и обрабатывающих центров. Классифицируется по виду обработки, конструктивным особенностям, материалу режущей части и способу крепления.

История

Первые металлорежущие инструменты появились вместе с изобретением токарного станка в Древнем Египте (около III века до н. э.), где использовались резцы из закалённой бронзы. С развитием металлургии в Средние века инструменты начали изготавливать из углеродистой стали. В XIX веке, с началом промышленной революции, возникла потребность в высокопроизводительной обработке, что привело к созданию быстрорежущей стали (HSS) — сплава, сохраняющего твёрдость при нагреве до 600 °C. В 1920-х годах были разработаны твёрдые сплавы (карбид вольфрама в кобальтовой связке), позволившие увеличить скорости резания в 3–5 раз. В середине XX века появились инструменты с режущей керамикой и синтетическими алмазами, а в 1970-х — с покрытиями из нитрида титана (TiN), повышающими износостойкость. Современные разработки направлены на создание многослойных наноструктурированных покрытий и инструментов со сменными многогранными пластинами (СМП).

Классификация

Металлорежущий инструмент классифицируется по нескольким признакам.

По виду обработки

• Токарные резцы: для обработки на токарных станках (проходные, расточные, отрезные, резьбовые).
• Фрезы: для фрезерных станков (цилиндрические, торцевые, концевые, угловые, фасонные).
• Свёрла: для сверления отверстий (спиральные, центровочные, перовые, кольцевые).
• Зенкеры и развёртки: для чистовой обработки отверстий.
• Протяжки: для протяжных станков (внутренние, наружные, шпоночные).
• Метчики и плашки: для нарезания резьбы.
• Шеверы и долбяки: для зубообработки.
• Абразивный инструмент: шлифовальные круги, бруски, ленты (на основе корунда, карбида кремния, алмаза).

По конструкции

• Цельные: изготавливаются из одного материала (например, целиком из быстрорежущей стали или твёрдого сплава).
• Составные: имеют режущую часть (вставку, пластину) и корпус (державку) из разных материалов. Корпус часто изготавливают из конструкционной стали, а режущую часть — из твёрдого сплава.
• Сборные (со сменными многогранными пластинами, СМП): наиболее распространённый тип в современном машиностроении. Режущая часть выполнена в виде многогранной пластины, которая крепится к корпусу механически (винтами, клиньями, рычагами). При затуплении одной грани пластину поворачивают, после полного износа — заменяют.

По материалу режущей части

• Инструментальные стали: углеродистые (У10, У12) — для ручного инструмента; легированные (ХВГ, 9ХС) — для метчиков, плашек; быстрорежущие (Р6М5, Р18) — для фрез, свёрл, резцов.
• Твёрдые сплавы: на основе карбидов вольфрама, титана, тантала в кобальтовой связке (ВК8, Т15К6, ТТ20К9). Обладают высокой твёрдостью и износостойкостью, но хрупки.
• Режущая керамика: оксидная (Al₂O₃), нитридная (Si₃N₄), смешанная. Применяется для высокоскоростной обработки чугуна и закалённых сталей.
• Сверхтвёрдые материалы: синтетические алмазы (для обработки алюминиевых сплавов, цветных металлов) и кубический нитрид бора (CBN, эльбор) — для обработки закалённых сталей (HRC > 45).

Устройство и характеристики

Геометрия режущей части

Любой металлорежущий инструмент характеризуется геометрическими параметрами режущего клина:

• Передний угол (γ): определяет условия схода стружки и деформацию материала.
• Задний угол (α): уменьшает трение между инструментом и заготовкой.
• Угол заострения (β): сумма переднего и заднего углов, определяет прочность режущей кромки.
• Главный угол в плане (φ): влияет на толщину и ширину срезаемого слоя.
• Радиус при вершине (r): повышает прочность вершины и качество обработанной поверхности.

Покрытия

Для повышения стойкости инструмента на его режущую часть наносят износостойкие покрытия методом CVD (химическое осаждение из газовой фазы) или PVD (физическое осаждение из паровой фазы). Наиболее распространённые покрытия:

• TiN (нитрид титана) — золотистый цвет, универсальное применение.
• TiAlN (нитрид титана-алюминия) — синевато-серый цвет, высокая термостойкость (до 800 °C).
• AlTiN (нитрид алюминия-титана) — повышенная твёрдость, стойкость к окислению.
• AlCrN (нитрид алюминия-хрома) — для обработки нержавеющих сталей.
• DLC (алмазоподобное покрытие) — низкий коэффициент трения, для обработки цветных металлов.

Стойкость

Стойкость инструмента — время работы до критического износа (обычно до 0,3–0,5 мм по задней поверхности). Зависит от материала инструмента, режимов резания (скорости, подачи, глубины), свойств обрабатываемого материала и наличия СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости). Для твёрдосплавных пластин стойкость составляет от 15 до 60 минут при оптимальных режимах.

Применение

Металлорежущий инструмент используется во всех отраслях машиностроения: автомобилестроении, авиастроении, судостроении, станкостроении, приборостроении, производстве металлоконструкций. Конкретные примеры:

• Токарные резцы — для обработки валов, втулок, фланцев.
• Концевые фрезы — для фрезерования пазов, уступов, карманов.
• Свёрла — для сверления отверстий под крепёж (болты, винты).
• Метчики — для нарезания резьбы в отверстиях.
• Шлифовальные круги — для финишной обработки поверхностей с высокой точностью (IT5–IT6).

Критерии выбора

При выборе металлорежущего инструмента учитывают:

• Материал заготовки: для стали — твёрдый сплав или HSS; для чугуна — керамика или твёрдый сплав; для алюминия — алмаз или твёрдый сплав с полированной поверхностью.
• Тип обработки: черновая (снятие большого припуска) — инструмент с прочной геометрией; чистовая (высокое качество поверхности) — инструмент с малым радиусом при вершине и острыми кромками.
• Оборудование: жёсткость станка, мощность привода, наличие системы охлаждения.
• Экономическая эффективность: стоимость инструмента, количество переточек (для цельных) или количество граней (для СМП), стойкость.

Интересные факты

• Первый патент на сменную многогранную пластину был получен в 1938 году в США, но массовое применение СМП началось только в 1960-х годах.
• Современные фрезы с керамическими пластинами могут работать на скоростях резания до 3000 м/мин (для чугуна).
• Инструмент с покрытием TiAlN способен выдерживать нагрев до 900 °C, что позволяет работать без СОЖ (сухая обработка).
• Самый массовый металлорежущий инструмент в мире — спиральное сверло из быстрорежущей стали (HSS).

Критика и ограничения

Основные недостатки металлорежущего инструмента:

• Высокая стоимость инструментов из сверхтвёрдых материалов (алмаз, CBN).
• Хрупкость твёрдых сплавов и керамики — требуют стабильных условий резания, без ударов.
• Экологические проблемы: утилизация отработанных пластин с покрытиями, содержащими кобальт и вольфрам; использование СОЖ, требующей очистки.
• Ограниченная стойкость при обработке жаропрочных и титановых сплавов — инструмент изнашивается за 5–10 минут.

Источники

• Грановский Г. И., Грановский В. Г. Резание металлов. — М.: Машиностроение, 1985.
• Семенченко И. И., Матюшин В. М., Сахаров Г. Н. Проектирование металлорежущего инструмента. — М.: Машгиз, 1963.
• Родин П. Р. Основы теории резания металлов. — Киев: Вища школа, 1974.
• Каталоги и технические руководства компаний Sandvik Coromant, Iscar, Mitsubishi Materials, Seco Tools.
• ГОСТ 25751-83 «Инструмент режущий. Термины и определения».