Классификация режущего инструмента: основные виды, назначение и выбор

Режущий инструмент — это инструмент, рабочая часть которого удаляет слой материала, разделяет заготовку или формирует требуемую поверхность посредством резания. К этой группе относятся токарные резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, протяжки, метчики, плашки, пилы, абразивные круги и некоторые виды ручного инструмента.

Единой классификации, которая делила бы весь режущий инструмент только на несколько универсальных классов, не существует. В производстве его одновременно классифицируют по назначению, способу обработки, количеству режущих кромок, конструкции, материалу рабочей части, направлению движения и типу обрабатываемого материала.

Для предприятия правильный выбор инструмента влияет не только на точность детали и производительность оборудования. Неподходящая геометрия, изношенная кромка или неверный режим резания могут усиливать шум, вибрацию, образование металлической пыли и аэрозолей смазочно-охлаждающих жидкостей. Фактические параметры рабочей зоны при необходимости подтверждают через измерение физических факторов и лабораторный контроль воздуха.

Как классифицируют режущий инструмент

Основная классификация режущего инструмента строится по выполняемой технологической операции. Один и тот же инструмент дополнительно относят к определенной группе по конструкции, материалу, числу режущих элементов и способу установки.

Например, концевая фреза одновременно является:

• машинным инструментом;

• многолезвийным инструментом;

• вращающимся инструментом;

• инструментом для фрезерования;

• цельным или сборным инструментом — в зависимости от конструкции;

• быстрорежущим или твердосплавным — в зависимости от материала рабочей части.

Поэтому при выборе недостаточно знать только название инструмента. Нужно учитывать всю совокупность его характеристик и параметры конкретной операции.

Какие виды режущего инструмента применяют в металлообработке

Виды режущего инструмента для металлообработки удобнее всего рассматривать по технологическому назначению.

Каждая группа включает множество разновидностей. Например, токарные резцы бывают проходными, подрезными, расточными, канавочными, отрезными, резьбовыми и фасонными. Фрезы делятся на цилиндрические, торцевые, дисковые, концевые, угловые, шпоночные и другие.

Что относится к токарному режущему инструменту

Токарный резец обычно имеет одну основную рабочую режущую часть и предназначен для обработки заготовки, вращающейся в шпинделе станка. Сам резец при этом закрепляется в резцедержателе и получает продольную, поперечную или комбинированную подачу.

По назначению токарные резцы подразделяют на:

• проходные — для обработки наружных цилиндрических и конических поверхностей;

• подрезные — для обработки торцов и уступов;

• расточные — для внутренних поверхностей и отверстий;

• отрезные — для отделения готовой детали от заготовки;

• канавочные — для получения наружных и внутренних канавок;

• резьбовые — для нарезания наружной или внутренней резьбы;

• фасонные — для формирования поверхности заданного профиля.

Резец может быть цельным, оснащенным напаянной пластиной либо механически закрепляемой сменной режущей пластиной. В серийном производстве сборная конструкция часто удобнее, поскольку позволяет заменить изношенную пластину без замены всего корпуса.

Какие бывают фрезы

Фреза — это многолезвийный вращающийся режущий инструмент. Во время работы ее зубья последовательно входят в контакт с заготовкой и снимают материал.

По форме и назначению различают:

• цилиндрические фрезы для обработки плоскостей;

• торцевые фрезы для производительной обработки широких поверхностей;

• концевые фрезы для пазов, уступов, карманов и контуров;

• дисковые фрезы для пазов, прорезей и отрезных операций;

• угловые фрезы для наклонных поверхностей и канавок;

• фасонные фрезы для получения заданного профиля;

• шпоночные фрезы для шпоночных пазов;

• модульные и червячные фрезы для обработки зубчатых колес.

По конструкции фрезы бывают цельными, составными, сборными и оснащенными сменными пластинами. При выборе учитывают диаметр, число зубьев, способ крепления, направление вращения, геометрию режущей части и допустимые режимы.

Чем отличаются сверло, зенкер и развертка

Сверло, зенкер и развертка работают с отверстиями, но решают разные технологические задачи.

Сверло формирует отверстие в сплошном материале. Полученная поверхность обычно требует дополнительной обработки, если необходимо обеспечить повышенную точность или малую шероховатость.

Зенкер обрабатывает уже существующее отверстие, увеличивает его диаметр, исправляет форму и подготавливает поверхность к последующей чистовой операции.

Развертка снимает небольшой припуск и используется для окончательной обработки отверстия. Ее применяют, когда требуется точнее выдержать диаметр и улучшить качество поверхности.

Нельзя заменять один инструмент другим только потому, что их диаметры совпадают. Их геометрия, число зубьев, величина снимаемого припуска и назначение различаются.

Как режущий инструмент разделяют по способу обработки

По характеру удаления материала можно выделить лезвийный и абразивный инструмент.

Лезвийный инструмент

Лезвийный инструмент имеет одну или несколько геометрически определенных режущих кромок. К нему относятся:

• резцы;

• сверла;

• фрезы;

• протяжки;

• развертки;

• зенкеры;

• метчики;

• плашки;

• ножовочные полотна и пилы.

Положение и форма каждой режущей кромки задаются конструкцией инструмента.

Абразивный инструмент

В абразивном инструменте резание выполняется большим количеством абразивных зерен. Каждое зерно действует как небольшой режущий элемент, однако их положение и форма не определены так же строго, как у зубьев фрезы или режущей пластины.

К этой группе относятся:

• шлифовальные круги;

• абразивные отрезные круги;

• шлифовальные ленты;

• бруски;

• головки;

• сегменты;

• хонинговальные инструменты.

Абразивную обработку применяют для отрезки, шлифования, заточки, зачистки и финишной доводки поверхностей.

Как классифицируют инструмент по числу режущих кромок

По числу одновременно сформированных режущих элементов инструмент делят на однолезвийный и многолезвийный.

Однолезвийный инструмент

К нему прежде всего относят токарные и строгальные резцы. Основную работу выполняет одна режущая часть, геометрия которой подбирается под материал и характер обработки.

Преимущество такой конструкции — возможность точно задавать форму рабочей части и контролировать условия резания. Недостаток — нагрузка концентрируется на одной кромке.

Многолезвийный инструмент

Многолезвийный режущий инструмент имеет несколько зубьев или кромок. К нему относятся фрезы, сверла, развертки, зенкеры, протяжки, пилы и метчики.

Наличие нескольких режущих элементов позволяет распределять работу, но требует контроля биения, равномерности нагрузки и состояния каждого зуба. Повреждение одного элемента может ухудшить качество всей операции.

Какие бывают режущие инструменты по конструкции

Конструкция определяет ремонтопригодность, точность, стоимость эксплуатации и порядок замены рабочей части.

Цельный инструмент

Корпус и режущая часть выполнены как одно целое из одного материала. Так изготавливают многие сверла, метчики, развертки, небольшие фрезы и ручные инструменты.

Цельная конструкция отличается жесткостью и сравнительно простой эксплуатацией. После износа инструмент перетачивают либо заменяют.

Составной инструмент

Рабочую часть соединяют с корпусом неразъемным способом. Распространенный пример — резец с напаянной твердосплавной пластиной.

Такая конструкция позволяет использовать дорогой инструментальный материал только в режущей зоне, а корпус изготовить из более доступной стали.

Сборный инструмент

Режущие элементы закрепляются механически и могут заменяться. К этой группе относятся резцы и фрезы со сменными многогранными пластинами.

При износе кромки пластину поворачивают другой стороной либо заменяют. Корпус инструмента продолжает использоваться, если он не поврежден и сохраняет требуемую геометрию.

Модульный инструмент

Инструмент собирают из нескольких взаимозаменяемых элементов: хвостовика, удлинителя, державки, адаптера, режущей головки. Модульная система позволяет менять рабочую длину и конфигурацию без приобретения отдельного полного комплекта под каждую операцию.

Из каких материалов изготавливают режущий инструмент

Материал рабочей части должен сохранять твердость, прочность и износостойкость при механической и тепловой нагрузке.

Инструментальные стали

Углеродистые и легированные инструментальные стали используют преимущественно для ручного инструмента, простых операций и работы при сравнительно невысокой температуре режущей кромки.

Из них могут изготавливаться напильники, ножовочные полотна, метчики, плашки, развертки и другие инструменты.

Быстрорежущая сталь

Быстрорежущая сталь сочетает прочность, вязкость и способность сохранять режущие свойства при нагреве. Она широко применяется для сверл, фрез, метчиков, протяжек и другого сложнопрофильного инструмента.

Такие инструменты допускают переточку и подходят для операций, где важна устойчивость к ударным или переменным нагрузкам.

Твердые сплавы

Твердосплавный режущий инструмент обладает высокой твердостью и износостойкостью. Его применяют в виде цельных изделий, напаянных элементов и сменных пластин.

Твердые сплавы позволяют вести обработку производительнее, чем многие инструменты из быстрорежущей стали, но могут быть чувствительнее к ударам, вибрации и недостаточно жесткому закреплению.

Режущая керамика

Керамические пластины применяют для высокопроизводительной обработки некоторых сталей, чугунов и жаропрочных материалов. Они сохраняют рабочие свойства при значительном нагреве, но требуют устойчивого оборудования и правильно выбранного режима.

Сверхтвердые материалы

К сверхтвердым инструментальным материалам относятся поликристаллический алмаз и кубический нитрид бора.

Алмазный инструмент используют для обработки цветных металлов, композитов, графита и неметаллических материалов. Для обычной обработки сталей алмаз подходит не всегда из-за особенностей взаимодействия материалов при высокой температуре.

Кубический нитрид бора применяют для обработки закаленных сталей, твердых чугунов и других материалов, требующих высокой износостойкости режущей части.

Как классифицируют ручной режущий инструмент

Ручной режущий инструмент приводится в действие непосредственным усилием работника либо ручной машиной.

По выполняемой операции выделяют:

• ножи и резаки;

• ножницы;

• ножовки;

• стамески;

• долота;

• зубила;

• напильники и надфили;

• труборезы;

• стеклорезы;

• ручные метчики и плашки;

• сменные лезвия и полотна для механизированного инструмента.

Классификация ручного инструмента не ограничивается режущей группой. Помимо нее существуют ударные, зажимные, монтажные, измерительные и другие инструменты. Поэтому запрос «классификация инструмента» шире, чем классификация режущего инструмента.

При эксплуатации ручного режущего инструмента проверяют состояние рабочей кромки, рукоятки, защитных элементов и крепления сменных частей. Тупой или поврежденный инструмент может требовать большего усилия и повышать вероятность срыва с обрабатываемой поверхности.

Как выбрать режущий инструмент для металлообработки

Выбор режущего инструмента начинается с технологической операции, а не с марки пластины или диаметра фрезы.

Нужно последовательно определить следующие параметры.

Вид операции

Сначала устанавливают, что требуется выполнить:

• черновую или чистовую обработку;

• точение;

• фрезерование;

• сверление;

• растачивание;

• нарезание резьбы;

• отрезку;

• шлифование;

• обработку паза, уступа или фасонной поверхности.

Инструмент для чернового снятия большого припуска может быть непригоден для финишного прохода.

Материал заготовки

Сталь, нержавеющая сталь, чугун, алюминиевые сплавы, медь, титан, пластмасса и композиты отличаются твердостью, пластичностью, теплопроводностью и характером образования стружки.

Материал влияет на:

• материал режущей части;

• геометрию кромки;

• форму стружколома;

• покрытие;

• подачу;

• скорость резания;

• применение смазочно-охлаждающей жидкости.

Фраза «режущий инструмент по металлу» слишком общая для технического подбора: инструмент для алюминия может существенно отличаться от инструмента для закаленной стали.

Состояние оборудования

Нужно учитывать мощность, частоту вращения, жесткость станка, состояние шпинделя, тип крепления и возможность стабильной подачи.

Высокопроизводительный инструмент не даст ожидаемого результата при недостаточной жесткости системы «станок — приспособление — инструмент — заготовка». Вместо повышения производительности могут возникнуть вибрация, сколы и ускоренный износ.

Требования к детали

При выборе учитывают:

• требуемый размер;

• допуск;

• шероховатость;

• форму поверхности;

• глубину отверстия или паза;

• устойчивость тонкостенной детали;

• допустимое образование заусенцев;

• необходимость повторяемости в серии.

Условия охлаждения и удаления стружки

Важно определить, будет ли обработка выполняться с подачей смазочно-охлаждающей жидкости, минимальным смазыванием или без охлаждения.

Также оценивают возможность удаления стружки. Ее повторное попадание в зону резания ухудшает поверхность, повышает нагрузку и может повреждать инструмент.

Если при металлообработке образуются аэрозоли смазочно-охлаждающих жидкостей, металлическая пыль или другие вещества, их содержание в воздухе проверяют через измерение химических факторов.

Что влияет на ресурс режущего инструмента

Ресурс инструмента — это период его работы до достижения установленного критерия затупления, износа или потери работоспособности. Его нельзя определять только календарным сроком.

На фактический ресурс влияют:

• материал и твердость заготовки;

• материал режущей части;

• скорость резания;

• подача и глубина резания;

• жесткость технологической системы;

• наличие ударной нагрузки;

• биение;

• охлаждение и смазка;

• удаление стружки;

• качество закрепления;

• состояние поверхности заготовки;

• прерывистый или непрерывный характер резания.

Даже одинаковые инструменты на двух станках могут иметь разный ресурс из-за различий в жесткости, настройке, состоянии шпинделя и режимах.

На предприятии ресурс целесообразно учитывать не только по времени работы, но и по количеству обработанных деталей, длине резания, числу отверстий или другой измеримой производственной единице.

Какие виды износа режущего инструмента встречаются чаще

Износ режущего инструмента проявляется постепенно либо приводит к внезапному повреждению рабочей части.

Основные варианты:

• износ по задней поверхности;

• образование лунки на передней поверхности;

• выкрашивание режущей кромки;

• скол пластины или зуба;

• пластическая деформация рабочей части;

• образование нароста на кромке;

• трещины из-за переменной тепловой нагрузки;

• поломка инструмента;

• потеря требуемой геометрии после неправильной заточки.

Признаками износа могут быть ухудшение поверхности, рост усилия резания, изменение формы стружки, появление вибрации, отклонение размера, рост нагрузки на привод и необычный звук.

Продолжать обработку до полного разрушения инструмента экономически не всегда оправданно. Поломка может повредить заготовку, державку, шпиндель, приспособление или соседние режущие элементы.

Как организовать контроль состояния инструмента

Контроль должен быть связан с производственной технологией и интенсивностью использования.

Практический порядок включает:

1. Входной осмотр нового инструмента.

2. Проверку маркировки и соответствия операции.

3. Контроль состояния перед установкой.

4. Учет времени работы или количества обработанных деталей.

5. Периодический осмотр режущих кромок.

6. Фиксацию причин преждевременного износа.

7. Своевременную замену или переточку.

8. Отбраковку поврежденных корпусов, державок и крепежных элементов.

9. Раздельное хранение исправного, затупленного и выбракованного инструмента.

Для серийных операций полезно устанавливать плановую стойкость инструмента и менять его до появления массового брака. Для единичного производства чаще применяют осмотр и оценку по результату обработки.

Какие требования предъявляются к режущему инструменту

Используемый инструмент должен соответствовать станку, обрабатываемому материалу и выполняемой операции.

Перед работой проверяют:

• отсутствие трещин, сколов и деформации;

• состояние режущей кромки;

• правильность заточки;

• надежность закрепления пластин;

• состояние корпуса и хвостовика;

• соответствие размеров посадочному месту;

• допустимую частоту вращения;

• исправность оправки, патрона или державки;

• правильность направления вращения;

• наличие предусмотренных ограждений.

Замену, регулировку и очистку инструмента выполняют после остановки опасных движений оборудования. Стружку не удаляют руками: для этого используют предусмотренные приспособления.

Для металлообрабатывающих предприятий Беларуси требования безопасной эксплуатации конкретизируются в действующих правилах по охране труда, эксплуатационной документации изготовителя оборудования и локальных инструкциях. При изменении станка, оснастки или технологии необходимо проверить, соответствуют ли прежние инструкции фактическим условиям работы.

При необходимости предприятие может заказать разработку документации по охране труда для конкретных профессий, оборудования и операций.

Какие производственные факторы возникают при обработке резанием

Режущий инструмент нельзя рассматривать отдельно от условий на рабочем месте. При металлообработке могут возникать:

• повышенный уровень шума;

• локальная и общая вибрация;

• недостаточная освещенность зоны обработки;

• металлическая и абразивная пыль;

• аэрозоли смазочно-охлаждающих жидкостей;

• неблагоприятный микроклимат;

• движущиеся части оборудования;

• вылетающая стружка и части инструмента;

• загрязнение воздуха продуктами термического разложения жидкостей.

Состав факторов зависит от операции. При сухом шлифовании на первый план может выходить пыль, при работе с охлаждением — аэрозоль, при обработке прерывистых поверхностей — шум и вибрация.

Перечень показателей для конкретного участка определяют с учетом технологии, оборудования, материалов и времени пребывания работников. Инструментальные исследования могут проводиться как отдельные замеры или в рамках производственного контроля.

Если удаление пыли и аэрозолей обеспечивается местными отсосами, важно оценивать не только наличие вентиляции, но и ее фактическую работу. Для этого проводят аэродинамические испытания систем вентиляции.

Какие ошибки допускают при выборе инструмента

Выбирают инструмент только по диаметру

Совпадающий размер не означает одинакового назначения. Различаться могут материал, геометрия, покрытие, число зубьев и допустимый режим.

Используют одну пластину для разных материалов

Универсальные решения существуют, но не всегда обеспечивают оптимальный ресурс и стабильность при обработке материалов с разными свойствами.

Повышают режим без оценки жесткости

Увеличение скорости или подачи при недостаточной жесткости вызывает вибрацию, ухудшение поверхности и сколы.

Не учитывают отвод стружки

Особенно критична эта ошибка при глубоких отверстиях, внутренних канавках и закрытых пазах.

Продолжают работу затупленным инструментом

Рост нагрузки пытаются компенсировать подачей или усилием, хотя требуется замена либо заточка.

Не анализируют повторяющиеся поломки

Если одинаковый дефект возникает систематически, причина может заключаться не в качестве инструмента, а в биении, закреплении, режиме или состоянии станка.

Хранят инструмент без разделения

Контакт режущих кромок друг с другом, влага и загрязнение ускоряют повреждение даже до установки на оборудование.

Как выбрать инструмент без лишних затрат

Рациональный выбор строится не на минимальной цене одной единицы, а на стоимости обработки детали.

При сравнении вариантов учитывают:

• ресурс одной кромки;

• число доступных кромок;

• время замены;

• возможность переточки;

• вероятность брака;

• стабильность размеров;

• нагрузку на оборудование;

• стоимость державки и запасных частей;

• доступность инструмента;

• требования к охлаждению;

• утилизацию использованных пластин и кругов.

Дорогой инструмент может быть экономически оправдан при серийном производстве, если он сокращает машинное время и число замен. Для редких ремонтных операций сложная инструментальная система может, наоборот, не окупиться.

Краткий вывод

Классификация режущего инструмента зависит от того, какой признак используется: назначение, способ обработки, число кромок, конструкция, материал или тип движения. Для металлообработки основными видами являются резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, метчики, плашки, протяжки, пилы и абразивный инструмент.

При выборе нужно учитывать не только размеры инструмента, но и материал заготовки, состояние станка, вид операции, требования к поверхности, режим резания и удаление стружки. Контроль износа и правильное закрепление позволяют снизить количество брака и внеплановых остановок.

Если при обработке металлов необходимо определить уровни шума, вибрации, запыленности, аэрозолей или других факторов, специалисты ООО «Лабораторные измерения и охрана труда» помогут сформировать перечень исследований, выбрать точки контроля, провести измерения вредных факторов производственной среды и оформить протоколы для документации предприятия.

Частые вопросы

Что называется режущим инструментом?

Режущим называется инструмент, рабочая часть которого удаляет материал в виде стружки, абразивных частиц либо разделяет заготовку. К этой группе относятся машинные и ручные инструменты: от токарного резца и фрезы до ножовочного полотна.

Какие основные виды режущего инструмента существуют?

В металлообработке применяют резцы, фрезы, сверла, зенкеры, развертки, протяжки, метчики, плашки, пилы и абразивные инструменты. Внутри каждой группы существуют разновидности для отдельных операций.

Чем однолезвийный инструмент отличается от многолезвийного?

У однолезвийного инструмента основную обработку выполняет одна режущая часть. Типичный пример — токарный резец. У многолезвийного инструмента имеется несколько зубьев или кромок, как у фрезы, сверла, развертки или пилы.

Какой режущий инструмент выбрать для металла?

Сначала нужно определить конкретный металл или сплав, операцию, оборудование, требуемую точность и режим обработки. Универсального инструмента, одинаково эффективного для алюминия, конструкционной стали, нержавеющей стали и закаленной детали, не существует.

Когда нужно менять режущий инструмент?

Инструмент заменяют или перетачивают при достижении установленного износа, ухудшении поверхности, отклонении размеров, росте нагрузки, появлении сколов либо нестабильной работе. Не следует ожидать полного разрушения режущей части.

От чего зависит ресурс инструмента?

Ресурс зависит от материала заготовки и режущей части, скорости, подачи, глубины обработки, охлаждения, жесткости оборудования, качества закрепления и характера резания. Для производственного учета ресурс удобно выражать числом деталей, отверстий или продолжительностью фактической работы.