آشنایی با ابزارهای فرزکاری

ابزارهای فرزکاری مجموعه ای از ابزارهای برشی چندلبه هستند که برای براده برداری، ایجاد سطوح صاف، شیارزنی، فرم تراشی و ساخت قطعات پیچیده به کار می روند. در میان متریال های مورد استفاده برای تولید این ابزارها، فولاد تندبر یا HSS به دلیل چقرمگی مناسب، مقاومت سایشی و حفظ سختی در دماهای بالا، جایگاه مهمی در ساخت فرزهای انگشتی، تیغه های فرز و ابزارهای برشی دارد.

شناخت ابزارهای فرزکاری فقط به دانستن نام آن ها محدود نمی شود. برای رسیدن به دقت ابعادی مناسب، سطح نهایی مطلوب و عمر اقتصادی ابزار باید تناسب میان ابزار، دستگاه، قطعه کار و پارامترهای برش برقرار شود. در ابزارهای ساخته شده از HSS، انتخاب گرید مناسب نیز بر مقاومت حرارتی، دوام لبه برنده و عملکرد ابزار اثر مستقیم دارد.

ابزار فرزکاری چیست؟

ابزار فرزکاری نوعی ابزار برشی دوار است که معمولاً چند لبه برنده(دندانه)  دارد. با چرخش ابزار و حرکت نسبی آن نسبت به قطعه، عملیات براده برداری انجام می شود. برخلاف ابزار تراش که اغلب یک لبه اصلی درگیر دارد، ابزار فرز از چند دندانه استفاده می کند و هر دندانه در بخشی از مسیر دوران با قطعه تماس پیدا می کند.

این درگیری متناوب باعث می شود ابزار فرز علاوه بر مقاومت سایشی، به چقرمگی و مقاومت در برابر ضربه نیز نیاز داشته باشد. به همین دلیل، انتخاب جنس ابزار نقش مهمی در عملکرد آن دارد. فولاد تندبرHSS، کاربید سمانته، سرامیک، CBN و PCD از جمله موادی هستند که برای تولید ابزارهای فرزکاری استفاده می شوند.

در ابزارهای عمومی، کارگاه های ابزارسازی و ماشین هایی که صلبیت محدودی دارند، ابزارهای HSS همچنان کاربرد مقرون به صرفه و  قابل توجهی دارند. بررسی قیمت فولاد تندبر پیش از ساخت ابزار، زمانی اهمیت پیدا می کند که تولیدکننده قصد دارد میان هزینه مواد اولیه، قابلیت سنگ زنی، چقرمگی و عمر ابزار تعادل ایجاد کند.

اجزای اصلی ابزارهای فرزکاری

بیشتر ابزارهای فرزکاری از چند بخش اصلی تشکیل شده اند:

• لبه برنده که وظیفه جداسازی براده را بر عهده دارد.
• شیار ابزار که مسیر خروج براده و ورود سیال خنک کننده را فراهم می کند.
• بدنه ابزار که نیروهای برشی را تحمل می کند.
• ساق ابزار که در کولت، سه نظام یا ابزارگیر دستگاه بسته می شود.
• سطح آزاد که از تماس اضافی ابزار با سطح ماشین کاری شده جلوگیری می کند.
• زاویه مارپیچ که بر نحوه خروج براده، میزان لرزش و کیفیت سطح اثر می گذارد.

در ابزارهای اینسرتی، بدنه و لبه برنده از یکدیگر جدا هستند. بدنه ابزار معمولاً از فولاد مقاوم ساخته می شود و اینسرت های قابل تعویض روی آن نصب می شوند. این ساختار امکان تعویض سریع لبه های فرسوده را فراهم می کند و برای تولید صنعتی و تیراژ بالا مناسب است.

انواع ابزارهای فرزکاری بر اساس نوع عملیات

فرز انگشتی

فرز انگشتی یا End Mill یکی از پرکاربردترین ابزارهای فرزکاری است. این ابزار دارای لبه های برنده در محیط و معمولاً در انتهای خود است و می تواند برای شیارزنی، کناره تراشی، کف تراشی محدود و ایجاد فرم های مختلف استفاده شود.

فرزهای انگشتی در مدل های دوپر، سه پر، چهارپر و چندپر تولید می شوند. ابزارهای دوپر فضای بیشتری برای خروج براده دارند و برای ماشین کاری آلومینیوم و مواد نرم مناسب اند. ابزارهای چهارپر استحکام بیشتری دارند و معمولاً برای ماشین کاری فولاد مورد استفاده قرار می گیرند.

فرز کف تراش

فرز کف تراش یا Face Mill برای ایجاد سطوح تخت و وسیع استفاده می شود. قطر این ابزار معمولاً از فرز انگشتی بیشتر است و لبه های برنده آن روی محیط و سطح انتهایی قرار دارند.

در ماشین کاری صنعتی، فرزهای کف تراش اغلب از نوع اینسرتی هستند. انتخاب هندسه اینسرت، زاویه ورود ابزار و تعداد دندانه ها بر توان مصرفی، کیفیت سطح و حجم براده برداری اثر می گذارد.

فرز شیارزن

ابزارهای شیارزن برای ایجاد شیارهای مستقیم، جای خار و کانال های باریک به کار می روند. عرض ابزار باید متناسب با عرض نهایی شیار انتخاب شود، اما در عملیات دقیق ممکن است شیار طی چند مرحله ایجاد شود.

فرزهای شیارزن به شکل انگشتی، دیسکی یا تیغه ای عرضه می شوند. در شیارهای عمیق، تخلیه مناسب براده اهمیت زیادی دارد؛ زیرا تجمع براده می تواند موجب افزایش حرارت، آسیب سطح قطعه و شکست ابزار شود.

فرز بال نوز

فرز بال نوز یا Ball Nose دارای انتهای نیم کروی است و برای ماشین کاری سطوح سه بعدی، قالب ها، حفره ها و قطعات دارای انحنای پیچیده استفاده می شود. این ابزار در دستگاه های CNC و عملیات قالب سازی ، ساخت قالب های تزریق پلاستیک، قالب‌های دایکاست و قطعات هوافضا کاربرد گسترده ای دارد.

سرعت برش موثر در مرکز نوک ابزار بال نوز به صفر نزدیک می شود. به همین دلیل، انتخاب مسیر حرکت، زاویه درگیری و میزان گام جانبی در کیفیت سطح نهایی نقش تعیین کننده دارد.

فرز شیار T

فرز شیار T برای ایجاد شیارهایی با مقطع T شکل استفاده می شود. ابتدا یک شیار مستقیم توسط فرز انگشتی ایجاد می شود و سپس قسمت زیرین شیار با ابزار مخصوص شیار T ماشین کاری می شود.

این ابزار در ساخت میز ماشین آلات، فیکسچرها، تجهیزات مونتاژ و قطعاتی که به اتصال قابل تنظیم نیاز دارند کاربرد دارد.

فرز دم چلچله ای

فرز دم چلچله ای برای ایجاد شیارها و اتصالات زاویه دار استفاده می شود. این ابزارها با زاویه های مشخصی مانند ۴۵، ۵۵ یا ۶۰ درجه تولید می شوند.

اتصالات دم چلچله ای در ساخت راهنماهای ماشین، فیکسچرها، قالب ها و مجموعه های مکانیکی دقیق کاربرد دارند. در استفاده از این ابزار باید از ورود ناگهانی به قطعه جلوگیری شود؛ زیرا شکل ابزار و سطح تماس بالا می تواند نیروی برشی قابل توجهی ایجاد کند.

تیغه فرز دیسکی

تیغه فرز دیسکی یا Side and Face Cutter برای ایجاد شیارهای نسبتاً عمیق، برش قطعات و ماشین کاری سطوح جانبی به کار می رود. لبه های برنده این ابزار روی محیط و دو سطح جانبی قرار دارند.

این ابزار معمولاً روی محور افقی نصب می شود و برای عملیات شیارزنی سنگین و تولیدی مناسب است.

فرز چرخ دنده

فرزهای مدولی و ابزارهای هاب برای تولید دندانه های چرخ دنده استفاده می شوند. در روش فرز مدولی، ابزار متناسب با مدول و تعداد دندانه های چرخ دنده انتخاب می شود.

فرز هاب در فرایند هابینگ به صورت پیوسته با قطعه درگیر است و با حرکت هم‌زمان ابزار و قطعه، پروفیل دندانه را ایجاد می‌کند و  برای تولید چرخ دنده در تیراژ بالا استفاده می شود. دقت ساخت ابزار و کنترل حرکت هم زمان ابزار و قطعه بر کیفیت پروفیل دندانه اثر مستقیم دارد.

فرز رزوه

فرز رزوه یا Thread Mill برای ایجاد رزوه های داخلی و خارجی در دستگاه های CNC استفاده می شود. برخلاف قلاویز، یک فرز رزوه می تواند در محدوده مشخصی برای قطرهای مختلف استفاده شود.

امکان کنترل بهتر براده، تنظیم قطر رزوه و کاهش خطر گیرکردن ابزار از مزایای فرز رزوه است. این روش برای قطعات حساس، رزوه های بزرگ و مواد دشوار ماشین کاری گزینه مناسبی محسوب می شود.

ابزارهای فرزکاری از چه موادی ساخته می شوند؟

جنس ابزار باید با نوع قطعه، سرعت برش، وضعیت دستگاه و تیراژ تولید هماهنگ باشد. مهم ترین مواد مورد استفاده در ساخت ابزار فرز عبارت اند از:

فولاد تندبر

فولاد تندبر یا HSS به دلیل چقرمگی مناسب، قابلیت سنگ زنی، مقاومت در برابر ضربه و حفظ سختی در دماهای بالا در ساخت بسیاری از ابزارهای فرزکاری استفاده می شود.

ابزارهای HSS برای ماشین های دستی، عملیات با سرعت متوسط، برش های منقطع و شرایطی که احتمال لرزش یا ضربه وجود دارد مناسب هستند. بررسی انواع فولاد تندبر نشان می دهد گریدهایی مانند M2، M35 و M42 با توجه به میزان عناصر آلیاژی، مقاومت حرارتی و کاربردهای متفاوتی دارند.

گرید M2 برای ابزارهای عمومی و عملیات متعارف مناسب است. گریدهای M35 و M42 به دلیل داشتن کبالت، سختی گرم و مقاومت بیشتری در برابر سایش دارند و برای ماشین کاری مواد سخت تر استفاده می شوند.

کاربید سمانته

ابزارهای کاربیدی امکان استفاده از سرعت برش بالاتر را فراهم می کنند و مقاومت سایشی بیشتری نسبت به HSS دارند. این ابزارها برای دستگاه های CNC، ماشین های صلب و تولید با تیراژ بالا مناسب اند.

در مقابل، کاربید نسبت به ضربه و لرزش حساس تر است. استفاده از ابزار کاربیدی در دستگاهی که لقی، ارتعاش یا ابزارگیری نامناسب دارد می تواند موجب لب پریدگی و شکست زودهنگام شود.

سرامیک و CBN

ابزارهای سرامیکی و CBN برای ماشین کاری مواد سخت، چدن ها، سوپرآلیاژها و فولادهای سخت کاری شده استفاده می شوند. این ابزارها مقاومت حرارتی بالایی دارند، اما شکننده تر از فولاد تندبر و کاربید هستند.

شرایط برش پایدار، دستگاه صلب و کنترل دقیق پارامترها برای استفاده از این ابزارها ضروری است.

ابزارهای PCD

الماس پلی کریستال یا PCD برای ماشین کاری آلومینیوم، مس، کامپوزیت ها و مواد غیرفلزی ساینده کاربرد دارد. این ابزار مقاومت سایشی بسیار بالایی دارد، اما برای ماشین کاری فولاد در دماهای بالا مناسب نیست.

معیارهای انتخاب ابزار فرزکاری

برای انتخاب ابزار مناسب باید چند عامل به صورت هم زمان بررسی شود:

جنس قطعه کار

فولاد ساده، فولاد زنگ نزن، چدن، آلومینیوم، تیتانیوم و آلیاژهای نیکل رفتار یکسانی در ماشین کاری ندارند. سختی، چقرمگی، هدایت حرارتی و تمایل ماده به چسبیدن به ابزار باید در انتخاب جنس و هندسه ابزار در نظر گرفته شود.

نوع عملیات

ابزار مورد استفاده برای کف تراشی، شیارزنی، فرم تراشی یا پرداخت نهایی یکسان نیست. انتخاب ابزار چندمنظوره ممکن است در کارهای عمومی قابل قبول باشد، اما در تولید دقیق، ابزار تخصصی عملکرد مناسب تری دارد.

صلبیت دستگاه و ابزارگیر

دستگاه، اسپیندل، ابزارگیر و فیکسچر باید بتوانند نیروهای برشی را بدون لرزش تحمل کنند. افزایش طول بیرون زدگی ابزار موجب کاهش صلبیت و افزایش احتمال ارتعاش می شود.

سرعت و پیشروی

سرعت برش و پیشروی باید بر اساس قطر ابزار، تعداد لبه، جنس ابزار و جنس قطعه تنظیم شوند. سرعت بیش از حد موجب افزایش حرارت و سایش می شود، در حالی که پیشروی بسیار کم می تواند باعث مالش ابزار به سطح به جای براده برداری مؤثر شود.

عمق برش

عمق محوری و شعاعی برش بر نیروی واردشده به ابزار اثر دارند. در عملیات خشن کاری، استفاده از عمق و عرض برش متناسب می تواند نرخ برداشت ماده را افزایش دهد، اما عبور از ظرفیت ابزار یا دستگاه احتمال شکست را بالا می برد.

تفاوت ابزارهای خشن کاری و پرداخت کاری

ابزارهای خشن کاری برای برداشت سریع حجم بیشتری از ماده طراحی شده اند. این ابزارها معمولاً دارای لبه های مقاوم، هندسه مناسب تخلیه براده و در برخی مدل ها دندانه های موج دار هستند.

ابزارهای پرداخت کاری برای ایجاد سطح صاف، دقت ابعادی بهتر و کاهش زبری استفاده می شوند. تعداد لبه بیشتر، لقی کمتر و شرایط برش پایدار از ویژگی های مهم عملیات پرداخت است.

استفاده از یک ابزار برای خشن کاری و پرداخت می تواند زمان تولید را کاهش دهد، اما معمولاً کیفیت و عمر ابزار را نسبت به استفاده از دو ابزار تخصصی محدود می کند.

دلایل کاهش عمر ابزار فرز

کاهش عمر ابزار همیشه ناشی از کیفیت پایین آن نیست. انتخاب نادرست پارامترها، ابزارگیری نامناسب و شرایط دستگاه نیز می توانند موجب خرابی زودهنگام شوند.

مهم ترین عوامل کاهش عمر ابزار عبارت اند از:

• سرعت برش بیش از حد.
• پیشروی نامتناسب با تعداد لبه ها.
• خروج نامناسب براده.
• لرزش ابزار یا قطعه.
• استفاده از ابزار کند.
• انتخاب پوشش نامناسب.
• خنک کاری ناپیوسته در شرایط حرارتی حساس.
• بیرون زدگی زیاد ابزار از هولدر.
• استفاده از ابزار نامتناسب با سختی قطعه.

بررسی شکل سایش لبه می تواند علت اصلی مشکل را مشخص کند. سایش یکنواخت معمولاً طبیعی است، اما لب پریدگی، ترک حرارتی، شکست ناگهانی یا چسبیدن براده نشانه وجود ایراد در ابزار، دستگاه یا شرایط برش است.

انتخاب ابزار فرز مناسب و کنترل هزینه ساخت

شناخت ابزارهای فرزکاری به انتخاب نام یا شکل ظاهری ابزار محدود نمی شود. جنس ابزار، تعداد لبه، زاویه مارپیچ، پوشش، قطر، طول برش و نوع ابزارگیر باید با قطعه کار و شرایط دستگاه هماهنگ باشند. انتخاب صحیح می تواند کیفیت سطح را افزایش دهد، زمان ماشین کاری را کاهش دهد و از شکست ناگهانی ابزار جلوگیری کند.

هزینه ساخت ابزار نیز فقط به قیمت نهایی فرز یا تیغه محدود نمی شود. میزان پرت متریال، هزینه ماشین کاری، عملیات حرارتی، سنگ زنی و طول عمر ابزار باید در کنار قیمت فولاد تندبر بررسی شود. ممکن است گریدی با قیمت اولیه بالاتر، به دلیل دوام بیشتر و کاهش دفعات تعویض ابزار، در مجموع انتخاب اقتصادی تری باشد.

فولاد حامیران تأمین کننده انواع فولادهای تندبر مورد استفاده در ابزارسازی و ماشین کاری است و گریدهای این گروه را در ابعاد و اشکال مختلف، متناسب با مشخصات فنی پروژه عرضه می کند.