Tools, Types and Applications
PREREQUISITES
- Basic knowledge of chip removal processes
- Basic knowledge of CNC machining
- LEARNING TIME: 60 min.
OBJECTIVES
- Learn about the main types of tools
- Learn to select the correct type of tool based on the application
INTRODUCTION
“Nella tecnologia d’officina, pezzo meccanico di forma, dimensioni e qualità meccaniche adeguate che, usato manualmente o applicato a una macchina, serve ad asportare o incidere il materiale (legno, metalli, pietre, ecc.) dei pezzi in lavorazione, o anche a imprimervi delle deformazioni permanenti.” (Treccani.it – Enciclopedie on line, Istituto dell’Enciclopedia Italiana).
This is the definition that the Treccani Encyclopedia reports for the term tool. Going into more detail about mechanical processes, this definition is embedded in that of a removal process. It is defined as a process in which a tool, characterized by a relative motion with respect to the surface of the piece, removes a surface layer, transforming the material into chips and generating a new surface.
Nella macrocategoria delle operazioni per asportazioni di truciolo sono compresi diversi processi, ognuno di essi atto ad ottenere geometrie differenti: rotazionali, prismatiche o miste. Le lavorazioni principali che appartengono a questa macrocategoria sono:
- tornitura, per la realizzazione di lavorazioni assialmente simmetriche;
- foratura, per la realizzazione di fori;
- fresatura, per componenti prismatici;
- alesatura, per la finitura di cavità cilindriche con tolleranze dimensionali strette;
- tapping, per la realizzazione di filettature.
For each type of machining processes (drilling, milling, etc.), operation (face milling, contouring, etc.), working condition (high feed rates, presence of lubricating-coolants, etc.) and material to machine, there are specific tools characterized by different features. In light of such a vast and multifaceted world, it was decided to offer an overview of the most common types of tools in the chip removal sector.
When it comes to tools, the first major distinction that can be made is between:
- Utensili integrali
- Utensili ad inserti
This distinction refers to the structure of the tool itself. As the name suggests, in the first case there is an integral or unique structure between the stem, generally called the shank, and the cutting area.
Example of a milling solid tool
Per quanto concerne invece gli utensili ad inserti, questi presentato una struttura composta da due componenti a sé stanti ovvero lo stelo e gli inserti. Lo stelo ha funzione strutturale e di sede in cui poi vengono applicati gli inserti che si presentano come placchette di diverse forme , dimensioni (specificate nella ISO 1832:2017) e materiale e svolgono la funzione di asportare il materiale lavorato.
Example of an indexable tool
Both architectures are still widely used in production, the reason being that each of them has pros and cons.
- Solid Tools - Pros
- Gli utensili integrali consentono di raggiungere tolleranze strette poiché la loro natura monolitica garantisce una precisione dimensionale superiore agli utensili a inserti.
- Ottime finiture superficiali.
- Solid Tools - Cons
- Since integral tools are made of a single material that is difficult to machine, they are expensive to produce both in terms of process and raw material, which places an upper limit on the achievable dimensions.
- Indexable Tools - Pros
- Gli utensili ad inserti presentano la possibilità di raggiungere dimensioni di gran lunga superiori a quelli integrali.
- Gli utensili ad inserti permettono un impiego più efficiente del materiale da taglio impiegandolo solo negli inserti e non per l’intera struttura.
- Possono raggiungere velocità di avanzamento maggiori e di conseguenza un tasso di rimozione del materiale (MRR) superiore.
- Indexable Tools - Cons
- They have a greater source of uncertainty due to the positioning of the insert in its housing, consequently they are not able to obtain tolerances comparable to solid tools.
- Impossibility to reach small diameters because below a certain threshold the fixing of the insert to the stem becomes inefficient if not problematic or even impossible. Generally this threshold is around 12 mm of tool diameter.
- Solid Tools - Pros
SOLID TOOLS
This section describes different types of solid tools:
- Fresa a candela piatta
- Fresa torica
- Fresa a testa sferica
- Punta a forare
- Reamer
- Utensile da tapping (maschio)
- Broach
FLAT-END MILL
La fresa a candela piatta è una delle tipologie di utensile più versatili presenti nel panorama della fresatura. Esistono molti tipi di frese a candela. Quella piatta è caratterizzata da profilo squadrato e dunque presenta un angolo di 90° tra i taglienti laterali e quelli della testa. Il raccordo tra i due taglienti infine presenta uno smusso più o meno pronunciato per distribuire le forze di taglio più efficacemente e prevenire un’usura precoce del tagliente in corrispondenza dello spigolo. Grazie alla geometria cilindrica e alla presenza di taglienti sia lungo i lati che sulla testa, permette di rimuovere materiale sia in direzione radiale che assiale e dunque di eseguire operazioni sia in sgrossatura che finitura di contornatura, spianatura, foratura con strategia elicoidale e realizzazione di tasche. Il numero di taglienti è variabile e generalmente può andare da due fino a un massimo di otto ma ci sono anche casi con geometrie mono tagliente o addirittura con numero di taglienti superiori a otto ma che rimangono circoscritte ad applicazioni particolari.
The number of cutting edges depends mainly on the target material for which the tool is designed and the application. The goal is always to evacuate the maximum volume of chip possible. As for the maximum dimensions, these tools can have diameters of 0.2 mm up to approximately 25 mm, even if there may be exceptions that go beyond these dimensions. Given its versatility, this milling tool is widely used in today's manufacturing industry.
Example of a flat/end mill with two different numbers of cutting edges (3 and 8 cutting edges)
TORIC-END MILL
La fresa torica è una fresa a candela simile sia geometricamente che dal punto di vista applicativo alla fresa a candela piatta. La principale caratteristica che differenzia una geometria torica da quest’ultima è la presenza dello spigolo raggiato sul fondo dell’utensile che conferisce al volume spazzato dai taglienti la caratteristica forma torica. Questa scelta costruttiva consente di ottenere un tagliente dalla sezione più resistente agli sforzi derivanti dal taglio permettendo avanzamenti maggiori. Un’altra caratteristica di molte frese toriche è che sono “scaricate” al centro, questo vuol dire che il tagliente sul fondo della fresa non arriva fino al centro di rotazione, questo è parte dell’ottimizzazione della fresa poichè si elide la componente di tagliente che asporta materiale a più bassa velocità di taglio. In questo caso, l’utensile non può penetrare il materiale assialmente senza un pre foro. La geometria raggiata è usata nelle fasi di sgrossatura nelle lavorazioni di spianatura e contornatura.
Example of a toric-end mill with 4 cutting edges
BALL-END MILL
La fresa a testa sferica presenta una testa semisferica con raggio pari a quello della fresa stessa. Come nel caso precedente la rimozione di materiale può avvenire sia in direzione radiale che assiale. A differenza della candela piatta sul mercato sono presenti fresa con testa sferica con meno taglienti. Generalmente le geometrie comprendono 2 o 4 taglienti. Data la versatilità di movimento nel materiale e la possibilità di orientare l’asse di rotazione più liberamente e quindi di controllare l’arco di contatto (generalmente si inclina l’asse in modo da massimizzare la velocità di taglio), questa fresa permettere di realizzare operazioni di contornatura, profilatura e copiatura di superfici complesse da lavorare con altre frese (superfici free-form o raggiate).
Example of a ball-end mill
DRILL BIT
Come suggerisce il nome, questo utensile è impiegato per le operazioni di foratura. La geometria utensile più utilizzata è quella elicoidale. Questa geometria è descritta come un corpo cilindrico in cui sono ricavate delle scanalature che hanno lo scopo di facilitare l’espulsione del truciolo venutosi a formare in fondo al foro in presenza dei taglienti primari. Ciò che rende la punta a forare specifica per questa operazione è la presenza dei taglienti primari sul fondo e ciò comporta la rimozione del materiale unicamente in direzione assiale permettendo la creazione di fori di diametro pari a quello dell’utensile.
Example of a drill bit
The machining of holes in difficult and/or deep materials requires in-situ lubrication of the cutting edge. This action is necessary for two main reasons:
- Facilitare l’evacuazione del truciolo
- Raffreddare la zona di taglio
To do this, the lubrication cooling fluid can be supplied externally through the external hoses of the machine tool or internally, that is through channels made inside the tool, whose task is to supply the lubrication cooling at the bottom of the feature being machined. In general cases, the drilling tool has two cutting edges but there may be cases with a greater number (3 or 4 cutting edges).
REAMER
L’alesatore è un utensile nato per la fase di finitura dei fori. Generalmente è di forma cilindrica con la parte finale di forma conica per facilitare l’imboccatura dell’utensile nel foro e portarlo gradualmente in misura. I taglienti sono paralleli all’asse dell’utensile o tuttalpiù inclinati. Essi vengono impiegati per la realizzazione di fori in cui poi andranno ad alloggiare spine o altri componenti richiedenti una grande precisione dimensionale e di forma (ad esempio fori con tolleranza H7).
Example of two reamers with inclined and straight cutting edges
BROACH
La broccia è un utensile utilizzato per la realizzazione di profili interni o esterni di particolari geometrie con elevata precisione. Generalmente l’utensile è formato da uno stelo popolato in direzione longitudinale da denti che aumentano progressivamente di dimensione fino a raggiungere la sezione che deve avere il profilo designato.
La prima grande e più generale distinzione che si può fare nella famiglia delle brocce è quella tra broccia a trazione e a compressione.
- In the first case, traction means that the force required to cut the material is applied downstream of the working profile.
- In the second case, compression means that the force is applied upstream
Example of a compression broach
The point at which the feed force is applied to the tool inevitably affects the geometry of the tool itself. A compression broach, in fact, will be shorter than a tensile one because the longer the broach, the greater the risk of instability and compression deformations (buckling).
INDEXABLE TOOLS
Gli utensili ad inserti sono di più recente invenzione. Infatti, i primi utensili di questo tipo iniziarono a comparire in ambito industriale solamente a partire dagli anni ’60. Gli utensili che sono maggiormente impiegati in ambito industriale sono:
- Contouring mills
- Face milling tools
- Copy and profiling milling tools
- Slot milling tools
- High feed milling tools
- Punta a forare
CONTOURING MILLING TOOL
Una fresa da contornatura è una fresa che è capace di creare un piano e simultaneamente lavorare uno spallamento. Il concetto di base è lo stesso delle frese a candela piatte in quanto si stanno lavorando due superfici perpendicolari tra di loro.
Given the contouring process, in fact, it is possible to select a tool that has a more or less long cutting edge and an adequate diameter depending on the feature to machine:
- When machining shallow shoulders, it is possible to use cutters with a diameter greater than the shoulder thickness to obtain a minimum relative radial engagement and to be able to complete the machining in a single pass and still guarantee excellent precision on the perpendicularity of the faces created.
Example of a contour mill
- When machining a deep shoulder, the cutter geometry is characterized by a longer vertical cutting edge.
Example of a high shoulder edge cutter (hedgehog cutter)
- For shoulders characterized by a very wide horizontal plane and a relatively low height, it is possible to opt for a disc mill that allows for a large radial cutting depth with the drawback of accessing only limited axial cutting depths.
FACE MILLING TOOL
Una fresa da spianatura è un utensile in grado di ricavare una superfice lavorata planare in direzione perpendicolare all’asse di rotazione. Questo tipo di frese è tra le più utilizzate nell’ambito della manifattura pesante. Dato l’ampio l’utilizzo col tempo la geometria di questo utensile si è diversificato adattandosi alle più disparate necessità di processo. In generale l’applicativo delle frese da spianatura si può suddividere in tre subcategorie ovvero:
- General face milling (characterized by geometries that allow both roughing and finishing)
- High feed (characterized by cutting edge geometries that allow high feed rates and consequently high MRR)
- Finishing (with wiper inserts)
Uno dei principali aspetti che caratterizza una fresa da spianatura è l’angolo di registrazione del tagliente. Infatti è il fattore che più influenza le direzioni delle forze di taglio impattando sulla stabilità della lavorazione.
Scheme of face milling cutters with decreasing entering angle
In general, a low lead angle allows for much more stable machining compared to other configurations. The radial force in this case is almost null, minimizing tool deflection. For this reason, the mill can be long, as in the case of milling the bottom of a deep pocket. The main disadvantage is the reduced depth of cut.
Example of a face milling cutter with a mid entering angle
On the contrary, a cutter with a 90° entry angle has less stability in terms of cutting dynamics because the forces generated are mainly radial and therefore affect stability. The main advantage of this tool is its versatility, because it allows greater axial penetrations and can also be used for other operations such as contouring.
Example of a face milling cutter with high entering angle
In addition to inserts with prismatic geometry, there are inserts with round geometry or with very big radii. The adoption of this geometry helps to obtain a more robust cutting edge and also a variable chip thickness depending on the axial depth of cut. In fact, by maintaining a reduced penetration compared to the radius of the insert, the chip thickness remains low despite a high feed rate, while by maintaining a penetration comparable to the radius, sustainable feed rates are lower since the chip thickness increases.
Schematic of a face milling cutter with circular inserts showing increasing chip thickness with increasing axial engagement
Finally, in finishing processes, the use of cutters with wiper inserts is favored. This geometry is characterized by 2 cutting edges, the main one with a registration angle ranging from 25° to 90° and the secondary one with a registration angle of 0°, i.e. parallel to the machined surface. The function of the second cutting edge is to avoid the formation of crests that form on the surface of a milled component due to the passage of the inserts.
Example of a wiper insert with two cutting edges at 0° and 45° respectively
PROFILING AND COPYING MILLS
A profiling cutter is a mill capable of machining concave and convex geometries with an inclined axis. For this type of geometries without sharp edges or small radii/fillets, the machining process is divided into three main steps:
- Roughing
- Semifinishing
- Finishing
In this type of operation, the profiling insert cutter is mostly used in roughing and semi-finishing operations, while for finishing operations, ball-end solid mill are more often used.
Indexable mills designed for profiling and copying are characterized by large round or radiused inserts. The reason why this type of tool is selected for the first two machining steps is that the material removal rate is high and therefore it is necessary to satisfy requirements for stability and considerable feed rates per tooth.
The two main geometries adopted for profiling and copying operations are of two types:
- Round inserts, where the shape of the tool body is similar to that of face milling/contouring, but the applied inserts are circular. This geometry is often optimized for roughing phases as the shape of the round insert allows for a more robust cutting edge and better distribution of cutting pressures.
- Ball-head, where the geometry is more slender. In this case, the diameter of the cutter can be smaller thanks to the oblong shape of the inserts. This configuration is preferred in the roughing/semi-finishing phase.
Example of profile cutters with shaped and round inserts
SLOT AND CUTTING MILLS
Una fresa da scanalatura è una fresa capace di rimuovere materiale da pieno e generare solchi all’interno del materiale di varie dimensioni e rapporti di forma (tra la larghezza e altezza del solco stesso). Per questo genere di operazioni si scelgono principalmente 2 tipi di frese: a disco e a candela. Le frese a disco possono essere utilizzate anche come utensili da troncatura.
- Disc cutters are cutters with a high radial to axial dimension ratio. Their shape and working principle are very similar to those of a circular saw. The inserts are mounted on the radial ends of the disc. This geometry allows for obtaining grooves as wide as the axial dimension of the inserts. Thanks to the large diameter of the tool, it is not necessary to have high rotation speeds on the spindle as the cutting speed is guaranteed by the diameter of the cutter. This type of tool can be used to cut off sections and create open straight grooves (starting from the outside of the piece).
Example of an insert disc cutter
The biggest limitations introduced are the forced linearity of the grooves and the difficult evacuation of the chip. Despite the disadvantages, however, this configuration allows for high stability in machining, high productivity and the creation of grooves of different widths since inserts of different thickness can be used with the same cutter.
- The end mill is a classic face milling cutter with cutting edges on both the head and the side. These cutters are capable of removing material in both the axial and radial directions. The cutters used have a geometry suitable for face milling and contouring (with the relevant cutting diameter limits).
Example of a end mill for slotting
The main advantages given by the adoption of this tool are the possibility of making straight, curved or even angled grooves and the possibility of making closed slots (plunge entry or in pre-drilled material). The main disadvantages instead are the high forces generated, the limit on the reachable depth and the greater susceptibility to vibrations (less stability in the machining).
HIGH-FEED MILLING TOOLS
High feed milling intrinsically corresponds to a high productivity operation. This type of tool has been designed to achieve high MMR (Material Removal Rate) values. These cutters can generally be either solid or insert-type, but the latter are the ones that allow working at more extreme speeds. The working conditions of these tools correspond to a high feed rate coupled with a reduced depth of cut. These parameters allow for an optimized chip section because, by reducing the depth of cut and increasing the feed, it is possible to generate cutting forces directed more towards the Z axis (towards the spindle) rather than in the radial direction, a much more problematic direction for the tool. Adopting this strategy ensures greater process stability and a consequent extension of the tool life.
Example of a high feed milling cutter
The application of this concept can be done on many types of cutters but mainly on face milling cutters. The morphology can vary a lot especially based on the material and dimensions. For example, the number of cutting edges can vary from 4 to 14. The reason for having so many teeth on a single mill is that it allows for a high feed per revolution and it has more engaged teeth even at low radial depth of cut. This configuration is very effective when large surfaces need to be face milled and a lot of material removed. With the same initial outlay (due to the quantity of inserts needed for the tooling) there is a gain in productivity (high MRR) and the consumption of the inserts decreases.
INDEXABLE DRILLS
Le punte a forare ad inserti hanno la medesima funzione di quelle integrali ma, se messe a confronto, presentano diversi vantaggi.
As far as the general structure of the tool is concerned, what is most important is its ability to create working conditions less affected by vibrations and chatter phenomena. This naturally leads to more precise machining and a better surface finish. Also in this case, lubrication cooling is important and having a body of a more easily machinable material which is steel in he case of indexable drills, helps to obtain more efficient internal liquid supply channels and to have a better irrigation of the cutting area, allowing an even higher material removal rate.
Example of an indexable drill
The advantages enjoyed by insert drill bits are mainly two:
- First of all, as with milling cutters, they allow for reaching dimensions larger than integral ones both due to the more economical construction and due to the structural limitations presented by a body entirely in hard metal, but they in turn have a minimum size limit.
- They require a more expensive initial outlay than a solid tip but in the long run the initial cost is amortized since only the worn inserts need to be replaced and not the entire tool.
- ACQUIRED SKILLS
Hai conseguito le seguenti competenze:
- Learn about the main types of tools
- Learn to select the correct type of tool based on the application
USEFUL CONTACTS, LINKS AND DOWNLOADS
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Prof. Annoni Massimiliano, Politecnico di Milano: massimiliano.annoni@polimi.it - For educators:
Prof. Annoni Massimiliano, Politecnico di Milano: massimiliano.annoni@polimi.it - For companies:
Prof. Annoni Massimiliano, Politecnico di Milano: massimiliano.annoni@polimi.it
