Wiertła do metalu – rodzaje i dobór

Wiertło to najprostsze i najczęściej używane narzędzie skrawające. Ale wybór odpowiedniego typu potrafi być zaskakująco złożony, bo materiał ostrzy, kąt wierzchołkowy, powłoka i parametry pracy muszą pasować do obrabianego metalu. Poniżej rozbieramy temat na czynniki pierwsze, z konkretnymi parametrami i tabelami doboru.

Typy wierteł według materiału ostrzy

HSS (High Speed Steel) to stal szybkotnąca, podstawowy materiał wierteł od ponad stu lat. Pod tym skrótem kryje się jednak kilka kategorii o zasadniczo różnych właściwościach.

Wiertła oznaczone HSS-R są walcowane (rolled). Po uformowaniu nie przechodzą szlifowania, co przekłada się na niższą precyzję wymiarową i gorszą jakość krawędzi tnącej. Sprawdzają się przy sporadycznych pracach w miękkich stalach i metalach kolorowych. Główna zaleta to niska cena. Główna wada to krótka żywotność i tolerancja otworu, która czasem odbiega od oczekiwań.

Wiertła HSS-G są szlifowane (ground). Ostrza formowane szlifowaniem dają ostrzejszą krawędź, lepszą centralność i dłuższą żywotność. Różnica w cenie wobec HSS-R jest niewielka, rzędu 30–50%, a w jakości pracy zasadnicza. Dla warsztatu, który wiercenie traktuje jako coś więcej niż hobby, HSS-G to minimum.

Osobną grupę stanowią wiertła HSS-E / HSS-Co z dodatkiem kobaltu (5% lub 8%). Kobalt podnosi temperaturę odpuszczania stali, dzięki czemu wiertło zachowuje twardość tam, gdzie zwykły HSS już mięknie. Przy materiałach trudnoskrawalnych (stalach nierdzewnych austenitycznych, żaroodpornych, stopach na bazie niklu) ta właściwość decyduje o powodzeniu obróbki. Wiertło HSS-Co8 pracuje stabilnie w temperaturach, w których HSS-G traci ostrość po kilkunastu otworach.

Kolejna kategoria to VHM (Vollhartmetall), czyli pełny węglik spiekany. Twardość powyżej 90 HRC, odporność na ścieranie wielokrotnie wyższa niż u stali szybkotnącej. Ale też kruche – źle zamocowane w uchwycie lub uruchomione z bocznym biciem potrafią pęknąć. VHM sprawdza się na obrabiarkach CNC z precyzyjnymi uchwytami hydraulicznymi lub skurczowymi. Na wiertarce kolumnowej z uchwytem trójszczękowym to ryzykowna sprawa.

Prędkości bazowe w tabeli dotyczą wiercenia w stali konstrukcyjnej o wytrzymałości ~500 MPa. Dla stali nierdzewnej Vc będzie niższe, dla aluminium sporo wyższe.

Kąt wierzchołkowy – dlaczego ma znaczenie

To jeden z parametrów, na które rzadko kto zwraca uwagę przy zakupie. A ma bezpośredni wpływ na siłę osiową, centrowanie wiertła i żywotność ostrzy.

Klasyczny kąt 118 stopni jest uniwersalny. Dobrze wchodzi w materiał, łatwo się centruje. Sprawdza się w stalach węglowych, aluminium, miedzi. Większość wierteł HSS-G ma domyślnie właśnie ten kąt.

Kąt 130 stopni to kompromis stosowany przez część producentów w wiertłach uniwersalnych. Siła osiowa jest mniejsza niż przy 118°, ale wiertło gorzej się samo centruje na gładkiej powierzchni.

W wiertłach VHM i kobaltowych do trudnych materiałów standardem jest 135 stopni. Płaski kąt rozkłada siłę na większą powierzchnię i generuje mniej ciepła. Przy stali nierdzewnej ta różnica przekłada się na wyraźnie dłuższą żywotność. Wiertła z kątem 135° często mają szlif krzyżowy (samocentrujący), który eliminuje potrzebę punktowania.

Do żeliwa i materiałów kruchych stosuje się kąt 140 stopni. Minimalizuje siłę wejścia, co zapobiega wykruszeniu krawędzi otworu.

Powłoki – kiedy się opłacają

Złote wiertło to nie marketing – to powłoka z azotku tytanu (TiN), która zmniejsza tarcie, poprawia odprowadzanie wiórów i podnosi twardość powierzchniową. Ale powłoka nie zamienia słabego wiertła w dobre. HSS-R z TiN nadal przegra z solidnym HSS-G bez powłoki.

Podstawowa powłoka TiN (azotek tytanu) jest stabilna do ~600 C. Wydłuża żywotność wiertła o 50–100% w typowych zastosowaniach. To ten charakterystyczny złoty kolor, który widać na półkach sklepowych.

Powłoka TiAlN (azotek tytanowo-aluminiowy) daje wyższą odporność termiczną, do ~800 C. Warstwa tlenku aluminium powstająca podczas pracy działa jak dodatkowa bariera cieplna. Dobrze sprawdza się przy obróbce stali nierdzewnej i w sytuacjach z ograniczonym chłodzeniem.

AlCrN (azotek chromowo-aluminiowy) to powłoka do obróbki na sucho, stabilna do ~1100 C. Stosuje się ją głównie na wiertłach VHM pracujących w centrach obróbczych, gdzie chłodzenie jest minimalne lub wewnętrzne.

Kiedy powłoka się nie opłaca? Przy wierceniu aluminium wiertłem HSS. Materiał jest na tyle miękki, że sama geometria ostrza wystarczy. Powłoka nie przeszkadza, ale nie daje też wymiernych korzyści proporcjonalnych do ceny.

Najlepsze rezultaty daje połączenie dobrego podłoża z odpowiednią powłoką: HSS-Co + TiAlN do nierdzewki, VHM + AlCrN do serii na CNC.

Dobór wiertła do materiału

To najważniejsza część poradnika i najczęściej lekceważona w praktyce. Operator sięga po wiertło, które akurat leży najbliżej, zamiast zastanowić się nad materiałem. Efekt: trzy otwory i wiertło do kosza.

W stali węglowej i konstrukcyjnej (S235, S355, C45) jest najprościej. HSS-G z kątem 118°, standardowa emulsja. Materiał toleruje pewien zakres błędów w parametrach. Posuw 0,1–0,2 mm/obr dla średnic do 12 mm.

Stal stopowa (42CrMo4, 34CrNiMo6) jest twardsza i wymaga więcej uwagi. Sprawdzi się HSS-Co lub HSS-G z powłoką TiN, obroty niższe o 20–30% względem stali konstrukcyjnej. Chłodzenie obowiązkowe.

Ze stalą nierdzewną austenityczną (304, 316) zaczynają się schody. Potrzebne HSS-Co z kątem 135°, obniżone obroty, stały posuw. Nigdy nie zatrzymuj wiertła w otworze bez posuwu – nierdzewka natychmiast utwardza się w strefie skrawania i dalsze wiercenie staje się walką. Emulsja o stężeniu 8–10%, obficie.

Aluminium i stopy wiercą się łatwo, ale mają tendencję do nalepów na ostrzu. Wiertła z powłoką TiN i wypolerowanymi rowkami wiórowi minimalizują ten problem. Kąt 118°, wysokie obroty. Chłodzenie olejem lub naftą, nie emulsją wodną.

Żeliwo to materiał kruchy, tworzący pył zamiast wiórów. HSS-Co lub VHM, kąt 118–130°, wiercenie na sucho albo z minimalnym smarowaniem. Emulsja zmieszana z pyłem żeliwnym to receptura na bałagan w obrabiarce.

Miedź i mosiądz są miękkie, ale podstępne. Wiertło potrafi się „wkręcić” w materiał i złapać. Lepiej zmniejszyć posuw i zachować ostrożność przy wyjściu z materiału.

Obliczanie obrotów i posuwu

Sama prędkość obrotowa nic nie mówi bez kontekstu. Wiertło o średnicy 5 mm przy 1000 obr/min pracuje z zupełnie inną prędkością skrawania niż wiertło 20 mm przy tych samych obrotach.

Wzór: n = (1000 x Vc) / (pi x d)

Gdzie n to obroty (obr/min), Vc to prędkość skrawania (m/min) z tabeli powyżej, d to średnica wiertła (mm).

Przykład: wiertło HSS-Co o średnicy 10 mm w stali nierdzewnej (Vc = 12 m/min). n = (1000 x 12) / (3,14 x 10) = 382 obr/min. Na wiertarce kolumnowej ustawiasz najbliższy dostępny bieg, pewnie 400 obr/min. Posuw mechaniczny 0,08 mm/obr, chłodzenie strumieniem emulsji.

Dla tego samego wiertła w aluminium (Vc = 80 m/min): n = (1000 x 80) / (3,14 x 10) = 2548 obr/min. Zupełnie inna bajka. Dlatego nie da się wiercić „jednym ustawieniem” w różnych materiałach.

Żywotność i regeneracja

Dobre wiertło warto ostrzyć, zamiast wyrzucać po stępieniu. Ostrzenie na szlifierce stołowej wymaga wprawy – trzeba utrzymać symetrię obu ostrzy i prawidłowy kąt przyłożenia. Nierówno naostrzone wiertło wibruje, wierci otwory o zawyżonej średnicy i zużywa się jeszcze szybciej.

Przyrządy do ostrzenia (ostrzałki) prowadzą wiertło pod właściwym kątem i zapewniają powtarzalność. To inwestycja rzędu 200–500 zł dla prostych modeli, która zwraca się szybko przy regularnym użytkowaniu.

Z wiertłami VHM sprawa wygląda inaczej. Regeneracja (przeszlifowanie i ponowne powlekanie) jest opłacalna od średnicy 6 mm wzwyż. Przy mniejszych średnicach koszt regeneracji zbliża się do ceny nowego wiertła. Profesjonalne serwisy oferują 3–5 cykli regeneracji jednego wiertła VHM, co radykalnie obniża koszt narzędzia na otwór w produkcji seryjnej.

Wierteł kobaltowych z powłoką nie ostrzy się samodzielnie. Powłoka zostaje usunięta w strefie szlifowania, a geometria ostrza jest bardziej wymagająca niż w zwykłym HSS. Lepiej oddać je do profesjonalnego ostrzenia albo, przy małych średnicach, traktować jako jednorazowe.

Typowe błędy przy wierceniu w metalu

Za wysokie obroty w nierdzewce to chyba najczęstszy problem. Operator ustawia wiertarkę na obroty jak do stali konstrukcyjnej, wiertło się przegrzewa i traci ostrość po kilku otworach. Nierdzewka wymaga cierpliwości: niskie obroty, stały posuw, dużo chłodziwa.

Wiercenie na sucho wiertłem HSS w stali to prosta droga do przegrzania i odpuszczenia ostrza. Nawet odrobina oleju maszynowego jest lepsza niż nic. Tymczasem w wielu warsztatach wiercenie „na sucho” to norma.

Trzeci częsty błąd to wiercenie tępym wiertłem „na siłę”. Dociskasz coraz mocniej, wiertło się grzeje, otwór jest nierówny. Naostrz wiertło albo weź nowe. To szybsze niż walka z tępym narzędziem.

FENES produkuje wiertła w pełnym zakresie materiałów i średnic, od klasycznych HSS DIN 338 NWKa, przez linię HARRDEN 405 z HSS-Co, po wiertła z węglika spiekanego OPTI LINE VHM do obróbki seryjnej. Jeśli potrzebujesz pomocy w doborze wiertła do konkretnego materiału i zastosowania, dział techniczny FENES doradzi na podstawie parametrów Twojej aplikacji.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie wiertło do stali nierdzewnej?

Wiertło kobaltowe (HSS-Co5 lub Co8) z kątem wierzchołkowym 135° i powłoką TiAlN. Najważniejsze to utrzymać stały posuw, bo zatrzymanie wiertła w otworze bez posuwu powoduje utwardzenie materiału w strefie skrawania. Prędkość skrawania 8–15 m/min, chłodzenie obfitą emulsją o stężeniu 8–10%.

HSS czy VHM – co wybrać do warsztatu?

Dla większości prac warsztatowych HSS-G lub HSS-Co to najlepszy wybór. VHM wymaga precyzyjnych uchwytów (hydraulicznych lub skurczowych) i sztywnej obrabiarki. Na zwykłej wiertarce kolumnowej z uchwytem trójszczękowym ryzyko pęknięcia wiertła jest realne. VHM opłaca się przy seriach na CNC, gdzie koszt narzędzia na otwór wychodzi niższy mimo wyższej ceny zakupu.

Jak naostrzyć wiertło do metalu?

Na szlifierce stołowej lub, lepiej, przy użyciu ostrzałki do wierteł, która zapewnia właściwy kąt i symetrię ostrzy. Ostrz tylko wiertła HSS i HSS-G. Wiertła kobaltowe z powłoką oddaj do profesjonalnego serwisu. Wiertła VHM regeneruje się w wyspecjalizowanych zakładach (przeszlifowanie + ponowne powlekanie).

Jaki kąt wierzchołkowy do aluminium?

118 stopni, czyli standardowy kąt uniwersalny. Aluminium jest miękkie i nie wymaga płaskiego kąta jak nierdzewka. Ważniejsze od kąta są w tym przypadku wypolerowane rowki wiórowe (zapobiegają nalepom), wysokie obroty i chłodzenie olejem lub naftą zamiast emulsji wodnej.

Ile kosztuje dobre wiertło do metalu?

Zależy od typu i średnicy. Wiertło HSS-G DIN 338 o średnicy 10 mm to koszt 8–15 zł. HSS-Co w tym samym rozmiarze kosztuje 20–40 zł. VHM zaczyna się od 50 zł wzwyż, w zależności od powłoki i producenta. Oszczędzanie na wiertłach rzadko się opłaca: tanie wiertło HSS-R zużywa się kilka razy szybciej, więc koszt na otwór bywa wyższy niż przy droższym HSS-G.