Na czym polega obróbka skrawaniem?

Przedmioty z metalu mają znakomite własności użytkowe. Są wytrzymałe na obciążenia, w zależności od potrzeb sprężyste lub sztywne, a także niezwykle trwałe. Zaawansowane metody obróbki metalu, w tym obróbka skrawaniem pozwalają na wytwarzanie elementów o bardzo dokładnie obrobionych powierzchniach i w wymaganym w konkretnym zastosowaniu kształcie. Wielość możliwych sposobów obróbki skrawaniem umożliwia nadanie metalowi niemal dowolnej formy.

Metal i metody jego obróbki

Metal jest idealnym materiałem do wykonywania elementów pojazdów, maszyn i urządzeń przemysłowych czy konstrukcji, które umożliwiają montaż różnych instalacji, są elementami nośnymi obiektów budowlanych lub ich wyposażenia. Detale wykonane z metalu można znaleźć również w wielu przedmiotach codziennego użytku. Powodem, dla którego tak chętnie stosuje się części zrobione z różnych rodzajów metalu i ich stopów jest to, że są one bardzo wytrzymałe, dobrze przenoszą różnego rodzaju obciążenia, są sprężyste, a jednocześnie łatwe w obróbce. Choć każdy metal i stop ma nieco inne właściwości, ich wspólną cechą jest to, że można je łatwo kształtować, a uzyskiwane detale mogą być wykańczane z dużą precyzją, zarówno jeśli chodzi o wymiary, jak i o dokładność wykończenia powierzchni – wyjaśnia ekspert z firmy Uni-Lager, specjalizującej się w profesjonalnej obróbce metali.

Istnieje wiele metod obróbki metalu, które pozwalają na wytworzenie elementów o odpowiedniej dla konkretnego zastosowania specyfice. Metal może być formowany i przekształcany w ramach obróbki cieplnej czy plastycznej, jednak sposobem pozwalającym na najszerszy zakres nadawania wyrobom z metalu wymaganych parametrów co do kształtu i wymiarów jest obróbka ubytkowa.

Obróbka ubytkowa polega na usuwaniu z obrabianego kawałka metalu wszystkich zbędnych elementów, czyli tzw. naddatku aż do otrzymania określonego w projekcie kształtu, właściwych wymiarów i stopnia wykończenia powierzchni. W ramach formowania detalu stosuje się najczęściej obróbkę skrawaniem. Przy użyciu narzędzi z powierzchniami tnącymi twardszymi od obrabianego metalu usuwa się kolejne wióry. Ostrza narzędzi mogą być wytwarzane z różnych materiałów, w zależności od efektu, jaki ma zostać osiągnięty oraz specyfiki używanego stopu.

Obróbka skrawaniem obejmuje kilka metod różniących się między sobą rodzajem używanych narzędzi i ich kinematyką, czyli sposobem, w jaki się one poruszają. Do obróbki skrawaniem zaliczamy frezowanie, toczenie, wiercenie, a także dłutowanie i przeciąganie.

Rodzaje obróbki skrawaniem

Frezowanie jest wykonywane za pomocą obracającego się frezu, który jest wyposażony w ostrza znajdujące się na jego obwodzie lub czole, a w niektórych przypadkach w obu tych miejscach. Wirujący frez pracuje w osi równoległej, prostopadłej lub umieszczonej pod kątem w stosunku do obrabianego metalu nadaje mu kształt wynikający z geometrii ostrzy oraz tego, w jaki sposób przemieszcza się materiał albo głowica z frezem.

Frezowanie daje bardzo wiele możliwości kształtowania przedmiotu obrabianego, a bardziej zaawansowane urządzenia z właściwie dobranymi narzędziami pozwalają na uzyskanie niemal dowolnego kształtu. Frezowanie często jest wykorzystywane do uzyskiwania obudów urządzeń, korpusów pomp, silników czy elementów o bardziej skomplikowanej budowie.

Toczenie to metoda obróbki skrawaniem, w której element obrabiany jest obracany wokół własnej osi, a narzędzie w postaci noża tokarskiego przesuwa się wzdłuż, a także zbliża albo oddala do osi obrotu, usuwając kolejne warstwy wiórów.

Przy tej metodzie obróbki korzysta się z toczenia kształtowego, przy którym forma obrabianego przedmiotu jest zależna przede wszystkim od geometrii użytej powierzchni tnącej albo toczenia punktowego, kiedy kształt zależy w głównej mierze od ścieżki, po jakiej przemieszcza się nóż tokarski. Wybór sposobu pracy i narzędzia zależy od specyfiki kształtu, jaki ma zostać uzyskany.

Za pomocą toczenia można otrzymać kształt dowolnej bryły obrotowej, zarówno jeśli chodzi o powierzchnię zewnętrzną, jak i wewnętrzną. W tym drugim przypadku mamy do czynienia z tzw. wytaczaniem.

Wiercenie umożliwia wykonywanie otworów różnej charakterystyce. Możliwe jest zarówno wiercenie otworów przelotowych, np. takich, w których będą umieszczone elementy mocujące lub pozycjonujące, jak i nieprzelotowych, w tym również łączących się ze sobą pod różnymi kątami, m.in. będących kanałami wykorzystywanymi do przepływu cieczy czy przesyłania gazów.

Przy wierceniu obrabiany materiał jest unieruchamiany, a porusza się jedynie głowica z obracającym się wiertłem. Podczas obróbki skrawaniem wykonywanej podczas wiercenia powstające wióry są wyprowadzane na zewnątrz otworu dzięki znajdującym się części roboczej rowkom. Wśród możliwych operacji znajduje się nawiercanie, czyli wykonanie otworu, będącego punktem startowym do dalszych czynności, wiercenie, które jest etapem przygotowania otworu, obejmującym usuniecie większości naddatku, a także rozwiercanie, które służy wykończeniu wewnętrznej powierzchni otworu oraz nadaje mu ostateczny wymiar i odpowiednią chropowatość.

W ramach czynności związanych z wierceniem wykonuje się również pogłębianie otworów, które ma na celu zmianę geometrii wybranej jego części. Może wiązać się ze zwiększeniem średnicy górnej części otworu, a także jego sfazowaniem. Bardzo często jest wykonywane tam, gdzie zachodzi potrzeba osadzenia w otworze innego elementu, np. śruby czy części ruchomej.

Dłutowane metalu służy wykonywaniu rowków o wybranym kształcie. Przy obróbce tego rodzaju dłuto z powierzchnią roboczą o odpowiedniej dla danego zastosowania geometrii przesuwa się wzdłuż metalu, odspajając wiór o konkretnych rozmiarach. Cechą charakterystyczną uzyskanego rowka jest to, że na całej swojej długości ma identyczny kształt. Metoda dłutowania może być również używana przy produkcji kół zębatych, w takim przypadku dłuto wykonuje również ruch obrotowy, zmieniając systematycznie wykorzystywane ostrze.

Przeciąganie jest sposobem obróbki używanym zwykle przy kształtowaniu powierzchni wewnętrznych przygotowanych wcześniej otworów, choć używa się go również przy obróbce fragmentów zewnętrznych. Przeciąganie jest wykonywane za pomocą przeciągacza lub przepychacza z wieloma ostrzami, które zbierają kolejne wióry naddatku, nadając właściwy kształt i gładkość.

W większości przypadków podczas przeciągania materiał lub narzędzie wykonuje ruch prostoliniowy, choć możliwe są także przypadki, w których narzędzie obraca się wewnątrz otworu, jest to konieczne np. przy gwintowaniu luf.

Materiały umożliwiające obróbkę metalu skrawaniem

Obróbka metalu wymaga stosowania narzędzi wykonanych z niezwykle wytrzymałych materiałów. Noże tokarskie, frezy, wiertła czy dłuta produkuje się ze specjalnych gatunków stali, a także substancji uzyskiwanych przez spiekanie węglików i materiałów ceramicznych.

Najpowszechniej używanym materiałem narzędziowym jest przy obróbce metali stal narzędziowa. W tym przypadku mamy do czynienia ze stopem żelaza i węgla. Stale niestopowe, czyli takie, do których nie wprowadza się żadnych domieszek zmieniających parametry obróbki, zawierają go od 0,5 do 1,4%, a stopowe od 0,4 do 2,1%. W stalach stopowych znajduje się ponadto dodatek innych metali poprawiających twardość, odporność na wysoką temperaturę pojawiającą się podczas skrawania czy ścieralność. Zwykle są to nikiel, chrom, wanad, molibden lub wolfram. Stal narzędziowa jest stosunkowo tania, choć nie nadaje się do obróbki powierzchni metali o dużej twardości.

Materiałami narzędziowymi o większej wytrzymałości i odporności na ciepło są stale szybkotnące. Zawierają one domieszkę od 0,75 do 1,45% węgla oraz aż do 1/4 kobaltu, wanadu, molibdenu, wolframu albo chromu. Uzyskuje się je również za pomocą metod metalurgii proszków. Stale szybkotnące mogą być używane przy temperaturach dochodzących do 600°C, dzięki czemu obroty maszyn korzystających z narzędzi wykonanych ze stali szybkotnących mogą być znacznie wyższe. W zależności od zastosowanej przy wytwarzaniu narzędzi tego typu metody obróbki termicznej i użytego stopu twardość ostrzy może dochodzić do 66 HRC. Często powierzchnie tnące narzędzi są pokrywane powłokami dodatkowo podnoszącymi ich parametry użytkowe. Stosuje się w tym celu np. azotek tytanu. Niekiedy ostrza są wzbogacane warstwami wieloskładnikowymi, np. z tytanu, cyrkonu czy glinu.

Narzędzia, które mają osiągać jeszcze wyższe parametry pod względem twardości, mogą być wykonane z węglików spiekanych. Ich dodatkową zaletą jest to, że mogą pracować w temperaturze dochodzącej nawet do 900°C. Ostrza tego rodzaju są wytwarzane przez łączenie w wysokiej temperaturze węglików wolframu (WC) oraz węglika tytanu (TiC) z dodatkiem kobaltu (Co), a niekiedy również innych substancji, np. węglika tantalu (TaC), węglika niobu (NbC), węglika chromu (Cr3C2) albo węglika wanadu (VC). Przy zastosowaniach specjalnych powierzchnie tnące mogą być również pokrywane powłokami z najtwardszych substancji – azotku boru lub diamentu polikrystalicznego.

Twardsze i wytrzymalsze od spiekanych węglików są narzędzia z cermetali, które są połączeniem elementów metalowych (niklu czy kobaltu) oraz spiekanych (np. azotek tytanu czy węglik tytanu). Jeszcze lepsze właściwości osiągają spieki ceramiczne z tlenkiem glinu (tzw. ceramika biała), azotkiem krzemu (tzw. ceramika szara) oraz mieszanką tlenku glinu i węglika tytanu (tzw. ceramika czarna).

Narzędzia wykonane z najtwardszych materiałów są używane tam, gdzie obrabia się powierzchnie metali o wysokiej twardości, które muszą być wykonane z niezwykle niską tolerancją wymiarową i znikomą chropowatością. W praktyce są one wykorzystywane głównie przy produkcji urządzeń pomiarowych, niezwykle precyzyjnych narzędzi czy detali bardzo skomplikowanych urządzeń.