Na czym polega obróbka skrawaniem?

Obróbka skrawaniem to jedna z najważniejszych metod kształtowania metalu na potrzeby wykonywania wszelkiego rodzaju elementów o dużej precyzji. Pozwala na stosunkowo szybkie uzyskanie bardzo zróżnicowanych detali o ściśle dopasowanych do wymagań wymiarach. Obróbka skrawaniem może być wykorzystywana nie tylko do metalu, ale również do pracy z drewnem i tworzywami sztucznymi.

Metody obróbki metali i mechanizm obróbki skrawaniem

Metale to materiały, które są bardzo powszechnie wykorzystywane do wykonywania podzespołów różnych maszyn i urządzeń, a także niezliczonej liczby elementów od konstrukcji budynków aż po oprawki okularów. O ich popularności i szerokim stosowaniu decydują nie tylko ich właściwości związane z wytrzymałością mechaniczną czy zdolnością do znoszenia dużych obciążeń lub sprężystością, ale również z łatwością obróbki. Metale mogą być swobodnie kształtowane i łączone, a przy użyciu odpowiedniego oprzyrządowania można z nich uzyskać każdy potrzebny detal. Za sprawą doboru właściwej metody obróbki można zmieniać nie tylko kształt kawałka metalu, ale również niektóre jego właściwości fizyko-chemiczne. Przy pracy z metalem często wykorzystywane są wszystkie metody obróbki – cieplnej, plastycznej czy chemicznej. W większości zastosowań szczególnie użyteczna jest jednak obróbka skrawaniem.

Obróbka skrawaniem to rodzaj obróbki ubytkowej, tj. takiej, w której z metalu usuwane są elementy zbędne, czyli tzw. naddatek. W wyniku takiego działania kawałkowi metalu nadawany jest określony kształt, przez oddzielanie od niego wiórów, aż do momentu, gdy osiągnie on wymagane wymiary. Proces ten jest wykonywany za pomocą ostrzy o określonej geometrii, a zatem pozwalających na wytworzenie wiórów o przewidywalnym kształcie. Obróbka skrawaniem może być prowadzona na różne sposoby, które charakteryzują się innymi ruchami używanego narzędzia i samego metalu. Do podstawowych metod skrawania zaliczamy toczenie, frezowanie oraz wiercenie – wyjaśnia ekspert z firmy Głowacki, która specjalizuje się w wytwarzaniu elementów złącznych i zaawansowanej obróbce metali.

Celem wykonywania obróbki metalu uzyskanie odpowiedniego do oczekiwań kształtu oraz wykończenie powierzchni z odpowiednią dokładnością. W tym celu najczęściej prowadzone są trzy etapy prac. Pierwszy z nich to tzw. obróbka wstępna, w ramach której przygotowuje się materiał, np. odcinając jego odpowiedni fragment czy usuwając pozostałości przeprowadzonych procesów produkcyjnych, np. odlewania. W drugim etapie mamy do czynienia z obróbką kształtującą, podczas której detal zyskuje kształt zbliżony do ostatecznego. Ostatnim etapem jest tzw. obróbka wykończeniowa, w czasie której uzyskuje się dokładne wymiary oraz określony stopień chropowatości powierzchni obrobionej.

Do obróbki metalu są wykorzystywane narzędzia, które nadają powierzchni obrabianej kształt odpowiadający swojej powierzchni roboczej oraz ścieżce, po jakiej się poruszają. W celu uzyskania odpowiedniego efektu narzędzia skrawające są wykonywane z materiałów o większej twardości i wytrzymałości na ścieranie niż obrabiany metal. Ważna jest zdolność materiału do zachowania swojej geometrii w podwyższonej temperaturze powodowanej przez tarcie pojawiające się przy odspajaniu wiórów. Dla zapewniania odpowiednich parametrów ostrza narzędzi wykonuje się ze stopów, które bywają dodatkowo ulepszane cieplnie. W wielu przypadkach ostrza powstają ze specjalnych spieków ceramicznych. Popularnymi materiałami są stale szybkotnące, węgliki spiekane oraz spieki z dodatkiem tlenku glinu, cyrkonu albo azotku tytanu lub krzemu. Przy niektórych zastosowaniach używa się narzędzi z nasypem diamentowym lub azotkiem boru, które należą do najtwardszych znanych materiałów.

Rodzaje obróbki skrawaniem

Kształtowanie metali i zmiana ich właściwości fizyczno-chemicznych są wykonywane w ramach różnych typów obróbki. Podczas obróbki cieplnej metal jest upłynniany w celu zmiany jego struktury i przekształcenia właściwości fizyczno-chemicznych. Przykładem takiej obróbki może być hartowanie czy azotowanie. Obróbka skrawaniem to nadawanie kształtu przez mechaniczne usuwanie części materiału, w jej ramach może być wykonywane toczenie, frezowanie, wiercenie, przeciąganie lub dłutowanie. Obróbka plastyczna polega na działaniu przy pomocy odpowiedniej siły w celu przekroczenia tzw. granicy plastyczności i uzyskaniu trwałego odkształcenia. Wśród metod obróbki plastycznej są m.in. gięcie, wyciskanie czy kucie.

Toczenie to rodzaj obróbki skrawającej, w którym obrabiany materiał jest precyzyjnie mocowany oraz wprawiany w ruch obrotowy. Narzędzie w postaci noża tokarskiego przesuwa się wzdłuż osi obracającego się materiału, może się także zbliżać do osi obrotu. Nowoczesne urządzenia sterowane cyfrowo dają bardzo szerokie możliwości doboru i definiowania ścieżki, po której porusza się nóż tokarski. Dzięki temu obrabiany materiał może uzyskać kształt każdej bryły obrotowej, w tym takiej, która powstała z rotacji dowolnej krzywej.

W praktyce najczęściej stosuje się zarówno toczenie punktowe, w którym kształt uzyskanej powierzchni wynika właśnie z ruchu posuwistego noża tokarskiego, jak i toczenie kształtowe, kiedy uzyskana powierzchnia jest odzwierciedleniem geometrii narzędzia. Ta metoda jest wykorzystywana głównie przy toczeniu detali typowych. Dla elementów nietypowych bardziej efektywne jest zwykle toczenie punktowe.

Podczas toczenia można obrabiać zarówno powierzchnię zewnętrzną materiału, jak i wewnętrzną, tworząc np. rozmaicie wyprofilowane tuleje. W tym drugim przypadku mamy do czynienia z tzw. wytaczaniem. Stosowanie właściwych narzędzi i metod skrawania pozwala na uzyskanie powierzchni stożkowych oraz kulistych.

Frezowanie jest metodą obróbki skrawającej, w której obrabiany materiał pozostaje unieruchomiony. Ruch obrotowy wykonuje natomiast narzędzie zwane frezem. Frez może być ustawiony równolegle do obrabianej powierzchni, w takim przypadku płaszczyzną roboczą są ostrza znajdujące się z bok frezu na jego obwodzie (frez walcowy lub boczny). Narzędzie może być również pozycjonowane w osi prostopadłej do powierzchni materiału, wówczas częścią roboczą jest czoło frezu (frez czołowy). Istnieje też możliwość, że frez pracuje pod dowolnym kątem w stosunku do obrabianej płaszczyzny. W takim przypadku najczęściej są wykorzystywane frezy czołowe lub czołowo-walcowe.

Podobnie jak w przypadku noży tokarskich również frezy mogą mieć ostrza o rozmaitej geometrii pozwalające na uzyskanie dowolnych krzywizn czy linii łamanych.

Trzecią główną metodą obróbki skrawaniem jest wiercenie. Pozwala ona na wykonywanie w materiale otworów o różnej geometrii i charakterystyce. W tym przypadku obrabiany materiał pozostaje nieruchomy, a ruch posuwisto-obrotowy wykonuje wiertło, obracając się wokół własnej osi i przemieszczając się w płaszczyźnie prostopadłej do materiału.

Przy pomocy wierteł można wykonywać typowe otwory przelotowe lub nieprzelotowe, a także je pogłębiać. W tym drugim przypadku jest możliwe wykonywanie otworów, których geometria jest inna w różnych jego miejscach. Najczęściej wykonuje się pogłębianie walcowo-czołowe, kształtowe lub stożkowe. Możliwe jest również poszerzanie średnicy otworu zwane rozwiercaniem.

Obróbka skrawaniem jest najczęściej realizowana za pomocą maszyn CNC. Urządzenia tego typu wyróżniają się tym, że ich pracą steruje komputer wykonujący przygotowany wcześniej program. Ruchy narzędzia – frezu, wiertła bądź noża tokarskiego są możliwe dzięki przemieszczaniu go za pośrednictwem systemu silników i mierzących bieżące położenie czujników. Dzięki temu narzędzie precyzyjnie porusza się po opracowanej przez komputer ścieżce ze ściśle określonymi parametrami prędkości posuwu i obrotami.

Stosowanie obrabiarek CNC zapewnia nie tylko odpowiednią dokładność wykonania, ale przede wszystkim gwarantuje wysoką powtarzalność wytwarzanych detali oraz dużą prędkość pracy.