Obróbka skrawaniem: na czym polega, rodzaje i parametry

Obróbka skrawaniem to grupa metod kształtowania, w których z przedmiotu usuwa się warstwę materiału narzędziem o ostrzu, a oddzielony materiał przybiera postać wiórów. Narzędzie wykonuje ruch roboczy względem przedmiotu, a odpowiednie połączenie tych ruchów daje żądany kształt i wymiar. W języku warsztatowym mówi się też o obróbce mechanicznej, choć to pojęcie szersze. Skrawanie pozwala uzyskać dokładność i gładkość powierzchni, których nie dają metody plastyczne czy odlewanie.

Na czym polega skrawanie

Ostrze narzędzia wnika w materiał i ścina jego warstwę. Materiał przed ostrzem ulega odkształceniu i oddziela się jako wiór, a część energii zamienia się w ciepło, które odprowadzają wióry, narzędzie, przedmiot i chłodziwo. Do skrawania potrzebne są dwa ruchy: główny, nadający prędkość skrawania, oraz posuwowy, dzięki któremu ostrze przesuwa się po przedmiocie i obejmuje kolejne warstwy.

Narzędzie musi być twardsze od obrabianego materiału i odporne na ścieranie oraz wysoką temperaturę. Najczęściej stosuje się stal szybkotnącą, węgliki spiekane z powłokami, ceramikę skrawającą oraz materiały supertwarde, takie jak regularny azotek boru i diament do wybranych zastosowań.

Główne metody obróbki skrawaniem

Metoda	Ruch główny	Typowe wyroby
Toczenie	obrót przedmiotu	wałki, tuleje, tarcze, gwinty
Frezowanie	obrót narzędzia	płaszczyzny, rowki, kieszenie, kształty przestrzenne
Wiercenie	obrót wiertła	otwory, w tym otwory pod gwint
Szlifowanie	obrót ściernicy	powierzchnie o wysokiej dokładności i gładkości
Struganie i dłutowanie	ruch posuwisto-zwrotny	płaszczyzny, rowki wpustowe
Przeciąganie	ruch liniowy przeciągacza	rowki wpustowe, kształtowe otwory

Toczenie wykonuje się na tokarkach, gdzie przedmiot obraca się w uchwycie, a nóż porusza się wzdłuż osi lub w poprzek. W frezowaniu to narzędzie wieloostrzowe obraca się, a przedmiot przesuwa się po stole, dlatego frezarki obrabiają kształty niemożliwe na tokarce. Wiercenie i jego pochodne, czyli rozwiercanie, pogłębianie i gwintowanie, służą do wykonywania otworów. Szlifowanie zostawia się zwykle na koniec, gdy trzeba uzyskać niewielki naddatek i dobrą chropowatość.

Obrabiarki sterowane numerycznie przejmują większość tych operacji, a o ich możliwościach i opłacalności piszemy w tekście o obróbce CNC. W szerszym kontekście skrawanie to jedna z kilku grup technologii, które zestawia artykuł o obróbce metali i jej metodach.

Parametry skrawania

Przy doborze warunków pracy ustala się trzy podstawowe parametry. Prędkość skrawania vc to prędkość, z jaką krawędź narzędzia przesuwa się względem materiału, podawana w metrach na minutę. Posuw określa, o ile narzędzie przesuwa się na jeden obrót lub na jeden ząb. Głębokość skrawania to grubość warstwy zdejmowanej w jednym przejściu.

Prędkość skrawania wiąże się z obrotami wzorem: vc = π · D · n / 1000, gdzie D to średnica narzędzia lub przedmiotu w milimetrach, a n to prędkość obrotowa w obrotach na minutę. Przykład: dla frezu o średnicy 20 mm przy 3000 obr/min prędkość wynosi około 188 m/min. Po przekształceniu wzoru oblicza się obroty potrzebne do uzyskania zalecanej prędkości.

Zwiększenie prędkości skraca czas obróbki, ale przyspiesza zużycie ostrza. Zbyt duży posuw obciąża narzędzie i pogarsza powierzchnię, zbyt mały powoduje ocieranie zamiast skrawania i nagrzewanie. Dlatego parametry dobiera się razem, pod kątem trwałości narzędzia i wymaganej jakości.

Chłodzenie, wiór i trwałość narzędzia

Ciecz chłodząco-smarująca obniża temperaturę strefy skrawania, zmniejsza tarcie i wypłukuje wióry. Część materiałów i operacji wykonuje się na sucho albo z minimalnym smarowaniem, zwłaszcza gdy wiór ma odprowadzić ciepło. Rodzaje cieczy opisuje artykuł o chłodzeniu w obróbce skrawaniem.

Kształt wióra mówi o stanie procesu. Długie, wstęgowe wióry owijają się wokół przedmiotu i trzeba je łamać zmianą posuwu lub geometrią płytki. Wióry krótkie i regularne łatwo odprowadzić. Zużycie ostrza widać po rosnących siłach, pogorszeniu chropowatości i zmianie koloru wióra, co sygnalizuje przegrzewanie.

Wymagania wobec wyrobu

O wyborze metody decydują kształt, tolerancje i chropowatość. Obróbkę zgrubną wykonuje się z większymi głębokościami i posuwami, aby szybko zdjąć nadmiar, a wykańczającą z niewielkim naddatkiem, by uzyskać wymiar i gładką powierzchnię. Między tymi etapami przedmiot bywa poddawany obróbce cieplnej, po której zostawia się dodatek na szlifowanie z uwagi na odkształcenia.

Duże znaczenie ma też mocowanie. Sztywne zamocowanie ogranicza drgania, które wyraźnie pogarszają powierzchnię i skracają życie ostrza. Zbyt wysunięte narzędzie lub zbyt cienki wałek wymagają obniżenia parametrów albo podparcia, na przykład kłem lub podtrzymką.

Najczęstsze pytania

Czym różni się obróbka skrawaniem od plastycznej?

W skrawaniu materiał jest usuwany w postaci wiórów, więc masa przedmiotu maleje. W obróbce plastycznej materiał zmienia kształt bez ubytku, pod wpływem nacisku narzędzia.

Czy obróbka skrawaniem to to samo co obróbka mechaniczna?

W potocznym użyciu zwykle tak, choć obróbka mechaniczna to pojęcie szersze i obejmuje także inne metody kształtowania. Skrawanie jest jej największą grupą.

Które metody skrawania są najczęstsze w zakładach?

Toczenie i frezowanie, zwykle na obrabiarkach CNC, uzupełniane wierceniem i szlifowaniem. Do wykończenia dokładnych powierzchni służy szlifowanie.

Od czego zależy dobór prędkości skrawania?

Od obrabianego materiału, materiału i powłoki ostrza, rodzaju operacji oraz chłodzenia. Punktem wyjścia są tabele producenta narzędzia, które potem koryguje się w praktyce.