Projekt okładki i stron tytułowych: Piotr Cichosz, Barbara Ćwik

Ilustracja na okładce: zdjęcie wykorzystane za zgodą DMG MORI

Wydawca: Adam Filutowski

Koordynator ds. redakcji: Adam Kowalski

Redakcja: Maria Kasperska

Produkcja: Mariola Grzywacka

Dział reklamy: Magdalena Lewocka (magdalena.lewocka@pwn.pl)
Barbara Czarnecka (barbara.czarnecka@pwn.pl)

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwo Naukowe PWN Michał Latusek

Wydanie książki dofinansował Wydział Mechaniczny Politechniki Wrocławskiej

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w Internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2022

ISBN  978-83-01-22178-2

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2022r. (Wydanie I)

Warszawa 2022

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321; faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

Bezpłatny fragment

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów

1. Wprowadzenie
Piotr Cichosz

2. Materiały narzędziowe i powłoki
Piotr Cichosz

2.1. Materiały narzędziowe

2.2. Powłoki przeciwzużyciowe

3. Kształtowanie wiórów
Piotr Cichosz

4. Chłodzenie i smarowanie strefy skrawania
Piotr Cichosz (podrozdz. 4.1–4.4), Krzysztof Jemielniak (podrozdz. 4.5)

4.1. Wprowadzenie

4.2. Skrawanie na sucho

4.3. Wspomaganie skrawania cieczami chłodząco-smarującymi

4.4. Zminimalizowane smarowanie strefy skrawania

4.5. Chłodzenie kriogeniczne

5. Dynamika procesu skrawania
Krzysztof Jemielniak

5.1. Rodzaje drgań w obróbce skrawaniem

5.2. Granica stabilności

5.3. Metody przeciwdziałania drganiom samowzbudnym

6. Skrawanie z dużymi prędkościami
Piotr Cichosz

7. Wyważanie dynamiczne narzędzi
Piotr Cichosz

8. Obróbka wysokowydajna
Piotr Cichosz

8.1. Frezowanie wgłębne

8.2. Frezowanie z dużymi posuwami

8.3. Skrawanie ostrzami typu wiper

9. Obróbka materiałów twardych
Piotr Cichosz

10. Obróbka materiałów trudnoobrabialnych
Paweł Karolczak

10.1. Skrawanie materiałów kompozytowych

10.1.1. Obróbka metalowych materiałów kompozytowych

10.1.2. Obróbka polimerowych materiałów kompozytowych

10.1.3. Obróbka ceramicznych materiałów kompozytowych

10.2. Skrawanie stopów tytanu

10.3. Skrawanie stopów żarowytrzymałych

11. Obróbka kompletna
Piotr Cichosz

12. Osobliwości skrawania
Piotr Cichosz

13. Rola nowoczesnych narzędzi w wysokowydajnych obróbkach
Piotr Cichosz

13.1. Narzędzia składane

13.2. Narzędzia modułowe

13.3. Narzędzia wielozadaniowe

13.4. Narzędzia zespołowe

13.5. Narzędzia sterowane i mechatroniczne

14. Kształtowanie rowków i przecinanie
Piotr Cichosz

15. Kształtowanie otworów głębokich
Piotr Cichosz

16. Nowoczesne metody obróbki kół zębatych
Wojciech Borkowski

16.1. Wprowadzenie

16.2. Obróbka kół metodą Power Skiving

16.3. Frezowanie kół zębatych narzędziami i obrabiarkami uniwersalnymi

16.4. Obróbka kół zębatych technologią InvoMillingTM

16.5. Obróbka kół zębatych technologią uP-GearTM

16.6. Narzędzia składane w obróbce kół zębatych

17. Automatyczna diagnostyka stanu narzędzia (DSN)
Krzysztof Jemielniak

17.1. Zadania i struktura układów DSN

17.2. Wielkości fizyczne i czujniki stosowane w DSN

17.2.1. Czujniki sił skrawania i wielkości pochodnych

17.2.2. Czujniki emisji akustycznej i drgań

17.2.3. Komercyjne strategie diagnostyki stanu narzędzia

17.2.4. Wyzwania stojące przed rozwojem układów DSN

18. Mocowanie narzędzi
Piotr Cichosz

19. Obróbka hybrydowa
Krzysztof Jemielniak

19.1. Obróbka wspomagana drganiami

19.1.1. Obróbka UAM materiałów trudnoobrabialnych

19.1.2. Obróbka ze zminimalizowanym smarowaniem wspomagana drganiami ultradźwiękowymi

19.1.3. Wiercenie ze wspomaganiem modulacją niskoczęstotliwościową materiałów trudnoobrabialnych i warstwowych

19.2. Obróbka wspomagana laserem

19.2.1. Obróbka wspomagana laserem (LAM) stopu niklu Inconel 718

19.2.2. Obróbka ze wspomaganiem laserowym materiałów kompozytowych

20. Nowoczesne obrabiarki – wymagania, zastosowania
Oskar Rusiecki

20.1. Wymagania stawiane obrabiarkom CNC

20.2. Tokarki CNC

20.3. Frezarki CNC

20.4. Integracja obrabiarek CNC z innymi urządzeniami i systemami wytwarzania

21. Gospodarka narzędziowa
Piotr Cichosz, Rafał Subbotko

22. Efektywność skrawania
Piotr Cichosz

22.1. Optymalizacja procesu skrawania

22.2. Struktura kosztów wytwarzania skrawaniem

Literatura

Przypisy

Wykaz ważniejszych oznaczeń i skrótów

A 

–

pole przekroju warstwy skrawanej, mm²,

ae

–

szerokość frezowania, mm,

AE

–

emisja akustyczna (acoustic emmission),

AMRR

–

przeciętny współczynnik usuwania materiału (average material removal rate),

ap

–

głębokość skrawania, (dosuw), mm,

AWJM

–

obróbka strugą wodno-ścierną (abrasive water jet machining)

b

–

szerokość warstwy skrawanej, szerokość łysinki, mm,

BC

–

PcBN powlekany

BD

–

baza danych,

BH

–

regularny azotek boru (70–95%PcBN),

BL

–

regularny azotek boru (40–65%PcBN),

bγ

–

szerokość ścina powierzchni natarcia, mm,

BN

–

oznaczenie polikrystalicznego, regularnego azotku boru,

c

–

stała tłumienia, Ns/m,

CA

–

oznaczenie ceramiki tlenkowej,

CC

–

oznaczenie ceramiki (CA, CM, CN) z naniesionymi powłokami,

CCS

–

ciecze chłodząco-smarujące,

CFRP

–

kompozyt polimerowy wzmacniany włóknami węglowymi (carbon fiber reinforced polymer),

CN

–

oznaczenie ceramiki azotkowej,

CNC

–

komputerowe sterowanie numeryczne (computer numerical control),

CR

–

ceramika tlenkowa wzmacniana wiskerami,

CT

–

stała ze wzoru Taylora,

CVD

–

chemiczne osadzanie z pary (chemical vapour deposition),

d, D(c)

–

średnica toczenia, średnica narzędzia, mm,

DOS

–

system bezpośredniego podawania oleju (direct oil supply system),

DP

–

oznaczenie diamentu polikrystalicznego ze spoiwem,

DSN

–

diagnostyka stanu narzędzia,

e

–

niewyważenie (dynamiczne), gmm/kg,

E

–

moduł sprężystości podłużnej (Younga), GPa,

EDM

–

obróbka strumieniem elektronów (electro discharge machining),

ECM

–

obróbka elektrochemiczna (electrochemical machining),

EBM

–

obróbka elektroerozyjna (electron beam machining),

edop

–

dopuszczalne niewyważenie, gmm,

f

–

szerokość łysinki, fazki, mm,

f

–

posuw, mm/obr,

fo

–

częstotliwość drgań, s–1,

fz

–

posuw na ostrze, mm,

F

–

siła całkowita skrawania, N,

Fc

–

siła skrawania, N,

Ff

–

siła posuwowa skrawania, N,

Fo

–

siła odśrodkowa, N,

Fp

–

siła odporowa skrawania, N,

Fu

–

siła niewyważenia, N,

fw

–

amplituda siły wymuszającej drgania, N,

GFRP

–

kompozyt polimerowy wzmacniany włóknami szklanymi (glass fiber rein polymer),

GN

–

gospodarka narzędziowa,

h

–

grubość warstwy skrawanej, mm,

hmax

–

maksymalna grubość warstwy skrawanej, mm,

HC

–

oznaczenie spieków węglikowych i cermetalowych powlekanych,

HFS

–

złącze systemowe narzędzi modułowych firmy Mapal,

HIP

–

izostatyczne prasowanie (dogęszczanie) na gorąco,

HS

–

oznaczenie stali szybkotnącej konwencjonalnej,

HSC

–

skrawanie z dużymi prędkościami (high speed cutting),

HT

–

oznaczenie cermetali niepowlekanych,

HM

–

obróbka materiałów twardych (hard machining),

HPC

–

obróbka wyskowydajna (high performence cutting),

HW

–

oznaczenie węglików spiekanych, niepowlekanych, których podstawowym składnikiem jest węglik wolframu WC,

k

–

stała sztywności, N/m,

K

–

oznaczenie grupy materiałowej wg ISO,

K

–

współczynnik żłobka K = KT/KM (wskaźnik zużycia ostrza),

KB

–

szerokość żłobka (wskaźnik zużycia ostrza), mm,

kc

–

opór właściwy skrawania, MPa,

kc1.1

–

opór właściwy skrawania dla 1 mm grubości warstwy skrawanej, MPa,

KE

–

cofnięcie naroża (wskaźnik zużycia ostrza), mm,

KF

–

odległość żłobka od pierwotnej krawędzi skrawającej, (wskaźnik zużycia ostrza), mm,

KM

–

złącze systemowe narzędzi modułowych firmy Kennametal,

KM

–

odległość środka żłobka (wskaźnik zużycia ostrza), mm,

Klc

–

odporność na kruche pękanie, MPa m1/2,

kw

–

objętościowy współczynnik wióra,

KSO

–

katastroficzne stępienie ostrza,

L, lc

–

długość drogi skrawania, mm,

LAM

–

obróbka wspomagana laserem (laser assisted machining),

LBM

–

obróbka wspomagana laserem (laser beam machining),

LC₂

–

ciekły dwutlenek węgla,

LN₂

–

ciekły azot,

m

–

masa, kg lub g,

M

–

oznaczenie grupy materiałowej wg ISO,

MAD

–

wiercenie wspomagane drganiami (modulation assisted drilling),

MDS

–

model masowo dyssypacyjno sprężysty,

MHD

–

złącze systemowe narzędzi modułowych firmy D’Andrea,

MQL

–

smarowanie z minimalną ilością chłodziwa (minimum quantity lubrication),

MMC

–

kompozyt na osnowie metalowej (metal matrix composites),

n, nw

–

prędkość obrotowa, wrzeciona, obr/min,

NC

–

sterowanie numeryczne (numerical control),

nkp

–

liczba krawędzi skrawających w płytce wieloostrzowej,

nn

–

liczba narzędzi biorących udział w operacji,

nos

–

liczba możliwych ostrzeń narzędzia,

ns

–

częstotliwość drgań samowzbudnych, s–1,

nsz

–

liczba sztuk w partii wyrobów, szt.,

OUPN

–

układ obrabiarka–uchwyt–przedmiot–narzędzie,

P

–

oznaczenie grupy materiałowej wg ISO, oznaczenie stali szybkotnącej spiekanej,

Pc

–

moc skrawania, kW,

PD

–

oznaczenie diamentu polikrystalicznego bez spoiwa (CVD),

Pe

–

moc efektywna na wrzecionie, kW,

Pf

–

płaszczyzna boczna,

Pn

–

płaszczyzna normalna,

Po

–

płaszczyzna ortogonalna (płaszczyzna przekroju głównego),

PVD

–

fizyczne osadzanie par (phisical vapour deposition),

Ra

–

parametr chropowatości (średnie arytmetyczne odchylenie od linii średniej), mm,

rε

–

promień naroża, mm,

Rg

–

wytrzymałość na zginanie, MPa,

Rm

–

wytrzymałość na rozciąganie, MPa,

Rt

–

chropowatości teoretyczna, mm, szt.,

t

–

czas skrawania, min,

Tc

–

trwałość ostrza narzędzia, min, szt.,

tdn

–

czas diagnozowania, min,

tj

–

czas jednostkowy operacji, min/szt.,

tp

–

czas pomocniczy, min,

ts

–

całkowity czas skrawania, min,

U

–

oznaczenie osi sterowanej obrabiarki,

Udop

–

dopuszczalne niewyważenie resztkowe, gmm,

V

–

objętość materiału do zeskrawania, mm³,

VBA

–

szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia w strefie A, mm,

VBB

–

średnia szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia w strefie B, mm,

VBBmax

–

największa szerokość pasma zużycia powierzchni przyłożenia, mm,

VBC

–

szerokość pasma zużycia naroża, mm,

vc

–

prędkość skrawania, m/min, m/s,

ve

–

prędkość efektywna skrawania, m/min, m/s,

vf

–

prędkość posuwu, m/min, mm/min,

α

–

współczynnik cieplnej rozszerzalności liniowej, 10–6/K,

αo,n,f.p

–

kąt przyłożenia odpowiednio: główny, normalny, boczny, tylny, …°,

β

–

kąt pochylenia linii śrubowej zęba, …°,

βo,n,f,p

–

kąt ostrza odpowiednio: główny, normalny, boczny, tylny, …°,

j

–

przesunięcie fazowe, …°,

γo,n,f,p

–

kąt natarcia odpowiednio: główny, normalny, boczny, tylny, …°,

ΔP

–

nierównomierność podziałki, mm,

εr

–

kąt naroża, …°,

Θc

–

temperatura skrawania, …°C,

κr

–

kąt przystawienia, …°,

λ

–

współczynnik przewodzenia ciepła, W/(m K),

λs

–

kąt odchylenia krawędzi skrawającej, …°,

ω 

–

kąt opasania frezu, …°,

ωo

–

częstość drgań własnych, 1/s,

1

Wprowadzenie
Piotr Cichosz

Obróbka ubytkowa, a w szczególności skrawanie, należy ciągle do najbardziej rozpowszechnionych technik kształtowania przedmiotów metalowych. Mimo znaczących postępów w rozwoju innych technik wytwarzania, takich jak odlewanie, przeróbka plastyczna, a ostatnio także techniki przyrostowe, techniki ubytkowe nie tracą na znaczeniu, ciągle rosną bowiem wymagania dotyczące dokładności i jakości warstwy wierzchniej powierzchni funkcjonalnych wyrobów, a te nie można, lub jest trudno ekonomicznie osiągnąć innymi technologiami. W samym skrawaniu, dzięki znacznemu postępowi w rozwoju materiałów narzędziowych i przeciwzużyciowych powłok ochronnych, a także wytworzeniu nowych konstrukcji narzędzi, obrabiarek i oprzyrządowania, dokładnych i wysokowydajnych technologii kształtowania, nastąpiła taka poprawa, że obróbka ta jest w dalszym ciągu bardzo efektywna pod względem wydajności i kosztów wytwarzania. Dzięki temu wzrosły także możliwości kształtowania materiałów trudnoobrabialnych (twardych, kompozytowych, stopów lotniczych itp.), a także zdolności uzyskiwania większych dokładności obróbki i jakości powierzchni. Wszystko to sprawiło, że często samym skrawaniem można w procesie wytwarzania zmniejszać zaangażowanie innych technologii, w tym obróbek ściernych, cieplnych, skracając tym samym łańcuchy technologiczne. Duże możliwości skrawania wysokoproduktywnego pozwalają także na znaczne skrócenie czasu i kosztu wytwarzania form i matryc, które kiedyś można było racjonalnie użytkować jedynie w produkcji wielkoseryjnej i masowej, a obecnie obszar zastosowań tych środków produkcji znacznie się rozszerzył także w kierunku coraz krótszych serii.

W wyniku zmian związanych z wprowadzeniem produkcji 4.0 prognozuje się, że w samej Europie, w nieodległej przyszłości, będzie musiało zmienić swoje kwalifikacje nawet do kilkunastu milionów pracowników [42]. Pełniejsza, można powiedzieć totalna, informatyzacja niemal wszystkich środków produkcji i systemów zarządzania nią jeszcze szerzej zintegruje techniki wytwarzania. Dąży się do komputerowego wspomagania na każdym etapie wytwarzania, w tym podczas opracowywania technologii, z coraz bardziej zaawansowanymi procedurami je optymalizującymi. Czołowe światowe firmy narzędziowe oferują dostęp do elektronicznych, najczęściej umieszczanych na stronach internetowych, danych, w tym informacji i procedur mogących mieć znaczenie w doborze narzędzia do operacji technologicznej, pomagających w wyborze parametrów i warunków obróbki. W wielu przypadkach można obliczyć czas obróbki, a niekiedy także skalkulować koszty operacji.

Kluczowa rola skrawania w wytwarzaniu wynika z dużej dokładności, stabilności procesu oraz możliwości uzyskiwania wymaganej, coraz wyższej jakości warstwy wierzchniej kształtowanej powierzchni, obejmującej czasami bardzo wyrafinowaną strukturę geometryczną jej topografii, naprężenia własne i umocnienie, no i bardzo małe zdefektowanie warstw wierzchnich. Trzeba też zauważyć w ostatnich czasach znaczne przewartościowanie się pojęcia „technologiczności konstrukcji” z punktu widzenia skrawania. To, co kiedyś było uważane za skrajnie nietechnologiczne, bo było trudne bądź niemożliwe do wykonania, dzisiaj, z racji nowych możliwości kształtowania, jakie oferują obrabiarki i narzędzia, w tym narzędzia sterowane i mechatroniczne, staje się rozwiązaniem technologicznym. Dotyczy to szczególnie konstrukcji lotniczych, w których dąży się do ekstremalnego ograniczania ich masy, liczby połączeń, co w dużym uproszczeniu sprowadza się do wykonywania cienkościennych elementów z jednego półfabrykatu i to z materiałów o dużym stosunku wytrzymałości do masy. Do materiałów takich jak stopy aluminium dołączyły stopy tytanu i kompozyty, a więc materiały o bardzo złej obrabialności.

Wymagania globalnych rynków, ciągle rosnąca konkurencyjność, sprawiają, że istnieje silna potrzeba wdrażania nowoczesnych technologii. Przedsiębiorstwa muszą nie tylko utrzymywać wysoki poziom techniczny swojej produkcji, ale ciągle go rozwijać, aby nie wypaść z obiegu i być aktywnym graczem na tych rynkach.

Wszystkie te działanie podporządkowane są uzyskaniu wysokiej jakości produktów, z coraz większą wydajnością i przy ciągle obniżanych kosztach produkcji.

Właśnie tym nowoczesnym technologiom, środkom produkcji, stosowanym w obróbce skrawaniem jest poświęcona ta książka. W ostatnich latach ukazało się kilka pozycji książkowych, głównie o charakterze akademickim, poświęconych tematyce obróbki skrawaniem i narzędzi [37], [45], [75], [77], [96], [97], w których omawiano te zagadnienia z ukierunkowaniem w dużej mierze na podstawy teoretyczne procesów. Tych z Państwa, którzy chcieliby pogłębić swoją wiedzę i teorię z podstaw skrawania, odsyłamy do wspomnianych książek, a także do licznych artykułów w wielu czasopismach naukowych i technicznych.

Naszym celem jest przekazanie w tej książce wiedzy o charakterze bardziej praktycznym, inżynierskim, ale bazującej na najnowszych osiągnięciach. Starliśmy się przybliżyć tematykę dotyczącą trendów, jakie się w ostatnich latach pojawiły w obszarze obróbki skrawaniem. Zdajemy sobie sprawę, że dla niektórych z Państwa poruszone tematy nie stanowią elementu nowości. Jest jednak duża rzesza inżynierów technologów z mniejszym doświadczeniem oraz studentów, którzy niebawem, jako absolwenci, trafią do zawodu, a od których oczekiwać się będzie wdrażania współczesnej nowoczesnej wiedzy z tej tematyki. Wiele zagadnień, które uwzględniliśmy w zakresie tej książki, pochodzi z referatów i paneli dyskusyjnych konferencji Szkoły Obróbki Skrawaniem (SOS), która corocznie od kilkunastu lat jest organizowana przez różne krajowe ośrodki akademickie z licznym udziałem środowisk przemysłowych. Najistotniejsze zagadnienia tam poruszane chcieliśmy zebrać w jednej pozycji, aby łatwiej po nie można było sięgnąć. Mamy nadzieję, że przedstawiony w książce zakres tematyczny będzie dla niektórych z Państwa przydatny.

W tym miejscu chciałbym gorąco podziękować wszystkim współautorom za trud i czas poświęcony na opracowanie poszczególnych rozdziałów tej książki. Dziękuję także wielu osobom zatrudnionym w przemyśle za przekazaną nam swoją wiedzę i doświadczenie oraz podsunięcie tematów, które z ich punktu widzenia wydawały się istotne i potrzebne do omówienia.

Szczególne wyrazy wdzięczności chciałbym złożyć na ręce prof. Krzysztofa Jemielniaka, autora kilku rozdziałów tej publikacji, nie tylko za trud ich zredagowania, ale także za liczne konsultacje, sugestie, krytyczne, ale życzliwe uwagi dotyczące pozostałych treści zawartych w książce. W znacznym stopniu przyczyniły się one do poprawienia jej wartości merytorycznych.

Chciałbym także gorąco podziękować licznym Partnerom Wydania, dzięki którym ukazanie się tej książki stało się możliwe, a byli nimi: GF Machining Solutions, Gühring, MAPAL Narzędzia Precyzyjne, MMC Hardmetal Poland, Narzędzia Skrawające Tools, Oerlikon Balzers Coating Poland, Perschmann, PFN „PAFANA”, Sandvik Polska, TCM Polska, Wydział Mechaniczny Politechniki Wrocławskiej, Zoller Polska.

Prosimy też Czytelników, aby zechcieli się podzielić swoją opinią na przedstawione tematy, a szczególnie na zwrócenie nam uwagi na zauważone błędy i nieścisłości. Opinie i uwagi można przesyłać na adres piotr.cichosz@pwr.edu.pl. Wzbogaci to naszą wiedzę, a być może niektóre z tych zagadnień staną się zaczątkiem dyskusji na kolejnych forach dyskusyjnych wspomnianej konferencji SOS.

2

Materiały narzędziowe i powłoki
Piotr Cichosz

2.1. Materiały narzędziowe

Rozwój materiałów narzędziowych odgrywał jedną z najistotniejszych ról, jeśli chodzi o postęp w rozwoju technik wytwarzania skrawaniem. Pojawienie się nowych ich generacji, takich jak: stale szybkotnące, węgliki spiekane, cermetale, ceramika narzędziowa, spiekane materiały supertwarde (diamentowe i z regularnego azotku boru), stanowiło milowe kroki pozwalające diametralnie zwiększyć wydajność i efektywność obróbki skrawaniem.

Najważniejszą właściwością materiału narzędziowego jest jego twardość oraz odporność na zużycie w wysokich temperaturach. Ponieważ temperatura skrawania zależy niemal liniowo od prędkości skrawania, ta właściwość decyduje w głównej mierze o możliwości zwiększania wydajności obróbki. Na rysunku 2.1 przedstawiono, w ujęciu historycznym, pojawianie się nowych materiałów narzędziowych wraz z ich odpornością na wysokie temperatury. Na rysunku tym zaznaczono także zależność czasu realizacji hipotetycznej operacji obróbkowej od zastosowanego materiału narzędziowego, z zaznaczeniem lat, w których dany materiał narzędziowy wdrożono do praktyki.

Kluczowa rola materiału narzędziowego w skrawaniu jest w dalszym ciągu istotna z uwagi na to, że wpływa na możliwość obróbki trudnoobrabialnych materiałów, takich jak: materiały w stanie utwardzonym, stopy lotnicze, kompozyty itp. Odgrywa on też pośrednią rolę w skrawaniu poprzez szereg innych czynników, takich jak: łatwość kształtowania i regeneracji ostrzy oraz mocowania ich w narzędziu, stabilność krawędzi skrawającej, odporność na trudne warunki skrawania (szoki mechaniczne i termiczne), możliwość intensywnego chłodzenia, skrawania na sucho, koszt materiału itp. Ten ostatni czynnik, jakim jest koszt, jest szczególnie zauważalny w ostatnim czasie w odniesieniu do węglików spiekanych. Wobec dużego zapotrzebowania na ten materiał na rynkach światowych oraz silnej monopolizacji kopalni ceny takich podstawowych metali koniecznych do produkcji węglików spiekanych jak wolfram i kobalt gwałtownie wzrosły. Jest to powodem do „odchudzania” wymiennych ostrzy, ich miniaturyzacji i zastępowania na przykład pełnowęglikowych narzędzi trzpieniowych narzędziami składanymi już nawet w przypadkach, gdy ich średnice wynoszą zaledwie kilka milimetrów.

Rys. 2.1. Pojawianie materiałów narzędziowych i ich odporności na wysokie temperatury, a także hipotetyczny czas obróbki przykładowego przedmiotu, w ujęciu historycznym

Na przestrzeni lat zmniejszała się także, uważana za optymalną, zalecana trwałość narzędzia. Na przykład, w przypadku noży tokarskich przed drugą wojną światową uważano, że należy dobierać prędkość skrawania o takiej wartości, aby trwałość narzędzia wynosiła kilka godzin, tak aby wymiana narzędzi na obrabiarce odbywała się raz na zmianę. W latach 50–60. XX wieku zalecana trwałość wynosiła już ok. 1 h, by w latach 70–80 XX w. zmaleć do 30 min. W kolejnych latach, aż do dzisiaj, przyjmuje się, że trwałość ta powinna wynosić ok. 15 min. Udział w tej tendencji miały także poprawiające się sukcesywnie właściwości skrawne materiałów narzędziowych i powłok ochronnych, które pozwalały na znacznie zwiększanie parametrów obróbki, a zwłaszcza prędkości skrawania, co istotnie zwiększało wydajność i obniżało koszty wytwarzania. Dalsza progresja w skracaniu zalecanej trwałości narzędzia została wyhamowana z uwagi na znacznie zwiększający się udział w czasie operacji przestojów związanych z wymianą i ustawianiem narzędzi, a ponadto rosły też koszty samych narzędzi z uwagi na zwiększającą się w takich przypadkach ich liczbę konieczną do wykonania zadania obróbkowego.

W ostatnich latach nie pojawił się żaden nowy, przełomowy materiał narzędziowy o znacząco korzystniejszych od dotychczasowych właściwościach skrawnych. Istniejące na rynku materiały są doskonalone, a ich ciągle ulepszane wersje tylko w niewielkim stopniu przyczyniają się do możliwości zwiększania efektywności wytwarzania. Wyraźniejszy postęp zauważa się w sukcesywnym pojawianiu się nowych powłok przeciwzużyciowych.

Materiały narzędziowe oraz powłoki nakładane na ostrza dość wyczerpująco zostały omówione w pracach [32], [33], [45], [75], [77], [96], [122]. W rozdziale tym uwaga skupiona zostanie na tych aspektach związanych z materiałami i powłokami, które decydują o możliwości zwiększania wydajności obróbki skrawaniem.

Oznaczenia materiałów narzędziowych zostały już w 2014 r. ujednolicone i ujęte w normie ISO 513: 2014-05 (rys. 2.2) i formalnie obowiązują. Są one dość przemyślane, spójne i jednoznaczne. Niemniej jednak nie są one w wielu przypadkach stosowane, nie tylko przez wytwórców w przemyśle, ale także przez środowiska akademickie. W tej książce używamy obowiązujących oznaczeń zgodnych z przytoczoną normą.

Rys. 2.2. Oznaczenia materiałów narzędziowych wg ISO 513: 2014-05; pozostałe oznaczenia: CR – ceramika tlenkowa Al₂O₃ wzmacniana wiskerami, CA – ceramika tlenkowa Al₂O₃, CM – ceramika mieszana, CN – ceramika krzemowa Si₃N₄, CC – ceramika powlekana

Kres możliwości udoskonalania stali szybkotnących na dzień dzisiejszy chyba zakończył się po etapie wytwarzania ich za pomocą metalurgii proszków. Technologia ta, dzięki której brak segregacji twardych frakcji węglików pozwolił na zwiększenie ich ilości w stopie do 40%, zaowocowała nieco większą twardością stopu (67–69 HRC), w porównaniu z tradycyjnymi technologiami jego odlewania i przekuwania. Odporność temperaturowa dzisiejszych stali szybkotnących to zaledwie ok. 670°C, co nie pozwala na zastosowanie większych prędkości skrawania. Mimo stosunkowo złych właściwości skrawnych stali szybkotnącej jest ona jeszcze stosowana z uwagi na jej dużą wytrzymałość na zginanie i odporność na szoki mechaniczne i termiczne, a także ze względu na jej dobrą kształtowalność w stanie miękkim. Znajduje zastosowania w narzędziach trzpieniowych o małych średnicach, gwintownikach, narzynkach, a także narzędziach kształtowych, jak przeciągacze, frezy ślimakowe, dłutaki itp. Zwiększenie efektywności skrawaniem narzędziami ze stali szybkotnącej należy dziś przypisywać głównie powłokom przeciwzużyciowym.

Węgliki spiekane to w dalszym ciągu podstawowy materiał na narzędzia. Wykonuje się z niego ok. 50% ostrzy wszystkich narzędzi. Materiał ten w sposób optymalny, jak żaden inny, łączy w sobie takie bardzo pożądane ich cechy, jak duża odporność na ścieranie i stosunkowo dobre właściwości wytrzymałościowe.

Kilkanaście lat temu udało się wytworzyć ultradrobnoziarniste węgliki spiekane o wielkości ziarna około 0,3 μm, a dzisiaj o jeszcze mniejszej ziarnistości. Spowodowało to znaczący wzrost nie tylko twardości spieku, ale także jego wytrzymałości na zginanie, co do tamtego czasu było zjawiskiem przeciwstawnym, czyli w miarę zmniejszania się ziarnistości spieku rosła co prawda jego twardość, lecz malała wytrzymałość na zginanie, której to właściwości brakowało tym materiałom. Tak jak w przypadku stali narzędziowych również w przypadku węglików spiekanych w ostatnich latach nie pojawił się znaczący postęp w zwiększeniu ich właściwości skrawnych.

Cermetale powstały w czasach drugiej wojny światowej, gdy utrudniony był dostęp do złóż wolframu, który w postaci węglika WC był głównym składnikiem węglików spiekanych. Początkowo cermetal składał się z ziaren TiC, TiN, TiCN i nie zawierał WC. Obecnie cermetale w większości zawierają kilkanaście procent tego składnika, który podwyższa ich odporność na ścieranie. Cermetale swoimi właściwościami sytuują się między ceramiką a węglikami spiekanymi i dość dobrze sprawują się głównie podczas kształtowania stali w stabilnych warunkach obróbek wykończeniowych.

Podobny pogląd, co w przypadku rozwoju innych materiałów narzędziowych, można wyrazić w odniesieniu do ceramiki tlenkowej, mieszanej i azotkowej [32], [33], [42], [45], [146]. Cały czas trwają usilne prace nad zwiększaniem ich odporności na kruche pękanie, szoki termiczne, a także nad zwiększanym wytrzymałości na zginanie. Jednak postępy na tym polu są bardzo umiarkowane. Ostrza w postaci wymiennych płytek z ceramiki stosowane są już od bardzo dawna. Natomiast próby zastosowania tych materiałów narzędziowych w monolitycznych narzędziach, takich jak wiertła lub frezy trzpieniowe, napotykały na utrudnienia z powodów małej ich wytrzymałości na zginanie oraz złego zachowywania się w warunkach małych prędkości skrawania, jakie występują w przypadku narzędzi o małych średnicach lub w pobliżu osi obrotu narzędzia. Zwiększenie wytrzymałości na zginanie i odporności na kruche pękanie materiałów ceramicznych spowodowało, że zaczęto ponownie oferować trzpieniowe frezy z tych materiałów [135]. Na rysunku 2.3 przedstawiono monolityczny frez ceramiczny do obróbki superstopów na bazie niklu. Wytwarzany jest on w zakresie średnic od 6–12 mm.

Rys. 2.3. Frez trzpieniowy ceramiczny (Iscar)

Głównym nurtem rozwoju materiałów supertwardych, do których zaliczają się spieki diamentowe (DP) i z regularnego azotku boru (BN), są prace związane z udoskonalaniem technologii wiążącej ziarna tych materiałów. Produkowanych jest po kilkanaście gatunków spieków z tych materiałów. Różnią się one między sobą wielkością ziaren małych, średnich bądź dużych, procentowym udziałem frakcji twardych w spieku oraz materiałem lepiszcza.

W przypadku spieków diamentowych stosuje się ziarna o wielkości ~2 μm, ~10 μm, ~25 μm, a także frakcje mieszane, na przykład ziarna duże i małe, co pozwala na uzyskanie większej koncentracji twardych frakcji w spieku. Podstawowym lepiszczem jest kobalt, który ma bardzo dobre właściwości zwilżające ziarna, a także względnie wysoką temperaturę topnienia. Diament oprócz bardzo dużej twardości i związanej z nią odporności na ścieranie, a także możliwości nadawania kształtowanym nim powierzchniom nieomal lustrzanego wyglądu, ma niemal same wady, do których zaliczyć trzeba:

• powinowactwo do żelaza, niklu, które powoduje bardzo duże zużycie dyfuzyjne ostrzy podczas obróbki stopów zawierających te metale,

• niewysoką dopuszczalną temperaturę pracy (600–800°C) z uwagi na grafityzację, dyfuzję i utlenianie,

• bardzo małą wytrzymałość na zginanie,

• małą udarność,

• bardzo złą kształtowalność,

• wysoką cenę.

Mimo tych licznych wad DP jest on powszechnie stosowany w produkcji wielkoseryjnej, podczas kształtowania metali nieżelaznych oraz kompozytów.

Pewne możliwości rozszerzenia zastosowań diamentu do obróbki skrawaniem wiążą się z próbami powrotu do ostrzy z monokryształów tego materiału. Wynika to z dynamicznie rozwijających się metod syntezy diamentu. Obecnie oferowane są handlowo sztuczne diamenty o wielkościach nawet 10 × 10 mm [32].

Regularny azotek boru (boron nitrogen, BN) ma blisko dwukrotnie wyższą odporność temperaturową od diamentu, wynosząca ok. 1400°C. Stąd też, aby wykorzystać tę jego bardzo pozytywną cechę, do spiekania jego ziaren stosuje się nie tylko kobalt, ale także ceramikę Al₂O₃, TiCN, TiN, TiC [148]. Koncentracja ziaren cBN w spieku może się zawierać w zakresie od 40–65% dla gatunków o małej koncentracji (BL) aż do 70–95% dla spieków o dużej koncentracji (BH). Wielkość ziaren cBN stosowanych w spiekach może się zawierać w przedziale 1–10 μm. Spieki drobnoziarniste charakteryzują się większą udarnością i są przeznaczone do skrawania przerywanego. Ponieważ spiekany azotek boru (polycrystalline, PcBN) ma kilkakrotnie większą wytrzymałość na zginanie od spieków diamentowych, dlatego też możliwe jest wykonywanie z tego materiału monolitycznych płytek wieloostrzowych, a nie tylko samych naroży w korpusach płytek węglikowych, jak to jest w przypadku spieków diamentowych. Brak reakcji chemicznych z takimi materiałami jak żelazo, nikiel czy kobalt, do temperatury 1350°C, powoduje jego dużą przydatność do obróbki wszelkich stopów żelaza, zwłaszcza znajdujących się w stanie zahartowanym. Jego kilkunastokrotnie większa odporność na ścieranie w porównaniu do węglików spiekanych powoduje, że bywa stosowany również tam, gdzie wymagane są długie nieprzerwane drogi skrawania, na przykład do wykończeniowej obróbki dużych powierzchni form, matryc, walców papierniczych. Bardzo duża przewodność cieplna spieków z materiałów supertwardych umożliwia stosowanie cieczy chłodząco-smarujących. Jest to korzystne nie tylko z uwagi na trwałość narzędzi i jakość obrabianych powierzchni, ale także ze względu na skuteczniejsze usuwanie wiórów, które podczas obróbek tymi ostrzami tworzą się w bardzo dużych ilościach. Mimo iż ceny ostrzy z azotku boru często przekraczają ceny ostrzy diamentowych, jednak ze względu na swoje zalety bywają chętnie stosowane.

Rys. 2.4. Wybrane właściwości spieków w zależności od objętościowej zawartości cBN oraz od: a) wielkości ziarna, b) rodzaju obrabianych materiałów (wg SECO)

Na rysunku 2.4 przedstawiono wybrane właściwości spieków PcBN w zależności od objętościowej zawartości cBN oraz od wielkości ziarna i rodzaju obrabianych materiałów.

Rys. 2.5. Obszar zastosowań narzędziowych materiałów supertwardych do obróbki różnych materiałów z uwzględnienia potencjalnej temperatury skrawania (wg Mapal)

Na rysunku 2.5 przedstawiono zakresy zastosowań materiałów supertwardych do obróbki różnych materiałów w zależności od temperatury występującej podczas efektywnego skrawania tych materiałów.

Obszar zastosowań materiałów narzędziowych do obróbki podstawowych grup materiałów metalowych zamieszczono na rys. 2.6.

Rys. 2.6. Obszar zastosowań materiałów narzędziowych do obróbki podstawowych grup materiałów metalowych (wg Mapal)

2.2. Powłoki przeciwzużyciowe

Powłoki przeciwzużyciowe nanoszone na ostrza cały czas są ulepszane i modernizowane. Co kilka miesięcy pojawiają się na świecie nowe bądź gruntownie zmodyfikowane ich wersje. Obecne powłoki do pracy z dużymi prędkościami lub do obróbek na twardo, a więc tam gdzie występują bardzo wysokie temperatury skrawania, wytrzymują temperatury rzędu 1300°C. Pozwala to z sukcesem obrabiać zahartowane materiały za pomocą ostrzy z węglików spiekanych.

Różne źródła podają, że ok. 65–80% wszystkich narzędzi stosowanych w produkcji masowej ma powłoki. Dotyczy to także narzędzi przeostrzanych, które mogą być repowlekane.

Istnieją dwie podstawowe metody nanoszenie powłok. Zdecydowaną większość stanowią powłoki nakładane technikami fizycznego osadzania (physical vapour deposition, PVD). W mniejszym zakresie nanosi się powłoki metodami chemicznymi (chemical vapour deposition, CVD).

Niezależnie od sposobu nanoszenia powłok ich głównym zadaniem jest ograniczenie zużycia ostrza przez:

• zmniejszenie współczynnika tarcia w strefie kontaktu narzędzia z wiórem i przedmiotem obrabianym,

• zwiększenie twardości warstw wierzchnich powierzchni roboczych narzędzia,

• stworzenie bariery dla wnikania ciepła w narzędzie,

• ograniczenie dyfuzji,

• zmniejszenie zmian chemicznych w warstwach wierzchnich ostrza.

Kolejnymi korzyściami stosowania powłok może być:

• zmniejszenie sił skrawania,

• obniżenie temperatury skrawania,

• zmniejszenie nagrzewania się narzędzia i przedmiotu obrabianego,

• zmniejszenie skłonności do tworzenie się narostu,

• zmniejszenie chropowatości obrobionych powierzchni,

• ułatwienie transportu wiórów w rowkach wiórowych,

• możliwość skrawania bez konieczności stosowania płynów obróbkowych,

• znaczne zwiększenie okresu trwałości narzędzi lub alternatywnie korzystniejsze zwiększenie okresowej prędkości skrawania,

• ułatwienie wizualnej oceny stanu zużycia ostrza, jeśli zewnętrzna warstwa powłoki ma barwę różniącą się od podłoża, na przykład w kolorze złotym wykonaną z TiN,

• znaczne rozszerzenie uniwersalności zastosowań ostrzy wykonanych z takich materiałów narzędziowych jak: stale szybkotnące, węgliki spiekane i cermetale itp.

Przyjmuje się, że w wyniku nałożenia powłoki zwiększenie trwałości ostrza wzrasta co najmniej o 100%. Im bardziej wytężone warunki pracy, w których narzędzia niepowlekane pracują w okolicach swoich maksymalnych dopuszczalnych temperatur, tym zastosowanie powłok jest bardziej efektywne. Efektywność jest także tym większa, im droższe jest narzędzie, bowiem koszt powlekania jest niezależny od jego ceny. Przeciętnie koszt naniesienia powłoki stanowi w dużym przybliżeniu ok. 30% ceny narzędzia.

Nie wchodząc w szczegóły, różnice między właściwościami powłok nanoszonych metodami PVD i CVD przedstawiono w tab. 2.1.

Powleka się ostrza wykonywane niemal ze wszystkich materiałów. Na powłoki jedno- lub wielowarstwowe stosuje się rozmaite materiały: węgliki tytanu, azotki tytanu, węglikoazotki tytanu, chrom, ceramikę, regularny azotek boru, a także inne związki o dużej odporności na ścieranie, zwłaszcza w wysokich temperaturach. Czasami, jako jedną z warstw powłoki stosuje się miękki materiał, którego zadaniem jest blokada kruchych pęknięć inicjowanych w twardych warstwach lub tworzenie związków w wysokich temperaturach o małym współczynniku tarcia.

Stosuje się także powlekanie ostrzy ze spieków z regularnego azotku boru, a także ceramicznych. Pojawiają się też próby powlekania ostrzy węglikowych powłokami z regularnego azotku boru. Od wielu lat stosowane są powłoki diamentowe nakładane na ostrza z węglików spiekanych. W ostatnich czasach pojawiły się także one w odmianie, w której nakładanych jest naprzemiennie wiele warstw diamentu ultradrobnoziarnistego i drobnoziarnistego. Polepsza to właściwości mechaniczne całej powłoki i stwarza możliwości zwiększenia jej grubości.

Tabela 2.1. Właściwości powłok nanoszonych metodami PVD i CVD

PVD

CVD

niższe temperatury nanoszenia (zazwyczaj ~500°C)

wyższe temperatury nanoszenia (zazwyczaj ~1000°C)

cieńsze powłoki

grubsze powłoki

większa udarność

większa odporność na ścieranie zwłaszcza na powierzchni przyłożenia

mniejsze promienie zaokrąglenia krawędzi

większe promienie zaokrąglenia krawędzi

korzystne naprężenia ściskające w powłoce

niekorzystne naprężenia rozciągające w powłoce

możliwość stosowania małych grubości warstwy skrawanej

nadaje się do obróbek kształtujących i zgrubnych

Powłoki diamentowe nanoszone na ostrza mają zastosowanie podobne jak ostrza diamentowe, a więc głównie do metali nieżelaznych lub kompozytów, do których obróbki zaleca się stosować małe promienie zaokrąglenia krawędzi rn. Natomiast ostrza węglikowe powlekane powłokami diamentowymi mają niekorzystnie te promienie powiększone co najmniej o wartość grubości powłoki (rys. 2.7). Bywa, że powłoki w takich przypadkach nanosi się o zmniejszonej grubości nawet rzędu 1 μm. Jednak powłoka to czysty diament bez fazy wiążącej i w związku z tym nie ma tendencji do sczepień adhezyjnych, jakie mogą pojawić się między kobaltową fazą wiążącą spieku a materiałem obrabianym.

Znaczna część narzędzi jest regenerowana przez ostrzenie. Można tego dokonywać od strony powierzchni przyłożenia lub natarcia, a także z obu stron jednocześnie. Wiele doniesień sugeruje, że gdy ostrza mają powłokę, wówczas usunięcie jej podczas ostrzenia tylko z jednej powierzchni, natarcia lub przyłożenia, pozwala na nadspodziewanie dobre zachowanie zdolności ochronnych ostrza. Potwierdza to także praktyka usuwania powłoki z powierzchni natarcia ostrzy przeciągaczy po naniesieni jej na całym narzędziu. Co prawda robi się to z innych powodów, a mianowicie aby zmniejszyć promień zaokrąglenia krawędzi skrawającej, niekorzystnie powiększonej dzięki naniesionej powłoce. Ostrza wykończeniowe tych narzędzi zdejmują bardzo cienkie warstwy i wówczas może być zakłócony proces oddzielania materiału i uzyskiwania gładkich powierzchni. Niemiej jednak takie przygotowanie ostrza pozwala zachować zadowalające zmniejszenie intensywności jego zużycia.

Rys. 2.7. Widok przekroju ostrza: a) z wielowarstwową powłoką diamentową, b) zwiększony promień zaokrąglenia krawędzi w wyniku naniesionej powłoki (CC Dia®Tiger CameCom)

Często uważa się [45], [133], że jeśli podczas regeneracji narzędzie nie musi być przeostrzane, na którejś z powierzchni roboczych ostrza, to grubość naniesionej na tę powierzchnię powłoki może być większa od optymalnej. Dopuszcza się w takich przypadkach 3–4-krotne nanoszenie powłoki jednej na drugą. Większa krotność nanoszonych powłok jest niekorzystna i przed dalszym powlekaniem należy stare warstwy usunąć. Dokonuje się tego we względnie prosty sposób, na przykład za pomocą wody utlenionej o odpowiednim stężeniu i temperaturze. Czasami powłoki na węglikach spiekanych usuwa się, wspomagając ten proces elektrochemicznym roztwarzaniem [45].

Ostrzenie narzędzi zleca się najczęściej producentowi bądź wyspecjalizowanej firmie, które przy okazji oferują ich repowlekanie, a także podejmują się właściwego przygotowania narzędzi do ponownego nakładania powłok. Samodzielna regeneracja narzędzi o specjalnie modyfikowanych geometriach i wymaganej bardzo dużej precyzji ostrzenia w większości przypadków jest trudna do wykonania bez specjalnych szlifierek i oprogramowań.

3

Kształtowanie wiórów
Piotr Cichosz

Wióry powstające podczas skrawania, mimo iż są produktem odpadowym, odgrywają w wielu przypadkach bardzo znaczącą rolę. Zagadnieniu temu poświęca się wiele uwagi we wszystkich podręcznikach poruszających tematykę skrawania. Dość dużo informacji na ten temat można znaleźć w opracowaniach książkowych [75], [77], [96]. Bodaj najobszerniej, w ujęciu praktycznym, omówiono ją w pracy [45]. Zakres tematyki kształtowania wiórów przedstawiony w tym rozdziale opracowany został w dużej mierze na podstawie tej pozycji.

Trudno jest dopatrzyć się pozytywnych aspektów związanych z powstawaniem wiórów w procesie obróbkowym, może poza intensywnym odprowadzaniem ciepła ze strefy skrawania. W pozostałych przypadkach odgrywają one bardzo istotną, ale zazwyczaj destruktywną rolę, na przykład:

• stwarzają zagrożenie dla bezpieczeństwa operatora lub osób postronnych,

• zbytnio skupiają na sobie uwagę operatora i odwracają jego zainteresowanie od innych ważnych zadań,

• niszczą obrabiarkę, a szczególnie wszelkie jej przewody, prowadnice, powłoki lakiernicze itp.,

• utrudniają lub uniemożliwiają realizację procesu skrawania, jeśli wystąpią problemy z usuwaniem ich ze strefy skrawania lub z rowków wiórowych narzędzi, na przykład podczas wiercenia, przeciągania długich otworów, frezowania kanałków itp.,

• stwarzają konieczność przerywania procesu skrawania, aby usunąć je, w przypadku nawinięcia się ich na przedmiot obrabiany, oprzyrządowanie lub narzędzie,

• spowalniają proces skrawania wymuszaniem stosowania cykli wycofywania narzędzia z otworu w celu usunięcia zgromadzonych wiórów, a nawet zaczopowania rowków wiórowych,

• mogą uniemożliwiać obróbkę prowadzoną bez nadzoru pracownika,

• trąc o obrabianą powierzchnię pogarszają jej jakość,

• uderzając w krawędź skrawającą mogą powodować jej wykruszanie,

• wymuszają stosowanie droższych narzędzi z wewnętrznym doprowadzeniem medium, którego zadaniem jest ułatwienie usuwania wiórów podczas wykonywania otworów, zwłaszcza głębokich,

• utrudniają transport wiórów z obrabiarki, zwiększają powierzchnię magazynowania, jeśli mają skłębioną postać i zajmują dużą objętość z powodu dużego współczynnika wióra (rys. 3.1),

• wymuszają konieczność odolejenia i prasowania, a nawet segregacji ich przed wysłaniem do huty itp.

W dobie intensyfikacji wydajności obróbki, na przykład poprzez wprowadzanie obróbek z dużymi prędkościami, wysokoproduktywnych, ilość tworzonych wiórów znacznie zwiększa się, a wszystkie wymienione niekorzystne związane z nimi oddziaływania potęgują się w istotny sposób.

Klasyfikacje kształtów i oznaczenia cyfrowe wiórów wg PN-ISO 3685 przedstawiono w tab. 3.1. Przykładowo wiór 2.2.3 oznacza wiór rurowy, krótki, który spływa w kierunku powierzchni obrobionej, a wiór o oznaczeniu 6.2.6 jest wiórem łukowym, rozdrobnionym, który łamie się i trafia na powierzchnię przyłożenia. Wióry w rzeczywistych warunkach mogą mieć także kształty pośrednie, które można subiektywnie zaliczyć do jednego lub drugiego rodzaju. Nie jest to aż tak istotne. Ważne jest, żeby wiedzieć, które z tych wiórów mają korzystne kształty, a które wręcz przeciwne.

Niekorzystne kształty wiórów to te, które stwarzają zagrożenie dla operatora i obrabiarki, nawijają się na narzędzie i przedmiot obrabiany, rysują powierzchnię obrobioną, są trudne do usuwania ze strefy skrawania i kłopotliwe w transporcie. Do najbardziej niekorzystnych należą wszystkie wióry wstęgowe, ciągłe bądź splątane, a także wióry śrubowe, rurowe w odmianach splątanych. Uważa się, że jeśli tworzą się te rodzaje wiórów, to skrawanie nie powinno być prowadzone. Dopuszczalnymi kształtami wirów są wióry rurowe, śrubowe otwarte i stożkowe, zwłaszcza te w odmianie krótkiej. Najbardziej korzystnymi są wióry łukowe, spiralne i elementowe. Bardzo rozdrobnione wióry elementowe, a szczególnie igłowe, nie są zbyt pożądanymi z uwagi na zanieczyszczanie obrabiarki i powierzchni bazowych narzędzi, mogące powodować błędy ustalania, a także ze względu na możliwość dostawania się ich między powierzchnie ślizgowe prowadnic, suportów, nakrętek i śrub pociągowych, powodując ich szybsze zużywanie się lub blokadę. Sprawiają także utrudnienia w transporcie.

Rys. 3.1. Przykładowe kształty wiórów i odpowiadające im objętościowe współczynniki wióra kw [60]

Tabela 3.1. Klasyfikacja i oznaczenia kształtów wióra wg PN-ISO 3685

1. Wióry wstęgowe*)

2. Wióry rurowe*)

3. Wióry spiralne

4. Wióry śrubowe, otwarte*)

5. Wióry śrubowe stożkowe*)

6. Wióry łukowe**)

7. Wióry elementowe

8. Wióry igłowe

1.1. Długie

2.1. Długie

3.1. Płaskie

4.1. Długie

5.1. Długie

6.1. Związane

1.2. Krótkie

2.2. Krótkie

3.2. Stożkowe

4.2. Krótkie

5.2. Krótkie

6.2. Luźne

1.3. Splątane

2.3. Splątane

4.3. Splątane

5.3. Splątane

*) dla kształtu 1–5 wiórów trzecią cyfrą oznacza się kierunek jego spływu

**) dla wiórów łukowych trzecią cyfrą oznacza się powierzchnię, o którą łamany jest wiór

Objętościowy współczynnik wióra kw jest to stosunek objętości zajmowanej przez swobodnie ułożone wióry do objętości zeskrawanego materiału. I tak w skrajnych przypadkach, dla wiórów wstęgowych długich kw ≈ 300–400, a dla wiórów bardzo rozdrobnionych, elementowych kw ≈ 5–6. Przykładowe kształty wiórów i odpowiadające im objętościowe współczynniki wióra kw przedstawiono na rys. 3.1.

Na kształt wióra wpływa wiele czynników, które można pogrupować na czynniki związane z materiałem obrabianym, warunkami skrawania i narzędziem skrawającym [45]. Do czynników związanych z materiałem obrabianym należą jego właściwości mechaniczne, jak plastyczność oraz skłonność do umacniania się w wyniku odkształceń plastycznych. Im czynniki te mają większe wartości, tym rośnie skłonność do powstawania wiórów ciągłych, trudnych do rozdrobnienia, o niekorzystnej postaci.

Czynniki związane z warunkami skrawania (rys. 3.2), które wpływają na kształt wióra, to:

•  p r ę d k o ś ć   s k r a w a n i a  – im większa jej wartość, tym wiór ma bardziej niekorzystną postać, zwiększa się promień jego zwinięcia, a charakter jego budowy zmienia się ze schodkowego w ciągły, jednak po przekroczeniu pewnej, bardzo dużej, granicznej jej wartości, budowa wióra przechodzi ponownie z ciągłej w schodkową, o coraz wyraźniej zarysowanym kształcie „piłozębnym”, doprowadzając w ostateczności do samoczynnego rozdrabniania się poszczególnych jego segmentów,

•  p o s u w  – im większa jego wartość, tym trudniej jest odkształcać się sprężyście i plastyczne coraz grubszej warstwie skrawanej i wiór ma coraz większą tendencję do kształtowania się w postaci schodkowej, o coraz wyraźniej zaznaczonych segmentach, a promień jego zwinięcia zmniejsza się, stając się bardziej korzystnym,

•  g ł ę b o k o ś ć   s k r a w a n i a  ma mało istotny wpływ na kształt wióra; w miarę jej zwiększania rośnie jedynie jego szerokość; dla małych średnic toczenia duża głębokość skrawania może odgrywać pewną rolę z uwagi na występujące wówczas znaczne różnice w wartości prędkości skrawania wzdłuż krawędzi skrawającej, powodujące przechodzenie wióra z kształtu rurowego w śrubowy stożkowy, a następnie w śrubowy otwarty,

•  k i e r u n e k   s k r a w a n i a  (wzdłużny, poprzeczny, skośny) ma wpływ nie tylko na kierunek spływu wióra, ale także, w połączeniu z geometrią ostrza, może oddziaływać na promień i płaszczyznę, w jakiej się zwija (rys. 3.3 i 3.4),

•  d r g a n i a   s a m o w z b u d n e  mogą powodować zakłócenia w mechanizmie tworzenia się wióra, a zastosowanie kontrolowanych,  w y m u s z o n y c h   d r g a ń  może prowadzić do pełnego, skutecznego rozdrobnienia wióra nawet w przypadkach trudnoobrabialnych pod tym względem materiałów [27],

• kierowanie pod wiór  s i l n e g o   s t r u m i e n i a   c h ł o d z i w a  tworzy swego rodzaju „klin hydrauliczny”, który sprzyja tworzeniu się rozdrobnionej jego postaci (rys. 3.5),

•  n a g r z e w a n i e   s t r e f y   s k r a w a n i a  prowadzi do większego uplastycznienia trudnoobrabialnych, zazwyczaj twardych materiałów, i może zmieniać budowę wiórów z elementowej w schodkową bądź ciągłą, a wówczas mogą pojawić się bardziej niekorzystne kształty wiórów.

Podejście do uzyskania korzystnej postaci wióra poprzez zmianę parametrów skrawania należy zastosować w dalszej kolejności i jedynie w wówczas, gdy inne sposoby zawiodą. Jeśli bowiem w tym celu zmniejszy się prędkość skrawania, to prowadzi to do zmniejszenia wydajności obróbki. A zwiększenie posuwu zwiększa chropowatość kształtowanej powierzchni i obniża dokładność obróbki, jest więc możliwe jedynie w obróbkach zgrubnych i ewentualnie średniodokładnych.

Rys. 3.2. Wpływ parametrów skrawania na kształt wiórów [45]

Na rysunku 3.3 przedstawiono niemal wszystkie kształty wiórów, jakie mogą powstać i to podczas skrawania jednym narzędziem złożonych powierzchni tego samego przedmiotu. W takich przypadkach szeroki zakres warunków obróbki, dla których uzyskuje się korzystną postać wióra za pomocą łamacza wióra, ma istotne znaczenie, zwłaszcza że najczęściej takie wytwarzanie odbywa się bez nadzoru pracownika lub z jego znacznym ograniczeniem.

Rys. 3.3. Zależność kształtu wióra od kierunku i głębokości skrawania (wg [45])

Na rysunku 3.4 przedstawiono wpływ proporcji kształtu warstwy skrawanej na mechanikę kształtowania wióra i kierunek jego spływu. Jeśli wiór ma dużą grubość i kształtuje się według schematu jak na rys. 3.4 prawym, to w pewnych warunkach, uderzając w główną powierzchnię przyłożenia ostrza, może powodować wykruszanie się krawędzi skrawającej. Może to powodować niezdolność użycia innych naroży lub krawędzi płytki.

Rys. 3.4. Wpływ przekroju warstwy skrawanej na kształt wióra w toczeniu [45]

Na rysunku 3.5 przedstawiono wpływ wysokociśnieniowego strumienia chłodziwa podawanego pod wiór, co powoduje w wielu przypadkach korzystniejszą rozdrobnioną jego postać.

Rys. 3.5. Wpływ wysokociśnieniowego strumienia chłodziwa na rozdrabnianie wiórów podczas obróbki różnych materiałów (wg Iscar)

Kolejna grupa czynników, która wpływa na kształt wióra to czynniki związane z narzędziem. Do najważniejszych z nich należą:

• odpowiednio ukształtowana  p o w i e r z c h n i a   n a t a r c i a  w postaci rowków, występów lub progów służących do ciaśniejszego zwijania lub łamania tworzącego się wióra (np. rys. 3.6),

• nakładane na ostrza  ł a m a c z e   w i ó r a , stałe bądź nastawne (rys. 3.9a i b),

•  f a l i s t e    l u b   ł u k o w e   u k s z t a ł t o w a n i e   k r a w ę d z i   s k r a w a j ą c e j wraz z powierzchnią natarcia (rys. 3.11a), powodujące „rynnowe” uformowanie wióra, który jest wówczas sztywniejszy, łatwiej pęka i rozdrabnia się, a w przypadku wykonywania kanałków lub przecinania (rys. 3.11b-d) zmniejsza nieco swoją szerokość w porównaniu z szerokością warstwy skrawanej, co zmniejsza tarcie, mniej rysuje powierzchnie boczne rowka, ułatwia zwijanie i odprowadzenie wióra, a także sprzyja dostępowi chłodziwa do strefy skrawania,

•  p r z e r w y   w  c i ą g ł o ś c i   k r a w ę d z i    s k r a w a j ą c e j, mające na celu zmniejszenie szerokości wióra lub jego rozdzielenie, jak to ma miejsce w przypadku wierteł do głębokich otworów (rys. 3.10b i e), frezów palcowych (rys. 3.10c), lub w przypadku przeciągaczy (rys. 3.14),

•  u s k o k i   k r a w ę d z i   s k r a w a j ą c e j , rozdzielające wiór, zmniejszając jego szerokość, jak to ma miejsce na przykład w przypadku frezów (rys. 3.10a),

•  k ą t   p o c h y l e n i a   k r a w ę d z i   s k r a w a j ą c e j λs oddziałujący na kształt wióra w ten sposób, że dla dużych jego wartości dodatnich kierunek spływu wióra odbywa się w kierunku od przedmiotu, natomiast dla ujemnych wartości λs wiór spływa w stronę przedmiotu obrabianego, co może powodować, wraz z innymi czynnikami, że wiór będzie kierowany na powierzchnię przedmiotu lub narzędzia i będzie ulegać łamaniu (patrz tab. 3.1 przypis *) i **)) – uwaga ta odnosi się także do wpływu dwóch następnych, omawianych czynników, a mianowicie kąta przystawienia i natarcia,

•  k ą t   p r z y s t a w i e n i a  κr wpływający na kierunek spływu wióra w ten sposób, że w miarę zwiększania jego wartości kierunek spływu zmienia się z prostopadłego w równoległy do obrabianej powierzchni,

•  k ą t   n a t a r c i a γo wpływający na promień zwinięcia wióra w ten sposób, że im większa jego wartość, tym promień zwinięcia wióra staje się także większy, o coraz bardziej niekorzystnej postaci,

•  k o m o r y   w  n a r z ę d z i u    d o   g r o m a d z e n i a   w i ó r ó w , które wychwytując wióry z przestrzeni między ostrzem a powierzchnią obrobioną, zapobiegają rysowaniu i uszkadzaniu nimi ukształtowanej powierzchni (rys. 3.15).

Większość producentów wymiennych płytek skrawających podaje dla nich, w swoich katalogach, zakresy rozdrabniania wiórów. Z uwagi na różne warunki pracy ostrzy w warunkach obróbek zgrubnych, średniodokładnych i wykończeniowych oraz odmienne oczekiwania co do jakości obrabianych powierzchni nie da się tak ukształtować powierzchni natarcia, aby jednym łamaczem wióra można było rozdrabniać wióry w pełnym zakresie stosowanych parametrów. Stąd też w zależności od zestawienia materiałów ostrza i przedmiotu obrabianego zazwyczaj do różnych rodzajów obróbek zalecane są 3–4 różne łamacze wiórów. Przykład takich zakresów podano na rys. 3.7. Wyjątkiem są tu materiały kruche dające z natury korzystną rozdrobnioną postać, do których obróbki w wielu przypadkach wystarczy płaska powierzchnia natarcia.

Ostrza ze spieków diamentowych skrawając materiały nieżelazne z dużymi prędkościami zazwyczaj tworzą wióry o szczególnie niekorzystnej, często skłębionej postaci. Wióry takie mogą uszkadzać kształtowaną powierzchnię, rysując ją, a bywa, że wbijają się i przypawują do niej. Wówczas powoduje to powstawanie braków. Dlatego też w ostatnich latach zauważa się coraz częstsze kształtowanie zwijaczy wiórów na ostrzach wykonanych z materiałów supertwardych. Rowki do tego służące wykonuje się za pomocą laserów. Przykłady tak ukształtowanych łamaczy pokazano na rys. 3.6.

Producenci płytek skrawających prześcigają się w proponowaniu najrozmaitszych kształtów powierzchni natarcia, mających na celu uzyskanie łamania wióra dla możliwie szerokiego zakresu parametrów skrawania i dla różnych rodzajów obrabianych materiałów. Im zakres rozdrabniania wióra jest większy, tym płytka skrawająca jest bardziej uniwersalna i chętniej stosowana, zwłaszcza wówczas, gdy obróbka odbywa się na centrach obróbkowych, a narzędzie bierze udział w wielu różnorodnych zabiegach, skrawa z różnymi parametrami skrawania i w różnych kierunkach, na przykład toczy wzdłużnie, skośnie, poprzecznie, krzywoliniowo (rys. 3.3) itp.

Rys. 3.6. Przykłady ukształtowanych laserem zwijaczy wiórów na powierzchni natarcia ostrzy noży tokarskich ze spieków diamentowych

Rys. 3.7. Zakresy rozdrabniania wiórów dla przykładowych łamaczy wiórów oraz różnych rodzajów obróbek w zależności od posuwu i głębokości skrawania

Trzeba zwrócić uwagę na jeszcze jeden aspekt związany ze zwijaczami/łamaczami wiórów ukształtowanymi na powierzchni natarcia. Mogą one stwarzać możliwość zastosowania dodatniego kąta natarcia na płytkach negatywowych. W płytkach takich, których kąt ostrza βo = 90°, tworzy się kąt natarcia γo = –αo = –6°. Odpowiednie ukształtowanie rowka wzdłuż krawędzi skrawającej na powierzchni natarcia może sprawić, że kąt γo przyjmie dodatnią wartość (rys. 3.6), co może dodatkowo umożliwić dwustronne użycie płytek, podwajając tym samym liczbę potencjalnych do wykorzystania krawędzi skrawających. Ponadto odpowiednie zróżnicowanie kształtów powierzchni natarcia może także wzmocnić samą krawędź ostrza i uczynić ją bardziej odporną na trudne warunki pracy, jakie zdarzają się podczas obróbki utwardzonych powierzchni czy też skrawania przerywanego (rys. 3.8).