Obróbka skrawaniem: co to jest? Toczenie, frezowanie i wiercenie w pigułce

Obróbka skrawaniem to proces, w którym z półfabrykatu usuwa się nadmiar materiału w postaci wióra, aby nadać przedmiotowi określony kształt, wymiary i gładkość powierzchni. Spotkasz ją wszędzie tam, gdzie powstają metalowe części, od narzędziowni i zakładów automotive po produkcję konstrukcji stalowych i maszyn rolniczych. Pod tą jedną nazwą kryje się kilka metod, a najważniejsze z nich to toczenie, frezowanie i wiercenie. Z tego artykułu dowiesz się w pigułce, czym jest skrawanie, jak dzieli się na obróbkę wiórową i ścierną oraz czym te trzy podstawowe operacje różnią się między sobą.

Co to jest obróbka skrawaniem?

Obróbka skrawaniem polega na usuwaniu zbędnej warstwy materiału z półfabrykatu narzędziem z ostrą krawędzią, które zamienia naddatek obróbkowy w wióry. Efektem jest gotowy detal o dokładnym kształcie, właściwych wymiarach i wymaganej gładkości, czyli chropowatości powierzchni. Właśnie dlatego skrawanie zalicza się do obróbki ubytkowej, nazywanej też subtraktywną, bo masa przedmiotu w jej trakcie maleje. Spośród sposobów kształtowania metalu skrawanie daje najwyższą precyzję, dlatego powstają nim najbardziej odpowiedzialne części maszyn i narzędzi.

Dobrze od razu odróżnić ją od dwóch innych sposobów kształtowania metalu. W obróbce plastycznej, takiej jak gięcie czy tłoczenie, materiał tylko zmienia kształt i nic z niego nie ubywa. Z kolei technologie przyrostowe, jak druk 3D, budują przedmiot przez dodawanie materiału warstwa po warstwie. Skrawanie działa dokładnie odwrotnie, bo od pełnej bryły odejmuje to, co zbędne, aż zostanie właściwa część.

Rodzaje obróbki skrawaniem: obróbka wiórowa i ścierna

Obróbkę skrawaniem dzieli się na dwie grupy, wiórową i ścierną, a różnica tkwi w rodzaju krawędzi, która zdejmuje materiał. To podstawowy podział, od którego zaczyna się każda klasyfikacja tego procesu.

W obróbce wiórowej narzędzie ma ostrza o ściśle określonej geometrii i znanej liczbie, a materiał schodzi w postaci wyraźnego wióra. Należą tu toczenie, frezowanie i wiercenie, opisane w dalszej części. Obróbka ścierna tnie inaczej, bo pracuje tysiącami drobnych ziaren o nieregularnym kształcie, osadzonych w ściernicy, tarczy albo papierze ściernym. Zbiera przy tym bardzo cienką warstwę materiału, dlatego służy głównie do wygładzania i dokładnego wykańczania powierzchni.

Sztandarowym przykładem obróbki ściernej jest szlifowanie. I tak, szlifowanie również zalicza się do obróbki skrawaniem, mimo że nie zostawia klasycznych wiórów, a jedynie mikroskopijne cząstki. Do tej samej grupy należą też gładzenie, docieranie i polerowanie.

Toczenie, frezowanie i wiercenie, czyli trzy podstawowe metody wiórowe

Te trzy operacje różni przede wszystkim to, co się obraca, oraz kształt, jaki nadają przedmiotowi. W toczeniu wiruje obrabiany detal, a we frezowaniu i wierceniu obraca się narzędzie. Z tej jednej różnicy wynika, do czego każda z metod się nadaje.

Wszystkie łączą też trzy nastawy, od których zależy wynik i tempo pracy: prędkość skrawania (Vc), czyli jak szybko krawędź przesuwa się względem materiału, posuw (f), czyli o ile narzędzie przemieszcza się na jeden obrót, oraz głębokość skrawania (ap), czyli jak grubą warstwę zdejmuje w jednym przejściu. Materiał usuwa się zwykle w kilku przejściach, od obróbki zgrubnej, która szybko zbiera większość naddatku, po wykańczającą, która nadaje ostateczny wymiar i gładkość.

Toczenie

Toczenie kształtuje powierzchnie obrotowe, bo obrabiany przedmiot wiruje na wrzecionie, a nieruchomy nóż tokarski dosuwa się do niego i zdejmuje naddatek. Tak powstają wałki, tuleje, sworznie, stożki i gwinty, czyli wszystko, co ma oś obrotu. Operację wykonuje się na tokarce, a odmian toczenia jest kilka, od zewnętrznego i wewnętrznego po wzdłużne i poprzeczne.

Frezowanie

We frezowaniu to narzędzie się obraca: wieloostrzowy frez wiruje i zbiera materiał, podczas gdy przedmiot przesuwa się względem niego. Dzięki temu frezarka radzi sobie z płaszczyznami, rowkami, uzębieniami i skomplikowanymi kształtami przestrzennymi, których toczenie nie wykona. W zależności od tego, czy pracuje obwód, czy czoło narzędzia, mówi się o frezowaniu obwodowym i czołowym. To najbardziej uniwersalna z trzech metod, zwłaszcza w wersji sterowanej numerycznie.

Wiercenie

Wiercenie służy do wykonywania otworów, a pracuje nim wiertło, które jednocześnie obraca się i posuwa wzdłuż własnej osi w głąb materiału. Powstają tak otwory przelotowe i ślepe o różnej średnicy, a operację wykonuje się na wiertarce. Gdy otwór ma być dokładniejszy lub większy, po wierceniu sięga się po operacje pokrewne, takie jak rozwiercanie i wytaczanie. Typowym narzędziem jest wiertło kręte, a przy głębszych otworach trzeba na bieżąco odprowadzać wióry i ciepło z dna otworu.

Obrabiarki i sterowanie: od maszyn konwencjonalnych po CNC

Każdą metodę skrawania wykonuje dedykowana obrabiarka, a o jej dokładności i powtarzalności decyduje dziś przede wszystkim sposób sterowania. Toczeniem zajmuje się tokarka, frezowaniem frezarka, wierceniem wiertarka, a obróbką ścierną szlifierka. W większych zakładach ich funkcje łączą centra obróbcze, które w jednym zamocowaniu detalu toczą, frezują i wiercą.

Obrabiarki dzieli się na konwencjonalne i sterowane numerycznie. Na maszynie konwencjonalnej to operator ręcznie ustawia parametry i prowadzi narzędzie, dlatego wynik zależy od jego wprawy. Obrabiarka CNC (Computerized Numerical Control) realizuje program komputerowy, który prowadzi narzędzie z powtarzalną, wysoką precyzją, często na podstawie modelu z systemu CAD/CAM. To dlatego produkcję seryjną trudno dziś sobie wyobrazić bez CNC. Warto jednak pamiętać, że sterowanie numeryczne nie jest osobną metodą obok toczenia czy frezowania, a jedynie sposobem prowadzenia tej samej obrabiarki. Nad jej pracą czuwa wykwalifikowany operator, w Polsce znany jako technik obróbki skrawaniem.

Co i gdzie się obrabia? Materiały i zastosowania

Skrawaniem obrabia się niemal każdy materiał konstrukcyjny, od metali po tworzywa i drewno, co czyni tę technologię najbardziej uniwersalnym sposobem wytwarzania części. Najczęściej pod narzędzie trafiają stal, żeliwo, aluminium, mosiądz, miedź i tytan. Obok metali skrawa się też tworzywa techniczne, takie jak POM, nylon czy poliwęglan, a także drewno i kompozyty.

Trudno wskazać branżę, która obywa się bez obróbki skrawaniem. Wały, koła zębate i korpusy dla motoryzacji oraz maszyn rolniczych, precyzyjne elementy dla lotnictwa i energetyki, detale dla przemysłu konstrukcji stalowych i hut, a także części zamienne do maszyn produkcyjnych, wszystkie powstają na tokarkach i frezarkach. Popularność tej technologii bierze się z jej zalet, bo pozwala wykonać zarówno pojedynczy detal, jak i całą serię, i to bez kosztownych form odlewniczych. Wszędzie tam, gdzie potrzebny jest metalowy element o dokładnych wymiarach, w grę wchodzi skrawanie.

Obróbka skrawaniem w pigułce: najważniejsze wnioski

Obróbka skrawaniem to ubytkowe kształtowanie przedmiotu przez usuwanie naddatku w postaci wióra, a jej trzon stanowią toczenie, frezowanie i wiercenie. Toczenie obrabia powierzchnie obrotowe, frezowanie płaszczyzny i złożone kształty, a wiercenie wykonuje otwory. Wszystkie trzy należą do obróbki wiórowej, którą od ściernej, jak szlifowanie, odróżnia narzędzie o określonej geometrii ostrza. O precyzji i powtarzalności detalu decyduje zaś sposób sterowania obrabiarką, dziś najczęściej numeryczny (CNC).

Na koniec wątek, który w praktyce spina wszystkie te metody: ciepło. Tarcie w strefie skrawania podnosi temperaturę, a to przyspiesza zużycie narzędzia i pogarsza jakość powierzchni. Dlatego proces chłodzi się i smaruje cieczami obróbkowymi. Dobrze dobrane chłodziwo, jak CarboLoy z naszej oferty, wydłuża żywotność ostrza i chroni obrabiany detal przed korozją, ale to już temat na osobny artykuł.

Chłodziwo do obróbki skrawaniem — jak wybrać odpowiedni rodzaj do CNC, tokarki i wiertarki?