Jak wydłużyć żywotność narzędzi skrawających

Jak wydłużyć żywotność narzędzi skrawających Adobe Stock – kargona

Zużywanie się narzędzi podczas procesów skrawania jest naturalną koleją rzeczy i nie da się mu całkowicie zapobiec. Odpowiedni wybór narzędzia do specyficznych warunków obróbki czy właściwie dobrane parametry tego procesu ogromnie jednak wpływają nie tylko na wydajność skrawania, ale także na przedłużenie żywotności narzędzi.

Zużycie ostrza narzędzia skrawającego jest procesem, który postępuje już od pierwszego użycia freza, wiertła czy innej płytki skrawającej. Wynika to z tego, że w procesie obróbki narzędzia pracują przy znacznych obciążeniach mechanicznych i termicznych (wysokiej temperaturze). Stopniowo narzędzie będzie więc tracić właściwości robocze, a to będzie się przekładać na wydajność obróbki.

Powiązane firmy

Zoller Polska Sp. z o.o.

Zużycie ostrza narzędzia można podzielić na naturalne (prawidłowe) i wytrzymałościowe. Zużycie naturalne zachodzi przez cały czas eksploatacji narzędzia – oznacza stopniową utratę masy i zmianę cech geometrycznych. To normalne zjawisko, które (z różnym natężeniem) będzie zachodzić przez cały czas.

Z kolei zużycie wytrzymałościowe oznacza skokową utratę właściwości narzędzia na skutek przekroczenia wytrzymałości (doraźnej lub zmęczeniowej). W takiej sytuacji może dojść do poważniejszego uszkodzenia narzędzia (np. wykruszenia się, pęknięcia, a nawet złamania).

Warto mieć na uwadze, że korzystanie ze stępionego narzędzia przełoży się nie tylko na gorsze wyniki procesu obróbczego. Może też doprowadzić do całkowitego zniszczenia narzędzia (np. złamania czy pęknięcia). 

Zużywanie się narzędzia jest efektem występowania różnych procesów na styku ostrza i obrabianego materiału. Procesy te zależą m.in. od dobranych parametrów skrawania, właściwości materiału ostrza i materiału obrabianego oraz innych czynników. Z tego względu można rozróżnić kilka najważniejszych rodzajów zużycia (mechaniczne, adhezyjne, cieplne, dyfuzyjne i chemiczne). 

I choć zużycie ostrza jest naturalnym następstwem eksploatacji narzędzia, może je przyspieszyć także wiele innych czynników. Do najważniejszych z nich należą:

  • zły dobór narzędzia (materiału) do obrabianego detalu i materiału, z jakiego jest on wykonany,
  • niewłaściwa geometria ostrza skrawającego do rodzaju obróbki i obrabianego materiału,
  • nieprawidłowe dobranie parametrów skrawania,
  • brak odpowiedniego chłodzenia i smarowania podczas procesów skrawania,
  • niewłaściwe odprowadzanie wiórów z obszaru obróbki,
  • wibracje podczas procesu skrawania.

Dobór odpowiedniego materiału

W dużej mierze na szybkość zużywania się ostrza narzędzia wpływa materiał obrabianego detalu (którego nie możemy wybrać) i materiał narzędzia skrawającego (na którym mamy wpływ). Każdy materiał obrabiany charakteryzuje się jakimś poziomem ścierności, co oznacza, że w różnym stopniu, ale każde narzędzie skrawające będzie się stopniowo zużywać. To samo można powiedzieć o materiale, z którego jest wykonane narzędzie skrawające. Ścieralność ostrza narzędzia może więc postępować z różną prędkością zależnie od różnych parametrów (m.in. temperatury panującej podczas obróbki na styku ostrza i detalu).

Dlatego tak istotny jest dobór odpowiedniego narzędzia i materiału pod kątem obrabianego detalu. Na przykład narzędzie wykonane z węglika spiekanego generalnie będzie się charakteryzować mniejszą ścieralnością niż wykonane ze stali szybkotnącej czy stali narzędziowej.

Konieczność obróbki coraz bardziej zaawansowanych materiałów sprawia, że producenci technologii skrawających rozwijają systemy, które podnoszą odporność narzędzi na zużycie. Powszechne stają się narzędzia wykonane z węglika spiekanego, które podczas wymagającej obróbki wykazują się znacznie większą trwałością niż ich stalowe odpowiedniki – tłumaczy Tomasz Charkot, specjalista ds. marketingu w MMC Hardmetal Poland.

Ponieważ w wielu branżach zyskują na popularności coraz wytrzymalsze materiały (m.in. nadstopy niklu, żarowytrzymałe stale nierdzewne, stopy tytanu czy różnego rodzaju kompozyty), do ich obróbki niezbędne są coraz bardziej zaawansowane materiały. Narzędzie z węglika może okazać się po prostu zbyt kruche i będzie się dużo szybciej zużywać. Konieczne jest więc użycie narzędzi wykonanych np. ze spieków ceramicznych (ceramiki tlenkowej opartej na tlenku glinu lub azotku krzemu, z dodatkami tlenków cyrkonu, magnezu i tytanu) lub innych supertwardych materiałów (m.in. borazonu lub elboru, czyli odmian azotku boru, czy diamentu).

Ewentualny problem z kruchliwością węglika ogranicza się, stosując dodatkowe warstwy pokrycia narzędzi (np. TiCN, Al2O3 lub PVD). Warto jednak pamiętać, żeby w przypadku obróbki szczególnie wymagających materiałów (np. kompozytowych lub superstopów) przed wdrożeniem narzędzia zasięgnąć porady technologa, który specjalizuje się w danym sposobie obróbki – podkreśla Tomasz Charkot. 

Również zastosowanie odpowiednich powłok materiałowych na narzędziach skrawających może być skutecznym sposobem wydłużania żywotności narzędzi. Przy tym zależnie od zastosowanej powłoki różnie mogą się zmieniać właściwości narzędzia. Najczęściej mamy do czynienia ze zmniejszonym tarciem i mniejszym rozgrzewaniem się ostrza, a także redukcją oksydacji czy dyfuzji.

Chłodzenie, smarowanie i odprowadzanie wiórów

W większości procesów obróbczych (poza tzw. obróbką na sucho) niezbędne jest zapewnienie odpowiedniego chłodzenia i smarowania zarówno narzędzia, jak i przedmiotu obrabianego. Dobór właściwego chłodziwa (najczęściej mieszaniny wody i oleju) ma duże znaczenie dla zwiększenia odporności narzędzia na zużycie.

Przede wszystkim chłodziwo obniża temperaturę obróbki, a to przekłada się na mniejszą ścieralność materiału ostrza. Płyn chłodzący ma jednak również właściwości smarujące, dzięki którym zmniejsza się współczynnik tarcia na styku ostrza i obrabianego detalu. Dodatkowo zabezpiecza też obrabiane elementy przed korozją.

Ważną kwestią może być również sposób podawania chłodziwa (konwencjonalne, od góry albo od dołu). Podawanie chłodziwa od góry jest precyzyjne – strumień chłodziwa jest kierowany bezpośrednio w strefę skrawania. Nawet więc przy mniejszym ciśnieniu chłodziwo skutecznie spełnia swoją rolę chłodząco-smarującą, a także poprawnie odprowadza wióry.

Z kolei podawanie chłodziwa od dołu (na powierzchnię przyłożenia) lepiej reguluje temperaturę w obszarze skrawania i skuteczniej odprowadza ciepło. Takie podawanie chłodziwa jest bardzo wydajne już przy niskim ciśnieniu chłodziwa – im jednak wyższe ciśnienie, tym większy wpływ na wzrost trwałości narzędzia. Można wówczas zwiększyć prędkość skrawania lub posuw, aby poprawić efektywność procesu.

Istotną rolą chłodziwa jest również odprowadzanie wiórów. (Niekiedy do ich odprowadzania wykorzystuje się sprężone powietrze, choć nie zapewnia ono odpowiedniego obniżenia temperatury). To bardzo ważny proces, ponieważ zakleszczające się wióry mogą pogorszyć m.in. właściwości obróbki, a także przyczynić się do uszkodzenia narzędzia.

Zapewnienie właściwych parametrów obróbki

Olbrzymi wpływ na prędkość zużywania się ostrza narzędzia skrawającego mają odpowiednie parametry obróbki, które powinny być dopasowane do charakterystyki obrabianego materiału. Ważne są także parametry pracy samej obrabiarki, dobór odpowiedniego chłodziwa i środka smarującego oraz podanie ich we właściwy sposób.

Największy wpływ z punktu widzenia trwałości ostrza mają następujące parametry skrawania:

  • prędkość skrawania,
  • posuw,
  • głębokość skrawania.

Prędkość skrawania decydująco wpływa na czas obróbki, a tym samym na wydajność procesu. Zwiększanie prędkości skrawania może jednak nieść niekorzystne następstwa. Przede wszystkim bowiem powoduje wzrost temperatury, co przyspiesza ścieralność powierzchni przyłożenia. Może dojść do szybko postępującego zużycia kraterowego i deformacji plastycznej. 

Także jednak zbyt niska prędkość skrawania może przyczyniać się szybszego tępienia się ostrza i powstawanie narostów. Nie mówiąc o mniejszej opłacalności obróbki i złej jakości wykończenia powierzchni. 

W przypadku kolejnego parametru – czyli posuwu – jego zbyt duża wartość może skutkować niewłaściwym formowaniem i odprowadzaniem wiórów. A to może utrudniać proces obróbki i powodować uszkodzenie narzędzia. Może także nieść ryzyko zużycia kraterowego i deformacji plastycznej. Z kolei przy zbyt małym posuwie istnieje ryzyko szybszego starcia powierzchni przyłożenia, powstawania narostów i zbyt długich wiórów.

Zbyt duża głębokość skrawania może być natomiast przyczyną występowania większych sił nacisku – co może doprowadzić do wyłamania się płytki. Za mała głębokość skrawania przekłada się na wzrost temperatury i gorszą kontrolę wiórów oraz może powodować drgania.

Trwałość narzędzi w dużym stopniu zależy również od dokładności obróbki. Większa dokładność zapewnia mniejsze obciążenia narzędzia, poprawia równomierne rozłożenie obciążenia i minimalizuje ryzyko nierównomiernego zużycia ostrza narzędzia.

W przypadku doboru parametrów skrawania szczególnie istotne jest znalezienie odpowiedniego balansu między wysokimi parametrami skrawania a trwałością narzędzia skrawającego.

Ważne pomiary i wyważanie

Mówiąc o czynnikach, które mogą wpływać na wydłużenie żywotności narzędzi skrawających, nie można pominąć właściwego wyważenia zestawu, który składa się z uchwytu i narzędzia, a także wykonania odpowiednich pomiarów. Dzięki optymalnie i bardzo precyzyjnie wyważonym narzędziom można uzyskać wiele korzyści, w tym m.in. poprawienie żywotności narzędzi dzięki ograniczeniu zużycia komponentów, większą precyzję działania wyważonego elementu, dłuższy okres eksploatacji wrzeciona i lepszą jakość powierzchni wytwarzanych części.

Z kolei zastosowanie odpowiedniego urządzenia ustawczo-pomiarowego pozwala nie tylko zaoszczędzić czas przygotowania produkcji, ale również pozwala na szybki i dokładny pomiar narzędzia, sprawdzenie stanu ostrza skrawającego i jego geometrii, ustawienie narzędzi specjalnych, co w dłuższej perspektywie powinno przełożyć się na zmniejszenie kosztów narzędzi i przedłużenie ich żywotności.

Na naszych przyrządach możemy oczywiście ocenić stopień zużycia narzędzia i to, czy płytka lub narzędzie kwalifikuje się do wymiany, czy też może pracować dłużej. Natomiast dzięki odpowiednio ustawionym i pomierzonym narzędziom wydłużamy żywotność korpusu, płytek, a tym samym wytrzymałość i trwałość narzędzi. Dobrze ustawione i wyważone narzędzia równomiernie się zużywają, a praca nimi pozwala uzyskać lepsze parametry chropowatości obrabianej powierzchni – stwierdza Michał Pawłowski, dyrektor zarządzający firmy Zoller Polska.

Konserwacja i regeneracja narzędzi

Zwiększenie trwałości narzędzi można uzyskać także dzięki regularnym czynnościom konserwacyjnym. Podczas użytkowania narzędzi warto np. sprawdzać, czy nie zostało uszkodzone gniazdo płytki. Oznakami uszkodzenia mogą być gorsze przyleganie płytki do boków gniazda, widoczne odstępy w narożnikach między płytką a dnem gniazda czy wykruszenia na płytkach podporowych. Regularna konserwacja gniazda płytki powinna polegać na usuwaniu wiórów lub pyłów z dna gniazda przy użyciu sprężonego powietrza.

W przypadku oprawek mocowanych śrubą konieczne są albo ich prawidłowe dokręcenie (z zalecanym momentem siły), albo wymiana (kiedy widać ślady zużycia). Ważne jest także użycie odpowiedniego środka smarującego, żeby nie dopuścić do zakleszczenia śruby.

Jeśli stępienie ostrza będzie już na tyle duże, że narzędzie nie będzie się nadawało do obróbki, można pomyśleć o jego ostrzeniu lub regeneracji. Regeneracji można poddawać noże tokarskie, wytaczaki, wiertła składane, frezy składane, czyli wszystkie narzędzia, w których stosuje się wymienne płytki skrawające.

Co ważne, dobrze zregenerowane narzędzia praktycznie nie ustępują nowym. Przy tym w procesie regeneracji można nie tylko odtworzyć wszystkie parametry narzędzia (wymiary, geometrię). Można je także odpowiednio zmodyfikować. Równie istotne jest to, że proces regeneracji tego samego narzędzia można przeprowadzać kilkukrotnie – bez utraty jego pierwotnych właściwości. 

O tym, czy narzędzie można poddać jeszcze procesowi szlifowania, ostrzenia i powlekania decyduje przede wszystkim stan zużycia jego krawędzi. Regeneracja jest możliwa, jeśli nie ma na nich zbyt dużych wykruszeń ani wyłamań.

Jak widać, przedłużenie trwałości narzędzi jest jak najbardziej możliwe, jeśli dba się o nie na różnych etapach ich eksploatacji. Warto to robić, ponieważ daje to całkiem wymierne oszczędności finansowe dla przedsiębiorstwa, a przy okazji pozytywnie wpływa na środowisko naturalne.

Tagi artykułu

MM Magazyn Przemysłowy 5-6/2024

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę