Nowoczesne narzędzia do obróbki skrawaniem
Pixabay – CADby57Obróbka skrawaniem przechodzi obecnie jedną z najbardziej dynamicznych transformacji w swojej historii. Rosnące wymagania dotyczące wydajności, precyzji i elastyczności produkcji, połączone z pojawianiem się nowych, trudnoskrawalnych materiałów, wymuszają ciągły rozwój technologii narzędziowych.
Współczesne narzędzia skrawające to zaawansowane produkty inżynierii materiałowej, w których każdy element – od składu podłoża, przez rodzaj powłok, aż po geometrię krawędzi – jest optymalizowany dla konkretnych aplikacji.
Materiały narzędziowe – podłoża dla ekstremalnych warunków
Węgliki spiekane – niezmienni liderzy
Węgliki spiekane utrzymują pozycję dominującego materiału narzędziowego, stanowiąc ok. 60–70% globalnego rynku. Ich sukces wynika z optymalnego balansu między twardością, odpornością na zużycie i wytrzymałością mechaniczną. Nowoczesne gatunki węglikowe charakteryzują się coraz drobniejszym ziarnem – submikronowym (0,5–0,8 μm) lub nawet ultradrobnoziarnistym (poniżej 0,5 μm), co zapewnia połączenie wysokiej twardości z dobrą ciągliwością.
Rozwój idzie w kierunku gradientowych struktur materiałowych, których skład chemiczny i rozmiar ziarna zmieniają się od powierzchni do rdzenia płytki. Strefa powierzchniowa bogata w kobalt zwiększa odporność na wykruszenia, podczas gdy rdzeń o większym ziarnie zapewnia wytrzymałość na pękanie. Dodatki stopowe modyfikują właściwości dla specyficznych aplikacji, od obróbki stali nierdzewnych po stopowe aluminium.
Ceramika – dla najwyższych prędkości
Narzędzia ceramiczne, choć stanowią zaledwie kilka procent rynku, znajdują zastosowanie w najbardziej wymagających aplikacjach wysokowydajnościowych. Ceramika na bazie azotku krzemu (Si₃N₄) oferuje wyjątkową odporność termiczną i chemiczną, umożliwiając obróbkę żeliw i nadstopów niklu z prędkościami niemożliwymi dla węglików.
Ceramika tlenkowa (Al₂O₃) wzmacniana whiskerami węglika krzemu lub cząstkami ZrO₂ łączy odporność na ścieranie z poprawioną wytrzymałością mechaniczną. Najnowsze kompozyty ceramiczne wykorzystują nanometryczne wzmocnienia, osiągając właściwości wcześniej nieosiągalne. Ograniczeniem pozostaje wrażliwość na obciążenia udarowe i wibracje, co zawęża zastosowania do obróbki wykańczającej
i półwykańczającej na sztywnych maszynach.
Regularne azotki boru – dla materiałów utwardzonych
Regularne azotki boru (cubic boron nitrid – CBN) stanowią drugie po diamencie najtwardsze materiały narzędziowe. Ich unikalna przewaga leży w stabilności termochemicznej – w przeciwieństwie do diamentu nie reagują z żelazem w wysokich temperaturach, co umożliwia obróbkę stali hartowanych. Narzędzia te zdominowały twardą obróbkę (50–67 HRC), zastępując szlifowanie operacjami toczenia i frezowania. Skracają czasy obróbki o 60–80% przy jednoczesnej poprawie dokładności wymiarowo-kształtowej.
Najnowsze gatunki o zwiększonej zawartości cBN (ponad 90%) oferują niespotykaną odporność na zużycie w obróbce stali łożyskowych, narzędziowych i wyżarzonych elementów hartowanych indukcyjnie.
PKD – specjaliści od aluminium i kompozytów
Polikrystaliczny diament (PKD) pozostaje materiałem wyboru dla obróbki stopów aluminium, szczególnie nadeutektycznych, zawierających cząstki krzemu. Jego ekstremalnie niska adhezja do aluminium eliminuje narost na ostrzu, zapewniając doskonałą jakość powierzchni przy wielokrotnie dłuższej żywotności niż węgliki.
Rozwój technologii PKD koncentruje się na zmniejszaniu wielkości ziarna diamentowego do 2–5 μm, co poprawia jakość krawędzi skrawającej i umożliwia ostrzenie precyzyjnych geometrii. Nowe gatunki z nanokrystalicznym diamentem oferują wyższą wytrzymałość na wykruszenia, rozszerzając zastosowania na przerywane cięcie i frezowanie.
Jak wyjaśnia Marcin Różański, dyrektor techniczny w ISCAR Poland, obecnie
największą popularność zyskują nowoczesne gatunki węglików spiekanych i wielowarstwowe powłoki PVD/CVD typu TiAlN, AlTiN czy DLC, a także materiały narzędziowe – CBN, PCD i ceramika.
– O ich popularności decyduje rosnące zapotrzebowanie na obróbkę trudnych materiałów, takich jak stopy na bazie niklu, tytanu czy też stali o wysokiej twardości – dodaje Marcin Różański. – Niezwykle istotny jest też dzisiaj nacisk na wydajność i redukcję kosztów związanych z trwałością narzędzia oraz postęp w technologiach nanoszenia powłok, które zapewniają większą odporność na temperaturę, ścieranie i adhezję. Wszystko to jest odpowiedzią na presję rynku, gdzie liczy się maksymalna produktywność i minimalny koszt na detal.
Według Iwony Paczuskiej, menadżera ds. marketingu i public relations w firmie
Polcomm, rynek narzędzi skrawających rozwija się dwutorowo. Uniwersalne rozwiązania zapewniają elastyczność i szybkie przezbrojenia. Równocześnie coraz trudniejsze materiały i wymagania precyzji napędzają rozwój narzędzi specjalnych, projektowanych pod konkretne aplikacje.
Iwona Paczuska dodaje: – Polcomm, z 25-letnim doświadczeniem, jest tu ekspertem – projektujemy, testujemy, produkujemy i serwisujemy narzędzia specjalne. Takie zaawansowane technicznie narzędzia pozwalają klientom optymalizować procesy, skracać czas obróbki i redukować koszty. W praktyce klienci wybierają miks: uniwersalne narzędzia do typowych zadań oraz rozwiązania indywidualne tam, gdzie liczy się przewaga technologiczna i ekonomiczna.
Rewolucja powłokowa – nanometry decydujące o wydajności
Współczesne powłoki narzędziowe to złożone struktury wielowarstwowe o całkowitej grubości 2–15 μm, gdzie każda warstwa pełni specyficzną funkcję. Powłoki CVD (osadzanie chemiczne z fazy gazowej) i PVD (osadzanie fizyczne z fazy gazowej) ewoluowały w kierunku hybrydowych systemów łączących zalety obu technologii.
Typowa architektura obejmuje:
- warstwę adhezyjną (TiN, TiCN) zapewniającą przyczepność do podłoża,
- warstwy robocze (TiAlN, AlCrN, AlTiN) zapewniające odporność na zużycie i utlenianie,
- warstwę wierzchnią (TiN, TiAlN) o niskim współczynniku tarcia redukującym siły skrawania.
Grubość pojedynczych warstw w strukturach nanokompozytowych wynosi zaledwie 2–50 nm. Taka architektura zatrzymuje propagację pęknięć na granicach międzywarstwowych, radykalnie zwiększając odporność na wykruszenia.
Powłoki wysokoentropowe
Przełomem ostatnich lat są powłoki z wysokoentropowych stopów (high entropy alloys – HEA), które zawierają pięć lub więcej pierwiastków w odpowiednich proporcjach: AlCoCrFeNi, TiZrHfNbTa czy AlCrTiVSi tworzą roztwory stałe o niespotykanej stabilności termicznej i odporności na utlenianie. Powłoki HEA zachowują właściwości mechaniczne w temperaturach przekraczających 1000°C, w których konwencjonalne powłoki ulegają degradacji. Znajdują zastosowanie w suchej obróbce stali żaroodpornych i nadstopów, gdzie temperatury w strefie skrawania sięgają 1200°C.
Diamentopodobne powłoki węglowe
Powłoki DLC (diamond-like carbon) łączą niski współczynnik tarcia (0,1–0,3) z wysoką twardością. Najnowsze odmiany – ta-C (tetrahedrally bonded amorphous carbon) – osiągają twardość 70–80 GPa, zbliżając się do diamentu naturalnego.
Powłoki te eliminują adhezję materiału obrabianego do narzędzia, co jest kluczowe w obróbce aluminium, stopów miedzi, tworzyw sztucznych i kompozytów polimerowych. Ograniczeniem jest stabilność termiczna – powyżej 400–500°C następuje grafityzacja struktury i utrata właściwości.
Powłoki adaptacyjne i inteligentne
Przyszłość należy do powłok adaptacyjnych zmieniających właściwości w odpowiedzi na warunki skrawania. Powłoki z materiałów zmiennofazowych mogą modyfikować twardość i współczynnik tarcia w funkcji temperatury. Systemy nanokompozytowe z fazami o różnej reaktywności chemicznej tworzą samonaprawiające się warstwy tlenkowe, regenerując powierzchnię podczas pracy.
Prowadzone są badania nad powłokami „inteligentnymi”, które zawierają środki smarne uwalniające się po zniszczeniu warstwy wierzchniej, co zapewnia samosmarowanie w najbardziej krytycznych momentach.
Obróbka materiałów trudnoskrawalnych – wyzwania technologiczne
Nadstopy na bazie niklu (Inconel, Waspaloy, Hastelloy), stosowane np. w turbinach lotniczych i energetycznych, należą do materiałów najtrudniejszych w obróbce. Ich skrawalność charakteryzuje liczba K – dla Inconelu 718 wynosi ona zaledwie 0,25 (dla stali C45 przyjmuje się 1,0).
Problemy wynikają z:
- utwardzania odkształceniowego – twardość warstwy wierzchniej wzrasta podczas skrawania o 50–100%,
- wysokiej temperatury w strefie skrawania (900––1100°C) przy niskiej przewodności cieplnej,
- tendencji do adhezji i tworzenia narostu na ostrzu,
- obecności faz wydzieleniowych (γ’, γ’’) powodujących ścieranie ścierne.
Strategie obróbkowe obejmują stosowanie geometrii dodatnich o ostrych krawędziach minimalizujących odkształcenia, niskich prędkości skrawania (20–60 m/min) z dużymi posuwami, a także powłok na bazie AlTiN o wysokiej odporności na utlenianie. Obróbka na mokro wysokociśnieniowym chłodzeniem redukuje temperaturę i przedłuża żywotność narzędzi.
Stopy tytanu łączą z kolei niską przewodność cieplną z wysoką reaktywnością chemiczną. Temperatura w strefie skrawania koncentruje się w wąskim obszarze krawędzi, prowadząc do intensywnego zużycia cieplno-chemicznego.
Narzędzia do obróbki tytanu wymagają specjalnych geometrii z małymi kątami przyłożenia. Prędkości skrawania pozostają niskie, a chłodzenie musi być obfite w celu usunięcia ciepła. Węgliki o drobnym ziarnie z powłokami TiAlN lub AlCrN oferują najlepszy kompromis między odpornością na ścieranie a zużyciem cieplnym.
– Firma ISCAR aktywnie odpowiada na rosnące wymagania związane z obróbką trudnych materiałów, takich jak tytan czy stopy na bazie niklu – mówi Marcin Różański. – Rozwiązaniem są zaawansowane gatunki węglika spiekanego o wysokiej odporności na ścieranie i temperaturę oraz innowacyjne narzędzia z CBN i ceramiki, które umożliwiają stabilną, wydajną i powtarzalną obróbkę. ISCAR inwestuje w rozwój geometrii płytek, powłok i systemów chłodzenia, co pozwala znacząco skrócić czas cyklu, poprawić jakość powierzchni i obniżyć koszty produkcji u klientów w branży lotniczej, energetycznej i medycznej.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
Również materiały kompozytowe – CFRP (polimery wzmacniane włóknem węglowym), GFRP (polimery wzmacniane włóknem szklanym), MMC (kompozyty metalowe) – stawiają duże wyzwania. Włókna węglowe o twardości przekraczającej węglik intensywnie ścierają narzędzia, podczas gdy miękka matryca polimerowa ulega delaminacji i przegrzaniu.
Narzędzia PKD oferują najdłuższą żywotność, ale ich kruchość prowadzi do wykruszeń przy obróbce CFRP zawierających twardsze warstwy. Alternatywą są specjalne węgliki o ultradrobnym ziarnie z powłokami diamentowymi lub narzędzia z węglika wolframu bez powłok, które choć szybciej się zużywają, zapewniają lepszą jakość krawędzi otworu.
Obróbka wymaga ostrych krawędzi skrawających (promień < 5 μm), wysokich prędkości skrawania (200–600 m/min) i minimalizowania wibracji. Ważne jest chłodzenie, które ma zapobiegać przegrzaniu matrycy polimerowej, i ewakuacja pyłów kompozytowych zagrażających zdrowiu operatorów.
Trendy kształtujące przyszłość narzędzi
– Przemysł w coraz większym stopniu ewoluuje w kierunku zmian, które obejmują wzmacnianie możliwości produkcyjnych przy jednoczesnym wdrażaniu zasad zrównoważonego rozwoju. Nie można też zapominać o rosnącej konkurencyjności w zakresie podnoszenia trwałości produktów, co bez wątpienia wiąże się z rosnącym znaczeniem gospodarki o obiegu zamkniętym – mówi Tomasz Charkot, specjalista ds. marketingu, MMC Hardmetal Poland.
I dodaje, że oba te trendy są widoczne również w dziedzinie obróbki skrawaniem, gdzie producenci narzędzi wprowadzają na rynek rozwiązania o zwiększonej trwałości. Doskonałym przykładem jest seria MV1000 produkowana przez Mitsubishi Materials. Zdobyła ona już wielu zwolenników, przede wszystkim dzięki znakomitej odporności na zużycie, wysokiej wytrzymałości termicznej i odporności na utlenianie.
Narzędzia skrawające coraz częściej stają się też elementem ekosystemu cyfrowego. Systemy RFID i NFC integrowane w oprawkach umożliwiają automatyczną identyfikację narzędzi, śledzenie historii użytkowania i predykcję żywotności. Czujniki piezoelektryczne wbudowane w narzędzia monitorują siły skrawania, temperatury i wibracje w czasie rzeczywistym. Dane z narzędzi zasilają algorytmy sztucznej inteligencji, które optymalizują parametry skrawania.
– Przemysł produkcyjny stoi w obliczu presji związanej ze zrównoważonym rozwojem, niepewnością gospodarczą i niedoborem wykwalifikowanej kadry, co stwarza potrzebę bardziej odpornej i wydajnej produkcji. W tym kontekście największy wpływ na branżę w ciągu najbliższych 5–10 lat będzie mieć cyfryzacja narzędzi skrawających – mówi Arkadiusz Krawczuk, regional sales manager Poland z firmy Sandvik Coromant. – Inteligentne narzędzia monitorują zużycie, siły skrawania i temperaturę w czasie rzeczywistym, optymalizując obróbkę i wydłużając żywotność narzędzi. Dzięki temu cyfrowe narzędzia pomagają producentom utrzymać jakość, efektywność i elastyczność w coraz bardziej złożonym środowisku produkcyjnym.
Druk 3D rewolucjonizuje produkcję oprawek i korpusów narzędzi. Selektywne topienie laserowe (SLM) stali narzędziowej czy stopów tytanu umożliwia tworzenie geometrii niemożliwych do uzyskania w obróbce konwencjonalnej. Narzędzia drukowane 3D są lżejsze od konwencjonalnych. Dzięki temu redukują obciążenia wrzecion, umożliwiając wyższe prędkości obrotowe.
Miniaturyzacja komponentów elektronicznych i medycznych napędza rozwój mikronarzędzi o średnicach poniżej 0,1 mm. Wytwarzanie takich narzędzi wymaga dużej precyzji i kontroli geometrii na poziomie nanometrów. Lasery femtosekundowe, wiązki jonowe i elektroerozja precyzyjna umożliwiają kształtowanie krawędzi o promieniach poniżej 1 μm.
Zrównoważony rozwój – ekologia w obróbce skrawaniem
Każda godzina dłuższej pracy narzędzia to redukcja odpadów, zużycia energii i emisji związanych z produkcją nowych płytek. Powstają więc nowe powłoki, które dzięki wydłużaniu żywotności narzędzi mają coraz większy wpływ środowiskowy w skali globalnej.
– Trwałość narzędzi skrawających zależy zarówno od czynników kontrolowanych przez producenta (takich jak geometria, jakość materiału czy zastosowane powłoki), jak i od warunków pracy. Kluczowe znaczenie mają parametry skrawania, stan techniczny maszyny, sposób montażu narzędzia i prawidłowe chłodzenie. Wszystkie te elementy bezpośrednio wpływają na żywotność narzędzia – mówi Iwona Paczuska. – Polcomm wspiera klientów kompleksowo: doradzamy, dobieramy optymalne rozwiązania dla konkretnych aplikacji i testujemy je w realnych warunkach produkcyjnych, a w razie potrzeby projektujemy narzędzia indywidualnie dopasowane do konkretnych wymagań. Dzięki temu nasi klienci otrzymują narzędzia gwarantujące maksymalną trwałość i wydajność w ich procesach.
Jak wyjaśnia Arkadiusz Krawczuk, produkcja narzędzi skrawających musi utrzymać wysoką wydajność przy jednoczesnym ograniczeniu wpływu na środowisko i zużycia zasobów. Kierując się filozofią „Manufacturing Wellness”, Sandvik Coromant wdraża zasady zrównoważonego rozwoju na każdym etapie produkcji narzędzi skrawających. Na etapie projektowania, powlekania, obróbki i wykańczania uwzględniamy efektywność energetyczną, optymalizację materiałową i bezpieczeństwo procesów. Takie podejście pozwala wydłużyć żywotność narzędzi, zwiększyć efektywność procesów i zmniejszyć ślad środowiskowy, czyniąc zrównoważony rozwój kluczowym czynnikiem jakości i odporności operacyjnej.
Systemy regeneracji – ponownego ostrzenia narzędzi pełnowęglikowych i odnawiania powłok – wpisują się w gospodarkę obiegu zamkniętego. Technologie laserowego usuwania zużytych powłok i ich ponownej aplikacji pozwalają wykorzystać nośnik kilkukrotnie przed utylizacją.
– Z pewnością wiele firm zajmujących się obróbką metali z zadowoleniem przyjmie to, że regeneracja narzędzi staje się rynkowym standardem. Przekłada się to na znaczące wydłużenie żywotności narzędzi i umożliwia wykonanie większej liczby serii przy użyciu jednego narzędzia. Warto zauważyć, że producenci narzędzi skrawających oferują również coraz szerszy asortyment bardziej uniwersalnych narzędzi – mówi Tomasz Charkot. – W tym kontekście trzeba wspomnieć o innym rozwiązaniu z katalogu Mitsubishi Materials: serii frezów z wymiennymi głowiczkami iMX. Wielu operatorów i technologów jest pozytywnie zaskoczonych ich wysoką stabilnością i dokładnością, które wcześniej były zarezerwowane dla frezów monolitycznych. Dodatkowo możliwość wymiany głowic zwiększa zakres zastosowań frezów iMX.
Eliminacja chłodziwo-smarowych cieczy to obecnie jeden z priorytetów dla branży narzędziowej. Tradycyjne emulsje zawierają substancje toksyczne, wymagają kosztownej utylizacji i są zagrożeniem dla zdrowia operatorów. Obróbka na sucho eliminuje te problemy, ale wymaga narzędzi o wyjątkowej odporności termicznej.
Rozwiązaniem może być technologia MQL (minimum quantity lubrication), która dostarcza mikroskopijne ilości biodegradowalnych olejów bezpośrednio w strefę skrawania. Aerozol smarny redukuje tarcie i temperaturę przy 99% redukcji zużycia płynów względem konwencjonalnego chłodzenia. Najnowsze systemy CO₂ kriogenicznego łączą efekt chłodzący z ekologią – CO₂ wychwycony z procesów przemysłowych jest wykorzystywany w obróbce, a następnie ulatnia się bez pozostawiania odpadów.
Współczesne narzędzia skrawające to kulminacja postępu w materiałoznawstwie, inżynierii powierzchni, projektowaniu wspomaganym symulacjami i cyfryzacji procesów. Narzędzie coraz częściej staje się sensorem, elementem inteligentnej fabryki, uczestnikiem ekosystemu cyfrowego. Wyzwania – obróbka coraz trudniejszych materiałów, wymagania ekologiczne i personalizacja – napędzają w bardzo szybkim tempie innowacje. Kolejne dekady mogą przynieść rozwiązania dziś jeszcze postrzegane jako science fiction: narzędzia inteligentne, samonaprawiające się, a także dynamicznie dostosowujące się do zmiennych warunków.
O Autorze
