Jak zlikwidować długie wióry i poprawić kontrolę nad nimi podczas obróbki?

Obróbka CNC to przede wszystkim obróbka metali, podczas której w dużej ilości generowane są wióry. Mogą być one długie, nitkowate, splątane, a tym samym trudne do opanowania. Tworzenie się tego typu wiórów podczas obróbki negatywnie wpływa na bezpieczeństwo pracownika i narzędzia, jakość przedmiotu obrabianego, trwałość narzędzia i zużycie energii, a także zmniejsza wydajność operacyjną. Konieczna jest więc kontrola całego procesu produkcyjnego, tak aby wióry nie spowodowały awarii maszyny czy nie doprowadziły do uszkodzeń produkowanego detalu. W opanowaniu prawidłowego kształtu wiórów warto zastosować tzw. łamacze wiórów. Są to elementy lub specjalna struktura narzędzia skrawającego, takiego jak wiertło lub frez, których zadaniem jest poprawa kontroli wióra podczas obróbki. Są one tak zaprojektowane, aby móc rozbijać wióry, czyniąc je krótszymi a tym samym łatwiejszymi do opanowania. Przerywają przepływ wiórów wzdłuż krawędzi skrawającej narzędzia i łamią na mniejsze kawałki.

Czy wióry ciągłe rzeczywiście są problematyczne?

Obróbka skrawaniem polega na usuwaniu materiału z surowego przedmiotu obrabianego w celu uzyskania pożądanego kształtu i rozmiaru końcowego. W ten sposób powstają wióry, których właściwości zależą od ciągliwości, wytrzymałości i struktury krystalicznej przedmiotu obrabianego. Zwiększona ciągliwość prowadzi do ciągłych wiórów. Natomiast pierwiastki chemiczne jak np. fosfor, siarka czy ołów występujące w obrabianych materiałach, zwiększają kruchość powstających wiórów. Na rodzaj wiórów wpływa kombinacja czynników, takich jak cechy narzędzia i parametry cięcia. Formowanie wiórów podczas obróbki skrawaniem jest klasyfikowane jako ciągłe, nieciągłe i narastające.

Ciągłe formowanie wiórów to wynik obróbki materiałów ciągliwych przy dużej prędkości skrawania i niskim posuwie oraz głębokości skrawania. Taki typ formowania wiórów pozytywnie wpływa na uzyskanie wymaganego wykończenia powierzchni, ale obniża wydajność operacyjną. Wióry, które stale się gromadzą i nie odrywają od obrabianego przedmiotu, negatywnie wpływają też na bezpieczeństwo operatora i zużycie narzędzia. Owinięcie wióra wokół przedmiotu obrabianego powoduje uszkodzenie jakości powierzchni, a nagromadzenie wiórów w strefie skrawania powoduje nagromadzenie się ciepła na narzędziu skrawającym i obrabianym przedmiocie, co może znacznie przyśpieszyć zużycie narzędzi. Ciągły strumień wiórów zwiększa również moc wykorzystywaną w obróbce. To z kolei zwiększa koszty operacyjne i prowadzi do dłuższych cykli roboczych. Kontrola wiórów jest więc nadal przedmiotem badań naukowych, jak i producentów sprzętu i narzędzi skrawających. 

Zmiana parametrów skrawania jako jedna z metod łamania wiórów

W celu skutecznej kontroli wiórów należy zastosować ich łamanie. Opracowano kilka jego metod, aby skutecznie wyeliminować niekorzystne skutki. Badania eksperymentalne wykazały, że na trudno łamiące się wióry można mieć wpływ poprzez m.in. modyfikację parametrów skrawania. Takich jak prędkość skrawania, posuw, głębokość skrawania, kąt natarcia, rodzaj obrabianego materiału i geometria narzędzia. Istotny jest też kierunek strumienia wiórów oraz ich krzywizna. Zwiększenie głębokości skrawania i posuwu zwiększa tendencję wiórów do zwijania się i łamania, co ma jednak negatywny wpływ na jakość powierzchni przedmiotu obrabianego, jak i trwałość narzędzi. Należy pamiętać, że w przypadku niektórych rodzajów materiałów modyfikacja parametrów skrawania okazuje się nieskuteczna w odniesieniu do ilości usuwanego wióra.

Czym są łamacze wiórów?

Mogą one przybierać różne formy, w zależności od rodzaju narzędzia skrawającego i obrabianego materiału. W wiertle mogą to być małe nacięcia lub rowki wzdłuż rowków wiertła, gdy np. frez może posiadać ząbki lub inne kształty wzdłuż krawędzi skrawającej. Narzędzie tnące usuwa materiał z przedmiotu obrabianego, podczas gdy łamacz wiórów pomaga kontrolować wióry wytwarzane podczas obróbki poprzez rozbijanie wiórów w trakcie ich powstawania. Jest on zazwyczaj umieszczony w pobliżu krawędzi skrawającej narzędzia i może posiadać różne cechy, jak np. wycięcia, ząbki czy krzywizny. Zastosowanie łamacza wiórów zapobiega nadmiernemu zużyciu narzędzi, słabej jakości wykończeniu powierzchni czy uszkodzeniu przedmiotu obrabianego.

Stworzenie idealnego wióra nie jest łatwe, ale jest możliwe dzięki dobremu dobraniu łamacza wiórów. Długie, włókniste wióry świadczą o tym, że parametry skrawania są nieodpowiednie dla używanej płytki lub że zastosowano niewłaściwy łamacz wiórów dla aktualnie stosowanych parametrów skrawania. Wióry w idealnym rozmiarze nie stanowią zagrożenia dla maszyny i nie uszkodzą jej oprzyrządowania. Kiedy wióry nie są łamane, to tworzą się tzw. gniazda, które operator musi usuwać ręcznie ze strefy obróbki. Może to stwarzać zagrożenie dla zdrowia i bezpieczeństwa operatora, jak i wydłużenie cyklu produkcyjnego. Mogą również powodować uszkodzenia maszyny.

Rodzaje łamaczy wiórów

W zależności od rodzaju operacji obróbki CNC dobiera się różne rodzaje łamaczy wiórów. Do powszechnie stosowanych zalicza się:

• Proste łamacze wiórów, które składają się z prostych nacięć wzdłuż krawędzi skrawającej narzędzia. Są często używane do obróbki zgrubnej w miękkich materiałach, jak np. aluminium.
• Ząbkowane łamacze wiórów mają charakterystyczny wzór wzdłuż krawędzi tnącej w kształcie ząbków, który pomaga rozbijać wióry w miarę ich powstawania. Używane są w obróbce twardszych materiałów jak np. stal nierdzewna.
• Łamacze wiórów śrubowych, które na narzędziu tnącym mają wzór helisy wzdłuż krawędzi skrawającej. Pomaga kierować wióry z dala od obrabianego przedmiotu. Są używane do wiercenia i frezowania w materiałach takich jak np. żeliwo.
• Łamacze wiórów o zmiennym skoku wzdłuż krawędzi skrawającej, co pomaga rozbijać wióry w bardziej kontrolowany sposób. Są używane w materiałach, które mają tendencję do wytwarzania długich, nitkowatych wiórów jak np. mosiądz i miedź.
• Zakrzywione łamacze wiórów, które mają zakrzywiony kształt wzdłuż krawędzi skrawającej, który pomaga zwijać wióry i tym samym ułatwia ich obsługę. Są powszechnie stosowane w materiałach takich jak tytan i inne stopy o wysokiej wytrzymałości.
• Faliste łamacze wiórów, które mają falisty wzór wzdłuż krawędzi tnącej który pomaga rozbić wióry i zapobiega ich sprzątaniu. Używane przy obróbce materiałów takich jak aluminium i tworzywa sztuczne.

Jakie narzędzia mogą być wyposażone w łamacze wiórów?

Wióry powstają w czasie różnych operacji obróbki CNC. Dlatego łamacze są stosowane w wielu typowych narzędziach, które są wykorzystywane w trakcie tej obróbki. Wiertła posiadają łamacze w postaci nacięć lub ząbków wzdłuż rowków, które rozbijają wióry i zapobiegają ich plątaniu się wokół wiertła.  W przypadku frezów trzpieniowych łamacze mają postać ząbków lub innych wzorów wzdłuż ostrza. Narzędzia tokarskie natomiast posiadają zakrzywione lub również ząbkowane krawędzie. Wytaczaki, które służą do powiększania istniejących otworów w obrabianym przedmiocie, mogą mieć łamacze w postaci nacięć lub rowków wzdłuż krawędzi skrawającej, aby skutecznie rozbijać wióry. W łamacze są również wyposażone wymienne wkładki stosowane w różnych narzędziach tnących jak np. frezy czy narzędzia tokarskie, a ich forma zależy od zastosowania.

Plusy zastosowania łamaczy wiórów

Podstawową zaletą jest poprawa kontroli nad wiórami oraz zapobieganie problemom, które mogą wynikać z powstania długich i skłębionych wiórów. Kilka najpopularniejszych:

• Ograniczenie zużycia narzędzia, gdyż długie wióry mogą się owijać wokół narzędzia tnącego, powodując nadmierne ciepło i zużycie oraz mogą doprowadzić do jego złamania,
• Poprawa jakości wykończenia powierzchni, gdyż długie wióry mogą pozostawiać ślady na powierzchni przedmiotu obrabianego, co skutkuje jej nieestetycznym wykończeniem.
• Skrócenie przestoju maszyny, gdyż długie wióry mogą splątać się wokół narzędzia i spowodować przestoje maszyny podczas ich usuwania,
• Poprawa procesu odprowadzania wiórów gdyż zbyt długie lub zbyt duże wióry mogą zapychać przestrzenie w narzędziu, a rozbite mniejsze wióry są łatwiejsze do odprowadzenia,
• Zapobieganie uszkodzeniom przedmiotu obrabianego.
• Zwiększone bezpieczeństwo obróbki i pracowników.

Wady łamaczy wiórów

Łamacze wiórów mogą wymagać specjalistycznej wiedzy w celu optymalizacji ich konstrukcji dla konkretnych zastosowań. Mogą generować dodatkowe koszty w zakresie doboru narzędzi i konserwacji. Mają również ograniczoną skuteczność w niektórych scenariuszach obróbki.