Obróbka stali i jej sprzymierzeńcy  

Stal jest materiałem twardym, ale jeśli obróbka stali przestrzega odpowiednich procedur, ma ustawione optymalne parametry oraz odpowiednio dobrane narzędzia tnące, to nie powinna sprawiać większego problemu.

Jakie są trzy kluczowe parametry, z których korzysta obróbka stali?

Posuw i prędkość

Obróbka stali przy umiarkowanym posuwie i dużej prędkości zapewnia wysoką jakość wykończenia powierzchni kosztem trwałości narzędzia. Z drugiej strony obróbka stali przy dużej prędkości i dużym posuwie jest zalecana do obróbki zgrubnej, aby uzyskać gładkie wykończenie powierzchni przy dużej prędkości usuwania materiału. Umiarkowany posuw przy małej prędkości skrawania jest zalecany do zastosowań wymagających wysokiej jakości skrawania przy dobrej trwałości narzędzia oraz zadowalającej wydajności usuwania materiału kosztem czasu obróbki. W przypadku maszyn podstawowych zaleca się powolny posuw i małą prędkość, aby wyeliminować ryzyko wibracji, a tym samym podnieść jakość wykończenia powierzchni i precyzję cięcia.

Narzędzie skrawające

Stal jest materiałem plastycznym, przez co obróbka stali charakteryzuje się powstawaniem długich, nitkowatych wiórów, które mogą przylegać do narzędzia skrawającego i powodować jego zapychanie. Dlatego do obróbki stali zaleca się frez palcowy z dwoma lub trzema rowkami. Mniejsza liczba rowków zapewnia łatwe usuwanie wiórów, eliminując ryzyko zatkania narzędzia tnącego, co może doprowadzić do jego złamania.

Chłodziwo

Obróbka stali powoduje wytwarzanie wysokich temperatur wskutek tarcia, a tym samym powstawanie ciepła. To może doprowadzić do szybszego zużycia narzędzia a nawet do uszkodzenia przedmiotu obrabianego. Do regulacji temperatury skrawania stosuje się odpowiednio dobrane chłodziwo. Nie tylko obniża ono temperaturę w trakcie obróbki stali, ale również pomaga w usuwaniu wiórów, wypłukując je z obszaru skrawania. Dzięki temu zmniejsza się możliwość ponownego cięcia wiórów co może doprowadzić do szybszego zużycia narzędzia tnącego. Utrzymywanie ciągłego przepływu chłodziwa sprawia, że obróbka stali może odbywać się z większą prędkością i głębokością skrawania oraz większym posuwem. Przykładowo zaleca się stosowanie rozpuszczalnego oleju chłodzącego w stosunku 1:20, gdy używane jest narzędzie z węglika spiekanego do obróbki stali z dużą prędkością skrawania. Natomiast olej sulfochlorowany jest idealny do gwintowania czy rozwiercania stali o wysokiej wytrzymałości.

Obróbka stali a jej skrawalność

Skrawalność stali określa łatwość z jaką można usunąć materiał ze stalowego przedmiotu obrabianego przy jednoczesnym dobrym wykończeniu powierzchni i mniejszym zużyciu narzędzia. Wpływają na nią plastyczność, twardość i przewodność cieplna stali, ale również jej mikrostruktura, skład chemiczny, wielkość ziaren czy wytrzymałość na rozciąganie.

Stale węglowe o dużej zawartości węgla zapewniają doskonałą wytrzymałość i twardość przy słabej obrabialności. Natomiast stal automatowa zapewnia doskonałą wytrzymałość, twardość oraz odporność na ścieranie, a przy tym dobrą obrabialność. Zawartość siarki i fosforu ułatwia łamanie wiórów, dzięki czemu są one niewielkie i łatwiejsze do usuwania, co poprawia w znacznym stopniu skrawalność.

Do porównania poziomu obrabialności danego rodzaju stali ze stalą standardową (SAE 1212) służy tzw. wskaźnik obrabialności. Im wyższy, tym lepsza obrabialność materiału:

Wskaźnik obrabialności (%) = (V_i ÷ V_s ) x 100

V_i  – szybkość obróbki danej stali przy trwałości narzędzia wynoszącej 20 minut

V_s  – szybkość obróbki stali standardowej przy trwałości narzędzia wynoszącej 20 minut

Rodzaje stali i ich wskaźnik skrawalności [%]:

• Stal węglowa – 40-140
• Stal nierdzewna i superstopy – 19-70
• Stal stopowa – 50-80
• Stale narzędziowe – 27-42

Najlepszą skrawalność ma tzw. stal automatowa, czyli zawierająca 0,1-0,4% węgla, 0,1-0,35% siarki, 0,035-0,8% fosforu, a czasami 0,8-1,8% manganu. Wytwarza się z niej np. śruby lub nakrętki. Stal węglowa zawiera do 2% wagowo węgla, gdzie <0,30% zawartości węgla określa stal niskowęglową, a >0,6% określa stal wysokowęglową. Skrawalność stali węglowej maleje więc wraz ze wzrostem zawartości węgla, a zwiększa ją zawartość ołowiu. Stal nierdzewna poza węglem zawiera również ok. 11% chromu i charakteryzuje się doskonałą odpornością na korozję, choć i ona może w pewnych warunkach zardzewieć. Mimo wszystko ma zdecydowanie wyższą odporność niż stal węglowa, dzięki czemu obróbka stali nierdzewnej jest szeroko wykorzystywana w przemyśle spożywczym, medycznym czy np. lotniczym.

Stal stopowa to również stal węglowa na bazie żelaza z dodatkiem minimum jednego pierwiastka innego niż węgiel. Każdy z tych dodatków spełnia określone funkcje, i tak:

• Chrom, molibden, wanad i wolfram – poprawiają wygląd stali,
• Mangan, nikiel, krzem i miedź – zwiększają wytrzymałość,
• Nikiel i miedź – poprawiają odporność na korozję,
• Ołów, selen, bizmut i tellur – zwiększają skrawalność.

Stal narzędziowa charakteryzuje się dużą wytrzymałością i trwałością, przez co jest trudna w obróbce. Dlatego tak chętnie jest wykorzystywana do produkcji narzędzi, od których wymagana jest trwałość i niezawodność. Ze względu na słabą skrawalność przedmioty ze stali narzędziowej produkowane są różnymi metodami ułatwiającymi ten proces np. za pomocą kucia matrycowego, odlewania ciśnieniowego, toczenia, a czasami również obróbką skrawaniem. Produkuje się z niej m.in. dłuta, matryce, wiertła, frezy czy ostrza nożyc.

Obróbka stali i niwelowanie wibracji

Obróbka stali odbywa się przy dużych prędkościach obrotów narzędzia skrawającego, które dotyka bezpośrednio przedmiotu obrabianego w celu usunięcia materiału. To może powodować silne wibracje w układzie obróbki, co w widoczny sposób pogarsza jakość powierzchni obrabianej stali. Przemysłowe obrabiarki CNC mają dość sztywne obudowy, a tym samym są bardziej narażone na pracę strategicznych elementów. Dlatego ważne jest, aby w celu zminimalizowania lub całkowitego zniwelowania wibracji zastosować kilka kroków tj.:

• Dostosować krawędzie skrawające i kąty do procesu obróbki stali,
• Unikać długiego wysięgu narzędzia tnącego,
• Stosować mały promień naroża do operacji toczenia i wytaczania,
• Używać sztywnych narzędzi i uchwytów narzędziowych,
• Dostosować miejsce instalacji maszyny, aby uniknąć jej niepotrzebnych drgań,
• Zamocować prawidłowo obrabiany przedmiot,
• Przykręcić maszynę do podłoża.

Powyższe informacje jasno pokazują, jak wiele parametrów należy wziąć pod uwagę, aby obróbka stali była jak najbardziej efektywna. Doświadczony operator maszyny CNC czuwa nad procesem przez cały czas jego trwania, reagując nawet na najmniejsze odstępstwa.