Toczenie krokowe a stożkowe

Toczenie to jedna z podstawowych operacji obróbki skrawaniem. Na przestrzeni lat wraz z rozwojem technologii technika ta również ewoluowała i do dziś jest podstawową techniką produkcyjną w branży CNC. Toczenie to operacja cięcia, w której ostre narzędzie tnące kształtuje obracający się przedmiot obrabiany poprzez usuwanie materiału z jego powierzchni. Narzędzie porusza się wzdłuż powierzchni przedmiotu obrabianego wg zaprogramowanej ścieżki aż do uzyskania pożądanego kształtu. Toczenie tworzy przede wszystkim kształty cylindryczne lub stożkowe ze względu na ruch obrotowy przedmiotu obrabianego, choć możliwe są do uzyskania również bardziej złożone geometrie.

Spis treści:

1. Toczenie krokowe
2. Toczenie stożkowe
3. Toczenie krokowe a stożkowe i kluczowe różnice między nimi
4. Typowe zastosowania toczenia krokowego i stożkowego
5. Dobry plan to podstawa

Toczenie krokowe

Proces ten jest znacznie prostszy niż toczenie stożkowe. Tokarka tworzy wiele stopni (schodków) o różnych średnicach wzdłuż długości obracającego się cylindrycznego przedmiotu obrabianego. Każdy krok jest sekcją o stałej średnicy, co oznacza że kierunek posuwu narzędzia tokarskiego jest zawsze równoległy do osi przedmiotu obrabianego. Ostatecznie w wyniku obróbki może powstać przedmiot o dowolnej liczbie kroków (stopni), które mogą mieć różne zastosowania. Toczenie zapewnia więc w tym przypadku gniazda dla współpracujących komponentów, jak tuleje, ramiona do lokalizowania łożysk czy po prostu spełnia cele estetyczne.

Toczenie stopniowe to prosty proces, wymagający jednak cierpliwości. Rozpoczyna się od zamontowania w maszynie jednolitego okrągłego materiału i wykonania wstępnego cięcia, które ma na celu wyrównanie powierzchni na całej długości materiału. Następnie wykonywane jest toczenie krokowe, czyli w sposób stopniowy, zmniejszając średnicę każdej sekcji w wielu krokach, aż do uzyskania prawidłowej średnicy. W każdym kolejnym kroku narzędzie tnące powinno zapewnić prawidłowe ustawienie i wymiary. Na koniec warto wykonać cięcie wykończeniowe, które pomaga uzyskać dokładne wykończenie powierzchni i precyzyjną kontrolę nad wymiarami.

Toczenie stożkowe

Proces ten tworzy powierzchnię ze stożkiem, w której średnica przedmiotu obrabianego zmienia się stopniowo wzdłuż jego długości. Końcowy przedmiot obrabiany nie ma więc ostrych stopni i prostych powierzchni. Toczenie stożkowe może tworzyć różne formy:

• stożki zewnętrzne znajdują się na zewnętrznej powierzchni przedmiotu obrabianego,
• stożki wewnętrzne, które powstają na wewnętrznej powierzchni pustych elementów obrabianych,
• stożki proste, w których nie ma krzywizn, mają one stały kąt stożkowy wzdłuż długości cięcia,
• stożki zmienne, które charakteryzują się krzywiznami i rowkami poprzez użycie zmiennego kąta stożka.

Proces toczenia stożkowego jest nieco bardziej złożony niż toczenie krokowe. Punkty związane z mocowaniem przedmiotu obrabianego, cięciami wstępnymi, naddatkami na wykończenie są takie same jak w przypadku toczenia krokowego. Istnieją jednak czynniki, które należy wziąć dodatkowo pod uwagę, jak np. obliczenie kąta stożka, pod jakim narzędzie skrawające musi się poruszać względem osi obracającego się przedmiotu obrabianego.  Dzięki temu operator maszyny CNC może dobrać odpowiednią metodę toczenia stożka. Może skorzystać z kilku najpopularniejszych wariantów z wykorzystaniem:

• przystawki do toczenia stożkowego, która umożliwia ustawienie kierunku posuwu pod kątem odpowiadającym kątowi stożka,
• konika tokarki, który jest lekko przesunięty na jedną stronę, przechylając obrabiany przedmiot pod kątem, a poprzez dokładne dostrojenie offsetu konika można uzyskać prawidłowy kąt stożka,
• złożonego suwaka, w którym regulowany jest kąt podparcia, a dzięki temu jest to najszybszy i najwygodniejszy sposób wykonywania toczenia stożkowego podczas obróbki ręcznej,
• narzędzi formujących z nachyloną krawędzią tnącą, dzięki czemu kąt nachylenia jest równy kątowi stożka, a kierunek posuwu jest prostopadły do osi przedmiotu obrabianego.

Toczenie krokowe a stożkowe i kluczowe różnice między nimi

Obydwa te procesy to operacje tokarskie z podobną maszyną i ustawieniem narzędzi, choć zdecydowanie różnią się między sobą.  Najważniejsza różnica dotyczy oczywiście geometrii między stopniami a stożkiem. Kolejna różnica dotyczy kierunku posuwu narzędzia skrawającego. Toczenie krokowe wykorzystuje ruch równoległy do osi przedmiotu obrabianego. Odległość końcówki narzędzia skrawającego od osi przedmiotu obrabianego jest równa średnicy stopnia wału. W toczeniu stożkowym narzędzie tnące porusza się pod kątem do osi przedmiotu obrabianego. W tym przypadku, ponieważ narzędzie porusza się pod kątem, odległość między krawędzią narzędzia tnącego a osią przedmiotu obrabianego stale się zmienia. Pozostaje jednak między maksymalną a minimalną średnicą sekcji stożkowej.

Do różnic zalicza się również konfiguracja narzędzia skrawającego, która w przypadku toczenia krokowego jest bardzo prosta. Narzędzie jest po prostu mocno zamontowane w dowolnej odpowiedniej orientacji w urządzeniu do mocowania narzędzia. Toczenie stożkowe wymaga więcej uwagi. Kąt stożka może stworzyć wiele sytuacji problematycznych i może wymagać zmian w trakcie całego procesu obróbki.

Różnice dotyczą też wykończenia powierzchni. W toczeniu stożkowym ma ona drobniejsze wykończenie i nie wymaga z reguły zbyt dużego polerowania na koniec procesu. W toczeniu krokowym występuje kilka powierzchni. Każdy stopień dodaje dwie powierzchnie, jedną równoległą do osi obrotu i jedną prostopadłą do niej. Powoduje to niespójność pod względem wykończenia powierzchni szczególnie w punktach przejściowych, czyli na krawędzi, na której zaczyna się lub kończy stopień. Bywa, że trudno jest uzyskać idealny narożnik ze względu na promień ostrza narzędzia tnącego.

Typowe zastosowania toczenia krokowego i stożkowego

Obydwa procesy są istotne w produkcji w różnorodnych branżach. Toczenie krokowe jest wykorzystywane w branży motoryzacyjnej (wały proste, osie, sworznie, wałki skrzyni biegów), medycznej (narzędzia chirurgiczne, laski podporowe), paliwowej (wały pompowe, rury wielosekcyjne), elektronicznej (wały silników, tuleje montażowe, siłowniki). Z kolei toczenie stożkowe umożliwia wykonanie elementów silników, jak trzonki zaworów czy szpilki, wierteł stomatologicznych, igieł, dyszy, wierteł stożkowych, kołków łączących czy końcówek lutowniczych i wielu innych.

Toczenie krokowe ma swoje wady, co w przypadku choćby branży motoryzacyjnej wiąże się z potencjalnym marnotrawstwem materiału. Na przykład rozważmy wał, który wymaga stopni 45 mm, 40 mm i 25 mm. Oznacza to, że konieczne będzie użycie pręta o średnicy 50 mm, a do momentu osiągnięcia stopnia o średnicy 25 mm marnuje się połowa średnicy półfabrykatu. Jednak problemy te można złagodzić dzięki dobrym praktykom projektowym. Na przykład wybierając wałki o rozmiarach zbliżonych do standardowych rozmiarów półfabrykatu lub wybierając elementy mechaniczne, takie jak łożyska, koła zębate lub blokady stożkowe, które nie wymagają znacząco dużych zmian stopni.

Dobry plan to podstawa

Dobór odpowiedniej techniki toczenia powinien opierać się na dobrej analizie projektu. Warto ocenić geometrię części, wymiary, wykończenie powierzchni i cechy szczególne. Istotny jest również rodzaj materiału, jego twardość, ciągliwość czy kruchość.  Należy też określić wymaganą precyzję i integralność powierzchni dla każdej z cech oraz dobrać odpowiednie narzędzia skrawające i ich geometrię w oparciu o operację i materiał. Znaczenie ma również ustawienie prędkości skrawania, posuwów i kątów narzędzi, aby jak najlepiej zoptymalizować wydajność. Warto też sprawdzić czy wybrane operacje są zgodne z możliwościami maszyny CNC.