Frezowanie twardych stali to proces niezwykle wymagający, zarówno dla operatora, jak i dla samego narzędzia. Stale narzędziowe, łożyskowe czy hartowane konstrukcyjne wykazują wysoką twardość i odporność na ścieranie, co znacząco utrudnia efektywną obróbkę. W takich warunkach kluczowe znaczenie mają odpowiednio dobrane powłoki narzędzi, zastosowanie technologii MQL (Minimal Quantity Lubrication), optymalne parametry skrawania oraz troska o maksymalną trwałość ostrza. Nowoczesne zakłady produkcyjne coraz częściej łączą te elementy w spójną strategię obróbki, aby uzyskać wyższą jakość powierzchni, ograniczyć koszty narzędziowe i zwiększyć stabilność całego procesu.
Powłoki narzędzi w obróbce twardych stali
W przypadku frezowania materiałów o twardości powyżej 50 HRC, rola powłoki narzędzia staje się kluczowa. To właśnie cienka warstwa wierzchnia decyduje o odporności na wysokie temperatury, tarcie czy mikropęknięcia. Najczęściej stosowane są powłoki PVD i CVD, które dzięki różnicom w strukturze i sposobie nanoszenia, oferują odmienne właściwości użytkowe.
Powłoki TiAlN (tlenek tytanu z aluminium) i jego modyfikacje, takie jak AlTiN czy TiAlSiN, charakteryzują się bardzo wysoką odpornością na temperaturę, sięgającą nawet 900°C, co pozwala na pracę przy dużych prędkościach skrawania bez ryzyka szybkiego utlenienia. Z kolei powłoki z dodatkiem krzemu tworzą warstwę ochronną o dużej twardości i niskim współczynniku tarcia, co minimalizuje powstawanie narostu na ostrzu.
Inną grupę stanowią powłoki diamentopodobne (DLC), które choć rzadziej stosowane w stalach hartowanych, znajdują zastosowanie tam, gdzie wymagana jest szczególnie gładka powierzchnia i ograniczenie przywierania materiału obrabianego.
W praktyce przemysłowej wybór powłoki zależy nie tylko od rodzaju stali, ale również od planowanych parametrów obróbki oraz oczekiwanej trwałości narzędzia. W wielu przypadkach producenci zalecają powłoki wielowarstwowe, które łączą kilka właściwości ochronnych, np. wysoką odporność termiczną z redukcją tarcia.
Minimal Quantity Lubrication – nowoczesne chłodzenie w praktyce
W tradycyjnym podejściu do frezowania twardych stali stosowano obfite chłodzenie emulsją, jednak coraz częściej obserwuje się zwrot w kierunku technologii MQL (Minimal Quantity Lubrication). Polega ona na podawaniu mikroskopijnych ilości oleju w formie aerozolu bezpośrednio w strefę skrawania. Choć ilość środka smarnego jest znikoma w porównaniu z klasycznym chłodzeniem, to jego efektywność okazuje się zaskakująco wysoka.
Zastosowanie MQL w obróbce stali hartowanych przynosi szereg korzyści:
-
redukcję temperatury w strefie skrawania dzięki mikrosmarowaniu i efektowi kapilarnemu,
-
wydłużenie trwałości narzędzia poprzez ograniczenie tarcia między wiórem a powierzchnią ostrza,
-
poprawę jakości powierzchni obrabianej, co ma znaczenie przy produkcji form i matryc,
-
zmniejszenie zużycia chłodziwa, a tym samym obniżenie kosztów i wpływu na środowisko.
Technologia ta wymaga jednak precyzyjnego ustawienia dysz oraz kontroli ilości podawanego środka, ponieważ zbyt mała dawka nie zapewni właściwego efektu smarującego, a zbyt duża może doprowadzić do powstawania mgły olejowej w obrębie stanowiska pracy. W praktyce przemysłowej MQL najlepiej sprawdza się w połączeniu z narzędziami o powłokach odpornych na wysoką temperaturę, które wytrzymują ekstremalne warunki tarcia i ciepła bez ryzyka mikropęknięć.
Parametry skrawania a efektywność procesu
Dobór właściwych parametrów skrawania podczas frezowania twardych stali ma fundamentalne znaczenie dla uzyskania stabilnego procesu i wydłużenia żywotności narzędzia. Zbyt wysokie wartości prędkości skrawania mogą doprowadzić do gwałtownego wzrostu temperatury w strefie kontaktu, a co za tym idzie – do szybkiego zużycia ostrza. Z drugiej strony, zbyt niskie parametry powodują niewystarczającą efektywność i ryzyko powstawania drgań, które pogarszają jakość powierzchni.
Przyjmuje się, że prędkości skrawania w obróbce stali hartowanych mieszczą się zazwyczaj w zakresie 80–200 m/min, w zależności od rodzaju narzędzia, powłoki i geometrii ostrza. Posuw na ząb również musi być starannie dobrany – zbyt mały może generować efekt tarcia zamiast skrawania, natomiast zbyt duży powoduje nadmierne obciążenie krawędzi tnącej.
Ważną rolę odgrywa także głębokość i szerokość skrawania. W przypadku frezowania wykończeniowego preferuje się małe wartości głębokości (rzędu 0,1–0,3 mm), co pozwala osiągnąć wysoką jakość powierzchni, natomiast w operacjach zgrubnych stosuje się większe parametry, aby zwiększyć wydajność usuwania materiału.
Dodatkowym elementem jest strategia obróbki. Coraz częściej stosuje się ścieżki trochoidalne, które zmniejszają kontakt narzędzia z materiałem, pozwalając na redukcję temperatury i równomierne obciążenie ostrzy. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie prędkości skrawania bez ryzyka przegrzania.
Trwałość ostrza i czynniki decydujące o jej wydłużeniu
Trwałość ostrza w obróbce twardych stali jest wypadkową wielu elementów – od jakości samego narzędzia, przez parametry skrawania, aż po zastosowaną technologię chłodzenia i smarowania. Wydłużenie życia narzędzia stanowi kluczowy cel w każdym zakładzie produkcyjnym, ponieważ bezpośrednio przekłada się na koszty i efektywność procesu.
Na trwałość ostrza wpływają przede wszystkim:
-
Powłoki narzędzi – zwiększają odporność na temperaturę, zmniejszają tarcie i chronią ostrze przed mikropęknięciami.
-
Strategia chłodzenia – zastosowanie MQL, suchej obróbki lub w wybranych przypadkach chłodzenia kriogenicznego pozwala zmniejszyć ryzyko termicznego uszkodzenia ostrza.
-
Dobór parametrów skrawania – optymalizacja prędkości i posuwu redukuje ryzyko nadmiernego obciążenia krawędzi tnących.
-
Geometria narzędzia – odpowiednie kąty natarcia i spływu pomagają w kontrolowanym odprowadzaniu wiórów oraz zmniejszeniu sił skrawania.
-
Sztywność układu obrabiarka–uchwyt–narzędzie – wszelkie luzy czy brak stabilności powodują drgania, które dramatycznie skracają życie ostrza.
W praktyce przemysłowej szczególne znaczenie ma obserwacja formy zużycia narzędzia. Najczęściej występujące to zużycie ścierne, mikropęknięcia oraz wykruszanie krawędzi. Regularna kontrola pod mikroskopem pozwala ocenić stan ostrza i zapobiec nagłemu pęknięciu, które mogłoby uszkodzić obrabianą powierzchnię.
W nowoczesnych zakładach stosuje się także systemy monitorowania sił i temperatury w czasie rzeczywistym, które umożliwiają predykcję momentu wymiany narzędzia. Dzięki temu zamiast sztywnych interwałów wymiany ostrza, proces można dostosować dynamicznie, maksymalnie wykorzystując potencjał narzędzia bez ryzyka awarii.
Podsumowując, trwałość ostrza to efekt synergii: właściwego doboru powłoki, chłodzenia, parametrów skrawania i stabilności procesu. To właśnie ta kombinacja decyduje o tym, czy frezowanie twardych stali będzie procesem ekonomicznym, czy kosztownym i problematycznym.
Więcej: usługi CNC.
