W dziedzinie obróbki precyzyjnej, osiągnięcie kontroli na poziomie mikronów nad średnicami otworów stanowi poważne wyzwanie. Narzędzia do wytaczania, jako specjalistyczne narzędzia skrawające do obróbki otworów, wyłoniły się jako rozwiązanie tego wymagającego zadania. Narzędzia te służą nie tylko jako kluczowe komponenty poprawiające dokładność części, ale także jako skuteczne środki do obróbki skomplikowanych geometrii otworów wewnętrznych.

Narzędzie do wytaczania to narzędzie skrawające przeznaczone do obróbki otworów, którego podstawowe funkcje obejmują:

• Obróbka otworów wewnętrznych: Powiększanie istniejących otworów w celu poprawy dokładności wymiarowej i jakości powierzchni.
• Rozszerzanie średnicy otworu: Zwiększanie średnicy otworu do wymaganych specyfikacji.
• Profilowanie konturów wewnętrznych: Obróbka skomplikowanych geometrii wewnętrznych, takich jak otwory stożkowe i otwory stopniowane.

W porównaniu z innymi metodami obróbki otworów, takimi jak wiercenie, rozwiertak i przeciąganie, wytaczanie wyróżnia się wyjątkową elastycznością i możliwościami precyzyjnej kontroli. Poprzez skrawanie jedno- lub dwuostrzowe, narzędzia do wytaczania mogą osiągnąć dokładność obróbki na poziomie mikronów, spełniając rygorystyczne wymagania dotyczące tolerancji otworów do standardu H7 lub nawet H6. Narzędzia te znajdują szerokie zastosowanie w różnych obrabiarkach, w tym w wytaczarkach, tokarkach i frezarkach.

Narzędzia do wytaczania są kategoryzowane na podstawie ilości krawędzi skrawających i cech konstrukcyjnych, przy czym najczęściej spotykanymi wariantami są narzędzia do wytaczania jednoostrzowe i dwuostrzowe.

Narzędzia do wytaczania jednoostrzowe przypominają w konstrukcji narzędzia tokarskie, posiadając tylko jedną krawędź skrawającą. Do precyzyjnej obróbki otworów stosuje się zazwyczaj narzędzia do wytaczania z precyzyjną regulacją. Narzędzia te zawierają precyzyjne mechanizmy regulacyjne, które umożliwiają dokładną kontrolę średnicy skrawania bezpośrednio na obrabiarce.

Zasada działania obejmuje precyzyjny system wskaźnika tarczowego w połączeniu z precyzyjnym mechanizmem śrubowym pomiędzy uchwytem narzędzia a głowicą wytaczarską. Obracając tarczę, głowica narzędzia przesuwa się liniowo wzdłuż kluczy prowadzących, umożliwiając regulację średnicy na poziomie mikronów z precyzją sięgającą 0,001 mm.

Narzędzia do wytaczania dwuostrzowe posiadają dwie krawędzie skrawające symetrycznie rozmieszczone względem linii środkowej, umożliwiając jednoczesne operacje skrawania. Ta konfiguracja równoważy siły promieniowe podczas obróbki, poprawiając tym samym wydajność skrawania. W oparciu o konstrukcję uchwytu narzędzia, narzędzia do wytaczania dwuostrzowe są dalej klasyfikowane na typy pływające i stałe.

• Narzędzia do wytaczania pływające: Stosowane głównie do obróbki wykańczającej, narzędzia te przypominają w konstrukcji rozwiertaki i mogą wytwarzać otwory o wysokiej dokładności wymiarowej i wykończeniu powierzchni.
• Narzędzia do wytaczania stałe: Posiadają sztywne uchwyty narzędzi i nadają się do ogólnych operacji wytaczania.

Narzędzia do wytaczania składają się zazwyczaj z dwóch głównych elementów: korpusu narzędzia i głowicy skrawającej. Korpus narzędzia służy jako główna konstrukcja łącząca się z wrzecionem obrabiarki lub uchwytem narzędzia, podczas gdy głowica skrawająca, wykonana z twardych materiałów, takich jak węglik spiekany, wykonuje właściwą obróbkę w oparciu o specyficzne wymagania procesowe.

Wybór materiału na korpusy narzędzi uwzględnia sztywność, wytrzymałość i właściwości tłumienia drgań. Typowe materiały to:

• Stal stopowa: Oferuje dobrą wytrzymałość i wytrzymałość dla ogólnych zastosowań wytaczania.
• Stal wolframowa: Zapewnia doskonałą sztywność i tłumienie drgań w przypadku precyzyjnych, wymagających operacji.
• Kompozyty z włókna węglowego: Łączą właściwości lekkie z wysoką sztywnością, idealne do budowy dużych narzędzi do wytaczania.

Materiały głowicy skrawającej bezpośrednio wpływają na wydajność narzędzia i żywotność. Typowe opcje to:

• Stal szybkotnąca (HSS): Charakteryzuje się dobrą wytrzymałością i odpornością na zużycie do skrawania z małą prędkością.
• Węglik spiekany: Oferuje wysoką twardość, odporność na zużycie i odporność na ciepło do operacji z dużą prędkością.
• Ceramika: Zapewnia ekstremalną twardość i odporność na zużycie do zastosowań w wysokich temperaturach i przy dużych prędkościach.
• Azotek boru sześciennego (CBN): Zapewnia ultra-wysoką twardość do obróbki stali hartowanych i stopów żaroodpornych.
• Diament: Posiada najwyższą twardość i odporność na zużycie do materiałów nieżelaznych i niemetalicznych.

Narzędzia do wytaczania znajdują szerokie zastosowanie w praktycznie wszystkich dziedzinach obróbki mechanicznej, w tym:

• Obróbka cylindrów silników: Precyzyjne wytaczanie otworów cylindrów silników zapewnia prawidłowe działanie tłoka.
• Obróbka cylindrów hydraulicznych: Precyzyjne wytaczanie wnętrz cylindrów hydraulicznych utrzymuje wydajność uszczelniania systemu.
• Precyzyjna obróbka otworów łożysk: Dokładne wytaczanie otworów łożysk gwarantuje precyzję obrotową.
• Obróbka form: Precyzyjne wytaczanie gniazd form zapewnia dokładność wymiarową i jakość powierzchni produktu.

Jakość wytaczania zależy od wielu czynników, w tym sztywności systemu narzędziowego, równowagi dynamicznej, stabilności przedmiotu obrabianego, geometrii narzędzia, parametrów skrawania, systemów wrzeciona obrabiarki i metod mocowania.

Sztywność systemu narzędziowego krytycznie wpływa na jakość wytaczania, szczególnie w przypadku obróbki otworów o małej średnicy, głębokich i z twardego materiału, zwłaszcza w operacjach wspornikowych. Niewystarczająca sztywność powoduje wibracje podczas skrawania, pogarszając dokładność i wykończenie powierzchni.

Równowaga dynamiczna odnosi się do równomiernego rozkładu masy podczas obrotu. Nierównowaga generuje siły odśrodkowe powodujące wibracje, co jest szczególnie problematyczne w operacjach z dużą prędkością. Korekta równoważenia dynamicznego poprawia jakość obróbki.

Sztywność przedmiotu obrabianego określa odporność na odkształcenia. Małe, cienkościenne elementy lub przedmioty obrabiane o ograniczonej geometrii mogą ulegać odkształceniom pod wpływem sił skrawania bez odpowiedniego zamocowania. Zwiększenie sztywności przedmiotu obrabianego poprzez odpowiednie mocowania lub dodatkowe punkty podparcia poprawia dokładność obróbki.

Geometria narzędzia, w tym kąt natarcia, promień noska i konfiguracja łamacza wiórów, wpływa na siły skrawania. Różne geometrie wytwarzają różne poziomy oporu — na przykład większe kąty natarcia zmniejszają siły skrawania, ale zmniejszają wytrzymałość narzędzia. Właściwy dobór geometrii odpowiada specyficznym wymaganiom obróbki.

Parametry skrawania — prędkość, posuw i głębokość skrawania — znacząco wpływają na wyniki. Nadmierna prędkość przyspiesza zużycie narzędzia, podczas gdy niewystarczająca prędkość zmniejsza wydajność. Niewłaściwe posuwy powodują przeciążenie narzędzia lub słabe wykończenie powierzchni, podczas gdy nieprawidłowa głębokość skrawania powoduje wibracje lub wydłuża czas obróbki. Optymalizacja parametrów zapewnia wysoką jakość wyników.

Charakterystyka systemu wrzeciona, w tym sztywność, wydajność łożysk/kół zębatych i jakość połączenia uchwytu narzędzia, wpływają na wyniki wytaczania. Niewystarczająca sztywność wrzeciona powoduje wibracje, podczas gdy słaba wydajność łożysk/kół zębatych zmniejsza dokładność obrotową. Luźne połączenia prowadzą do niestabilności narzędzia. Niezbędne są precyzyjne, sztywne systemy wrzeciona.

Metody mocowania narzędzia znacząco wpływają na jakość wytaczania. Wysokość środka narzędzia stanowi krytyczny czynnik — nieprawidłowa wysokość zmienia efektywne kąty natarcia i pochylenia, powodując interferencję narzędzia z przedmiotem obrabianym. Podczas obrotu narzędzia powstaje tarcie, potencjalnie wpychające narzędzie głębiej w przedmiot obrabiany.

Zwiększenie kąta natarcia zmniejsza siły skrawania i wytwarzanie ciepła, ale zmniejsza wytrzymałość krawędzi skrawającej. Gdy kąty pochylenia maleją, efektywne kąty natarcia rosną, powodując skrobanie narzędzia — szczególnie problematyczne w wytaczaniu małych otworów. Optymalne pozycjonowanie narzędzia nieco powyżej wysokości środka (pozostając jednocześnie jak najbliżej) poprawia kąty pochylenia i warunki skrawania.

Podczas wibracji końcówka narzędzia odchyla się w dół w kierunku wysokości środka, zbliżając się do idealnego pozycjonowania. Niewielkie cofnięcie narzędzia minimalizuje ryzyko uszkodzenia przedmiotu obrabianego. Mniejsze kąty natarcia stabilizują nacisk skrawania, chociaż nadmiernie małe kąty (zbliżające się do 0°) mogą spowodować uszkodzenie narzędzia — ogólnie preferowane są narzędzia do wytaczania z dodatnim kątem natarcia.

W operacjach wytaczania wewnętrzne położenie narzędzia ogranicza dostęp płynu chłodzącego do krawędzi skrawającej, komplikując usuwanie wiórów i skracając żywotność narzędzia. Rozwiązania obejmują narzędzia chłodzone wewnętrznie i systemy płynu chłodzącego pod wysokim ciśnieniem.

Dobór narzędzia do wytaczania zależy w dużej mierze od średnicy i długości otworu (głębokości i wysięgu). Ogólne wytyczne zalecają minimalny wysięg i maksymalny praktyczny rozmiar narzędzia. Właściwy dobór narzędzia, zastosowanie i pewne mocowanie minimalizują ugięcie i wibracje.

Podczas skrawania zarówno siły styczne, jak i promieniowe próbują odchylić narzędzie od przedmiotu obrabianego. Ugięcie promieniowe zmniejsza głębokość skrawania i grubość wiórów, potencjalnie powodując wibracje. Ugięcie promieniowe wpływa na średnicę otworu, podczas gdy ugięcie styczne przesuwa krawędź skrawającą w dół od linii środkowej. Kluczowe kwestie dotyczące wytaczania obejmują geometrię płytki, ewakuację wiórów i wymagania dotyczące narzędzi.

Kąt natarcia narzędzia wpływa na kierunek/wielkość siły osiowej i promieniowej. Promień noska i kąt krytycznie wpływają na redukcję siły — ogólna zasada sugeruje promień noska nieco mniejszy niż głębokość skrawania. W przypadku toczenia wewnętrznego geometrie z dodatnim kątem natarcia generują mniejsze siły skrawania niż alternatywy z ujemnym kątem natarcia. Materiały o niskim tarciu, takie jak płytki ceramiczne, płytki cienkowarstwowe lub płytki bez powłoki, zazwyczaj wytwarzają zmniejszone siły skrawania i są preferowane.

Ewakuacja wiórów okazuje się krytyczna dla wydajności i bezpieczeństwa w obróbce wewnętrznej. Krótkie wióry zwiększają zużycie energii, wibracje i zużycie kraterowe, podczas gdy długie wióry powodują problemy z ewakuacją. Idealne wióry są krótkie i spiralne, ułatwiając usuwanie przy minimalnym nacisku na krawędź skrawającą.

Siła odśrodkowa wypycha wióry na zewnątrz, chociaż często pozostają one w otworze, potencjalnie uszkadzając zarówno przedmiot obrabiany, jak i narzędzie, gdy są ściskane o obrobione powierzchnie. Poprawa ewakuacji wiórów obejmuje wewnętrzne zastosowanie płynu chłodzącego lub sprężonego powietrza przez kanały wrzeciona. Wytaczanie wsteczne pomaga kierować wióry z dala od krawędzi skrawającej. Zmniejszone prędkości skrawania i mniejsze głowice skrawające maksymalizują przestrzeń na wióry.

Dobór narzędzi do obróbki wewnętrznej podlega następującym zasadom:

• Wybierz największą możliwą średnicę pręta wytaczarskiego, zachowując jednocześnie odpowiedni prześwit na wióry.
• Zapewnij zgodność z parametrami skrawania i tworzeniem wiórów w celu płynnej ewakuacji.
• Zminimalizuj długość wysięgu — długość mocowania powinna przekraczać trzykrotność średnicy pręta.
• Wybierz kąty natarcia przekraczające 75°, najlepiej zbliżające się do 90°, aby skierować siły wzdłuż osi pręta.
• Wybierz geometrie z dodatnim kątem natarcia, aby zminimalizować ugięcie.
• Użyj promieni noska mniejszych niż głębokość skrawania.
• Unikaj wibracji spowodowanych niewystarczającym zazębieniem (zdominowanym przez tarcie) lub nadmiernym zazębieniem (duża głębokość/posuw).
• Preferuj płytki ceramiczne lub cienkowarstwowe/bez powłoki w celu zmniejszenia sił skrawania, szczególnie w przypadku wysokich stosunków długości do średnicy.
• Geometrie łamaczy wiórów otwartych na ogół przynoszą korzyści operacjom wytaczania.
• Płytki o wyższej wytrzymałości mogą być konieczne w przypadku problemów z pakowaniem wiórów lub wibracjami — zmodyfikowane ścieżki narzędzi mogą poprawić tworzenie wiórów.